面板堆石壩施工工期-質(zhì)量-成本均衡優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于土木工程【技術(shù)領(lǐng)域】，為工程決策提供理論依據(jù)及可行有效的實(shí)用方法，同時(shí)協(xié)助工程項(xiàng)目管理人員對(duì)壩體填筑施工進(jìn)行管理與控制，從工程的整個(gè)生命周期進(jìn)行考量，綜合考慮工期及質(zhì)量對(duì)成本的重要影響，為決策者提供更加符合實(shí)際施工需求且更經(jīng)濟(jì)的施工方案。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，面板堆石壩施工工期-質(zhì)量-成本均衡優(yōu)化方法，建立基于質(zhì)量成本和決策偏好的工期-質(zhì)量-成本均衡優(yōu)化模型，給出優(yōu)化模型求解的基于模糊工期和模糊質(zhì)量的非支配排序遺傳算法；建立的數(shù)學(xué)模型即建立的目標(biāo)函數(shù)和采用模糊測(cè)度Me方法計(jì)算各個(gè)總方案的工期、質(zhì)量、施工成本、總成本。本發(fā)明主要應(yīng)用于土木工程。
【專利說明】面板堆石壩施工工期-質(zhì)量-成本均衡優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于土木工程【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種應(yīng)用于面板堆石壩填筑施工中的均 衡優(yōu)化方法。 技術(shù)背景
[0002] 面板堆石壩現(xiàn)已成為世界上公認(rèn)的一種比較經(jīng)濟(jì)的壩型。隨著我國(guó)抽水蓄能電站 的快速發(fā)展，面板堆石壩也越來(lái)越多地被用于抽水蓄能電站。面板堆石壩建設(shè)始于19世紀(jì) 50年代，在當(dāng)時(shí)的美國(guó)加利福尼亞州內(nèi)達(dá)華山脈的淘金礦區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了以木面板覆蓋的土石 壩。上世紀(jì)70年代以后，面板堆石壩進(jìn)入以薄層碾壓技術(shù)為標(biāo)志的現(xiàn)代發(fā)展階段，碾壓堆 石逐漸取代傳統(tǒng)拋石。隨著面板堆石壩施工技術(shù)的發(fā)展，目前擬建和在建的面板堆石壩有 600多座，分布在近百個(gè)國(guó)家，面板堆石壩已成為壩工界的主流壩型。隨著我國(guó)抽水蓄能電 站的快速發(fā)展，面板堆石壩也越來(lái)越多地被用于抽水蓄能電站。面板堆石壩主要就地取材， 節(jié)省了水泥、鋼材等的用量，降低了材料供應(yīng)和運(yùn)輸費(fèi)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性；面板堆石壩 對(duì)各種河谷地形適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)壩址處的地質(zhì)條件要求不高，具有廣泛的適用性；同時(shí)，面板 堆石壩具有較顯著的安全性，抗震性能好。
[0003] 雖然面板堆石壩應(yīng)用廣泛且優(yōu)勢(shì)明顯，但是由于面板堆石壩施工工藝復(fù)雜、施工 工期緊、施工強(qiáng)度大、質(zhì)量要求高，給施工管理帶來(lái)了挑戰(zhàn)。工期、質(zhì)量、成本是面板堆石壩 施工的三大控制目標(biāo)，它們是工程項(xiàng)目在各個(gè)階段的主要工作內(nèi)容。目前針對(duì)大壩工程施 工工期、質(zhì)量、成本多目標(biāo)優(yōu)化的研究多集中在某一個(gè)目標(biāo)的模型或者其中兩個(gè)目標(biāo)之間 的定性和定量約束關(guān)系上，往往忽略了工期-質(zhì)量-成本三者之間的制約關(guān)系；并且均衡優(yōu) 化中的質(zhì)量指標(biāo)通過監(jiān)理制度人為控制，很難將質(zhì)量穩(wěn)定地保持在較高的水平；同時(shí)，實(shí)時(shí) 監(jiān)控系統(tǒng)作為先進(jìn)的施工管理手段，目前的研究并沒有體現(xiàn)，它們忽略了實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì) 質(zhì)量成本以及施工控制與管理決策的重要影響，存在一定的局限性。
[0004] 如何實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)監(jiān)控的面板堆石壩施工工期-質(zhì)量-成本綜合優(yōu)化是亟待解決 的關(guān)鍵科學(xué)問題。因此，有必要研究基于實(shí)時(shí)監(jiān)控工期-質(zhì)量-成本均衡優(yōu)化方法，考慮監(jiān) 控系統(tǒng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，提出合理的施工方案，為實(shí)際施工管理提供科學(xué)的決策依據(jù)。事實(shí) 上，依托當(dāng)前計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，借助于仿真技術(shù)、電子信息技 術(shù)、管理科學(xué)等，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)管理的數(shù)字化與智能化，已成為一個(gè)重要研究熱點(diǎn)及發(fā)展方 向，也是現(xiàn)代工程建設(shè)信息化管理的要求與特點(diǎn)。因此，研究基于實(shí)時(shí)監(jiān)控的面板堆石壩施 工工期-質(zhì)量-成本綜合優(yōu)化方法，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值，并在我國(guó)水利水電工 程建設(shè)中具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，為工程決策提供理論依據(jù)及可行有效的實(shí)用方法，同 時(shí)協(xié)助工程項(xiàng)目管理人員對(duì)壩體填筑施工進(jìn)行管理與控制。利用本發(fā)明提供的基于實(shí)時(shí)監(jiān) 控的面板堆石壩施工工期-成本-質(zhì)量動(dòng)態(tài)均衡優(yōu)化方法，從工程的整個(gè)生命周期進(jìn)行考 量，綜合考慮工期及質(zhì)量對(duì)成本的重要影響，為決策者提供更加符合實(shí)際施工需求且更經(jīng) 濟(jì)的施工方案。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，面板堆石壩施工工期-質(zhì)量-成本均衡優(yōu) 化方法，建立基于質(zhì)量成本和決策偏好的工期-質(zhì)量-成本均衡優(yōu)化模型，給出優(yōu)化模型求 解的基于模糊工期和模糊質(zhì)量的非支配排序遺傳算法；建立的數(shù)學(xué)模型即建立的目標(biāo)函數(shù) 和采用模糊測(cè)度Me方法計(jì)算各個(gè)總方案的工期、質(zhì)量、施工成本、總成本具體如下：
[0006] 計(jì)算最短工期、最低總成本、最高質(zhì)量公式為：
[0007]

【權(quán)利要求】
1. 一種面板堆石壩施工工期-質(zhì)量-成本均衡優(yōu)化方法，其特征是，建立基于質(zhì)量成本 和決策偏好的工期-質(zhì)量-成本均衡優(yōu)化模型，給出優(yōu)化模型求解的基于模糊工期和模糊 質(zhì)量的非支配排序遺傳算法；建立的數(shù)學(xué)模型即建立的目標(biāo)函數(shù)和采用模糊測(cè)度Me方法 計(jì)算各個(gè)總方案的工期、質(zhì)量、施工成本、總成本具體如下： 計(jì)算最短工期、最低總成本、最高質(zhì)量公式為：
計(jì)算質(zhì)量成本，包括預(yù)防成本、鑒定成本及損失成本： 滿足：
計(jì)算方案最小質(zhì)量、平均質(zhì)量及函數(shù)的約束條件：
[v]+ 表不 max {0, v}; FC是損失成本，PC是預(yù)防成本，AC是鑒定成本，最1?質(zhì)量水平CT max對(duì)應(yīng)的質(zhì)量損失 成本A及最低質(zhì)量水平V _對(duì)應(yīng)的質(zhì)量損失成本W(wǎng)2，則由專家打分法確定；計(jì)算質(zhì)量成 本的公式如下：
由上式及目標(biāo)函數(shù)即可獲得總方案的工期、總成本及質(zhì)量； 其中，T:工程總工期，天； C :工程總成本，元； D:工程的截止日期，天； N :工程中工序的數(shù)量； dij :第i個(gè)工序的第j個(gè)方案的工期，天； xij :索引變量，當(dāng)?shù)趇個(gè)工序的第j個(gè)方案被選用時(shí)，xij = 1，否則，xij = 〇 ; cij :第i個(gè)工序的第j個(gè)方案的費(fèi)用，元； mi :第i個(gè)工序的方案的數(shù)量； 1C :工程中各項(xiàng)活動(dòng)的間接成本，元/天； β :對(duì)于工期拖延的懲罰成本，元/天； I :對(duì)于工期提前的獎(jiǎng)勵(lì)成本，元/天； Qa :工程質(zhì)量，％ ; a :Qmin和Qavg兩者的相對(duì)重要性； Qmin :工程中某一方案中所有工序的最低質(zhì)量，％ ; Qavg :工程中某一方案中所有工序的平均質(zhì)量，％ ; qi j :第i個(gè)工序的第j個(gè)方案的質(zhì)量，％ ; 預(yù)防成本與鑒定成本之和占工程總投資的比重，％; W:工程項(xiàng)目總投資，元。
2. 如權(quán)利要求1所述的面板堆石壩施工工期-質(zhì)量-成本均衡優(yōu)化方法，其特征是，在 實(shí)際工程中應(yīng)用時(shí)主要包含以下三個(gè)步驟： (1) 采用基于實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的施工動(dòng)態(tài)仿真及質(zhì)量分析方法，考慮工期及質(zhì)量的不確 定性，對(duì)填筑施工各工序分別制定多個(gè)施工方案，并通過組合各期的施工方案得到多個(gè)大 壩填筑施工總方案； (2) 通過建立的目標(biāo)函數(shù)和采用模糊測(cè)度Me方法計(jì)算各個(gè)總方案的工期、質(zhì)量、施工 成本、總成本；其中，施工成本是指填筑施工實(shí)際發(fā)生的費(fèi)用，即填筑期成本；總成本是指 均衡優(yōu)化時(shí)所考慮的全部費(fèi)用，除包括施工成本以外，還包括因提前完工而增加的效益或 因延期完工而損失的效益，以及因質(zhì)量問題而引起的運(yùn)行期損失成本，需要指出的是在面 板堆石壩施工工期-質(zhì)量-成本均衡優(yōu)化中所考慮的成本指的是總成本； (3) 采用層次分析法和熵值法相結(jié)合的組合賦權(quán)法對(duì)工期、質(zhì)量、總成本進(jìn)行權(quán)重賦 值，進(jìn)而運(yùn)用帶決策偏好的非支配排序遺傳算法對(duì)以上組合方案進(jìn)行篩選，并通過逼近于 理想解的排序方法（TOPSIS法）對(duì)篩選出的較優(yōu)組合方案進(jìn)行基于決策偏好的優(yōu)劣比較， 選出符合決策需求的最優(yōu)折衷組合方案。
3. 如權(quán)利要求1所述的面板堆石壩施工工期-質(zhì)量-成本均衡優(yōu)化方法，其特征是，基 于模糊工期和模糊質(zhì)量并耦合決策偏好的非支配排序遺傳算法的過程如下： 步驟1 :染色體編碼，隨機(jī)產(chǎn)生大小為N的初始方案種群 目標(biāo)因素中即：模糊工期、施工成本、模糊質(zhì)量；染色體中基因的個(gè)數(shù)為工序數(shù)目，每 個(gè)基因性狀的個(gè)數(shù)為對(duì)應(yīng)工序的方案的數(shù)量；而初始方案種群是從所有可能組合方案中隨 機(jī)產(chǎn)生，隨機(jī)種群的大小要設(shè)定一合適值N，且在以后的循環(huán)過程中，每一代的父本其大小 要保持為定值N; 步驟2:評(píng)估適應(yīng)度函數(shù) 考慮工程中的工期、總成本、質(zhì)量三個(gè)因素，并將質(zhì)量成本及工期因素耦合到總成本的 函數(shù)表達(dá)式中，以更全面的考慮成本因素，并力求最大程度的降低整個(gè)工程的包括建設(shè)期 和運(yùn)行期的總成本；以挑選出所有工序的最優(yōu)組合為目標(biāo)，即：盡可能的縮短工程工期和 減小總成本，同時(shí)最大限度的提高工程質(zhì)量； 步驟3 :對(duì)父本進(jìn)行非支配排序 整個(gè)種群進(jìn)行非支配排序，根據(jù)每個(gè)個(gè)體的非支配水平分配給其一個(gè)對(duì)應(yīng)的位次稱或 數(shù)值，位次越低即數(shù)值越小，非支配水平越高；所謂的非支配水平是以其支配個(gè)體多少為依 據(jù)的，即在種群中，某個(gè)體支配的其他個(gè)體越多，其非支配水平越高；否則，其非支配水平越 低； 步驟4:計(jì)算擁擠度 種群中給定個(gè)體周圍的個(gè)體密度，用兩側(cè)分別最靠近這個(gè)個(gè)體的另外兩個(gè)個(gè)體之間的 距離來(lái)表示。
其中，I[i]m表示集合I中的第i個(gè)個(gè)體對(duì)于第m個(gè)目標(biāo)函數(shù)的值，sort(I，m)是指在 目標(biāo)函數(shù)m下對(duì)個(gè)體進(jìn)行非支配排序，表示對(duì)應(yīng)于每個(gè)個(gè)體第j個(gè)目標(biāo)的擁擠度，ω j表 示第j個(gè)目標(biāo)元素的權(quán)重； 步驟5 :錦標(biāo)賽選擇 該方法隨機(jī)選擇一些個(gè)體，并從中選出最好的進(jìn)行繁殖，因此同時(shí)包含了隨機(jī)性和確 定性的特征。在父代，通過擁擠度比較算子進(jìn)行錦標(biāo)賽選擇，并產(chǎn)生新的一代。在算法的各 個(gè)階段，擁擠度比較算子都引導(dǎo)選擇進(jìn)程朝著均勻分布的帕累托（Pareto)最優(yōu)前沿面進(jìn) 行； 由于經(jīng)過了非支配排序和擁擠度的計(jì)算，種群中每個(gè)個(gè)體都具有兩個(gè)屬性：非支配序 和擁擠度。如果兩個(gè)個(gè)體的非支配排序位次不同，取排序號(hào)較小的個(gè)體；如果兩個(gè)個(gè)體在同 一級(jí)，取周圍較不擁擠的個(gè)體； 步驟6 :交叉和變異操作 交叉操作以單點(diǎn)交叉為例，對(duì)種群中的個(gè)體進(jìn)行兩兩隨機(jī)配對(duì)，然后每一對(duì)相互配對(duì) 的個(gè)體，隨機(jī)設(shè)置某一基因座之后的位置為交叉點(diǎn)；對(duì)每一對(duì)相互配對(duì)的個(gè)體，依設(shè)定的交 叉概率在其交叉點(diǎn)處相互交換兩個(gè)個(gè)體的部分染色體，從而產(chǎn)生新的個(gè)體； 變異算子以基本位變異為例，對(duì)個(gè)體的每一個(gè)基因座，依變異概率指定其為變異點(diǎn)，對(duì) 每一個(gè)指定的變異點(diǎn)，改變其基因值，改變范圍為此位置上相應(yīng)工序的方案數(shù)以內(nèi)，即1? nii ； 步驟7 :結(jié)合父代和子代個(gè)體 結(jié)合父代和子代種群，形成一個(gè)個(gè)體更多的新種群，帶有精英策略的思想，防止在交叉 和變異操作過程中，適應(yīng)能力強(qiáng)的個(gè)體被丟失，以確保各代最好個(gè)體的適應(yīng)度不隨著代數(shù) 的增大而降低。 步驟8 :挑選出大小為N的新種群 在以上操作的基礎(chǔ)上，從上一步得到的種群中依據(jù)擁擠度比較算子挑選出大小為N的 下一代新種群。其基本步驟為：首先參考非支配序的大小，如果在最好的非支配集F1，非支 配序?yàn)?中，個(gè)體的數(shù)量超過N，則依據(jù)擁擠度的大小，從中選擇出數(shù)量為N的周圍較不擁擠 的個(gè)體；如果在F1中的個(gè)體數(shù)量N1小于N，則繼續(xù)在F2中挑選個(gè)體；如果F1和F2中的個(gè) 體數(shù)量之和超過N，則依據(jù)擁擠度的大小，從中選擇出數(shù)量為（N-N1)的周圍較不擁擠的個(gè) 體；如果仍然小于N，則繼續(xù)在F3中挑選個(gè)體，依次循環(huán)下去； 步驟9 :根據(jù)實(shí)際工程情況選擇最優(yōu)折衷組合方案 當(dāng)算法運(yùn)行到最后一代時(shí)，運(yùn)用TOPSIS法從中選擇出與實(shí)際工程情況相符的最優(yōu)折 衷組合方案。
【文檔編號(hào)】G06Q10/04GK104156782SQ201410351217
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】鐘登華, 李正, 畢磊, 胡煒 申請(qǐng)人:天津大學(xué)