第5卷 第11期 中 国 水 运 Vol.5 No.11 2007年 11月 China Water Transport November 2007
土石方工程中机械化配置方案优化
林 飞
摘 要：介绍机械化配置方案的目的及实现过程，并将其应用于土石方工程中。基于施工中配置最优化的方案提出机械配置原则，针对土石方装运系统的特点，构建了合理装运过程仿真模型，模型主要是用来验证机械配备方案的合理性，通过装运系统过程仿真，能得出该方案下的各项参数指标，如施工工期、施工费用、机械效率等，从而为方案评价提供数据准备。
关键词：土石方 机械配置 方案优化
中图分类号：F270.7 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2007）11-0042-02
一、机群优化配置的目的及过程
工程机械机群优化配置与调度是当前国内外在该领域研究的发展方向之一。在这方面，国内尚处于研究和试验状态。
所谓机群的最优配置或称机群最优组合，即以机械化作业机群系统为对象，运用概率统计、运筹学、模拟仿真等方法，经分析、判断、推理，建立系统数字模型，进而采用最优化方法求得系统的最佳结果，使系统中各组成机械及设备间在技术参数上相互协调，在工艺方法上相互配合，从而获得技术上先进、运行中可靠、经济高效的施工机群系统。
机群优化配置是指为完成某一具体工程施工项目，以实现最优资源配置、最优工作效率、最佳工作质量为目的而进行的多机（施工机械或设备）优化组合。通过优化配置与调度系统，对系统的设备状态、位置、性能、工作质量和施工进度进行检测及动态调度。本课题以达到经济高效机群施工为目的，主要对机群优化配置和动态调度的方法及其关键技术进行研究。期望运用这一技术将施工综合效益提高 15%以上，施工设备维护成本下降 20%，以实现最佳资源利用和最优施工效果。
机群优化的基本任务是：在给定的工程条件下，为所有可行的工艺方案及其每一工序选择最佳的机型；确定最佳的机械规格，使各相关机械间的工作参数达到最优化；确定规定施工进度下必需的机械数量，以达到机群数量组成的最优化；按某一准则确定最优的机群系统。
机群优化可分为三个阶段。第一阶段的任务是确定机群结构和组成机械的类型及规格参数；第二阶段的任务是，从机械装备资源中确定所需要的最佳机群组合；第三阶段的任务是确定使机群发挥最大效率的组织管理措施。
二、土石方装运系统机械配置模型研究
土石方装运系统中，要求各种施工机械设备在数量和型号搭配上最合理，利用率最高，不至于某些设备高负荷运转，而另一些比较空闲。机械的组合分为主作业和从属作业两种。各从属作业的施工机械都应以确保主要设备充分发挥其效率为标准，所以有必要对机械配置模型进行研究，从而使得各
种机械设备在数量和型号上匹配。
1．机械配置的一般原则
工程施工机械种类、规格繁多，各种机械又有着自身独特的技术性能和作业范围。一种机械可能有多种用途，而某一施工内容往往可以采用不同的机械去完成，或者需要若干机种联合工作。为了获得最佳的技术经济效果，根据具体的施工条件，对施工机械的合理选择和组合，使其发挥尽可能大的效能，是机械化施工中的一个重要的环节。
工程量和施工进度是合理选择机械的重要依据。为了保证施工进度和提高经济效益，工程量大时采用大型机械，而施工程量时则采用中、小型机械。但这不是绝对的，因为影响机械施工的因素是多方面的。因此应遵循以下原则。
（1）施工机械与工程项目的具体情况相适应
在土石方工程中，施工面广，施工条件复杂多变，一方面，选用的施工机械类型应适合于具体工程项目的地形、土质、气候、施工场地大小、运输距离、施工断面形状尺寸、工程质量要求等；另一方面，机械的容量要与工程进度及工程量任务符合，尽量避免因机械工作能力不足或剩余，造成延缓工期或机械利用效率太低的现象，在条件允许的情况下，尽量选择最能满足施工内容的机种和机型。
（2）使用机型应有较好的经济性
施工机械经济性选择的基础是施工单价，主要和机械固定资产消耗及运行费用等因素有关。采用大型机械进行施工，虽然一次性投资大，但它可以分摊到较大的工程量当中，对工程成本影响较小。因此在选择机械时，必须权衡工程量与机械费用的关系，同时要考虑机械的先进性和可靠性，这是影响经济效益的重要因素。
（3）应能保证工程质量要求和施工安全
这是与上述两点密切相关的，根据工程项目的技术要求，选择合适的施工机械是保证工程质量的重要因素之一。对于技术要求高的项目，应考虑采用性能优良或专用机械，以保证工程质量和较高的生产率。但应注意不可片面追求高性能专用机械，应在满足工程质量要求的前提下，与机械的通用
收稿日期：2007-9-18
作者简介：林 飞 （1965-） 海南省路桥投资建设有限公司 公路机械工程师 （570203）
第11期 林 飞：土石方工程中机械化配置方案优化 43
性相结合。同时，机械应具有可靠的安全性能，如行驶稳定，有翻车或落体保护装置、危险施工项目可遥控作业等。此外，在保证施工人员、设备安全的同时，应注意保护自然环境。施工现场及其附近已有的其它建筑设施，不应因采用的机械施工而受到破坏或质量降低。
（4）机械的合理组合
合理的进行机械组合是发挥机械设备效率、形成机械化施工方案的重要因数，也是机械化施工的一个基本要求，它包括技术性能、机械类型及数量两个方面配置。
2．基于时间一费用目标的机械配置模型
机群优化组合问题应根据具体工程任务加以具体分析确定。优化的方法一般有简单费用比较法、线性规划法、动态规划法和单位折算费用法等。程序化领域专家法是一种人工求解法，根据工程机械机群施工规范，结合专家知识，由相关专家推理系统产生的程序化施工方案。这种方法简单可靠，实施的关键在于专家知识的获取。
折算费用法以取得施工机械（车辆）单位折算费用最小值的方案为最优，这种方法简单易行但考虑因素单一，难于兼顾施工质量因素的影响。
在实际施工过程中，不确定因素较多，严谨的数学方法往往会得出过于苛刻的状态需求，而经验法则过于粗略，缺乏科学依据。本文拟采用时间一费用模型，并针对土石方装运系统的特点对模型加以改进，期望在兼顾工期和费用的情况下，评价机械配备方案的优劣。
分析图1中施工工期、施工费用随施工机械设备数量变化的关系曲线可以看出：当施工机械设备的数量增加时，施工工期在缩短，施工费用在增加，工期目标与费用目标是相互矛盾的。所以，如何合理的进行施工机械配置使得工期和费用总目标达到最优是一个多目标优化问题。
图1 工期、费用随机械设备数量变化的关系曲线 对于土石方装运系统而言，改变施工机械设备的配置方法，就会得到不同的施工工期，因此施工工期是施工机械设备配置方案的函数。令N={ N1，N2，….。Nn}，表示各种施工机械设备数量所组成的向量，则施工工期可表示为T（N），T（N）可以通过仿真计算得到。
施工费用通常包括直接费用和间接费用两部分。直接费用是指直接用于完成工程任务的费用，如人工费、材料费、燃料费和设备费等；间接费用是指不能或不直接计入而须按
一定的标准分配给成本计算对象的费用，如企业管理费、银行利息、采购费等。一项工程发生的费用应是这两部分费用之和。但对于土石方装运系统中的机械设备优化配置问题而言，其费用仅指该工程中的直接费用，主要包括施工机械设备费用、人工费以及其它费用。为了计算的方便，将人工费等其它费用均摊到施工机械设备费用中。这样，土石方装运费用问题就归结为施工机械设备费用问题。其具体计算公式为：m
C(N,T)=
∑Ci
Ni
T(N)
i=1
式中：m—施工机械设备的种类；
CNi—某种施工机械设备台班费；
i—某种施工机械设备的数量；
根据上述分析，构建基于施工工期与施工费用多目标的施工机械设备配置教学模型。对于各分目标的综合，采用线性加权法。即Y=k1x1+k2x2+...+kpxp。其中k1,k2...,kp为相应的加权系数，其大小表示相应的目标函数在模型中的重要程度。
机械配置是施工组织设计的一项重要内容，特别是对大型工程项目的施工尤为重要。合理的机械配置方案能保证工程按期完成，并且节约施工成本，从而给施工单位带来良好的经济效益。所以对施工机械配置方案进行优化研究，不仅具有很好的理论意义，而且有一定的实际意义。
长期以来，人们对机械配置优化问题的研究主要是基于排队论、程序化领域专家法、计算机仿真法以及线性规划法等方法，并且取得了一定的研究成果。文中提出的时间－费用模型也需要采用有效的计算方法进行求解，如选取土石方工程中装运机械配置问题作为研究对象，采用粒子群算法对配置模型进行了求解。就是一种很好的求解过程，即寻求一种最优的机械配置方案。实际施工中需要考虑各种因素建立合理的模型进行分析。
三、结论
土石方工程施工实践表明：在机械配备完成后，施工过程中的运输费用占整个施工费用的50%以上。在工程的实施过程中，经常会遇到一些不可预见的随机事件，也直接影响着工程的正常进行。充分发挥机群协同作业的工作效率，降低施工成本，是施工者追求的目标，特别是对大型工程项目的施工尤为重要。对施工机械进行优化配置的研究，不仅具有很好的理论意义，而且有重大的实际意义。
参考文献
[1] 陈星明，王成端.公路路面施工机械的优化配置方法.[J].
筑路机械与施工机械化.2002.2期.
[2] 宋子福，朱伟峰，马金纯.浅谈土方工程施工的方案设
计.[J].黑龙江水利科技.2000.3期.
[3] 黄东亮，宋淑民.大型土石方机械化施工成本控制.[J].现
代机械.2004.3期.
[4] 王建丰.公路路面施工机械化配置模型的建立与应用.[J].
湖南交通科技.2005.4期.
第5卷 第11期 中 国 水 运 Vol.5 No.11 2007年 11月 China Water Transport November 2007
土石方工程中机械化配置方案优化
林 飞
摘 要：介绍机械化配置方案的目的及实现过程，并将其应用于土石方工程中。基于施工中配置最优化的方案提出机械配置原则，针对土石方装运系统的特点，构建了合理装运过程仿真模型，模型主要是用来验证机械配备方案的合理性，通过装运系统过程仿真，能得出该方案下的各项参数指标，如施工工期、施工费用、机械效率等，从而为方案评价提供数据准备。
关键词：土石方 机械配置 方案优化
中图分类号：F270.7 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2007）11-0042-02
一、机群优化配置的目的及过程
工程机械机群优化配置与调度是当前国内外在该领域研究的发展方向之一。在这方面，国内尚处于研究和试验状态。
所谓机群的最优配置或称机群最优组合，即以机械化作业机群系统为对象，运用概率统计、运筹学、模拟仿真等方法，经分析、判断、推理，建立系统数字模型，进而采用最优化方法求得系统的最佳结果，使系统中各组成机械及设备间在技术参数上相互协调，在工艺方法上相互配合，从而获得技术上先进、运行中可靠、经济高效的施工机群系统。
机群优化配置是指为完成某一具体工程施工项目，以实现最优资源配置、最优工作效率、最佳工作质量为目的而进行的多机（施工机械或设备）优化组合。通过优化配置与调度系统，对系统的设备状态、位置、性能、工作质量和施工进度进行检测及动态调度。本课题以达到经济高效机群施工为目的，主要对机群优化配置和动态调度的方法及其关键技术进行研究。期望运用这一技术将施工综合效益提高 15%以上，施工设备维护成本下降 20%，以实现最佳资源利用和最优施工效果。
机群优化的基本任务是：在给定的工程条件下，为所有可行的工艺方案及其每一工序选择最佳的机型；确定最佳的机械规格，使各相关机械间的工作参数达到最优化；确定规定施工进度下必需的机械数量，以达到机群数量组成的最优化；按某一准则确定最优的机群系统。
机群优化可分为三个阶段。第一阶段的任务是确定机群结构和组成机械的类型及规格参数；第二阶段的任务是，从机械装备资源中确定所需要的最佳机群组合；第三阶段的任务是确定使机群发挥最大效率的组织管理措施。
二、土石方装运系统机械配置模型研究
土石方装运系统中，要求各种施工机械设备在数量和型号搭配上最合理，利用率最高，不至于某些设备高负荷运转，而另一些比较空闲。机械的组合分为主作业和从属作业两种。各从属作业的施工机械都应以确保主要设备充分发挥其效率为标准，所以有必要对机械配置模型进行研究，从而使得各
种机械设备在数量和型号上匹配。
1．机械配置的一般原则
工程施工机械种类、规格繁多，各种机械又有着自身独特的技术性能和作业范围。一种机械可能有多种用途，而某一施工内容往往可以采用不同的机械去完成，或者需要若干机种联合工作。为了获得最佳的技术经济效果，根据具体的施工条件，对施工机械的合理选择和组合，使其发挥尽可能大的效能，是机械化施工中的一个重要的环节。
工程量和施工进度是合理选择机械的重要依据。为了保证施工进度和提高经济效益，工程量大时采用大型机械，而施工程量时则采用中、小型机械。但这不是绝对的，因为影响机械施工的因素是多方面的。因此应遵循以下原则。
（1）施工机械与工程项目的具体情况相适应
在土石方工程中，施工面广，施工条件复杂多变，一方面，选用的施工机械类型应适合于具体工程项目的地形、土质、气候、施工场地大小、运输距离、施工断面形状尺寸、工程质量要求等；另一方面，机械的容量要与工程进度及工程量任务符合，尽量避免因机械工作能力不足或剩余，造成延缓工期或机械利用效率太低的现象，在条件允许的情况下，尽量选择最能满足施工内容的机种和机型。
（2）使用机型应有较好的经济性
施工机械经济性选择的基础是施工单价，主要和机械固定资产消耗及运行费用等因素有关。采用大型机械进行施工，虽然一次性投资大，但它可以分摊到较大的工程量当中，对工程成本影响较小。因此在选择机械时，必须权衡工程量与机械费用的关系，同时要考虑机械的先进性和可靠性，这是影响经济效益的重要因素。
（3）应能保证工程质量要求和施工安全
这是与上述两点密切相关的，根据工程项目的技术要求，选择合适的施工机械是保证工程质量的重要因素之一。对于技术要求高的项目，应考虑采用性能优良或专用机械，以保证工程质量和较高的生产率。但应注意不可片面追求高性能专用机械，应在满足工程质量要求的前提下，与机械的通用
收稿日期：2007-9-18
作者简介：林 飞 （1965-） 海南省路桥投资建设有限公司 公路机械工程师 （570203）
第11期 林 飞：土石方工程中机械化配置方案优化 43
性相结合。同时，机械应具有可靠的安全性能，如行驶稳定，有翻车或落体保护装置、危险施工项目可遥控作业等。此外，在保证施工人员、设备安全的同时，应注意保护自然环境。施工现场及其附近已有的其它建筑设施，不应因采用的机械施工而受到破坏或质量降低。
（4）机械的合理组合
合理的进行机械组合是发挥机械设备效率、形成机械化施工方案的重要因数，也是机械化施工的一个基本要求，它包括技术性能、机械类型及数量两个方面配置。
2．基于时间一费用目标的机械配置模型
机群优化组合问题应根据具体工程任务加以具体分析确定。优化的方法一般有简单费用比较法、线性规划法、动态规划法和单位折算费用法等。程序化领域专家法是一种人工求解法，根据工程机械机群施工规范，结合专家知识，由相关专家推理系统产生的程序化施工方案。这种方法简单可靠，实施的关键在于专家知识的获取。
折算费用法以取得施工机械（车辆）单位折算费用最小值的方案为最优，这种方法简单易行但考虑因素单一，难于兼顾施工质量因素的影响。
在实际施工过程中，不确定因素较多，严谨的数学方法往往会得出过于苛刻的状态需求，而经验法则过于粗略，缺乏科学依据。本文拟采用时间一费用模型，并针对土石方装运系统的特点对模型加以改进，期望在兼顾工期和费用的情况下，评价机械配备方案的优劣。
分析图1中施工工期、施工费用随施工机械设备数量变化的关系曲线可以看出：当施工机械设备的数量增加时，施工工期在缩短，施工费用在增加，工期目标与费用目标是相互矛盾的。所以，如何合理的进行施工机械配置使得工期和费用总目标达到最优是一个多目标优化问题。
图1 工期、费用随机械设备数量变化的关系曲线 对于土石方装运系统而言，改变施工机械设备的配置方法，就会得到不同的施工工期，因此施工工期是施工机械设备配置方案的函数。令N={ N1，N2，….。Nn}，表示各种施工机械设备数量所组成的向量，则施工工期可表示为T（N），T（N）可以通过仿真计算得到。
施工费用通常包括直接费用和间接费用两部分。直接费用是指直接用于完成工程任务的费用，如人工费、材料费、燃料费和设备费等；间接费用是指不能或不直接计入而须按
一定的标准分配给成本计算对象的费用，如企业管理费、银行利息、采购费等。一项工程发生的费用应是这两部分费用之和。但对于土石方装运系统中的机械设备优化配置问题而言，其费用仅指该工程中的直接费用，主要包括施工机械设备费用、人工费以及其它费用。为了计算的方便，将人工费等其它费用均摊到施工机械设备费用中。这样，土石方装运费用问题就归结为施工机械设备费用问题。其具体计算公式为：m
C(N,T)=
∑Ci
Ni
T(N)
i=1
式中：m—施工机械设备的种类；
CNi—某种施工机械设备台班费；
i—某种施工机械设备的数量；
根据上述分析，构建基于施工工期与施工费用多目标的施工机械设备配置教学模型。对于各分目标的综合，采用线性加权法。即Y=k1x1+k2x2+...+kpxp。其中k1,k2...,kp为相应的加权系数，其大小表示相应的目标函数在模型中的重要程度。
机械配置是施工组织设计的一项重要内容，特别是对大型工程项目的施工尤为重要。合理的机械配置方案能保证工程按期完成，并且节约施工成本，从而给施工单位带来良好的经济效益。所以对施工机械配置方案进行优化研究，不仅具有很好的理论意义，而且有一定的实际意义。
长期以来，人们对机械配置优化问题的研究主要是基于排队论、程序化领域专家法、计算机仿真法以及线性规划法等方法，并且取得了一定的研究成果。文中提出的时间－费用模型也需要采用有效的计算方法进行求解，如选取土石方工程中装运机械配置问题作为研究对象，采用粒子群算法对配置模型进行了求解。就是一种很好的求解过程，即寻求一种最优的机械配置方案。实际施工中需要考虑各种因素建立合理的模型进行分析。
三、结论
土石方工程施工实践表明：在机械配备完成后，施工过程中的运输费用占整个施工费用的50%以上。在工程的实施过程中，经常会遇到一些不可预见的随机事件，也直接影响着工程的正常进行。充分发挥机群协同作业的工作效率，降低施工成本，是施工者追求的目标，特别是对大型工程项目的施工尤为重要。对施工机械进行优化配置的研究，不仅具有很好的理论意义，而且有重大的实际意义。
参考文献
[1] 陈星明，王成端.公路路面施工机械的优化配置方法.[J].
筑路机械与施工机械化.2002.2期.
[2] 宋子福，朱伟峰，马金纯.浅谈土方工程施工的方案设
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[3] 黄东亮，宋淑民.大型土石方机械化施工成本控制.[J].现
代机械.2004.3期.
[4] 王建丰.公路路面施工机械化配置模型的建立与应用.[J].
湖南交通科技.2005.4期.