仿真在場平工程土石方調配管理與效率提升中的應用
——以宜都化工園場平工程為例

□ 俞穎皓 李 嘉 周 穎

隨著城市化進程的加速，基礎設施建設對土石方調配技術的要求日益提高。然而，傳統的土石方調配管理方式相對粗放，作業順序計劃不精確，工程技術信息化優勢未得到充分發揮。為了提升工程效率、降低成本并推動現場精細化管理，筆者以宜都化工園二期2 號地塊場平工程為案例，聚焦于基礎設施建設項目中土石方調配的優化問題，通過多智能方法綜合優化，在土石方調度構建的土石方調配數學模型上，采用表上作業法進行配送路徑優化，基于Arena仿真平臺進行土石方調配作業的仿真應用，從而有效提升現場的土石方調配環節實施有序化管理水平。

一、現行土石方調配實踐與優化需求

基礎設施建設在國民經濟中扮演著舉足輕重的角色，而土石方工程作為基礎設施建設的關鍵環節，其調配問題直接影響工程進度、成本、資源利用效率等?，F有的土石方最優調配研究主要集中在水電工程項目領域，而在道路工程方面的研究較為有限。此外，許多研究仍然依循了水電工程項目的實踐方法，因此在道路與建筑工程中的適用性受到了限制。借助可視化技術，以詳盡的方式呈現土石方施工情況，從而為實施土石方調配的動態管理提供基礎，以確保其平衡性和科學性。土石方調配在土石壩或堆石壩的施工中具有關鍵意義，其合理性直接影響到工程成本的降低和工程順利進行，因此具備重要的經濟和技術價值。

二、場平工程土石方調配面臨的挑戰

場平工程土石方調配管理是現代基礎設施建設中一個至關重要的環節，面臨著一系列復雜且嚴峻的問題與挑戰。

1.粗放的管理方式

傳統土石方調配管理方式往往過于粗放，基于經驗和主觀判斷缺乏科學性和系統性，這導致了施工進度和資源利用效率難以保證。管理者常常依賴人工計算和經驗來安排土方運輸，可能增加不必要的土石方運輸成本，從而降低項目的經濟效益。

2.土石方平衡問題

場平工程中土方的開挖和填筑必須保持平衡，以防止資源浪費和環境破壞。然而，傳統管理方法很難有效地解決土石方平衡問題。如果在不考慮施工進度、地質條件和其他因素的情況下，土方的開挖和填筑就很容易失衡，導致資源浪費和工程延期。

3.缺乏信息化支持

土石方調配管理過程中的信息化程度通常較低，這意味著管理者很難實時獲取關于土石方運輸、施工進度和資源分配的準確數據。缺乏信息化支持使得管理者難以做出及時的決策，也妨礙了管理的精細化和科學化。

4.土石方調配的動態管理

土石方調配是一個動態過程，需要不斷調整和優化。傳統管理方法往往缺乏有效的機制來實現土石方調配的動態管理。在工程施工過程中，地質條件、氣候變化、施工進度等因素都可能發生變化，需要隨時對土石方調配方案進行調整。如果沒有及時的信息和工具支持，管理者將難以應對這些變化，可能導致工程的不穩定性及增加額外成本。

5.土石方調配的可視化管理

土石方調配需要以一種可視化的方式進行管理，以便管理者能夠清晰地了解土石方的開挖和填筑情況。這種可視化管理不僅有助于保持土石方的平衡，還可以及時發現和解決問題。然而，傳統方法往往缺乏有效的工具和技術來實現土石方調配的可視化管理，使得管理過程缺乏透明度。

為了應對這些挑戰，現代場平工程管理需要采用更科學、更精確和信息化的方法。這包括制定詳細的管理方案，建立科學的土石方調配模型，采用信息化工具來支持管理決策，實現土石方調配的可視化管理。

三、仿真技術在土石方調配管理中的應用

在實際土石方調配作業中，如車輛行駛時間、實際行駛距離、土石方挖掘及裝卸時間都受到不確定性的影響，車輛工作過程還需要考慮加油、維修等相關操作。為了更精確地理解系統行為規律，驗證數學模型的有效性，并為制定新的優化方案提供可靠指導，可以選擇搭建基于仿真平臺的土石方作業系統模型。仿真分析的目的是在考慮不同復雜因素和不確定性的情況下，對土石方調配作業系統進行整體分析，以進一步完善以往的單純數學建模分析結果，并在可能的條件下進行一定程度的動畫模擬。這有助于為交通行業管理工作提供實用、可操作性強的指導借鑒，以推動效率提升和成本降低。仿真技術在土石方調配管理中的應用原理和方法具體有土石方調配路徑規劃、資源分配優化、施工進度模擬、風險評估以及可視化監管等方面的應用。

1.土石方調配路徑規劃

仿真技術用于土石方調配路徑規劃的優化。通過建立土石方運輸的仿真模型，結合地質數據、道路條件等因素，模擬不同的土石方調配方案，并評估其效率和成本。仿真可以幫助確定最佳的土石方調配路徑，以減少運輸距離、降低成本，并確保土方的平衡。

2.資源分配優化

仿真技術可以優化資源的分配，包括人力、設備和時間。通過模擬不同資源配置方案找到最佳的資源分配策略，以滿足工程進度要求，最大程度地提高資源利用率。這有助于減少浪費和成本，并提高工程的效率。

3.施工進度模擬

仿真技術用于模擬施工進度，預測工程完成時間，并識別潛在的延誤因素。通過考慮各種不確定性因素，如天氣、資源供應等，建立準確的施工進度模型，幫助管理者制定合理的工程計劃和應對策略。

4.風險評估

仿真技術用于風險評估。通過模擬不同風險情景下的土石方調配過程，確定潛在的風險和影響，并制定相應的風險管理策略。這有助于降低工程風險，確保工程按計劃進行。

5.可視化監管

仿真技術用于可視化監管。通過將土石方調配過程以可視化的方式呈現，管理者可以實時監測土石方的開挖和填筑情況，及時發現問題并采取措施。這提高了管理的透明度和決策的準確性。

總之，仿真技術為土石方調配管理提供了強大的工具，可以幫助解決傳統方法所面臨的問題。通過仿真，管理者可以更加科學、精確地規劃土石方調配過程，優化資源分配，模擬施工進度，評估風險，實現可視化監管，從而提高工程的效率、質量和可控性。

四、宜都化工園場平工程案例分析

宜都化工園二期2 號地塊基礎設施建設項目場平工程，通過多智能方法的應用，探索土石方調配優化的新路徑，形成了場平工程土石方調度管理優化流程及方法。綜合方格網法對土方計算的結果、表上作業法對運輸路徑的分配，在土石方調配數學模型基礎上借助Arena仿真技術進行方案驗證和效果分析可以使得土石方調配作業可視化增強、作業管理清晰，同時作業前仿真可以對工程成本進一步預估。

1.填挖區域作業仿真呈現

宜都化工園場平工程一號區域全部挖區和填區如圖1 所示。將模塊按照既定的區域劃分、資源部署及參數設定后，構建整個區域的仿真模型，根據一號場地作業區現場，其仿真模型運行時候的實時呈現示意圖如圖2 所示。

圖1 一號場地土石方調配示意圖

圖2 一號作業區仿真運行實時呈現示意圖

為保證搭建的仿真模型能夠反映現實，以確保后期模型優化方案具有可信度，設計和搭建的模型需要校核與驗證。

（1）在模型搭建完成后，將模型的概念模型與模型搭建的邏輯進行比對，整個流程與設計無誤，輸入參數也無誤。

（2）運行模型，其動畫表現、實時指標表現如預期基本一致。

（3）由于模型運行時間較長，選用一區模型運行作為驗證實例。選取自卸車的運行距離作為對比依據，將計算模型與仿真運行結果進行對比。每個挖方和填方有既定的運輸土石方數量，自卸車有既定的容量和運輸距離。通過計算1 號場地的全部運量，得到1 號場地的全部運距理論上為50668。將相關參數輸入仿真模型，運行模型后得到全部運距輸出為50674.03，誤差極小。說明在指定輸入后，仿真模型可以很好響應理論計算結果，模型可靠性得到驗證。

2.土石方作業關鍵參數敏感性仿真分析

在現實中，一些問題在數學建模中難以處理，但可能對作業效率和成本會造成影響：①繞行系數。在估算運距時，數學模型采取的是區塊重心之間的直線距離，但現實中受地形影響，土石方運輸道路并非直線，而是會存在一定的繞行曲線；②自卸車前往加油車的距離。構建數學模型中，由于建模復雜沒有考慮自卸車自身加油行為?，F實中自卸車本身因油箱容量限制，在油料不足時會去指定的加油處加油，從而影響作業效率。此外，還有土石方裝卸效率、燃油消耗水平、自卸車容量等都可能是對作業效率和成本造成的影響因素。采用數學建模方式會較為復雜，可運用構建的仿真模型將數學建模難以處理的不確定性問題和復雜因素進行快速求解分析，以便從系統層面發現系統關鍵要素，從而為方案優化提供思路。

（1）繞行系數。車輛在不同區域之間的土石方運輸作業的距離是一個變化量，非直線距離，可將實際運輸距離與區塊重心（數學建模中的定義）之間的比值定義為繞行系數。繞行系數越大，現實中則表現為兩個區塊之間的道路彎曲繞行距離越長。隨著繞行系數增加，自卸車總行駛距離、燃油中消耗和作業總時長均增長。二者基本是等比例增長，作業總時長因受加油、裝載排隊等多因素影響，增長會出現波動，但當繞行系數到一定閾值后會出現快速上升。

（2）裝卸時長。挖掘機給自卸車裝載過程將直接影響到整個作業的效率和成本。裝卸時長對中作業時長的影響出現波動，這主要是由于挖掘機與自卸車在每個區域是按比例投放的，相對而言挖掘機的數量較少。若自卸車抵達挖掘機的時間間隔過短，則會排隊等候裝載，從而造成作業時間變長。因此，裝卸時長對作業總時間的影響受自卸車每次往返的運輸抵達頻率影響。如果頻率控制得恰當，每次自卸車返回時候不需要排隊就可以完成裝載。但是，由于一個區域的作業線路較多，且挖掘機和自卸車會在不同線路之間進行調配，因此其自卸車抵達頻率相對難以控制，從而出現因排隊造成的波動情況。但整體上看，裝卸時間增加，會造成整體作業時間的增加，進而導致挖掘機的油料消耗上升。

（3）加油行駛距離。自卸車前往加油的往返過程中不進行實際土石方作業，屬于空駛距離。如果加油距離遠，其繞行系數可能會增加，對整體燃油消耗可能會造成很大影響。加油距離對行駛距離和燃油消耗的影響較大，對作業時長也會產生影響，因此實際作業時，應該在保障安全的前提下盡量前往自卸車作業最近的現場完成加油。

（4）自卸車容量。自卸車有不同型號，其主要差別為裝載的土石方量不同。采用大容量自卸車可以顯著提高作業效率，降低運輸成本。

（5）自卸車運輸速度。自卸車在作業場地內一般以不超過5 公里/小時運輸土方，如果做好道路規劃和平整，進行合理的安全控制，可以采取提高運輸速度的方式來提高整體作業效率。特別是在平整作業后期，場地大部分區域平整后，可以提高實際車速。如果在保障安全的前提下提高自卸車運輸速度，可以顯著提高作業效率，從而降低整體成本。

五、結語

宜都化工園二期2 號地塊基礎設施建設項目中，仿真分析的成功應用實現了場平工程土石方調配管理的優化。多智能方法的綜合運用為土石方調配問題的解決提供了新的思路和途徑。通過定量數據的支持，案例驗證了優化方案在成本和資源利用方面的顯著改進，具體體現在優化的調配方案可顯著降低運輸成本，提高資源的利用效率，為工程施工過程提供了經濟保障。這些成果不僅在技術上具有創新意義，更為工程項目的高效實施和可持續發展提供了有力支持。未來，通過科學的數學模型和仿真分析，項目管理者可以更好地預測和應對土石方調配過程中的挑戰，從而提高項目的順利進行。相信類似的智能方法和優化思路將在更多的工程項目中得以應用，推動工程建設朝著更加智能化、高效化和可持續化的方向發展。