開發(fā)園區(qū)土石方智能化時空調配管理研究與應用

陳超

(重慶兩江新區(qū)龍興工業(yè)園建設投資有限公司，重慶 401135)

1 引 言

開發(fā)園區(qū)常見的土石方工程包括場地平整、基坑(槽)與管溝開挖、路基開挖、人防工程開挖、地坪填土，路基填筑以及基坑回填等。為貫徹落實綠色發(fā)展理念，保護城市自然山水本底特色，需要嚴格控制建設項目土石方大挖大填，建立土石管控機制，規(guī)范工程建設活動，統(tǒng)籌建設項目開挖土石方科學消納，推進挖填源頭減量、區(qū)域平衡。

土石方動態(tài)調配研究主要包括算法模型、技術支撐和應用場景三個方面。在算法模型方面，當前的研究包括蒙特卡洛樹搜索MCTS法[1]、線性規(guī)劃及單純形法[2，3]、蟻群算法[4]、Q學習算法[5]、基于運距和檢驗數(shù)的優(yōu)化算法[6]、進化算法[7]等；在技術支撐方面，當前的研究集中在BIM-GIS技術[8～11]、DEM[12]、方格網(wǎng)[13]等；在應用場景方面，當前的研究主要涉及場地[7-8]、公路工程[11，14]、淺山地區(qū)[15]等。

本文分析了開發(fā)園區(qū)土石方時空調配的問題，提出“事前-事中-事后”監(jiān)管三環(huán)節(jié)全方位管理的解決方案，建立土石方智能化時空調配系統(tǒng)，是以施工費用最小為目標，結合各項目實際信息，給出合適的調配路徑和調配分配量。某園區(qū)土石方智能化時空調配應用表明，該方法可以提高土石方時空調配的實時性和有效性。

2 開發(fā)園區(qū)土石方時空調配問題

隨著開發(fā)園區(qū)的建設和發(fā)展，土石方挖填數(shù)量與日俱增，土石方的科學調配問題凸顯。傳統(tǒng)的土石方調配作業(yè)，各企業(yè)獨自完成工程管理，設計、施工依靠人工經(jīng)驗，管理不規(guī)范、不全面，存在著企業(yè)間形成數(shù)據(jù)孤島、缺乏統(tǒng)籌管理、監(jiān)管力度不足和管理信息化程度低的問題。

(1)企業(yè)、項目間形成信息孤島。當前，各企業(yè)開展土石方工程建設時，只關注自身企業(yè)的指定項目，缺乏對關聯(lián)企業(yè)和關聯(lián)項目從空間和時間上的綜合平衡，導致企業(yè)、項目間的土石方調配管理信息協(xié)同化水平低，形成組織間、區(qū)域間信息孤島，從而使得區(qū)域內出現(xiàn)土石方工程施工分散無序的狀況，造成資源浪費、重復挖填、環(huán)境破壞等問題。

(2)缺乏統(tǒng)籌管理。開發(fā)園區(qū)內各土石方工程獨立完成規(guī)劃設計、施工調配、竣工驗收各階段作業(yè)，未形成有效的溝通機制，缺乏科學有效的統(tǒng)籌管理機制。土石方的潛在供方與潛在需方信息交流不暢，造成調配管理在土石方運輸路線設計、采購、處置等環(huán)節(jié)產生重復工作，增加項目成本。

(3)監(jiān)管力度不足。對土石方調配過程的監(jiān)管，涉及對土石方量和運輸路線等對象的管理?，F(xiàn)有土石方管理多是對項目階段成果的記錄，未形成對調配實施過程的監(jiān)督，缺乏對挖填渣車載量和軌跡的監(jiān)管。有限的執(zhí)法人員難以對工程的實際情況做到有效監(jiān)管，可能存在部分渣車偷拉亂倒的現(xiàn)象。

(4)管理信息化程度低。現(xiàn)有很多資料停留在書面形式，未及時形成電子檔案，難以系統(tǒng)化管理和快速檢索。

3 開發(fā)園區(qū)土石方智能化時空調配管理系統(tǒng)

3.1 總體架構

開發(fā)園區(qū)土石方智能化時空調配管理系統(tǒng)由硬件層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應用層構成，如圖1所示。硬件層包括GNSS定位設備、卡口視頻采集設備、地磅以及服務器、手持終端等；數(shù)據(jù)層包含三維數(shù)字地形、1∶500地形圖、園區(qū)規(guī)劃數(shù)據(jù)、傾斜攝影實景三維數(shù)據(jù)等，考慮到開發(fā)園區(qū)地形變化較為頻繁，需要按周期獲取高現(xiàn)實性的基礎數(shù)據(jù)；支撐層包括基于多源地形數(shù)據(jù)的三維土石方計算方法、開發(fā)園區(qū)土石方自平衡技術等；應用層包括調配信息查閱、項目信息管理、取土/棄土分析、調配過程監(jiān)控、匯總統(tǒng)計分析等功能，通過管理終端、手持終端為管理人員提供支撐。

圖1 總體架構

3.2 基于多源地形數(shù)據(jù)的三維土石方計算方法

基于多源地形數(shù)據(jù)的三維土石方計算方法是土石方時空調配的基礎。多源地形數(shù)據(jù)來自工程測繪或者航空攝影，進而形成DEM和三維數(shù)字地形，是三維土石方計算的空間信息輸入；在另一方面，由園區(qū)規(guī)劃編制和項目全過程監(jiān)管獲得的項目調配計劃和項目信息，是三維土石方計算的時序信息輸入。在此基礎上，結合場地邊界和場平參數(shù)信息，基于土石方時空調配計算工具集，通過計算形成土石方時空調配結果，支持對土石方時空調配的過程進行三維可視化，增強土石方調配的科學性和直觀性。計算過程如圖2所示。

圖2 基于多源地形數(shù)據(jù)的三維土石方計算方法

3.3 開發(fā)園區(qū)土石方自平衡方法

由于用地的地面標高與道路的豎向設計密切聯(lián)系，如何在道路與用地的豎向上取得協(xié)調，使用地與道路既能滿足地面排水、建筑布置、城市景觀的要求，又能盡量減少土地和道路施工的土石方量，減少投資，是開發(fā)園區(qū)土石方自平衡的目標。本文采用一種聯(lián)動設計的方法，來解決用地與道路的關系，如圖3所示。

圖3 開發(fā)園區(qū)土石方自平衡方法

開發(fā)園區(qū)土石方自平衡方法主要過程包括：

(1)自動初始化。在道路豎向設計的基礎上，根據(jù)用地與道路關系以及相關規(guī)范的約束，自動賦予一個初始標高。

(2)人工干預。根據(jù)用地類型，以及用地要求，手工調整用地與道路豎向關系。

(3)土方估算?；谌S土石方計算原理，計算當前狀態(tài)下，道路與用地的土方量。

(4)聯(lián)動設計。如果無法取得土方平衡，則調整道路標高，并采用自動關聯(lián)的辦法，自動調整場地標高，同時實時計算當前土石方量。在該步驟下，用地與道路的豎向關系是保持不變的。因此，當使用聯(lián)動設計獲取相對平衡的土石方量時，用地豎向設計也能滿足要求。

3.4 系統(tǒng)實現(xiàn)

(1)調配信息查閱

調配信息查閱集成項目各次會議的調配信息，實現(xiàn)項目啟動后多次會議的總挖方、總外借、挖方余量、填方余量及合計數(shù)據(jù)的展示，以及各次會議的具體調配信息和調配路線的查看。系統(tǒng)集成園區(qū)地形數(shù)據(jù)(DEM數(shù)據(jù))，園區(qū)管理用戶可結合項目各階段數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)，完成對范圍空間的總體挖填規(guī)劃設計，保障土石方挖填就地平衡、就近平衡，如圖4所示。

圖4 項目調配信息詳情及空間展示

(2)項目信息管理

項目信息管理進行項目基礎信息及調配信息的管理，為各企業(yè)、項目信息共建共享提供數(shù)據(jù)平臺。用戶可在設計、招標、施工、驗收各階段，對自身相關信息進行管理。同時，通過系統(tǒng)，獲取相關企業(yè)和項目的信息，實現(xiàn)項目施工建設有效溝通，實時協(xié)調。如圖5所示。

圖5 項目信息管理界面及新增調配設計信息

(3)取土/棄土分析

系統(tǒng)結合三維數(shù)字地形完成對園區(qū)地形的高程建模，用戶可依據(jù)園區(qū)地形地貌及規(guī)劃數(shù)據(jù)，對園區(qū)挖填方總量進行分析。輸入指定取土/棄土范圍、指定方量和指定項目匹配時間，系統(tǒng)自動關聯(lián)滿足條件的項目列表，顯示各項目總挖方、挖方余量、總填方、填方余量、調運距離等數(shù)據(jù)，輔助用戶制定詳細調配計劃。同時，在空間地圖上生成取土調配路線，直觀顯示調配端點和調配路線，如圖6所示。

圖6 取土分析

(4)調配過程監(jiān)控

園區(qū)內指定位置安裝網(wǎng)絡攝像頭，工作時可將拍攝畫面實時上傳至本地服務器。在渣車出入園區(qū)時，用戶可通過監(jiān)控影像實時查看車輛的拉倒情況，進行對拉倒行為的過程監(jiān)管。

(5)匯總統(tǒng)計分析

用戶可通過對不同時間跨度的選擇，實現(xiàn)按年度、季度、月度對土石方調配量進行統(tǒng)計分析。統(tǒng)計分析結果區(qū)分各階段調量，協(xié)助工作人員進行土石方調配量差異分析、工作總結，并為后續(xù)計劃提供數(shù)據(jù)支撐。如圖7所示。

圖7 年度土石方總調配量統(tǒng)計分析

4 實際應用

某園區(qū)隸屬于重慶兩江新區(qū)，屬于典型的山地城市地形特點，園區(qū)內涉及數(shù)百個工程項目建設，土石方調配管理難度大。為科學改進土石方調配管理的全過程、提升智能化管理水平，應用本文提出的技術方法，建設某園區(qū)土石方智能化時空調配管理系統(tǒng)，通過“事前-事中-事后”監(jiān)管三個環(huán)節(jié)進行土石方調配管理的整體平衡和協(xié)同推進。

4.1 優(yōu)化規(guī)劃編制

本系統(tǒng)能夠優(yōu)化開發(fā)園區(qū)的總體規(guī)劃編制、詳細規(guī)劃編制和專項規(guī)劃編制。

(1)優(yōu)化總體規(guī)劃編制。結合地形地貌和地質條件，合理選擇和布局區(qū)域內建設用地，控制建設用地開發(fā)強度，對開發(fā)園區(qū)總體建設工程進行科學規(guī)劃。

(2)優(yōu)化詳細規(guī)劃編制。結合開發(fā)園區(qū)各企業(yè)、各項目信息，統(tǒng)籌區(qū)域內各項目建設規(guī)劃、空間布局、土石方用量、項目工序和工期安排，協(xié)調優(yōu)化詳細規(guī)劃方案，避免土石方挖填和運輸?shù)闹貜凸ぷ?，實現(xiàn)區(qū)域內土石方工程的資源化利用、合理消納。

(3)優(yōu)化專項規(guī)劃編制。深化豎向設計、土石方場地平衡測算和外運估算，結合自然地形地貌，合理確定路線和標高。標高設計遵循“少挖少填”、“挖填平衡”原則，為工程方案和施工圖設計，預留土石方平衡條件。

4.2 支撐智能分析決策、科學調度

在施工設計時，各企業(yè)通過詳細規(guī)劃信息共享，結合基礎地形數(shù)據(jù)，為調配路線智能分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)；施工實施時，關聯(lián)項目企業(yè)共享項目基礎信息和進度信息，通過有效溝通配合，實現(xiàn)開發(fā)園區(qū)項目實時協(xié)調，統(tǒng)一管理。

以某項目為例，圖8展示了同一個需要平整的場地三種不同平整方案的平整效果(圖中紅色為挖方區(qū)域，綠色為填方區(qū)域)，圖8(b)展示了基于基準標高平整后的效果，圖8(c)展示了基于道路約束的斜面平整效果，圖8(c)展示了基于邊坡約束的臺地平整效果。

同一場地三種不同平整方案計算結果 表1

對同一用地，三種平整的土石方量如表1所示。

圖8 同一場地三種不同平整方案效果

4.3 實現(xiàn)土石方調配過程全周期全方位監(jiān)管

通過集成GNSS定位設備、卡口視頻采集設備、地磅等設備監(jiān)控數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對開發(fā)園區(qū)內渣車調配軌跡和載量的監(jiān)控管理。調運車輛內安裝GNSS定位設備，記錄車輛實際調運路線，對脫離計劃路線的車輛司機進行預警提示；關鍵卡口安裝視頻監(jiān)控設備，通過對指定位置的監(jiān)控，記錄調運車輛的拉倒情況；指定位置安裝地磅設施，可測量調運車輛的重量，對重量異常的車輛進行預警管理。

通過三個環(huán)節(jié)的有效管理監(jiān)督，實現(xiàn)全范圍管理，集成控規(guī)數(shù)據(jù)，資源化利用土石方，為挖填就地平衡、就近平衡提供信息支撐；實現(xiàn)全生命周期管理，通過對土石方挖填情況的分析，優(yōu)化規(guī)劃設計，支撐施工調配、輔助竣工驗收；實現(xiàn)全過程監(jiān)管，加強土石方調配過程管理，監(jiān)督土石挖填方量匹配；實現(xiàn)全數(shù)據(jù)留痕。電子記錄、存儲各項目全生命周期的調配數(shù)據(jù)，并提供挖填方調配量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為調配工作情況總結和管理計劃制定提供依據(jù)。

5 結 語

面向開發(fā)園區(qū)土石方管控的信息化、智能化、集約化要求，本文通過分析開發(fā)園區(qū)土石方時空調配管理現(xiàn)有問題，提出了開發(fā)園區(qū)土石方自平衡技術，建立開發(fā)園區(qū)土石方智能化時空調配管理系統(tǒng)，提供空間可視化挖填分析和路線設計服務，通過“事前-事中-事后”監(jiān)管三個環(huán)節(jié)進行土石方調配管理的整體平衡和協(xié)同推進。實踐表明，該系統(tǒng)能夠對開發(fā)園區(qū)土石方智能化時空調配管理起到有益效果。