應(yīng)用仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)疏浚船優(yōu)化施工組織探究

沈翊鋒 江西省路港檢測(cè)中心有限公司

疏浚作業(yè)方案一般都是經(jīng)過(guò)充分論證和設(shè)計(jì)，但這并不意味依據(jù)原設(shè)計(jì)施工就會(huì)必然保證水上作業(yè)的一切順利和工程安全，由于水上作業(yè)的動(dòng)態(tài)性、影響因素的復(fù)雜性、突發(fā)情況的緊迫性和安全威脅性幾乎時(shí)刻存在，基于此，航道疏浚工程的優(yōu)化組織，一直為水工作業(yè)科研和管理所重視。案例工程在航道疏浚作業(yè)組織中，應(yīng)用疏浚船優(yōu)化施工組織仿真分析技術(shù)，通過(guò)仿真模擬分析，驗(yàn)證了原作業(yè)方案可行性，同時(shí)進(jìn)一步給出了優(yōu)化實(shí)施方案，從而為疏浚工程目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提供了技術(shù)保證。

1.疏浚船優(yōu)化施工組織仿真分析技術(shù)述要

1.1 模型計(jì)算引入的參數(shù)項(xiàng)

（1）作業(yè)船資源，形成參數(shù)集I={1,2,...,I}，其中i為第i 艘作業(yè)船；（2）疏浚段，形成參數(shù)集J={1,2,...,J}，其中j為第j個(gè)施工段；（3）避讓區(qū)，形成參數(shù)集K={1,2,...,K}，其中k為第k個(gè)避讓劃分區(qū)；（4）工期時(shí)點(diǎn)集合，形成參數(shù)集T={1,2,...，T}，其中t為第t個(gè)時(shí)點(diǎn)；（5）作業(yè)船溢流用時(shí)，形成參數(shù)集Y={0,1,2,,Y}，其中y為第y個(gè)溢流裝載時(shí)長(zhǎng)；（6）避讓規(guī)則，形成參數(shù)集Z={1,2,3,…,Z},z為作業(yè)船施工過(guò)程中所采取的第z條避讓規(guī)則；（7）工段須完成的作業(yè)量，m3；（8）T周后的作業(yè)量，m3；（9）疏浚前航道水深，m；（10）疏浚前航道寬度，m；（11）作業(yè)船實(shí)時(shí)吃水，m；（12）作業(yè)船滿(mǎn)載吃水，m；（13）作業(yè)船每周施工費(fèi)用定額，元；（14）作業(yè)船航帶寬度，m；（15）作業(yè)船與航道岸壁的間距，m；（16）錯(cuò)船間距，m；如此等等，模型計(jì)算引入的參數(shù)項(xiàng)總計(jì)達(dá)30項(xiàng)之多。

1.2 決策變量

本分析模型的決策變量選擇如下：

（1）作業(yè)船作業(yè)計(jì)劃。該變量決定了各作業(yè)船施工的地點(diǎn)和時(shí)間，影響著作業(yè)船的選擇與分配，同時(shí)，也影響其它變量。比如由于不同作業(yè)船吃水不同，不同作業(yè)船避讓過(guò)航船只時(shí)選擇的避讓位置也會(huì)有所不同，若施工段航道邊的避讓區(qū)水深（kH）滿(mǎn)足作業(yè)船吃水，則作業(yè)船可在航道邊就近避讓?zhuān)环駝t作業(yè)船需在指定避讓區(qū)進(jìn)行避讓。

（2）作業(yè)船溢流用時(shí)。該變量決定了作業(yè)船溢流裝卸時(shí)間。比如無(wú)溢流裝卸法會(huì)比溢流裝卸法的溢流用時(shí)更富余。挖泥時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)增大作業(yè)船與其它船只的影響幾率與時(shí)長(zhǎng)，不同的溢流裝卸用時(shí)，作業(yè)船的生產(chǎn)效率必然不同。在模擬計(jì)算中，作業(yè)船溢流時(shí)長(zhǎng)一般從作業(yè)船（Y）溢流用時(shí)集合中選取。

（3）作業(yè)船與其它船只的避讓規(guī)則。該變量關(guān)系作業(yè)船與其它船只的避讓規(guī)劃、時(shí)機(jī)與時(shí)點(diǎn)選擇。模型計(jì)算中，需避讓的船只類(lèi)型存在n種，表達(dá)為DWTcargo={DWT1，DWT2，…，DWTn},表達(dá)式中的cargo={1,2,…,n}，分別代表集裝箱船、散雜液體貨船、雜貨船、滾裝船等；DWTn=[DWTmin,DWTmax]，其中DWTmax與DWTmin表示須避讓的船只的最大噸級(jí)和最小噸級(jí)。

1.3 仿真計(jì)算

疏浚船優(yōu)化施工組織仿真計(jì)算系統(tǒng)主要包括如下3個(gè)功能板塊：

（1）主智能體。負(fù)責(zé)輸入仿真原初方案化參數(shù)，通航規(guī)則，形成目標(biāo)區(qū)通航仿真環(huán)境與邊界；創(chuàng)設(shè)其它智能體并激活，如作業(yè)船智能體和過(guò)航船只智能體；仿真計(jì)算結(jié)束后，輸出計(jì)算結(jié)果。

（2）作業(yè)船智能體。包括所有作業(yè)船，形成作業(yè)船的施工動(dòng)態(tài)流轉(zhuǎn)圖，同時(shí)通過(guò)信息傳送，與其它智能體交互，實(shí)現(xiàn)作業(yè)流程模擬。

（3）過(guò)航船只智能體。負(fù)責(zé)管理過(guò)航船只屬性、出進(jìn)港航線(xiàn)等信息處理，從保證保證過(guò)航船只和作業(yè)船只安全的角度，參與作業(yè)過(guò)程模擬計(jì)算，形成過(guò)航船只和作業(yè)船只進(jìn)出港流程，并通過(guò)信息傳送，與其它智能體交互，分析確定作業(yè)區(qū)船只流轉(zhuǎn)移條件，實(shí)現(xiàn)兩類(lèi)船只進(jìn)出港過(guò)程的模擬。

2.案例簡(jiǎn)介

某航道原設(shè)計(jì)底標(biāo)高-18.0m，寬度230m，滿(mǎn)足3萬(wàn)噸級(jí)以下船只雙向航行，擴(kuò)建疏浚后，航道底標(biāo)高-22.0m，通航寬度280m。工程面對(duì)的土質(zhì)，主要由密實(shí)的中粗砂和堅(jiān)硬的粘土構(gòu)成。疏浚作業(yè)總量370.8萬(wàn)m3左右，施工段作業(yè)量分別為：

2.1 航道ab段

作業(yè)量130.5萬(wàn)m3左右。

2.2 航道bc段

作業(yè)量92.4萬(wàn)m3左右。

2.3 航道cd段

作業(yè)量82.9萬(wàn)m3左右。

2.4 航道de段

作業(yè)量65.0萬(wàn)m3左右。

耙吸船4艘，采用溢流裝卸法。以周為單元?jiǎng)澐止て?，共?jì)17周。

3.疏浚船優(yōu)化施工組織仿真技術(shù)分析

3.1 作業(yè)船施工對(duì)過(guò)航船只通航的影響分析

分析結(jié)果見(jiàn)表1所示，數(shù)據(jù)顯示航道疏浚期間，年度進(jìn)港船只7480艘，港區(qū)年度過(guò)航船只的服務(wù)水平和施工期過(guò)航船只的服務(wù)水平評(píng)價(jià)值均保持在0.31，僅疏浚期的船只進(jìn)出港等待時(shí)間存在0.05h的增加，顯示原方案下疏浚施工對(duì)港區(qū)年度吞吐量的幾乎沒(méi)有影響，對(duì)港區(qū)過(guò)航船只的通航存在部分影響。

表1 過(guò)航船只仿真結(jié)果

3.2 作業(yè)船施工組織方案優(yōu)化

3.2.1 優(yōu)化方案分析

①場(chǎng)景1，優(yōu)化4艘耙吸船。考慮A耙吸船的挖泥溢流耗時(shí)較長(zhǎng)，導(dǎo)致其工期避讓次數(shù)和耗時(shí)較大，和模擬計(jì)算中發(fā)現(xiàn)B、C、D耙吸船的作業(yè)天數(shù)比初始設(shè)計(jì)方案要少，故探討制定新的作業(yè)計(jì)劃，重新組織分配4艘耙吸船，對(duì)作業(yè)船施工組織進(jìn)行優(yōu)化。

②場(chǎng)景2，多加添一艘小型耙吸船資源后優(yōu)化?，F(xiàn)有作業(yè)船資源下，多加添一艘小型E耙吸船，也在第3周進(jìn)場(chǎng)，其屬性與C耙吸船一致。不改動(dòng)A耙吸溢流用時(shí)，在5艘作業(yè)船可使用的條件下，重新分配耙吸船，在保證港區(qū)正常運(yùn)營(yíng)和工期要求的前提下，對(duì)作業(yè)船施工組織進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.2 優(yōu)化分析結(jié)果

①基于場(chǎng)景1的分析結(jié)果。應(yīng)用作業(yè)船施工組織仿真優(yōu)化模型，獲得場(chǎng)景1下的作業(yè)船施工優(yōu)化組織方案，即在作業(yè)船必須避讓過(guò)航船只的規(guī)則下，A耙吸船采取無(wú)溢流裝卸方法。

經(jīng)模擬計(jì)算，初始疏浚方案的作業(yè)成本為7685.4萬(wàn)元，優(yōu)化后的成本被降低到7412.0萬(wàn)元，節(jié)省了273.4萬(wàn)元。

由表2可知，相比原方案，優(yōu)化方案下A 耙吸船工期每個(gè)工作日平均避讓由3.3次降低到2.2次，并且每周期避讓耗時(shí)均值由0.93h降低到0.31h；其它耙吸船每個(gè)工作日平均避讓過(guò)航船只仍保持在1.5次，周期避讓耗時(shí)小于0.23h，基本同于原方案。優(yōu)化方案下A耙吸船的生產(chǎn)效率提高明顯，A耙吸船作業(yè)用時(shí)降低。

表2 作業(yè)船仿真結(jié)果（場(chǎng)景1）

溢流用時(shí)對(duì)優(yōu)化方案的影響：表3給出采取不同溢流用時(shí)的部分方案，方案1～5需要C耙吸船在1施工段作業(yè)1周才能完成本段作業(yè)任務(wù)，這是因?yàn)锳耙吸船均在1施工段作業(yè)4周，表3顯示，溢流用時(shí)越多，在相同時(shí)間內(nèi)A耙吸船所完成的作業(yè)量越小。方案5與優(yōu)化方案相比，A耙吸船在4周內(nèi)作業(yè)量多完成6.7萬(wàn)m3。

表3 不同溢流用時(shí)的A耙吸船可行方案分析結(jié)果

表3 顯示，隨著溢流用時(shí)的降低，A耙吸船生產(chǎn)效率得到提升，作業(yè)總成本也對(duì)應(yīng)降低。A耙吸船每周期平均避讓耗時(shí)和避讓次數(shù)顯示，隨著溢流用時(shí)的降低，A耙吸船每工作日的避讓次數(shù)由3.3次降低至2.2次；A 耙吸船的周期平均避讓耗時(shí)也由0.91h降低到0.31h。

②基于場(chǎng)景2的分析結(jié)果。同理應(yīng)用施工組織仿真分析模型，得到基于場(chǎng)景2的優(yōu)化施工組織方案，即在A(yíng) 耙吸船溢流用時(shí)不變和作業(yè)船避讓過(guò)航船只的規(guī)則下作業(yè)計(jì)劃。

分析顯示，原方案的作業(yè)成本7685.40萬(wàn)元，而優(yōu)化方案的作業(yè)成本7439.10萬(wàn)元，降低了246.30萬(wàn)元。作業(yè)船施工對(duì)過(guò)航船只的影響和通航對(duì)作業(yè)船施工的影響分析顯示，場(chǎng)景2的作業(yè)方案的改善效果如下：

一是，通航對(duì)作業(yè)船的施工影響分析顯示，4艘耙吸船優(yōu)化方案下的作業(yè)總用時(shí)間382天，比原方案多45天，主要是由E耙吸船替代A耙吸船施工，E耙吸船生產(chǎn)效率為367m3/h，該船在1施工段作業(yè)用時(shí)較長(zhǎng)。E 耙吸船每個(gè)工作日避讓過(guò)航船只平均1.4次，每周期避讓耗時(shí)平均為0.22h，其受過(guò)航船只的影響遠(yuǎn)小于A(yíng)耙吸船。

二是，作業(yè)船施工對(duì)過(guò)航船只通航的影響分析顯示，疏浚工期，港區(qū)年度過(guò)航船只進(jìn)港為7480艘次，說(shuō)明場(chǎng)景2方案下，疏浚施工對(duì)港區(qū)年度的吞吐量也沒(méi)有造成影響，且港區(qū)年度過(guò)航船只的服務(wù)水平仍能夠保持在0.31，工期過(guò)航船只進(jìn)出港待時(shí)增加0.16h，工期過(guò)航船只進(jìn)出港服務(wù)水平的評(píng)價(jià)值略微降低，是因?yàn)橄啾扔贏(yíng)耙吸船，E耙吸船在1施工段的挖泥次數(shù)較多，則E耙吸船上下線(xiàn)的航道占用時(shí)間較長(zhǎng)。

3.3 避讓規(guī)則施工影響

原作業(yè)方案下避讓規(guī)則的施工影響如表4所示。

表4 過(guò)航船與作業(yè)船之間的避讓規(guī)則

表5 過(guò)航船只仿真結(jié)果對(duì)比

原方案避讓規(guī)則中，A耙吸船工期不能跟5萬(wàn)噸及以上級(jí)別的過(guò)航船只交匯，該情況下，A耙吸船必須提前駛離航道，以避讓這些船只。在優(yōu)化方案中，A 耙吸船優(yōu)先級(jí)得到提高，即僅對(duì)5萬(wàn)噸級(jí)以上的過(guò)航船只實(shí)施避讓?zhuān)鳂I(yè)中相遇，過(guò)航船只須等待A耙吸船完成當(dāng)前作業(yè)務(wù)。分析計(jì)算顯示，在同一工程目標(biāo)下，原方案的疏浚成本在7685.4萬(wàn)元，優(yōu)化方案則為7583.80萬(wàn)元，降低成本101.60萬(wàn)元。

3.4 作業(yè)船對(duì)過(guò)航船只的影響

作業(yè)船對(duì)過(guò)航船只的影響模擬分析結(jié)果見(jiàn)5所示。

數(shù)據(jù)顯示，疏浚工期的港區(qū)年度進(jìn)港7468艘次，顯示新避讓規(guī)則下，疏浚施工對(duì)港區(qū)年度的吞吐量沒(méi)有造成影響，但新方案下過(guò)航船只工期整體服務(wù)水平值由0.31降為0.32，是因?yàn)楣て?萬(wàn)噸以下過(guò)航船只的待航時(shí)間提升了0.24h，服務(wù)水平由0.26提升至0.28。新避讓規(guī)則提高耙吸船作業(yè)效率，但也對(duì)過(guò)航船只通航有一定影響。

4.結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展了疏浚船優(yōu)化施工組織仿真優(yōu)化分析技術(shù)及應(yīng)用研究。（1）從模型計(jì)算引入的參數(shù)項(xiàng)、決策變量、仿真計(jì)算三個(gè)方面，介紹了疏浚船優(yōu)化施工組織仿真分析技術(shù)要點(diǎn)。（2）介紹了案例疏浚工程應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行疏浚施工組織仿真分析過(guò)程和結(jié)果。案例通過(guò)仿真模擬分析，驗(yàn)證了原疏浚方案對(duì)港區(qū)年度吞吐量的幾乎沒(méi)有影響，但對(duì)港區(qū)過(guò)航船只的通航存在部分影響。案例通過(guò)作業(yè)船施工組織方案優(yōu)化模擬分析，對(duì)原疏浚組織方案進(jìn)行了部分優(yōu)化改進(jìn)，提高了耙吸船作業(yè)效率，也進(jìn)一步節(jié)約了部分疏浚作業(yè)成本。