考慮碳排放的鐵路隧道施工機(jī)械配置優(yōu)化模型

鮑學(xué)英,許 錕

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

隨著鐵路建設(shè)發(fā)展以及我國生態(tài)文明建設(shè)的要求，在“綠水青山就是金山銀山”發(fā)展理念的指引下，針對(duì)鐵路建設(shè)領(lǐng)域開展有關(guān)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的研究越來越重要。因此，研究鐵路隧道施工中的節(jié)能減排問題是必要及實(shí)用的[1]。鐵路隧道開挖支護(hù)循環(huán)作業(yè)對(duì)各類機(jī)械設(shè)備的搭接配合有較高的要求，合理的機(jī)械配置能夠在保證工程質(zhì)量的基礎(chǔ)上有效地加快施工進(jìn)度并節(jié)省施工成本。

在鐵路隧道機(jī)械配置方面的主要研究成果有：李有兵[2]以貴廣鐵路天平山隧道為例從隧道開挖支護(hù)、裝碴運(yùn)輸?shù)确矫娼榻B了一種長大隧道的機(jī)械化配套技術(shù)。王宏禮等[3]以鉆爆法施工的巖溶隧道為例，對(duì)比分析了在特長隧道施工方面常用機(jī)械的施工效果。楊森森[4]以高原特長隧道快速施工為研究對(duì)象，通過工效分析發(fā)現(xiàn)鉆孔、支護(hù)作業(yè)線是影響快速施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。并根據(jù)高原地域特點(diǎn)及快速施工目標(biāo)對(duì)施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)行配套選型。劉春陽[5]以關(guān)角隧道為例，通過工程調(diào)研及統(tǒng)計(jì)分析研究高寒環(huán)境下隧道施工機(jī)械工作效率變化，并通過模糊評(píng)判對(duì)施工機(jī)械進(jìn)行選型。

在建設(shè)施工碳排放方面國內(nèi)外學(xué)者們也有一些研究成果。Peng等[6]利用能耗值、碳排放因子等參數(shù)建立了瀝青路面施工過程的碳排放模型，發(fā)現(xiàn)用于加熱瀝青材料的能源類型是關(guān)鍵因素。Byung等[7]在考慮碳排放的情況下提出一種新型雙向樓板設(shè)計(jì)模型，根據(jù)測(cè)算新型綠色樓板能夠有效減少碳排放。Liu等[8]提出一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)制構(gòu)件整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈碳排放的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目的在于有效地進(jìn)行建筑業(yè)碳排放實(shí)時(shí)控制。Zhang等[9]基于生命周期評(píng)價(jià)以中國建筑業(yè)為例建立模型，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)中國建筑業(yè)碳排放增加的主要因素為建筑規(guī)模、建筑結(jié)構(gòu)類型以及材料生產(chǎn)效率。張強(qiáng)等[10]依據(jù)IPCC中相關(guān)碳排因子對(duì)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械碳排量進(jìn)行了量化分析。周紅波[11]以上海某社區(qū)建設(shè)項(xiàng)目為例，從運(yùn)輸、施工、廢物處理等方面分析影響低碳施工的因素及控制措施。魏秀萍[12]對(duì)比分析三種常用碳排放核算標(biāo)準(zhǔn)后，以PAS2050規(guī)范為基礎(chǔ)建立了住宅建設(shè)項(xiàng)目施工階段碳排放計(jì)算模型，并基于CLCD數(shù)據(jù)庫對(duì)相關(guān)機(jī)械設(shè)備的碳排放因子進(jìn)行了計(jì)算。吳淑藝等[13]基于PAS2050規(guī)范通過清單工程量及材料設(shè)備的碳排放因子構(gòu)建了建筑產(chǎn)品的碳排放總量計(jì)算模型。

以上學(xué)者的成果主要是以隧道快速施工為目的的隧道機(jī)械配置研究以及路面工程、房屋建筑方面的機(jī)械設(shè)備碳排放研究，而在倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的背景下，如何從低碳經(jīng)濟(jì)的視角來考慮鐵路隧道等大型工程的機(jī)械化配置是具有一定創(chuàng)新性及實(shí)用性的。為此本文在考慮機(jī)械碳排放量的基礎(chǔ)上以鐵路隧道施工為研究對(duì)象對(duì)隧道開挖支護(hù)施工機(jī)械配置優(yōu)化問題進(jìn)行研究。

1 鐵路隧道開挖支護(hù)施工機(jī)械系統(tǒng)

根據(jù)相關(guān)研究成果可將隧道開挖支護(hù)施工機(jī)械系統(tǒng)劃分為三個(gè)子系統(tǒng)[14-15]。分別是開挖施工機(jī)群子系統(tǒng)、出渣施工機(jī)群子系統(tǒng)以及初期支護(hù)施工機(jī)群子系統(tǒng)。具體情況見圖1。

圖1 隧道開挖支護(hù)施工機(jī)械系統(tǒng)

2 基于碳排放的隧道施工機(jī)械配置模型

在隧道施工過程中，采用不同的機(jī)械配置方案明顯會(huì)對(duì)施工效率產(chǎn)生影響，進(jìn)而直接影響到施工工期[16-17]。根據(jù)已經(jīng)建立的考慮工期-成本的機(jī)群配置模型[18]。設(shè)所使用的機(jī)械設(shè)備種類數(shù)為n，那么可將各種機(jī)械設(shè)備的數(shù)量表示為A={A1,A2,A3,…,An}。則施工工期即可表示為機(jī)械配置向量A的函數(shù)T(A)。

在確定施工機(jī)械配置方案與工期之間的聯(lián)系后，就可以用下式表示施工機(jī)械所形成的成本費(fèi)用C為

(1)

式中：Ci為第i種機(jī)械的臺(tái)班費(fèi)用成本；Ai為第i種機(jī)械的數(shù)量。

因?yàn)楣て谂c成本目標(biāo)的度量標(biāo)準(zhǔn)不同，故需要利用無量綱化處理來將不同的度量標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)直接分析和比較。處理之后成本目標(biāo)CF和工期目標(biāo)TF分別為

(2)

(3)

式中：k1和k2分別為成本偏好權(quán)重和工期偏好權(quán)重，Cmax、Tmax分別為所有方案中成本、工期的最大值。

為將工程質(zhì)量考慮進(jìn)機(jī)械配置優(yōu)化模型，晁玉增[18]引入質(zhì)量成本理論。在考慮極限質(zhì)量成本以及保本質(zhì)量成本基礎(chǔ)上可將最小質(zhì)量成本Qmin表示為

(4)

式中：k3為質(zhì)量偏好權(quán)重；Cmin為所有方案中成本最小值。

為使得優(yōu)化的機(jī)械配置方案能夠綜合質(zhì)量、成本、工期等三個(gè)方面的考量，再基于以上討論將工期-質(zhì)量-成本機(jī)械配置優(yōu)化模型表示為

(5)

(6)

式中：Tj為第j個(gè)工作面工作完成時(shí)間；Ui為第i種機(jī)械的工作班次；Pi為第i種機(jī)械的工作效率；Qj為第j個(gè)工作面的工程量；Zi為第i種機(jī)械的可支配總數(shù);Bji為第j個(gè)工作面的第i種機(jī)械工作數(shù)量；b為工作面總數(shù)；n為施工機(jī)械種類總數(shù)。

現(xiàn)階段實(shí)際隧道施工過程中使用的各類機(jī)械主要消耗的能源種類有汽油、柴油以及電能。根據(jù)國際上常用的碳排放基本計(jì)算公式可將機(jī)械碳排放量以二氧化碳當(dāng)量值的形式表示[19]為

E=Cd×D1+Co×D2+Ce×D3

(7)

式中：E為施工機(jī)械總排放量；Cd為柴油碳排放因子，kgCO2/kg；Co為汽油碳排放因子，kgCO2/kg；Ce為電力碳排放因子，kgCO2/kW·h；D1,D2,D3分別為所采取的機(jī)械配置方案中使用柴油的機(jī)械柴油消耗總量、使用汽油的機(jī)械汽油消耗總量、使用電能的機(jī)械電能消耗總量。

機(jī)械的能源消耗量是指在合理使用的情況下為實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)而使用機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的能源消耗，包括凈使用量和損耗量。而由于施工機(jī)械的能源消耗量在現(xiàn)實(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)中很難統(tǒng)一計(jì)量，能夠收集到數(shù)據(jù)非常有限。目前常用的造價(jià)管理軟件中包含有材料消耗定額和施工機(jī)械定額以及各自的損耗系數(shù)，本文使用這些已經(jīng)考慮損耗的數(shù)據(jù)對(duì)不同機(jī)械配置方案的能耗進(jìn)行分析。

碳排放因子是指各類能源的單位排放水平。國內(nèi)外針對(duì)碳排因子已經(jīng)進(jìn)行了很多研究，積累了很多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對(duì)于機(jī)械使用能源的碳排放主要從三個(gè)角度去考慮，即能源的生產(chǎn)、運(yùn)輸及使用。由于不同地區(qū)的能源運(yùn)輸、生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生不同的碳排放，故本文主要考慮使用中國本土化的生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(CLCD)。由于能源使用所產(chǎn)生碳排放的地域差異不是很明顯，故考慮引用IPCC報(bào)告中的缺省值。通過綜合匯總計(jì)算主要的三種溫室氣體可以得到汽油、柴油、電能的碳排放因子結(jié)果，見表1。

表1 能源碳排放因子

使用W表示所采用的施工機(jī)械配置方案形成的碳排放總量，則無量綱化后的方案碳排目標(biāo)為

(8)

式中：WF為碳排放量目標(biāo)；k4為碳排放偏好權(quán)重；Wmax為所有方案中的最大碳排放量。

此時(shí)綜合考慮費(fèi)用、工期、質(zhì)量以及碳排放的隧道施工機(jī)械配置優(yōu)化模型可以表示為

(9)

式中：k1、k2、k3、k4分別為決策者對(duì)于四個(gè)目標(biāo)的偏好權(quán)重，相加為1。其余約束條件與前文相同。

決策者相對(duì)更偏重于實(shí)現(xiàn)某個(gè)目標(biāo)，其偏好權(quán)重就會(huì)相對(duì)放大，很明顯會(huì)直接影響到優(yōu)化模型的最終優(yōu)化結(jié)果。這使得此模型對(duì)于實(shí)際隧道施工問題有良好的適應(yīng)性，可以根據(jù)實(shí)際情況作出相應(yīng)調(diào)整。

3 基于熵權(quán)法確定目標(biāo)偏好權(quán)重

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

基于第2節(jié)建立的機(jī)械優(yōu)化配置模型，結(jié)合鐵路隧道開挖支護(hù)施工機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行過程，參考相關(guān)文獻(xiàn)給出了成本、工期、質(zhì)量、碳排量的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表2。其中工期類、質(zhì)量類指標(biāo)的設(shè)定是以保證機(jī)械配置方案的技術(shù)可行性為目的；成本類、碳排放類指標(biāo)是以保證配置方案的經(jīng)濟(jì)環(huán)保性為目的。

(1)成本類指標(biāo)

成本類指標(biāo)包括施工機(jī)械閑置損失、施工機(jī)械有效利用率以及施工機(jī)械綜合成本三個(gè)二級(jí)指標(biāo)。施工機(jī)械閑置損失是指施工機(jī)械在閑置情況下?lián)p失的成本。參考文獻(xiàn)[20-21]按照隧道開挖支護(hù)系統(tǒng)及機(jī)械配置方案計(jì)算。施工機(jī)械有效利用率是指配置方案中施工機(jī)械能夠以合理負(fù)載運(yùn)行的比率，以1減去施工機(jī)械閑置損失與施工機(jī)械臺(tái)班總費(fèi)用的比值計(jì)算。施工機(jī)械綜合成本是指配置方案中施工機(jī)械的所有成本，包括機(jī)械的折舊(租賃)費(fèi)用以及機(jī)械保養(yǎng)費(fèi)用。

(2)工期類指標(biāo)

工期類指標(biāo)包括開挖支護(hù)每循環(huán)施工時(shí)間、一個(gè)循環(huán)內(nèi)的其他時(shí)間、隧道總開挖方量以及每循環(huán)完成開挖方量四個(gè)二級(jí)指標(biāo)。其中每循環(huán)施工時(shí)間指按照配置方案中機(jī)械正常工作的時(shí)間總和計(jì)算。一循環(huán)內(nèi)其他時(shí)間包括處理突發(fā)情況等意外停工時(shí)間以及其他暫停施工時(shí)間，按照發(fā)生意外情況平均概率計(jì)取。隧道總開挖方量按照施工圖紙計(jì)取。每循環(huán)開挖量以施工試驗(yàn)段每循環(huán)進(jìn)尺以及開挖斷面面積計(jì)取。

(3)質(zhì)量類指標(biāo)

質(zhì)量類指標(biāo)包括平均超欠挖值、噴射混凝土厚度、噴射混凝土強(qiáng)度三個(gè)二級(jí)指標(biāo)。三個(gè)指標(biāo)均需按照施工試驗(yàn)段測(cè)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算。平均超欠挖值反映配置方案中開挖設(shè)備的配置能否滿足工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。噴射混凝土厚度及強(qiáng)度反映噴射支護(hù)設(shè)備的配置能否滿足工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)置指標(biāo)以防止可能出現(xiàn)的因機(jī)械配置不足且工期緊張的情況下發(fā)生工程質(zhì)量問題。

(4)碳排放類指標(biāo)

碳排類指標(biāo)包括碳排當(dāng)量、汽油使用量、柴油使用量、電能使用量四個(gè)二級(jí)指標(biāo)。其中汽油、柴油、電能使用量按照配置方案機(jī)械臺(tái)班耗能量之和確定。碳排當(dāng)量按各類能源消耗量及該能源碳排因子計(jì)算。

表2 目標(biāo)偏好權(quán)重評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2 熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

四個(gè)目標(biāo)的偏好權(quán)重對(duì)最終優(yōu)化結(jié)果至關(guān)重要，為盡量使得確定的權(quán)重客觀、合理，本文使用熵權(quán)法來確定目標(biāo)偏好權(quán)重系數(shù)[22]。熵權(quán)法是一種根據(jù)客觀的指標(biāo)數(shù)據(jù)來確定準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重的權(quán)重確定方法[23]。它具有易操作、可反映指標(biāo)隱藏信息以及放大指標(biāo)間差異性的優(yōu)勢(shì)。能夠相對(duì)全面地反映指標(biāo)數(shù)據(jù)的所有信息。這種方法的核心思想是衡量評(píng)價(jià)對(duì)象在各項(xiàng)指標(biāo)的差異度，如果該指標(biāo)數(shù)據(jù)離散程度越大則其權(quán)重越大。其計(jì)算步驟為

(1)將指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得標(biāo)準(zhǔn)化矩陣為

(10)

P=(Pij)m×n

(11)

式中：Pij為第i個(gè)配置方案第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)；m為評(píng)價(jià)對(duì)象的個(gè)數(shù)；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

(2)計(jì)算指標(biāo)數(shù)據(jù)的熵值為

(12)

式中：ej為第j個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)的熵值。

(3)計(jì)算指標(biāo)的熵權(quán)

(13)

式中：wj為第j個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)，且同級(jí)指標(biāo)權(quán)重和為1。

4 用均勻自組織映射遺傳算法求解

遺傳算法是一種已經(jīng)運(yùn)用的比較成熟的智能優(yōu)化算法，在各領(lǐng)域都有應(yīng)用的先例，表現(xiàn)出了良好的全局搜索優(yōu)化能力。但其局限性也很明顯，在初始種群設(shè)置時(shí)由于是完全隨機(jī)生成的，可能會(huì)導(dǎo)致初始種群在可行域內(nèi)分布不均，進(jìn)而影響其全局搜索能力。同時(shí)遺傳算法的交叉變異操作也具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，往往會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果陷入局部最優(yōu)解。針對(duì)傳統(tǒng)遺傳算法的局限性王麗萍等[24]提出了一種改進(jìn)的均勻自組織遺傳算法。采用均勻設(shè)計(jì)來生成分布在整個(gè)可行域的初始種群，并利用自組織映射將后期種群進(jìn)行高低維變換增加后期遺傳算法的計(jì)算成功率。由于遺傳算法理論已經(jīng)比較成熟且篇幅有限，本文在此不再贅述其基礎(chǔ)理論。

4.1 均勻設(shè)計(jì)

均勻設(shè)計(jì)是方開泰、王元教授于20世紀(jì)80年代提出的一種考慮試驗(yàn)點(diǎn)均勻分布于試驗(yàn)區(qū)域的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。這種方法能夠幫助遺傳算法生成可行域內(nèi)均勻分布的初始種群。其操作步驟如下：

Step1對(duì)于一個(gè)給定的正整數(shù)N(即試驗(yàn)次數(shù))，能夠確定的因素?cái)?shù)為

K=N(1-1/p1)(1-1/p2)…(1-1/pt)

(14)

Step2求出小于N且與N互質(zhì)的數(shù)，其所構(gòu)成的向量為

h=(h1,h2,…,hl)

(15)

Step3按照以下公式構(gòu)造均勻設(shè)計(jì)表

uij=ihj[modN]

(16)

式中：[modN]為同余運(yùn)算；uij為第i行第j列的水平值；hj為h向量的第j個(gè)元素。

按照以上步驟計(jì)算出各水平值，進(jìn)而構(gòu)造出均勻設(shè)計(jì)表，并以此確定遺傳算法的初始種群，使得初始種群的個(gè)體能夠均勻分布在待搜索區(qū)域內(nèi)并提高計(jì)算效率加快收斂速度。

4.2 自組織映射

自組織映射(Self-organizing Map, SOM)可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將任意維數(shù)的輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至低維空間，輸出的數(shù)據(jù)能夠反映原始數(shù)據(jù)的特征[25]。本文將遺傳算法的個(gè)體數(shù)據(jù)代入自組織映射模型計(jì)算，并調(diào)整連接權(quán)值，最終以輸出的神經(jīng)元作為新的個(gè)體。SOM的計(jì)算步驟為

Step1設(shè)定M個(gè)初始神經(jīng)元Ni，wi為連接權(quán)重向量(i=1,2,…,M)。

Step2對(duì)輸入的個(gè)體Xj(j=1,2,…,T)計(jì)算它與各神經(jīng)元的距離，選擇距離最近的一個(gè)作為其優(yōu)勝單元N*。

Step3按照以下公式計(jì)算領(lǐng)域半徑

(17)

式中：ε0為初始領(lǐng)域半徑；σ為時(shí)間常量，σ=m/lg(ε0)，m為迭代次數(shù)。

Step4調(diào)整領(lǐng)域內(nèi)神經(jīng)元的連接權(quán)重，調(diào)整公式如下

wi(t+1)=wi(t)+L(t)θN*Ni(t)[xj(t)-wi(t)]

(18)

Step5若沒有達(dá)到迭代次數(shù)則重復(fù)Step3、Step4，若達(dá)到迭代次數(shù)則按照以下公式更新個(gè)體。

(19)

4.3 均勻自組織映射遺傳算法求解步驟

根據(jù)上述均勻自組織映射遺傳算法原理，將其應(yīng)用在隧道開挖支護(hù)工程機(jī)群配置優(yōu)化問題上，求解流程見圖2,計(jì)算步驟如下：

Step1確定種群規(guī)模、迭代次數(shù)、決策變量以及取值范圍。種群規(guī)模N，決策變量即為機(jī)械配置方案，取值范圍為可調(diào)用機(jī)械數(shù)量的范圍。

Step2確定自組織映射結(jié)構(gòu)的初始神經(jīng)元連接權(quán)重向量wi(i=1,2,…,M)、初始學(xué)習(xí)速率L0以及初始領(lǐng)域半徑ε0，此處初始領(lǐng)域半徑擬取三倍的輸入個(gè)體與優(yōu)勝單元間距離；確定交叉率pc，變異率px。

Step3確定初代種群個(gè)體。利用均勻設(shè)計(jì)生成初代個(gè)體，并判斷是否滿足約束條件，若不滿足則重新生成。

Step4根據(jù)初代個(gè)體的適應(yīng)度計(jì)算結(jié)果選擇N1個(gè)優(yōu)秀個(gè)體，采用精英保留方法使其進(jìn)入次代種群。

Step5交叉以及變異操作。本文采用實(shí)數(shù)編碼，交叉操作采用實(shí)數(shù)交叉法，變異操作采用非均勻變異減小后期突變可能性。計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[26]。交叉變異操作后生成N2個(gè)新個(gè)體。

Step6利用自組織映射進(jìn)行計(jì)算，得到新一代N3個(gè)個(gè)體。

Step7將傳統(tǒng)遺傳算法生成的N2個(gè)新個(gè)體與自組織映射計(jì)算得到的N3個(gè)個(gè)體以及精英保留策略下的N1個(gè)優(yōu)秀個(gè)體綜合進(jìn)行適應(yīng)度排序生成新的N個(gè)個(gè)體。

Step8判斷是否達(dá)到設(shè)置的迭代次數(shù)，若達(dá)到則結(jié)束計(jì)算輸出結(jié)果，否則返回Step4循環(huán)計(jì)算。

5 實(shí)例分析

5.1 工程概況

本文以烏鞘嶺特長隧道6號(hào)斜井為例進(jìn)行隧道開挖支護(hù)機(jī)械配置優(yōu)化分析。烏鞘嶺特長隧道屬于蘭新線組成部分，隧道長20 050 m。分左右兩座單線隧道，右線設(shè)8個(gè)斜井、1個(gè)豎井，左線設(shè)5個(gè)斜井、1個(gè)豎井及1個(gè)橫洞，共計(jì)16個(gè)輔助坑道20個(gè)工作面。

烏鞘嶺隧道6號(hào)斜井，斜井長2 135.38 m，縱坡為12%，與左線隧道相交于DK169+600處。按照合同要求項(xiàng)目需于2003年3月1日開始施工，而6號(hào)斜井必須于2003年12月10日提前到達(dá)交點(diǎn)，施工進(jìn)度必須超計(jì)劃進(jìn)度4 000 m以上，工期任務(wù)十分艱巨。

本工程開挖支護(hù)部分?jǐn)M投入主要施工機(jī)械設(shè)備見表3(其中臺(tái)班價(jià)格根據(jù)區(qū)域條件及施工情況已做折算)，機(jī)械設(shè)備碳排因子計(jì)算結(jié)果見表4。

5.2 確定目標(biāo)偏好權(quán)重

根據(jù)本文確定的目標(biāo)偏好權(quán)重指標(biāo)體系按照不同指標(biāo)的確定方法確定各指標(biāo)數(shù)據(jù)。使用熵權(quán)法根據(jù)式(10)～式(13)及咨詢專家后給出的不同配置方案指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重以及目標(biāo)偏好權(quán)重結(jié)果如表5所示。

5.3 機(jī)群配置優(yōu)化求解

利用均勻自組織映射遺傳算法來求解機(jī)群配置優(yōu)化模型。遺傳算法可設(shè)置變量為整數(shù)，優(yōu)化結(jié)果即為整數(shù)結(jié)果，求解結(jié)果見表6。

均勻自組織映射遺傳算法相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：初始種群包含100個(gè)個(gè)體，利用精英保留策略生成10個(gè)次代個(gè)體，傳統(tǒng)遺傳算法生成100個(gè)次代個(gè)體，自組織映射生成100個(gè)次代個(gè)體。迭代次數(shù)上限為100，遺傳算法交叉概率為0.6，個(gè)體變異概率為0.1，學(xué)習(xí)因子為0.1。

圖2 均勻自組織映射遺傳算法求解流程

表3 擬投入主要施工機(jī)械設(shè)備

表4 機(jī)械設(shè)備碳排因子計(jì)算表

表5 目標(biāo)偏好權(quán)重結(jié)果

表6 均勻自組織映射遺傳算法機(jī)械配置優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果是在考慮本斜井工程設(shè)計(jì)斷面較小(23 m2)的情況下所做的優(yōu)化。由于施工作業(yè)面小，所以采用傳統(tǒng)施工方法，在利用多功能鉆孔臺(tái)架擁有三個(gè)作業(yè)層的情況下可以使17臺(tái)鑿巖機(jī)同時(shí)作業(yè)。按照工程正常開挖進(jìn)尺及出碴量配備ITC312挖掘機(jī)、ZLC50裝載機(jī)各一臺(tái)以及12.5、17 t自卸汽車各4臺(tái)可以滿足正常施工。工程Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖拱部等區(qū)域均需錨噴支護(hù)，噴射工作量較大，配置4臺(tái)TK961濕噴機(jī)以滿足工程需要。上表說明本文所建優(yōu)化模型是具有實(shí)用性的。

6 結(jié)論

(1)將碳排放量作為優(yōu)化目標(biāo)加入常規(guī)機(jī)械配置優(yōu)化模型，重新整合建立考慮機(jī)械碳排量的優(yōu)化配置模型。新型機(jī)械配置優(yōu)化模型綜合考慮了成本、工期、質(zhì)量、碳排放等四大影響因素，并能夠根據(jù)決策者偏好或指標(biāo)參數(shù)優(yōu)化施工機(jī)械配置。

(2)利用施工機(jī)具臺(tái)班費(fèi)用定額以及CLCD數(shù)據(jù)庫信息計(jì)算出隧道工程主要施工機(jī)械臺(tái)班碳排放量，為提出的新型機(jī)械配置優(yōu)化模型奠定了計(jì)算基礎(chǔ)。

(3)提出使用經(jīng)過均勻設(shè)計(jì)以及自組織映射改進(jìn)過的遺傳算法對(duì)新型機(jī)械配置優(yōu)化模型進(jìn)行求解計(jì)算，改進(jìn)過的遺傳算法能夠有效弱化其易陷入局部最優(yōu)解的局限性，并在自組織映射結(jié)構(gòu)的幫助下增強(qiáng)其局部搜索能力。

(4)以烏鞘嶺特長隧道6號(hào)斜井為例驗(yàn)證所建模型可行性，優(yōu)化結(jié)果符合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，說明模型優(yōu)化結(jié)果可為實(shí)際施工提供決策參考。