基于遺傳算法的城市水環(huán)境治理綠色施工優(yōu)化

李 新 薛振寧 黃 健

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；(2.徐州市水利工程建設(shè)管理中心，江蘇 徐州 221000；3.徐州市水利工程建設(shè)有限公司，江蘇 徐州 221006)

綠色施工是可持續(xù)發(fā)展思想在綠色理念中的一種體現(xiàn)[1]，早在20世紀(jì)30年代，巴克敏斯特·富勒就首先提出“少費(fèi)而多用”思想[2]，即通過合理設(shè)計(jì)與利用，實(shí)現(xiàn)資源效用的最大化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑活動(dòng)使用了人類使用自然資源總量的40%，能源總量的40%，而造成的建筑垃圾也占人類產(chǎn)生垃圾總量的40%[3]。在可持續(xù)發(fā)展的大背景下，綠色施工必然會(huì)成為工程行業(yè)的發(fā)展方向。

在綠色施工優(yōu)化方面，王宇靜等[4]建立了綠色施工多目標(biāo)均衡優(yōu)化模型，并采用先進(jìn)仿生算法——微粒群算法(PSO)對(duì)模型進(jìn)行求解；劉玲等[5]通過采用多屬性效用函數(shù)理論對(duì)綠色建筑的工期、成本和質(zhì)量進(jìn)行分析，建立了多目標(biāo)的綜合優(yōu)化模型；朱慧娟[6]將改進(jìn)的粒子群算法運(yùn)用到一個(gè)具體實(shí)例，求出了進(jìn)度、成本、質(zhì)量和環(huán)保的最優(yōu)狀態(tài)。

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，中小河流開始出現(xiàn)水環(huán)境污染、水質(zhì)惡化等問題。為滿足人們?nèi)找嬖鲩L的環(huán)境需求，打造生態(tài)宜居城市，綠色理念也相應(yīng)地引入到中小河流水環(huán)境治理中，但基于該理念的綠色施工研究還比較少，對(duì)綠色施工的智能優(yōu)化也不夠完善。

1 綠色施工多目標(biāo)管理

所謂綠色施工多目標(biāo)管理，即是通過開展綠色施工優(yōu)化研究，將先進(jìn)的決策模型引入現(xiàn)代建造技術(shù)，以便優(yōu)化施工安排及資源投入，保證施工進(jìn)度，為工程建設(shè)提供更加科學(xué)合理的解決方案。在常規(guī)的費(fèi)用、質(zhì)量、工期的基礎(chǔ)上加入綠色施工指標(biāo)，將環(huán)保因素納入施工主要控制目標(biāo)中，并與費(fèi)用、質(zhì)量、工期等構(gòu)成多目標(biāo)控制系統(tǒng)。在均衡項(xiàng)目的進(jìn)度、費(fèi)用、質(zhì)量和環(huán)保這四個(gè)目標(biāo)之間關(guān)系的同時(shí)，確定最優(yōu)目標(biāo)，為企業(yè)決策提供依據(jù)。綠色施工與常規(guī)施工管理目標(biāo)的對(duì)比見圖1。

圖1 管理目標(biāo)對(duì)比

2 綠色施工多目標(biāo)優(yōu)化模型

在綠色施工管理中，質(zhì)量、工期、費(fèi)用、環(huán)保四個(gè)方面存在一定的內(nèi)在聯(lián)系，可以表示為線型關(guān)系[7-9]。由于水環(huán)境治理項(xiàng)目涉及的因素較多，采用線型關(guān)系存在一定的不足，本文結(jié)合工程特點(diǎn)，構(gòu)建項(xiàng)目工期、質(zhì)量、綠色施工水平與費(fèi)用的二次函數(shù)關(guān)系。

2.1 工期和費(fèi)用的關(guān)系

工程建設(shè)項(xiàng)目的費(fèi)用，一般由直接費(fèi)和間接費(fèi)組成。直接費(fèi)包括人工費(fèi)、材料費(fèi)、機(jī)械臺(tái)班費(fèi)、措施費(fèi)等。間接費(fèi)指無法直接計(jì)入工程成本，但為進(jìn)行工程施工所發(fā)生的費(fèi)用，包括管理人員工資、資產(chǎn)使用費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)等。在水環(huán)境治理項(xiàng)目中，要壓縮工期則必須有更多的人員、機(jī)械、設(shè)備等的投入，從而導(dǎo)致直接費(fèi)的增加；反之，相應(yīng)的資源投入減少，則會(huì)導(dǎo)致工期的延長以及費(fèi)用的減少；間接費(fèi)一般隨工期的增加而增長。對(duì)于一個(gè)特定的項(xiàng)目，費(fèi)用一般隨著工期的延長先下降后上升[10]。綜合考慮直接費(fèi)與間接費(fèi)之后，可以得到工期與費(fèi)用之間的函數(shù)關(guān)系：

(1)

成本變化率a(i)可由下式計(jì)算得到

(2)

2.2 質(zhì)量和工期的關(guān)系

在水環(huán)境治理中，為保持正常的質(zhì)量水平，必須維持一定的時(shí)間投入，當(dāng)投入的時(shí)間增加時(shí)，質(zhì)量會(huì)有一定幅度的提升，但當(dāng)質(zhì)量水平達(dá)到一定程度后，工期增加對(duì)質(zhì)量提高的影響便越來越弱，質(zhì)量與工期的關(guān)系可表達(dá)為

(3)

2.3 綠色施工水平和工期的關(guān)系

由于綠色施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，需要對(duì)環(huán)保、節(jié)能等進(jìn)行持續(xù)投入，還需要對(duì)既有施工造成的非綠色因素進(jìn)行治理，均需有一定的時(shí)間投入，綠色施工水平會(huì)隨著投入時(shí)間的增加而提高；反之，壓縮工期則會(huì)導(dǎo)致綠色施工技術(shù)不能得到有效應(yīng)用，甚至?xí)誀奚h(huán)境為代價(jià)進(jìn)行趕工。綠色施工水平與費(fèi)用的函數(shù)關(guān)系可以表示為

(4)

3 優(yōu)化模型的建立

3.1 多屬性效用函數(shù)關(guān)系

為了對(duì)綠色施工進(jìn)行優(yōu)化，需要對(duì)質(zhì)量Q、進(jìn)度T、費(fèi)用C、綠色施工水平E四個(gè)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一分析，但由于在優(yōu)化模型中，四個(gè)指標(biāo)的單位不一致，需要對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，構(gòu)建的函數(shù)為

u=u(T,C,Q,E)

(5)

若偏好關(guān)系>，～，<滿足

(6)

則將函數(shù)u=u(T,C,Q,E)稱為多屬性效用函數(shù)。由多屬性效用函數(shù)分解定理，可得

u(T,C,Q,E)=kTu(T)+kCu(C)+kQu(Q)+kEu(E)

(7)

kT,kC,kQ,kE≥0

(8)

kT+kC+kQ+kE=1

(9)

式中：u(T)、u(C)、u(Q)、u(E)分別為工期T、費(fèi)用C、質(zhì)量Q、綠色施工水平E的單變量效用函數(shù)；kT、kC、kQ、kE分別為各單變量效用函數(shù)的權(quán)重，各權(quán)重的取值一般由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及偏好打分確定。

3.2 約束條件

約束條件是多目標(biāo)優(yōu)化模型的主要構(gòu)成因素之一，多屬性效用函數(shù)的約束條件由各單項(xiàng)工作在網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃中的邏輯關(guān)系，即工期、質(zhì)量、綠色施工水平、費(fèi)用相互關(guān)系，以及各變量的域值確定?？傻霉て?、費(fèi)用、質(zhì)量、綠色施工水平等四個(gè)指標(biāo)的效用函數(shù)分別為

u(T)=a+b(T-Tmin)2

(10)

u(C)=c+d(C-Cmin)2

(11)

u(Q)=e+f(Q-Qmin)2

(12)

u(E)=g+h(E-Emin)2

(13)

式中：a、b、c、d、e、f、g、h可由工期T、費(fèi)用C、質(zhì)量Q、綠色施工水平E的上下限求得。

3.3 綠色施工多目標(biāo)優(yōu)化模型

考慮各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)kT、kC、kQ、kE，將工期、質(zhì)量、綠色施工水平、費(fèi)用四個(gè)指標(biāo)分別對(duì)應(yīng)的效用模型，代入多屬性效用模型中，可得水環(huán)境治理項(xiàng)目優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為

(14)

s.t.

Tmin≤T≤Tmax

(15)

Cmin≤C≤Cmax

(16)

Qmin≤Q≤Qmax

(17)

Emin≤E≤Emax

(18)

4 綠色施工優(yōu)化求解

遺傳算法[11-12](Genetic Algorithm，GA)是一種借鑒基因遺傳機(jī)理來模擬群體自然進(jìn)化過程的隨機(jī)搜索最優(yōu)解的進(jìn)化算法。遺傳算法已被人們廣泛應(yīng)用于組合優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)、信號(hào)處理、自適應(yīng)控制等領(lǐng)域。

遺傳算法的基本原理是用某種編碼表示問題的潛在解集，并產(chǎn)生初始種群，種群中的個(gè)數(shù)代表染色體的數(shù)量，通過不斷淘汰劣質(zhì)染色體，逐步使種群進(jìn)化到包含近似最優(yōu)解的狀態(tài)[13]。

4.1 基本思路

在遺傳算法優(yōu)化求解的過程中，采用數(shù)字編碼的方式，輸入項(xiàng)目的質(zhì)量、工期、費(fèi)用、綠色施工水平等數(shù)據(jù)，染色體對(duì)應(yīng)的基因位代表工序號(hào)，該項(xiàng)工序?qū)嶋H持續(xù)時(shí)間代表各染色體對(duì)應(yīng)的基因值，初始種群個(gè)體的基因值通過隨機(jī)方式在定義區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生。各工序的費(fèi)用、質(zhì)量、綠色施工水平可由式(1)、(3)、(4)計(jì)算得出。

4.2 適應(yīng)度及遺傳算子

適應(yīng)度函數(shù)用來表征種群中每個(gè)個(gè)體對(duì)其生存環(huán)境的適應(yīng)能力，直接決定著群體的進(jìn)化行為。在遺傳算法中適應(yīng)度值規(guī)定為非負(fù)，并且在任何情況下總是希望越大越好[14]。遺傳算子包括交叉和變異，pc為交叉概率，pm為變異概率，交叉概率介于0.6～1.0之間，變異概率介于0.001～0.1之間。變異過程可以看作是在項(xiàng)目持續(xù)時(shí)間內(nèi)重新產(chǎn)生的一個(gè)隨機(jī)值，適應(yīng)度函數(shù)由目標(biāo)函數(shù)u(T,C,Q,E)的最大值確定。

5 工程案例及應(yīng)用分析

5.1 工程概況

徐州市奎河水環(huán)境綜合整治工程，包括生態(tài)化改造現(xiàn)有老駁岸、河道清淤、綠化景觀提升、調(diào)蓄池、沿河截污管網(wǎng)等項(xiàng)目，其中調(diào)蓄池為制約本項(xiàng)目的關(guān)鍵工程，因此選擇調(diào)蓄池開展綠色施工多目標(biāo)優(yōu)化。調(diào)蓄池南北方向長79.4m，東西方向?qū)?6.4m，基坑深7.7m(局部深9.5m)，包括支護(hù)、開挖、抗浮錨桿、底板、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等工序。

5.2 綠色施工參數(shù)

對(duì)調(diào)蓄池施工工序進(jìn)行分析，可得調(diào)蓄池施工進(jìn)度網(wǎng)絡(luò)，見圖2。各工序內(nèi)容見表1。項(xiàng)目的關(guān)鍵路徑為：A→B→C→D→F→H→J→K→N→O。

圖2 施工進(jìn)度網(wǎng)絡(luò)

表1 各工序代號(hào)內(nèi)容

邀請(qǐng)專家對(duì)各工序的施工參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，在分析項(xiàng)目資源投入、工程措施、材料使用等情況的基礎(chǔ)上，采用層次分析法，同時(shí)結(jié)合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以及專家個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，得到關(guān)于工期、費(fèi)用、質(zhì)量、綠色施工水平的相關(guān)參數(shù)，見表2～表3。根據(jù)表2和表3中的數(shù)據(jù)，結(jié)合工期分析，可得Tmax=381天，Tmin=326天，Cmax=3076萬元，Cmin=2650萬元，Qmax=100分，Qmin=87.6分，Emax=100分，Emin=86.4分。

表2 各工序工期、費(fèi)用參數(shù)

表3 各工序質(zhì)量得分及綠色施工水平

續(xù)表

5.3 綠色施工優(yōu)化及分析

基于前述分析，將交叉概率pc設(shè)定為0.8，變異概率pm設(shè)定為0.05，遺傳種群初始規(guī)模設(shè)為500，終止遺傳運(yùn)算的迭代次數(shù)設(shè)定為500，采用遺傳算法計(jì)算，迭代結(jié)果見圖3。由圖3可知，在迭代次數(shù)達(dá)到80次左右時(shí)，計(jì)算結(jié)果開始收斂，最佳適應(yīng)度與平均適應(yīng)度趨于一致，此時(shí)的解為最優(yōu)解，計(jì)算結(jié)果為(T,C,Q,E)=(347，2830，90.77，88.56)，u(T,C,Q,E)=0.9533。從優(yōu)化結(jié)果可以看出，在滿足工程質(zhì)量、綠色施工要求的前提下，工程費(fèi)用控制在了一個(gè)合理水平，工期控制在了一個(gè)較低值，項(xiàng)目綜合效應(yīng)達(dá)到了較高水平。

圖3 計(jì)算迭代結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果表明，對(duì)于城市水環(huán)境治理項(xiàng)目，采用遺傳算法可為項(xiàng)目決策提供有效依據(jù)，在滿足綠色施工目標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)工程效益的優(yōu)化。

6 結(jié) 論

相較于傳統(tǒng)項(xiàng)目的控制目標(biāo)，本文引入綠色施工控制目標(biāo)，將環(huán)保因素納入綠色施工管理中。由于水環(huán)境治理項(xiàng)目涉及的影響因素較多，采用線型關(guān)系存在一定的不足，可以采用二次函數(shù)構(gòu)建以質(zhì)量、進(jìn)度、費(fèi)用、環(huán)保為控制因素的綠色施工多目標(biāo)優(yōu)化模型；為便于統(tǒng)一分析，可以采用多屬性效用函數(shù)對(duì)分析指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。工程應(yīng)用表明，采用遺傳算法對(duì)典型項(xiàng)目綠色施工多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化后，在滿足綠色施工水平及工程質(zhì)量的前提下，項(xiàng)目工期及費(fèi)用都達(dá)到了相對(duì)較優(yōu)的水平，該方法可以為項(xiàng)目決策提供有效依據(jù)。