基于仿真技術(shù)的高鐵梁場(chǎng)生產(chǎn)效率及資源配置研究

李 明，王玉龍，劉 穎

(1.石家莊鐵道大學(xué)管理學(xué)院，石家莊 050043； 2.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司， 大連 116033)

1 概述

在高速鐵路建設(shè)中，橋梁占線路比重較大。很多鐵路在建設(shè)時(shí)需要設(shè)置多個(gè)梁場(chǎng)，而且梁場(chǎng)建設(shè)投資額高、周期短，對(duì)鐵路建設(shè)成本和進(jìn)度影響甚大[1]。生產(chǎn)效率確定及資源配置是高鐵梁場(chǎng)設(shè)計(jì)中兩個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，在確保梁場(chǎng)生產(chǎn)效率的同時(shí)，優(yōu)化資源配置對(duì)于提高梁場(chǎng)建設(shè)乃至整個(gè)鐵路建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

根據(jù)《鐵路大型臨時(shí)工程和過(guò)度工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》[2]，可采用公式N1=ηT1計(jì)算確定梁場(chǎng)制梁臺(tái)座的數(shù)量，其中，η為梁場(chǎng)每日預(yù)制箱梁數(shù)(榀/d)，T1為預(yù)制每榀箱梁占用單個(gè)制梁臺(tái)座時(shí)間(個(gè)·d/榀)。王治斌等[3]按公式n=Kt計(jì)算制梁臺(tái)座數(shù)量，其中，K為梁場(chǎng)生產(chǎn)效率(榀/d)，t為單臺(tái)座制梁周期(d/榀)。薛寧鴻和張文格[4]采用公式M=N/η計(jì)算制梁臺(tái)座的數(shù)量，其中，N為梁場(chǎng)制梁效率(榀/d)，η為單臺(tái)座制梁效率(榀/d)，并建議在規(guī)劃時(shí)預(yù)留1～2個(gè)制梁臺(tái)座。李立軍和秦宏磊[5]采用dN/D(d為單片梁預(yù)制周期，N為梁場(chǎng)的總產(chǎn)量，D為制梁工期)的方法對(duì)制梁臺(tái)座的數(shù)量進(jìn)行計(jì)算。不難看出，上述方法盡管表達(dá)形式不同，卻均把單臺(tái)座制梁效率(周期)作為梁場(chǎng)生產(chǎn)效率確定的關(guān)鍵指標(biāo)，而在單臺(tái)座制梁效率這一關(guān)鍵指標(biāo)的確定方法上，實(shí)踐中大多采用簡(jiǎn)單的指標(biāo)化和經(jīng)驗(yàn)化處理方式，并且會(huì)考慮一定的安全富余[6-7]。

不同的梁場(chǎng)設(shè)計(jì)者對(duì)梁場(chǎng)關(guān)鍵資源生產(chǎn)效率認(rèn)識(shí)不同，相應(yīng)的在資源配置數(shù)量上也會(huì)存在一定差異。表1為現(xiàn)有文獻(xiàn)中不同梁場(chǎng)在制梁臺(tái)座、存梁臺(tái)座、模板配置數(shù)量及其對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)效率情況。就單臺(tái)座制梁效率這一關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)看，文獻(xiàn)中最小為0.14榀/d[4]，最大為0.25榀/d[5]，后者是前者的1.79倍。在模板的配置上，現(xiàn)有梁場(chǎng)的底、側(cè)、內(nèi)、端模板數(shù)量比例也各不相同，存在1∶1∶1∶1，2∶1∶1∶1，2∶2∶1∶1和6∶6∶5∶6等多種情況。此外，存制梁臺(tái)座比在不同梁場(chǎng)之間也存在較大差異，最小值僅為5.33[2]，最大值則達(dá)到了12.67[11]。

表1 文獻(xiàn)中各梁場(chǎng)資源配置及生產(chǎn)效率情況

造成不同梁場(chǎng)之間單臺(tái)座制梁效率和資源配置差異的因素是多方面的。這其中，一些因素屬于正常因素，例如不同梁場(chǎng)之間生產(chǎn)工藝、氣溫因素等；而另一些因素則為異常的因素，例如設(shè)計(jì)者風(fēng)險(xiǎn)偏好，典型的表現(xiàn)是風(fēng)險(xiǎn)厭惡者會(huì)在設(shè)計(jì)時(shí)額外增設(shè)制梁臺(tái)座[17]以備不時(shí)之需。

近年來(lái)隨著科技的進(jìn)步，越來(lái)越多的新技術(shù)被應(yīng)用到梁場(chǎng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)工作中。王虎等[18]采用SLP方法并結(jié)合BIM技術(shù)對(duì)梁場(chǎng)的布置規(guī)劃進(jìn)行研究，提出了人員配置和機(jī)械位置的優(yōu)化方法。李艷茹等[19]提出了需求不均衡情況下考慮模具周轉(zhuǎn)時(shí)間的制梁臺(tái)座規(guī)模優(yōu)化算法，對(duì)制梁臺(tái)座的數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化。此外，還有學(xué)者將智能建造技術(shù)[20-21]引入到梁場(chǎng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理中，提出了智慧梁場(chǎng)的理念。

系統(tǒng)仿真技術(shù)作為一種有效地管理工具，已經(jīng)廣泛地被用于很多生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和管理，但目前在高鐵梁場(chǎng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理領(lǐng)域使用還不夠普及。本文將系統(tǒng)仿真技術(shù)引入到高鐵梁場(chǎng)的設(shè)計(jì)與管理工作中，使用仿真軟件Aren(16.0)對(duì)梁場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)建立仿真模型，在考慮工序作業(yè)時(shí)間隨機(jī)性的情況下，就不同工作時(shí)間制度、資源配置與梁場(chǎng)生產(chǎn)效率的關(guān)系展開仿真實(shí)驗(yàn)研究，以期能夠給梁場(chǎng)管理者提供更加科學(xué)和精確的量化決策指引。

2 箱梁生產(chǎn)工藝過(guò)程及相關(guān)參數(shù)

本研究采用的高鐵箱梁生產(chǎn)工藝過(guò)程如圖1所示。為方便說(shuō)明，本文統(tǒng)一規(guī)定使用如下參數(shù)：

u——單臺(tái)座制梁周期，h，由工序編號(hào)為2、3、4、6、7、8、9、10、11、12、13和14(具體工序編號(hào)見(jiàn)圖1)的12個(gè)工序作業(yè)時(shí)間和工序間等待時(shí)間累加而成；

η——單臺(tái)座制梁效率，榀/d，即一個(gè)制梁臺(tái)座一天可生產(chǎn)梁的數(shù)量，η=24/u；

M——制梁臺(tái)座數(shù)量，個(gè)；

N——內(nèi)模數(shù)量，套；

K——梁場(chǎng)制梁效率，榀/d，理論上K=M·η=24M/u。

圖1 箱梁生產(chǎn)工藝流程

3 仿真模型建立

按照?qǐng)D1的生產(chǎn)工藝關(guān)系建立邏輯仿真模型，在工作時(shí)間以及資源等輸入數(shù)據(jù)建模時(shí)，選取京石客專HT梁場(chǎng)的相關(guān)信息。按照施工組織設(shè)計(jì)，該預(yù)制梁場(chǎng)配置了11個(gè)制梁臺(tái)座，u為120 h，η為0.2榀/d，整個(gè)梁場(chǎng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率為2.2榀/d。

3.1 工序作業(yè)時(shí)間

考慮作業(yè)時(shí)間的隨機(jī)性，由梁場(chǎng)工程師依據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)每個(gè)工序時(shí)間進(jìn)行最樂(lè)觀時(shí)間、最悲觀時(shí)間和最可能時(shí)間估計(jì)，然后處理成三角分布輸入模型；養(yǎng)護(hù)時(shí)間采用均勻分布假設(shè)。表2為仿真模型中各工序作業(yè)時(shí)間輸入數(shù)據(jù)，時(shí)間單位均為h。

表2 箱梁生產(chǎn)工序作業(yè)時(shí)間分布

3.2 資源配置

根據(jù)HT梁場(chǎng)實(shí)際情況，本文在建立仿真模型時(shí)對(duì)關(guān)鍵資源的配置數(shù)量如表3所示。對(duì)于其他非關(guān)鍵資源，本文均假定數(shù)量充足，不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)橘Y源短缺造成停工。

表3 梁場(chǎng)主要生產(chǎn)資源配置

3.3 仿真條件

考慮現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)際，初始模型在進(jìn)行仿真條件設(shè)置時(shí)，采用了如下調(diào)度規(guī)則：1、5工序?qū)?yīng)的工作強(qiáng)度較高，對(duì)作業(yè)隊(duì)的調(diào)度采用preempt規(guī)則，執(zhí)行10 h/d工作制，從早晨7點(diǎn)開始，工人上下午各工作5 h，中午休息2 h；工序2、3、4、6、7、8、10、11、12、13、14等11個(gè)工序?qū)?yīng)工作強(qiáng)度較低，對(duì)作業(yè)隊(duì)的調(diào)度采用ignore規(guī)則，即作業(yè)一旦啟動(dòng)，必須等到該項(xiàng)作業(yè)完成方可休息；工序9混凝土養(yǎng)護(hù)則根據(jù)實(shí)際采用每天24 h工作制。

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)，HT梁場(chǎng)總生產(chǎn)任務(wù)為685榀梁，其中：32 m箱梁635榀，24 m箱梁和20 m箱梁分別為48榀和2榀。由于不同梁型的預(yù)制工藝過(guò)程相同，且工序時(shí)間差異較小，本研究暫時(shí)忽略因梁型差異，統(tǒng)一按32 m梁型工藝時(shí)間考慮。在后續(xù)的箱梁制運(yùn)架協(xié)同分析研究中再考慮由于梁型轉(zhuǎn)換、設(shè)備故障、架橋機(jī)橋間轉(zhuǎn)移等因素對(duì)施工工期的影響。

4 模型驗(yàn)證

本文研究了2種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型的有效性。

第一種為單片梁固定工序時(shí)間仿真驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)假設(shè)各工序作業(yè)時(shí)間為已知固定值，數(shù)值如圖2中第2列所示。按照3.3節(jié)中所設(shè)置的條件，手工確定一片梁的生產(chǎn)過(guò)程時(shí)間，如圖2所示，u為109 h。執(zhí)行仿真實(shí)驗(yàn)，將各工序時(shí)間輸入到仿真模型中，生產(chǎn)數(shù)量設(shè)定為1，仿真結(jié)果顯示，u值恰好為109 h。這表明該仿真模型對(duì)工藝流程邏輯和資源時(shí)間調(diào)度定義是正確的。

圖2 單片梁生產(chǎn)時(shí)間手工模擬

兩種驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該仿真模型能夠反映HT梁場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)際，可用于對(duì)該梁場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步的仿真實(shí)驗(yàn)研究。

5 梁場(chǎng)生產(chǎn)仿真實(shí)驗(yàn)

5.1 梁場(chǎng)制梁效率仿真實(shí)驗(yàn)

該項(xiàng)仿真實(shí)驗(yàn)主要研究在梁場(chǎng)資源配置固定的情況下，不同工作時(shí)間制度對(duì)梁場(chǎng)制梁效率的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)首先將箱梁鋼筋綁扎作業(yè)生產(chǎn)效率分別設(shè)定為2套/d和3套/d兩種情況，每種情況分別采用10、12、14、16、18 h/d和24 h/d共6種工作時(shí)間制度，合計(jì)生成12種實(shí)驗(yàn)情景，每種情景進(jìn)行100次仿真實(shí)驗(yàn)。

圖3 單臺(tái)座制梁周期及效率仿真結(jié)果

圖4 梁場(chǎng)制梁效率仿真結(jié)果

5.2 梁場(chǎng)關(guān)鍵資源仿真實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要研究制梁臺(tái)座在不同生產(chǎn)情景下的使用效率。設(shè)定同類資源使用調(diào)度規(guī)則為preferred order，即生產(chǎn)系統(tǒng)按照事先編制好的資源序號(hào)依次占用資源。實(shí)驗(yàn)仍采用5.1節(jié)中的12種情景，每種情景仿真實(shí)驗(yàn)100次。

表4和表5分別為鋼筋籠綁扎效率為2套/d時(shí)，不同工作時(shí)間制度下制梁臺(tái)座平均瞬時(shí)利用率和平均使用次數(shù)統(tǒng)計(jì)情況。當(dāng)采用10 h/d工作制時(shí)，1號(hào)～10號(hào)制梁臺(tái)座的平均瞬時(shí)利用率均在0.542 4～0.760 4之間，11號(hào)制梁臺(tái)座的平均瞬時(shí)利用率明顯較低，僅有0.146 2，對(duì)應(yīng)的平均使用次數(shù)僅為2.47。當(dāng)采用12 h/d工作制時(shí)，11號(hào)制梁臺(tái)座的平均瞬時(shí)利用率下降至0.007 8，平均使用次數(shù)下降為0.14。當(dāng)采用14 h/d工作制時(shí)，11號(hào)制梁臺(tái)座的平均瞬時(shí)利用率和使用次數(shù)均下降至0，10號(hào)制梁臺(tái)座的平均瞬時(shí)利用率也下降至了0.009 6，平均使用次數(shù)僅為0.19。

表4 鋼筋籠生產(chǎn)效率為2套/d時(shí)制梁臺(tái)座平均瞬時(shí)利用率

表5 鋼筋籠生產(chǎn)效率為2套/d時(shí)制梁臺(tái)座平均使用次數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鋼筋綁扎生產(chǎn)效率固定為2榀/d時(shí)，制梁臺(tái)座資源配置存在浪費(fèi)現(xiàn)象，適當(dāng)增加每天的工作時(shí)間，減少1～2個(gè)制梁臺(tái)座的配置完全不會(huì)影響整個(gè)梁場(chǎng)的制梁效率。

表6為鋼筋綁扎效率為3套/d時(shí)，制梁臺(tái)座平均瞬時(shí)利用率統(tǒng)計(jì)情況?？梢钥闯?，不同時(shí)間制度下各制梁臺(tái)座的利用率均比較高，這說(shuō)明由于上游工序鋼筋綁扎效率較高，制梁臺(tái)座利用比較充分，不存顯著浪費(fèi)的情況。

表6 鋼筋籠生產(chǎn)效率為3套/d時(shí)制梁臺(tái)座平均瞬時(shí)利用率

5.3 資源配置優(yōu)化仿真實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要考察在特定使用場(chǎng)景下，制梁臺(tái)座和內(nèi)模數(shù)量變化對(duì)梁場(chǎng)生產(chǎn)效率的影響。鋼筋綁扎效率設(shè)為2榀/d，工作時(shí)間制度為14 h/d，根據(jù)前面仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)定3種制梁臺(tái)座和內(nèi)模數(shù)量方案，如表7所示，每種場(chǎng)景均進(jìn)行100次仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：當(dāng)把制梁臺(tái)座數(shù)量從11個(gè)減少至9個(gè)、內(nèi)模數(shù)量從10套減至8套時(shí)，制梁臺(tái)座平均占用時(shí)間和梁場(chǎng)平均制梁效率均保持不變，當(dāng)進(jìn)一步把制梁臺(tái)座的數(shù)量從9個(gè)減至8個(gè)時(shí)，制梁臺(tái)座平均占用時(shí)間和梁場(chǎng)平均制梁效率僅有非常微小的變化。由此可以初步判斷，在采用14 h/d工作制時(shí)，減少3個(gè)制梁臺(tái)座和2套內(nèi)模，并不會(huì)顯著降低梁場(chǎng)的生產(chǎn)效率。

表7 資源優(yōu)化配置實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證這一判斷，就梁場(chǎng)平均制梁效率指標(biāo)分別進(jìn)行了“情景1vs情景2”和“情景1vs情景3”兩種情況的均值配對(duì)T檢驗(yàn)。假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。當(dāng)將制梁臺(tái)座數(shù)量從11個(gè)減至9個(gè)，內(nèi)模數(shù)量從10套減至8套時(shí)，假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)論為整個(gè)梁場(chǎng)生產(chǎn)效率沒(méi)有變化；當(dāng)把制梁臺(tái)座的數(shù)量進(jìn)一步縮減至8個(gè)時(shí)，梁場(chǎng)生產(chǎn)效率只有非常微小的變化，此時(shí)，生產(chǎn)效率降低的均值為0.003 71榀/d，生產(chǎn)效率降低值的95%置信區(qū)間為[-0.005 56，-0.001 86]。

圖5 梁場(chǎng)制梁效率均值配對(duì)T檢驗(yàn)結(jié)果

該項(xiàng)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用仿真技術(shù)可以在保證梁場(chǎng)生產(chǎn)效率不變的情況下，優(yōu)化資源配置，從而達(dá)到節(jié)省成本的目的。

6 結(jié)論

精細(xì)化管理是工程建設(shè)管理領(lǐng)域發(fā)展的重要方向，本研究使用仿真技術(shù)對(duì)高鐵梁場(chǎng)的生產(chǎn)效率和資源配置等核心管理問(wèn)題進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論。

(1)采用固定的單臺(tái)座生產(chǎn)效率指標(biāo)對(duì)梁場(chǎng)生產(chǎn)效率進(jìn)行計(jì)算的方法過(guò)于粗略。本研究借助仿真技術(shù)準(zhǔn)確地刻畫了在資源配置固定的情況下，梁場(chǎng)的生產(chǎn)效率與工作時(shí)間制度之間的變化關(guān)系。根據(jù)這種關(guān)系，管理者可通過(guò)對(duì)工作時(shí)間制度的調(diào)整以實(shí)現(xiàn)對(duì)梁場(chǎng)生產(chǎn)效率的調(diào)節(jié)。

(2)整個(gè)梁場(chǎng)的生產(chǎn)效率不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為是各個(gè)制梁臺(tái)座生產(chǎn)效率之和。由于工序作業(yè)時(shí)間的隨機(jī)性和工序之間的相互影響關(guān)系，整個(gè)梁場(chǎng)的生產(chǎn)效率實(shí)際上低于各個(gè)制梁臺(tái)座效率之和。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將梁場(chǎng)生產(chǎn)效率計(jì)算公式修訂為K=§Mη(§=0.91～0.93)更符合實(shí)際。

(3)使用仿真技術(shù)，管理者可對(duì)不同的資源配置方案和不同的工作時(shí)間制度下梁場(chǎng)生產(chǎn)效率進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)資源使用情況進(jìn)行定量分析，在確保制梁效率能夠滿足施工進(jìn)度的前提下對(duì)梁場(chǎng)資源配置進(jìn)行優(yōu)化，從而節(jié)省梁場(chǎng)建設(shè)成本。