地鐵軌道工程受限空間物料物流組織模型研究

楊文文 YANG Wen-wen；甘二雷 GAN Er-lei；劉治 LIU Zhi

（中交二公局鐵路建設(shè)有限公司，西安 710199）

0 引言

隨著城市交通系統(tǒng)的發(fā)展，城市地鐵因其方便快捷、安全高效、低碳環(huán)保等特點(diǎn)成為城市交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。地鐵軌道工程作為地鐵建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，成為制約地鐵線路整體建設(shè)的關(guān)鍵所在。

物資材料的物流組織貫穿地鐵軌道施工全過程，是施工得以順利進(jìn)行的重要基礎(chǔ)和限制條件。物流組織應(yīng)該根據(jù)施工需要，實(shí)現(xiàn)物料的連續(xù)供應(yīng)快速交換，并減少對(duì)施工作業(yè)的干擾，確保施工生產(chǎn)有序進(jìn)行。由于地鐵軌道施工普遍存在工期緊、任務(wù)重、標(biāo)準(zhǔn)高、難度大的特點(diǎn)，加之地下空間和隧道環(huán)境限制運(yùn)輸方式和施工工藝，因此，物流組織成為制約工期和質(zhì)量的關(guān)鍵因素，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。本文以地鐵軌道施工物料為研究對(duì)象，對(duì)其物流組織問題進(jìn)行研究，通過數(shù)學(xué)建模，選擇至少一條通暢的物流通道，確定適宜型號(hào)和數(shù)量的運(yùn)輸?shù)跹b設(shè)備，最終實(shí)現(xiàn)物料的及時(shí)、有效供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高效施工，具有重要的研究意義。

1 研究現(xiàn)狀

目前關(guān)于受限空間物流組織的研究主要集中在地鐵軌道施工受限空間特點(diǎn)、物流組織難點(diǎn)、物流組織方法和優(yōu)化組織方案等方面。

地鐵軌道施工中，隧道空間狹長且不規(guī)則，多品種、多數(shù)量的施工機(jī)具材料等在施工循環(huán)中需要不斷地組織運(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致物流組織復(fù)雜[1]。為更好地組織和實(shí)施物料運(yùn)輸，保證工效，學(xué)者們提出采用先進(jìn)的機(jī)具設(shè)備[2]、鋪設(shè)軌排作為臨時(shí)軌道[3]、提高操作熟練度和勞動(dòng)生產(chǎn)率[4]、使用線間空地存放[5]、繪制物料輸送走向圖指導(dǎo)物流組織[6]、加快混凝土物流速度[7]、大循環(huán)中形成小循環(huán)[8]等物流組織方案。

目前的研究大多是理論層面的建議，包括施工組織方面、技能提升方面和裝備升級(jí)方面。物流組織優(yōu)化方法實(shí)際操作性有待考究，且相對(duì)單一和孤立，沒有形成一整套完成的物流組織方案，缺乏系統(tǒng)、全面的研究。

2 地鐵軌道工程概況

2.1 工序簡述

地鐵軌道按照道床的形式和結(jié)構(gòu)不同可分為減振墊預(yù)制板道床、鋼彈簧浮置板道床等，按照施工工藝又可分為現(xiàn)澆道床和預(yù)制道床。從施工角度而言，不同道床形式雖然存在部分施工操作上的區(qū)別，但整體施工工藝基本類似，包括基底施工、減振部件施工（如有）、道床板施工和混凝土澆筑、鋼軌扣件施工。

2.2 物料需求特征分析

地鐵軌道施工根據(jù)不同的工序，需要提供不同的物料。基底施工所需物料主要包括鋼筋、模板和混凝土；減振部件安裝要用到地鐵線路設(shè)計(jì)要求的減振部件，如減振墊和鋼彈簧；道床板施工主要涉及到道床板、防上浮支架、防側(cè)移支撐；混凝土澆筑需要模板和自密實(shí)混凝土；鋼軌扣件安裝所需物料為鋼軌、扣件和軌距拉桿、無孔夾軌器。

2.3 物流組織難點(diǎn)與目標(biāo)

施工物流組織主要取決于物流通道條件，地鐵軌道內(nèi)正洞軌上凈空面積較小，施工空間狹小，大型施工機(jī)械無法工作，物料存放場地不足，施工操作難以展開；圓形隧道弧面形狀導(dǎo)致運(yùn)輸方式受限，人員走行和作業(yè)困難，物料無法放置；空間狹長，通道單一且施工作業(yè)和運(yùn)輸?shù)裙灿?，各物流運(yùn)輸間、運(yùn)輸與施工間相互影響相互制約，物流、施工干擾極大；洞內(nèi)無法與外界形成環(huán)形閉合通道，施工物資運(yùn)輸距離加長，大型機(jī)械設(shè)備無法掉頭，效率低下。

除軌道施工物流通道條件限制外，施工要求也增加了物料物流組織難度。軌道施工各施工環(huán)節(jié)物料需求種類多樣，不同施工工藝所需施工材料、設(shè)備及人員種類、數(shù)量均不相同，所涉及材料運(yùn)輸方式、存放方式、型號(hào)數(shù)量也不相同，還會(huì)存在物流的不均衡性和二次倒運(yùn)等問題。

地鐵軌道施工組織以物流組織為中心，充分利用已經(jīng)達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)制板軌道和作為臨時(shí)通道的走行軌，根據(jù)工程量和施工進(jìn)度進(jìn)行施工時(shí)間空間布置的物流規(guī)劃，以科學(xué)的物流組織來實(shí)現(xiàn)物料的連續(xù)供應(yīng)和快速交換，保持工作面連續(xù)施工，同時(shí)盡可能減少各物流運(yùn)輸間、物流運(yùn)輸與施工作業(yè)間的交叉和影響，提高施工效率和質(zhì)量。

3 模型建立

3.1 問題描述

地鐵軌道施工中，物流組織所涉及的主體分為機(jī)械設(shè)備和機(jī)具物料兩大類，所涉及的場所分為鋪軌基地和隧道施工空間兩部分。整體施工中，除混凝土等時(shí)效性較強(qiáng)的材料外，一般將所需材料按照需求暫存于鋪軌基地，再根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)進(jìn)度將鋪軌基地的材料由特定機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)至鋪軌施工作業(yè)面。

本文所研究的問題是在隧道作業(yè)空間受限情況下的地鐵軌道施工物流組織模式優(yōu)化問題，在物流組織優(yōu)化的基礎(chǔ)上尋求施工組織優(yōu)化。物流模式主體為地下隧道施工空間，由各施工作業(yè)點(diǎn)提出物料需求種類的數(shù)量、時(shí)限要求，由鋪軌基地經(jīng)由下料井進(jìn)行運(yùn)輸和吊裝，最后輸送到目標(biāo)點(diǎn)。

施工物料運(yùn)輸共經(jīng)歷三個(gè)階段，第一階段是鋪軌基地的水平運(yùn)輸，一般由鋪軌基地龍門吊完成；第二階段是下料井的垂直運(yùn)輸，除混凝土類為管道泵送外，由龍門吊完成；第三階段是隧道施工空間的水平運(yùn)輸，通常由軌道車配合鋪軌龍門吊完成，軌道車運(yùn)輸至已成型軌道終點(diǎn)，再由鋪軌龍門吊吊裝至物料需求點(diǎn)附近，視情況暫存于合適的地點(diǎn)或直接鋪設(shè)到指定位置。其中，隧道施工空間的水平運(yùn)輸為研究的核心和重點(diǎn)。

3.2 相關(guān)假設(shè)

①每種物流組織對(duì)象使用運(yùn)輸工具確定，對(duì)應(yīng)車輛載重確定；

②車輛在承載運(yùn)輸任務(wù)過程中，車速取平均值且已知，不考慮擁堵、損壞等意外情況；

③完整服務(wù)時(shí)間包括吊裝時(shí)間、運(yùn)輸時(shí)間、轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間及其他附加時(shí)間；

④各種吊裝機(jī)械、運(yùn)輸車輛都有其既定的路線；

⑤施工作業(yè)面需求量大于等于運(yùn)輸量，易損易壞材料按照2%的超出量備用，向下取整；

⑥任一施工需求物料均可由一輛運(yùn)輸車運(yùn)輸。

3.3 模型建立

3.3.1 集合說明

物料運(yùn)輸起始點(diǎn)、中轉(zhuǎn)點(diǎn)、作業(yè)點(diǎn)總體的合集，記為V，令V=I∪J∪K。物料運(yùn)輸起點(diǎn)的合集，記為I，令I(lǐng)={1，2，3…i}；中轉(zhuǎn)點(diǎn)下料井的合集，記為J，令J={1，2，3…j}；物料運(yùn)輸終點(diǎn)施工作業(yè)點(diǎn)的合集，記為K，令K={1，2，3…k}；各類裝卸機(jī)械和運(yùn)輸車輛的合集，記為G，令G={1，2，3…g}。

3.3.2 參數(shù)說明

模型參數(shù)和變量說明如表1 所示。

表1 模型參數(shù)和變量

3.3.3 建立模型

建立以運(yùn)輸時(shí)間最小化為目標(biāo)函數(shù)的運(yùn)輸規(guī)劃模型，包括鋪軌基地水平運(yùn)輸時(shí)間（Tij1）、下料井垂直運(yùn)輸時(shí)間（Tj1j2）、隧道作業(yè)空間水平運(yùn)輸時(shí)間（Tj2k），最小時(shí)間目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

①模型的目標(biāo)函數(shù)。

1）鋪軌基地水平運(yùn)輸時(shí)間。

在地鐵軌道施工物流組織研究中，物料的運(yùn)輸是從鋪軌基地物料存放區(qū)域或時(shí)效性物料進(jìn)入鋪軌基地時(shí)開始考慮，因此，鋪軌基地水平運(yùn)輸僅考慮物料在基地內(nèi)部的運(yùn)輸，該過程一般由龍門吊或混凝土罐車完成。由于該過程物流空間和組織方式較為常規(guī)，時(shí)空占用特征較為簡單，不再單獨(dú)計(jì)算，該時(shí)間Tij1的值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，建議取值范圍為160s～210s。

2）下料井垂直運(yùn)輸時(shí)間。

下料井垂直運(yùn)輸一般由龍門吊或混凝土類泵送管道完成，該過程運(yùn)輸方法較為簡單，物流組織方法固定，不再單獨(dú)計(jì)算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)該時(shí)間Tj1j2的建議取值范圍為100s～140s。

3）隧道作業(yè)空間水平運(yùn)輸時(shí)間。

鋪軌基地龍門吊或混凝土輸送管道將物料由下料井運(yùn)輸至洞口的軌道車，軌道車運(yùn)至已成型的軌道終點(diǎn)，由鋪軌龍門吊吊裝后短距離運(yùn)輸至作業(yè)點(diǎn)物料需求處，卸裝暫存于合適位置或直接完成施工。

隧道內(nèi)水平運(yùn)輸時(shí)間Tj2k包括軌道車運(yùn)輸時(shí)間T′j2k、鋪軌龍門吊運(yùn)輸時(shí)間T″j2k和鋪軌龍門吊起吊附加時(shí)間TLQ。軌道車運(yùn)輸時(shí)間和鋪軌龍門吊運(yùn)輸時(shí)間根據(jù)走行距離和走行平均速度計(jì)算得出，走行距離根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際確定，走行平均速度一般不超過10km/h，如遇轉(zhuǎn)彎等特殊地段，應(yīng)保持在5km/h。需要注意的是，鋪軌龍門吊不作為主要運(yùn)輸工具使用，僅適用于短距離轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)輸。龍門吊起吊要注意按照運(yùn)輸物料特點(diǎn)固定綁扎，必要時(shí)要進(jìn)行工具加固或兩臺(tái)龍門吊同時(shí)起吊，確保吊裝安全，耗時(shí)較長，不可忽略，需單獨(dú)考慮。隧道內(nèi)運(yùn)輸示意圖如圖2 所示。

由此，隧道內(nèi)水平運(yùn)輸時(shí)間目標(biāo)函數(shù)為：

式中，Tj2k——物料隧道內(nèi)水平運(yùn)輸時(shí)間；L′j2k——隧道作業(yè)空間內(nèi)軌道車運(yùn)輸距離；V′j2k——隧道作業(yè)空間內(nèi)軌道車運(yùn)輸平均速度；L″j2k——隧道作業(yè)空間內(nèi)鋪軌龍門吊運(yùn)輸距離；V″j2k——隧道作業(yè)空間內(nèi)鋪軌龍門吊運(yùn)輸平均速度；TLQ——鋪軌龍門吊起吊附加時(shí)間。

由于模型建立基于各運(yùn)輸環(huán)節(jié)銜接緊密，各施工人員操作熟練和運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)行狀況良好，考慮到實(shí)際運(yùn)輸情況復(fù)雜，空間受限，經(jīng)分析檢算，確定模型修正系數(shù)為1.21。綜上，地鐵軌道施工物料運(yùn)輸時(shí)間為：

②模型的約束條件。

1）運(yùn)輸物料數(shù)量需要滿足施工需求約束。到達(dá)隧道空間的物料需要在考慮損壞率的情況下，可用物料必須滿足施工作業(yè)點(diǎn)數(shù)量需求。

2）物料到達(dá)時(shí)間需要滿足施工要求約束。物料在滿足種類的數(shù)量要求的情況下，轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間和到達(dá)施工現(xiàn)場時(shí)間需要滿足施工時(shí)限要求。

3）鋪軌基地各物料存放點(diǎn)的存儲(chǔ)能力約束。在物流網(wǎng)絡(luò)中，從鋪軌基地i 運(yùn)出的物料總量不能超過該存放點(diǎn)的最大存放和處理能力Hi。

4）中轉(zhuǎn)物流節(jié)點(diǎn)物資平衡約束。在物流網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)進(jìn)和運(yùn)出中轉(zhuǎn)物流節(jié)點(diǎn)j 的物料總量必須相等。

5）施工作業(yè)點(diǎn)運(yùn)輸需求約束。從鋪軌基地i 運(yùn)出的物料總量必須等于或超過施工作業(yè)點(diǎn)對(duì)于物料的需求總量，考慮運(yùn)輸及裝卸等過程中的運(yùn)損和物料本身缺陷率和可正常使用程度。

6）中轉(zhuǎn)物流節(jié)點(diǎn)的處理能力約束。在物流網(wǎng)絡(luò)中，如果存在中轉(zhuǎn)物流節(jié)點(diǎn)未被選中執(zhí)行中轉(zhuǎn)任務(wù)，則該中轉(zhuǎn)物流節(jié)點(diǎn)在本次任務(wù)中被定義為沒有任務(wù)量，即作為空閑資源，將以空閑狀態(tài)等待下一次運(yùn)輸任務(wù)的分配。

7）至少有一個(gè)中轉(zhuǎn)物流節(jié)點(diǎn)被選中。在物流網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸任務(wù)安排和執(zhí)行過程中，應(yīng)該保證至少有一個(gè)中轉(zhuǎn)物流節(jié)點(diǎn)被選中執(zhí)行中轉(zhuǎn)任務(wù)，否則將無法完成待運(yùn)物資的正常運(yùn)輸和運(yùn)達(dá)。

8）運(yùn)輸設(shè)備數(shù)量約束。物流網(wǎng)絡(luò)中派出和使用的運(yùn)輸設(shè)備不能超過總運(yùn)輸設(shè)備數(shù)量。

4 模型驗(yàn)證

根據(jù)地鐵軌道施工物流通道受限導(dǎo)致物料物流組織復(fù)雜的特點(diǎn)，選用遺傳算法進(jìn)行模型求解，由于遺傳算法所得結(jié)果無限趨近于最優(yōu)解且每次運(yùn)算結(jié)果都有差異，因此，采用連續(xù)運(yùn)行10 次取最小值的方法確定最終計(jì)算值，以便計(jì)算結(jié)果無限趨近于模型的最優(yōu)解。針對(duì)受限空間環(huán)境下物流組織優(yōu)化目標(biāo)，提出劃分施工單元、調(diào)整物料運(yùn)輸順序和完善物料臨時(shí)存放方式等措施。以軌道板運(yùn)輸為例，優(yōu)化前物料運(yùn)輸時(shí)間為1872s，優(yōu)化后為1516s，下降比例為19.02%，效果明顯。

5 結(jié)論

通過對(duì)地鐵軌道施工受限空間特點(diǎn)和物料需求特征的研究，建立了基于施工所需物料物流組織模式優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，并用遺傳算法對(duì)該模型進(jìn)行求解，提出劃分施工單元、調(diào)整物料運(yùn)輸順序和完善物料臨時(shí)存放方式等優(yōu)化措施。計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后的物流組織模式可以減少運(yùn)輸時(shí)間19%?？梢缘贸觯撃Ｐ途哂幸欢ǖ目尚行?，優(yōu)化后的物流組織模式具有一定的優(yōu)越性。