川藏鐵路工程物資供應保障策略的系統動力學仿真研究

謝洪濤，盧睿，劉文薦，鄭俊巍，張云華

川藏鐵路工程物資供應保障策略的系統動力學仿真研究

謝洪濤1，盧睿2，劉文薦3，鄭俊巍4，張云華4

(1. 昆明理工大學 管理與經濟學院，云南 昆明 650500；2. 中鐵武漢電氣化局集團有限公司，湖北 武漢 430074；3. 中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心，北京 100844；4. 昆明理工大學 建工學院，云南 昆明 650500)

川藏鐵路工程建設所需物資運距遠、運量大、風險高，物資供應保障需要綜合考慮道路和倉儲的可靠性問題。分析川藏鐵路物資供應的特點及關鍵影響因素，采用系統動力學方法構建包括物資供應、施工進度、施工技術等3個子系統的物資供應保障模型，對3種組合策略進行了仿真分析。研究結果表明：構建的系統動力學模型可靠有效，路網和物資轉運基地相互配合可有效提高物資運輸的可靠性，工地物資庫存量與工程進度動態掛鉤有利于減少工程窩工。

川藏鐵路；物資供應；可靠性；系統動力學

川藏鐵路工程橫穿橫斷山脈，沿線山高谷深，地勢起伏劇烈，線路累計拔起高程超過10 000 m，地形高差十分顯著；區域內空氣稀薄、紫外線強烈、氣候惡劣，大風、暴雨、暴雪、強對流等極端天氣頻發[1]；沿線存在多種不良地質，包括有活動斷裂、地震、危巖落石、滑坡、泥石流等。顯著的地形高差、惡劣的自然環境、頻發的自然災害嚴重危害鐵路建設安全[2]。川藏鐵路工程施工環境惡劣、工程任務艱巨[3]，確保各項物資供應的及時可靠對工程建設作用至關重要。據初步測算，需新建的運輸道路超過2 000 km，由于運輸道路具有較高脆弱性，如何保障物資供應的可靠性是川藏鐵路工程面臨的巨大難題。重大工程的物資供應保障對于工程成功具有關鍵作用，圍繞如何高效保障重大工程物資供應，以往學者從物資采購的合約機理與采購決策[4?7]、物資倉庫選址[8?9]、物資供應建模與仿真[10?11]等方面開展了大量研究，還有學者結合鐵路工程建設物資供應的特殊性對鐵路建設項目物資管理問題進行了針對性研究[12?13]。然而對于常規工程而言，物資供應保障問題主要是物資采購、供應與庫存控制問題，很少需要考慮物資運輸可靠性問題。而川藏鐵路工程運輸道路具有顯著的脆弱性，物資運輸的可靠性是影響物資供應保障的關鍵，因此需要綜合考慮道路可靠性、倉庫選址及庫存控制等。系統動力學適用于研究多重要素間的復雜反饋關系，在重大建設工程物資調配研究中得到了較多應用[14?16]。基于此，本研究采用系統動力學方法對運輸道路等級、物資轉運基地設置、工點物資庫存量等要素的保障策略組合進行系統仿真，分析不同策略組合的可靠性，為川藏鐵路工程物資供應保障體系的構建提供參考。

1 川藏鐵路工程物資供應保障的特點與關鍵影響因素

1.1 川藏鐵路工程物資供應保障的特點

川藏鐵路雅安—林芝段位于青藏高原東南部，沿線山高谷深，人跡罕至，穿越川西高山峽谷區、川西高山原區、藏東南橫斷山高山峽谷區、藏南谷地區等4個地貌單元。地貌形態主要受青藏高原地貌隆升的影響，總體地勢西高東低。川藏鐵路工程物資供應保障主要有以下特點：

1) 沿線物資匱乏，物資供應運距遠、運量大。由于川藏鐵路沿線無人區多，建設所需設備、材料大部分需由內地供應；各種生活物資均只能從“后方”供給，不能實現“就地”供應。

2) 道路等級較低，沿線自然災害頻發。受地形條件限制，川藏鐵路沿線運輸道路坡陡彎多，道路等級較低，抵抗自然災害的能力不強；而沿線自然災害頻發，在頻發的自然災害作用下，道路季節性中斷風險高，是物資運輸能力的主要制約因素。

3) 路網密度低，工地可達性差。川藏鐵路沿線既有道路路網密度較低，而川藏鐵路工程隧道占比高達85%，隧道工程施工工作面少，具有點狀推進的特點，因此連接隧道施工工作面的施工道路大多具有唯一性。

1.2 川藏鐵路工程物資供應保障的關鍵影響因素

川藏鐵路工程物資供應以保障工程的順利實施為目標，綜合分析川藏鐵路工程特點，物資供應主要與道路運輸能力、物資庫存量等要素密切相關，其關鍵影響因素主要包括以下幾個方面：

1) 運輸道路等級。運輸道路的等級包括道路的寬度、平直程度、防護水平，決定了道路通行能力和抗災能力。

2) 物資運輸距離。物資運輸距離越短，面臨的風險就越低、可靠性就越高。對于同等級別的道路而言，物資運輸遭受災害打擊的風險與運輸距離成正比。

3) 物資轉運倉庫布設。轉運倉庫的設置能夠縮短物資運輸距離，降低道路中斷帶來的風險，提高物資供應可靠性。

4) 工地物資庫存量。工地物資庫存量能夠在道路中斷期間維持正常生產生活，也是影響物資供應保障的關鍵因素。

2 川藏鐵路工程物資供應保障的動態反饋機制

2.1 模型基本假定

川藏鐵路工程是一個典型的復雜巨系統，該系統所包含的要素眾多，要素之間影響關系十分復雜，為便于深入研究物資供應對工程建設的影響，需對模型進行簡化，為規范研究，對模型做出如下假定。

假定1：模型僅考慮項目施工階段，在模型中只考慮3個子系統之間的交互作用關系：施工進度子系統、施工技術子系統、施工保障子系統。

假定2：在施工進度子系統中，不考慮質量和投資問題，主要考慮施工技術、工程災害、工程保障、施工難度等要素的影響。

假定3：工程總量、工程余量、施工進度、施工技術水平統一按照進度單位處理，例如：工程總量為7 000 m，施工進度為100 m/月。

假定4：在物資供應保障系統中做了兩方面簡化，一是不區分生活物資和生產物資，均按統一口徑簡化處理；二是將物資保障量綱采用進度量綱。

假定5：遠程災害函數按照隨機函數設置，假定遠程災害是隨機發生的；近場災害考慮了工程難度、施工技術水平、基礎事故概率、基礎事故規模等要素的綜合影響。

2.2 因果關系分析

在模型構建時主要考慮物資供應對工程進度的影響，而技術創新會影響施工技術進而影響施工進度，施工進度會影響物資的消耗，進而對物資供應產生影響。因此本研究主要考慮物資供應子系統、施工進度子系統、技術子系統，在篩除次要因素之后共得到15個關鍵要素，包括施工進度、施工技術能力、近場災害、物資保障能力、電力保障能力、通信保障能力、應急救援能力、技術創新能力、物資儲存能力、災害預警能力、遠程災害、物資運輸能力、道路通行能力、道路防護水平、道路建設等級。基于子系統之間的相互影響關系，結合川藏鐵路工程建設活動的特點，可描繪系統各要素間影響關系，并最終得到15個要素之間13個因果反饋回路，如圖1所示。

圖1 系統因果回路圖

3 川藏鐵路工程物資供應保障系統動力學模型構建

3.1 系統動力學流圖構建

基于因果關系分析，進一步建立基于系統動力學流圖如圖2所示。模型中包括主要流率方程和輔助變量方程共25個，主要變量方程列式如下。

下月計劃補充物資：IF THEN ELSE((工點物資存量?戰略儲備物資量)＞0，下月物資消耗計劃量， (下月物資消耗計劃量+戰略儲備物資量?工點物資存量) ) 。

物資供應函數：IF THEN ELSE(工點物資存量>當期施工能力，當期施工能力，工點物資存量)。

當期施工能力：當期施工能力=施工技術水平÷施工難度系數×電力供應函數。

遠程致災函數：RANDOM NORMAL(最小通行能力，最大通行能力，平均通行能力，函數的標準偏差，隨機函數的序列種子)。

電力供應函數：RANDOM NORMAL(最小供電能力，最大供電能力，平均供電能力，標準偏差，隨機函數的序列種子)。

圖2 川藏鐵路工程物資供應保障管理系統動力學流圖

3.2 模型有效性檢驗

模型的有效性檢驗包括機械錯誤檢驗、量綱一致性檢驗、極端條件檢驗、模型有效性檢驗。本文采用vensim軟件構建模型，軟件通過了機械性錯誤檢驗、量綱一致性檢驗以及極端條件檢驗。本研究結合西南山區某鐵路隧道進行了輸入參數設計，主要輸入參數如表1所示。

將相關參數輸入模型，對工程的施工進度、技術進步速度、物資供應和倉儲情況、電力供應情況等參數之間的關系進行了仿真分析，仿真結果如圖3和4所示。

根據圖3所示，在第79個月時，單口完成了7 000 m的工程量；圖4施工速率屬于典型的S性曲線，剛開工時每月進尺35 m左右，施工前一年施工水平提高緩慢，從第2年開始至第4年施工速率快速提升至120 m/月，在工程后期施工速率提高緩慢，反映出典型的學習曲線。結合該隧道的實際情況，可知本研究建立的系統動力學模型中各參數之間的相互影響關系、設立的方程和參數是合理的，能夠反映工程管理的實際情況。

表1 模型主要參數設定

圖3 剩余工程量

圖4 施工速率

4 物資供應保障策略系統仿真

4.1 物資供應保障策略的分類

物資運輸能力與物資庫存量是影響隧道施工物資供應的兩大關鍵要素。道路等級影響道路最大通行能力以及道路抗災能力，在系統模型里反映為最大通行能力提高、遠程致災函數中平均通行能力提高，標準偏差減小。運輸道路長度與道路遭受災害的影響成正比，在道路中間增設物資轉運基地可以有效降低道路中斷風險，提高物資運輸的穩定性，在系統模型里反映為致災函數由2個變為1個。在工地保有一定物資庫存量可在物資運輸中斷時保障工程建設正常推進，物資庫存量可以是一個固定數值，也可以和工程施工能力掛鉤。基于上述分析，提出物資供應保障的3種策略如表2所示。

4.2 不同物資供應保障策略仿真結果對比

3種物資供應保障策略得出的結果如表3和圖5～7所示。從不同物資供應保障策略的仿真結果來看，采用策略1所需工期最長，達85個月，采用策略3所需工期最短，為79個月。從物資供應對施工保障效果來看，策略3很好地保障了施工的連續性，施工速率持續穩步提高，而策略1和策略2均發生了由于物資供應不及時導致工作面窩工現象。從物資供應可靠性來看，采用策略3時，在工程前中期每月物資供應量都很穩定，在工程后期存在一定起伏，物資供應總體可靠性最高；而采用策略1時，每月物資供應量起伏很大，物資供應可靠性很低；采用策略2時，施工前期物資供應比較穩定，施工中后期起伏比較劇烈，物資供應可靠性較低。從倉儲成本來看，策略2對倉庫容量要求最低，策略1次之，策略3對倉庫容量要求最高，但采用策略1和策略2時，一方面倉庫物資儲量起伏劇烈，另一方面倉庫容量自始至終均比較大，而采用策略3時，盡管工程后期對倉庫容量要求較高，但是倉庫物資儲量比較穩定，且倉庫容量在工程的前中期均比較低，在工程后期逐步提高，可根據物資存儲需求變化，在工程后期逐步擴大倉庫容量。因此，綜合看來，策略3對倉庫的利用率最高，綜合成本較低。

表2 物資供應保障策略組合

表3 不同物資供應保障策略仿真分析結果

進一步分析3種策略的成本，提高道路建設等級的成本最高，盡管提高道路建設等級能夠從源頭上減少自然災害對物資運輸的影響，但付出的代價極為昂貴，而且只能降低自然災害的影響，并不能完全杜絕道路運輸中斷的風險。相對而言，在道路中間建設物資轉運基地以及擴大工地物資庫存量所需成本較低，經濟性更突出。綜合上述分析可得出3種策略成本對比如表4所示。

(a) 策略1；(b) 策略2；(c) 策略3

根據表4的對比分析可見，采用在道路中間建設物資轉運倉庫，并且將工地物資庫存量與施工能力動態掛鉤的物資供應保障策略是比較理想的選擇。

4.3 物資供應保障策略分析

川藏鐵路工程的復雜艱險程度前所未遇，地形條件險峻、自然災害頻發，參照常規鐵路工程建設運輸便道，必然會造成運輸過程事故多發、道路遭受自然災害而中斷、道路維修成本高等問題。因此，按照永臨結合的原則合理確定運輸道路建設等級，確保運輸道路具有一定的抗災能力是川藏鐵路工程物資供應保障的基本要求。但提高道路等級所需成本很高，因此有必要根據運量大小、運距長短、潛在災害等級等要素對道路進行分級建設。在運輸道路路網不同位置設置物資轉運基地能夠提高物資供應保障的可靠性，也是保障物資供應的關鍵舉措；物資轉運基地的設置要綜合考慮路網結構、道路等級、運輸距離以及基地本身的安全性等問題。

(a) 策略1；(b) 策略2；(c) 策略3

(a) 策略1；(b) 策略2；(c) 策略3

工地物資庫存量需要與工程進度緊密結合，工程建設不同階段對物資具有不同需求，將物資庫存量與工程進度指標動態掛鉤更有利于提高倉儲效率，降低倉儲成本，同時提高物資供應的可靠性。需要注意的是，本研究沒有考慮道路通行能力的季節性差異，而在確定工地物資庫存量還要綜合考慮工程建設的季節性差異。

表4 不同物資供應保障策略成本效益對比

5 結論

1) 提高運輸道路建設等級與設置物資轉運基地均能有效提高物資運輸的可靠性。提高道路等級的成本很高，因此需要根據運量大小、運距長短、自然災害等級等要素分級建設路網。物資轉運基地選址要綜合考慮路網結構、道路等級、運輸距離以及基地本身的安全問題，通過路網和物資轉運基地相互配合綜合提高物資運輸的可靠性。

2) 工地物資庫存量與工程進度動態掛鉤更有利于有效保障施工進度，同時也更有利于提高倉儲效率、降低倉儲成本，并減少工程窩工。

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System dynamic simulation of material supply support strategy of Sichuan-Tibet railway project

XIE Hongtao1, LU Rui2, LIU Wenjian3, ZHENG Junwei4, ZHANG Yunhua4

(1. Faculty of Management and Economics, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China;2. Wuhan Railway Electrification Bureau Group Co., Ltd., Wuhan 430074, China; 3. China National Railway Group Co., Ltd., Engineering Management Center, Beijing 100844, China; 4. Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

Material supply of Sichuan-Tibet railway project possesses the characteristics of high-hazard, long transportation distance and high volume. The reliability of road and storage need to be taken into account in material supply strategy. The characteristics and key influencing factors of material supply of Sichuan-Tibet railway project were analyzed. A system dynamic simulation model of material supply assurance system integrating four subsystems, including material supply, construction schedule and construction technology, was developed. The portfolio strategy of three key influencing factors which were road grade, material transfer base and material reserves in construction site, was simulated. The result shows that the inter-relation of factors within the material supply assurance system in line with the actual situation. The model can effectively simulate the material supply support strategy of Sichuan-Tibet railway project. The mutual complementation of road network and material transfer base can help to improve reliability of material supply system effectively. The dynamic link of stock of goods in site warehouse and construction schedule is in favor of reducing engineering slowdown.

Sichuan-Tibet railway; material supply; reliability; system dynamic

C935

A

1672 ? 7029(2021)01 ? 0250 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200230

2020?03?24

國家自然科學基金資助項目(71942006，71761021，71941015)；高速鐵路軌道技術國家重點實驗室開放課題(2019YJ198)

謝洪濤(1974?)，男，湖南漣源人，教授，博士，從事工程項目管理；E?mail：xhtcsu@126.com

(編輯 蔣學東)