基于遺傳算法的大型工程土方調(diào)配技術(shù)研究

摘 要：為了提升大型工程項目的施工效率，本文提出了一種基于遺傳算法的土方調(diào)配優(yōu)化方法，以期縮短施工周期、節(jié)約土方調(diào)配成本。首先，構(gòu)建了土方調(diào)配的基本模型，并給出了關(guān)鍵參數(shù)和約束條件的詳細描述。其次，從適應度函數(shù)、選擇計算、交叉計算和變異計算等方面，完成了遺傳算法的設(shè)計，使其更符合土方調(diào)配的特定目標多約束優(yōu)化問題。最后，對所提方法進行了驗證性試驗，試驗結(jié)果顯示，采用本文提出的遺傳算法獲得的土方調(diào)配方案與理想方案間擬合度較高。

關(guān)鍵詞：遺傳算法；大型工程項目；土方；調(diào)配優(yōu)化

中圖分類號：TU 751" " " " 文獻標志碼：A

目前，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)獲得了前所未有的發(fā)展，各地興建各類大型工程項目，極大提升了民生保障水平[1]。大型工程項目不僅規(guī)模大、建筑施工的工程量大，而且涉及土方工程這個重要方面。一方面，土方工程需要采用挖掘施工，開辟出足夠建設(shè)施工的空間場地，另一方面需要通過回填施工，使土石總量保持平衡并恢復施工現(xiàn)場的土地平整性?？梢?，土方工程是大型工程項目整體建設(shè)中的一部分[2]。同時，土方工程也與生態(tài)環(huán)境的保護密切相關(guān)。大型工程項目的工序內(nèi)容較多，施工操作流程復雜性高，其中的土方工程也具有同樣特點。在何處挖掘、土方的存放地和土方何時回填等，均涉及不同場地間的調(diào)配和地上、地下的調(diào)配。土方調(diào)配處理不得當，會增加工程成本，甚至影響工程進度[3]。因此，對大型工程項目進行土方調(diào)配優(yōu)化，可以降低工程成本、縮短工期，并保證工程項目按時完工，對我國大型工程項目建設(shè)水平的提升具有重要意義。

1 大型工程項目的土方調(diào)配模型設(shè)定

土方調(diào)配是一個復雜的過程，為了簡化土方調(diào)配，便于成本計算，上文對土方調(diào)配過程進行了簡化，本節(jié)也采用與上文相同的簡化方法。根據(jù)土方調(diào)配目標函數(shù)的性質(zhì)，即成本函數(shù)是否為線性，可以將土方調(diào)配分為線性優(yōu)化模型和非線性優(yōu)化模型，2個模型的建模不同，求解方法也有較大差別，下面分別對2種優(yōu)化模型進行分析。

目前對線性優(yōu)化模型及其標準形式已有深入研究，在前人研究基礎(chǔ)上，本文假設(shè)土方施工分區(qū)整體土方量為填方大于挖方，需要借土且所有土方材料均能滿足填方需求，不需要進行土方換填等操作。針對上述工程假設(shè)，對土方工程進行線性土方調(diào)配模型建模。

設(shè)定土方調(diào)配優(yōu)化過程中的各個參數(shù)，在調(diào)配過程中，總挖方量要小于總填方量，并且所有挖方土壤均可以滿足回填要求，如果總挖方量大于總填方量，那么需要所有挖方土壤都可以滿足回填要求。如果并不是所有挖方土壤都能滿足填方需要，那么就會產(chǎn)生借方體積和棄方體積均不為零的情況。因為在假設(shè)條件下，棄方和借方的體積只與總填方體積、總挖方體積相關(guān)，不會因調(diào)配方案的不同而產(chǎn)生變化，同時借方成本和棄方成本也不考慮運距，所以可以將借方、棄方的成本和體積單獨作為一個常量，當進行調(diào)配優(yōu)化時，不考慮借方和棄方的成本，所得調(diào)配方案是最優(yōu)方案，為了簡化調(diào)配計算過程，后續(xù)計算如無特殊說明，也不考慮借方和棄方成本。

2 土方調(diào)配過程的遺傳算法優(yōu)化

已經(jīng)建立的大型工程項目的土方調(diào)配模型包括多種參數(shù)、多項約束和特定目標。為了取得最合理的土方調(diào)配，需要運用一定算法對模型進行優(yōu)化，以得到土方調(diào)配的最優(yōu)解。對于多約束的目標優(yōu)化問題，可以選用的優(yōu)化算法較多，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模擬退化法、決策樹方法和粒子群算法等。本文針對大型工程項目的土方調(diào)配問題的實際需求，進行了基于遺傳算法的優(yōu)化。

遺傳算法在特定的目標引導下，從初始狀態(tài)不斷進行優(yōu)化調(diào)整，從而使土方調(diào)配不斷向目標前進，包括最短調(diào)配距離、最低運輸成本等。遺傳算法建立在染色體逐漸向下一代遺傳和進化的基礎(chǔ)上，土方調(diào)配中的各種約束條件也成為遺傳算法執(zhí)行過程中的優(yōu)化條件，保證目標能夠?qū)崿F(xiàn)的函數(shù)稱為適應度函數(shù)。染色體不斷進化的過程也是適應度函數(shù)不斷調(diào)整、適應度值不斷趨于合理的過程。染色體的進化又基于染色體個體的變異、染色體間的交叉和選擇等操作。因此，為了實現(xiàn)大型工程項目的土方調(diào)配優(yōu)化，需要對這些內(nèi)容進行具體設(shè)計。

2.1 染色體之間選擇操作的計算過程設(shè)計

遺傳算法的理論基礎(chǔ)是遺傳學和進化論，其核心思想是物競天擇、適者生存和優(yōu)勝劣汰。因此，在遺傳過程中，染色體總會向那些更合理的方向進化，或者把染色體中更好的基因遺傳給下一代。為了判斷染色體中哪一個基因更好，遺傳算法會采用適應度函數(shù)的計算，如公式（1）所示。

（1）

式中：Fit（k）表示在大型工程項目土方調(diào)配優(yōu)化過程的第k種情況下的適應度；p（k）表示出現(xiàn)第k種適應度在大型工程項目的土方調(diào)配優(yōu)化過程中出現(xiàn)全部適應度中所占的概率。

顯然，上述選擇操作會選取概率最大的適應度，向下一代染色體進行遺傳。

2.2 染色體間交叉操作的計算過程設(shè)計

交叉操作體現(xiàn)了染色體間的相互作用，是個體結(jié)合后擇優(yōu)遺傳給下一代的具體體現(xiàn)。在遺傳算法中，染色體間交叉操作的計算過程如圖1所示。

遺傳算法中的交叉操作需要在2個染色體間進行，同時2個染色體需要帶有一定程度的差異性，至少保證有一組基因是不重復的，即2個染色體的基因組序列不能完全一致，如果完全一致，就會失去交叉計算的意義。因此，染色體間的差異性保持在適中的狀態(tài)是最理想的。其中一部分基因是無條件向下一代遺傳的，這一部分基因在交叉操作中不列入候選。如果2個染色體的基因組完全不同，也不利于交叉操作的執(zhí)行和計算。

2.3 染色體個體變異操作的計算過程設(shè)計

染色體個體的變異是進化過程中非常重要的因素，正是因為變異的存在，才可能出現(xiàn)更好、更新的物種。對應本文中的大型工程項目土方調(diào)配優(yōu)化問題，染色體個體出現(xiàn)變異，才可能出現(xiàn)新的優(yōu)化方案，這個計算過程如圖2所示。

從圖2可以看出，當2個染色體進行交叉運算時，因為變異的存在，所以出現(xiàn)了2個全新的基因組排序，進一步擴大了大型工程項目的土方調(diào)配優(yōu)化方案的候選解。

3 大型工程項目土方調(diào)配優(yōu)化試驗結(jié)果與分析

上文針對大型工程項目的土方調(diào)配問題，給出了包括多個參數(shù)的模型。在此基礎(chǔ)上，本文提出基于遺傳算法的土方調(diào)配優(yōu)化策略，并針對其中的適應度函數(shù)設(shè)置、染色體間的選擇計算、染色體間的交叉計算以及染色體個體的變異計算進行了詳細設(shè)計。下文將采用測試試驗，驗證所提遺傳算法在大型工程項目土方調(diào)配優(yōu)化中的效果。本文遺傳算法的參數(shù)配置情況見表1。

第一組試驗，在已知大型工程項目土方最佳調(diào)配取得理想值的情況下，采用遺傳算法進行調(diào)配方案的優(yōu)化處理，將優(yōu)化結(jié)果與最佳調(diào)配預設(shè)值進行比較，結(jié)果如圖3所示。

從圖3不難發(fā)現(xiàn)，隨著遺傳算法迭代次數(shù)增加，其大型工程項目土方調(diào)配優(yōu)化結(jié)果與預設(shè)理想結(jié)果間的擬合度一直為94%以上，并穩(wěn)定在94%～99%。

第二組試驗考察進化代數(shù)約束下的遺傳算法優(yōu)化過程的演進，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，遺傳算法在進化5代以后基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，其獲得的大型工程項目土方調(diào)配優(yōu)化結(jié)果與預設(shè)理想調(diào)配方案間的擬合度為95%以上，其后的進化過程也基本保證了土方優(yōu)化調(diào)配與理想方案間的高度擬合。

4 結(jié)論

隨著我國經(jīng)濟持續(xù)高速增長，大型工程項目的數(shù)量也不斷增加，土方調(diào)配是其中非常重要的施工內(nèi)容，直接關(guān)系工程項目的建設(shè)成本和完工周期。為了降低工程成本、縮短施工工期，應該采取有效方法對土方調(diào)配進行優(yōu)化。土方調(diào)配屬于典型的特定目標多約束優(yōu)化問題，為了取得更好的優(yōu)化效果，本文以遺傳算法為基礎(chǔ)進行了優(yōu)化過程設(shè)計。在土方調(diào)配的優(yōu)化過程中，以適應度函數(shù)的計算為整體進化的標志判斷，進而利用選擇計算、交叉計算和變異計算的設(shè)計，對優(yōu)化過程進行細化。試驗結(jié)果表明，隨著迭代次數(shù)和進化代數(shù)增加，本文提出的遺傳算法可以獲得理想的土方調(diào)配優(yōu)化結(jié)果。

參考文獻

[1]申明亮，劉新剛，陳鋼，等.堆石壩土石方調(diào)配與道路運輸強度的聯(lián)合優(yōu)化模型[J].武漢大學學報（工學版），2006，39（5）：14-18.

[2]張晴，周宜紅，龔攀.績溪抽水蓄能電站土石方調(diào)配方案研究[J].水電能源科學，2016，34（3）：136-139.

[3]金鑫，李瀚遠，杜蒙蒙，等.基于遺傳—蟻群算法的農(nóng)田微地形特征土方調(diào)配路徑研究[J].中國農(nóng)機化學報，2024，45（8）：270-275.