地下洞室群施工工期-鲁棒性多目标优化研究

来源 :赵梦琦 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wyhai
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地下洞室群具有结构布置纵横交错、施工工序繁多复杂、施工周期长等特点,其施工过程中面临着施工机械故障、岩爆、衬砌渗漏、材料损坏等诸多突发的干扰事件。鲁棒性是指在突发干扰事件影响的条件下,地下洞室群能够按计划平稳有序施工的能力[1]。工期和鲁棒性之间存在着此消彼长的制衡关系,二者是相互冲突的优化目标。因此,在地下洞室群施工中,如何保证施工方案同时具有较强鲁棒性和较短工期,是施工方案多目标优化研究中面临的极大挑战。亟待研究解决以下关键问题:首先,如何确定工期与鲁棒性的度量指标;其次,在施工方案制定之时,如何提高方案的鲁棒性,以及如何实现工期-鲁棒性多目标优化;再次,在施工方案执行过程中,针对施工进度滞后情况,如何制定纠偏策略以优化工期和鲁棒性目标。针对上述问题,本文开展地下洞室群施工工期-鲁棒性多目标优化研究,取得如下的主要成果:(1)提出基于改进前景理论和Copula-CRITIC方法的地下洞室群施工方案复合鲁棒性度量方法。首先,针对目前大多数研究采用单一的解的鲁棒性或质量鲁棒性指标来度量鲁棒性的问题,提出包含开始时间偏差rs、结构偏差rp、完工概率rc三个指标的复合鲁棒性指标,从施工过程的解的鲁棒性和施工结果的质量鲁棒性等两方面实现对方案鲁棒性的全面度量。其次,在前景理论中引入区间理论,以反映由于专家认知不完备所产生的不确定性问题,在此基础上提出基于改进前景理论的鲁棒性指标主观赋权方法;同时提出客观赋权的Copula-CRITIC方法,利用Copula函数替换CRITIC(Criteria Importance Through Intercriteria Correlation)方法中的皮尔逊函数,以克服目前无法综合考虑rs、rp、rc三个鲁棒性指标的自身强度和指标之间相关性,以进行客观赋权的问题;进而提出基于詹森-香农散度和潘-周熵改进证据推理的主客观权重融合方法,通过詹森-香农散度衡量权重之间的差异性,通过潘-周熵衡量主客观权重所包含的信息量,从差异性与信息量两个方面对各权重的可靠性进行综合判断,以提高权重融合的准确性。结果表明:以复合鲁棒性指标r=0.374rs+0.219rp+0.407rc为优化目标得到的优化施工方案数增加了20个,且方案同时具有较好的解的鲁棒性和质量鲁棒性,验证了本文复合鲁棒性度量方法的优越性。(2)提出改进关键链法构架下的地下洞室群施工方案缓冲设置方法。针对目前的缓冲设置研究尚未同时设置集中缓冲和分散缓冲的不足,以及现有的缓冲大小计算研究缺少对干扰事件导致工程出现的延迟、故障、停工等概率进行科学计算的问题,提出同时在关键链的末尾处设置项目缓冲PB、在非关键与关键链的交汇处设置汇入缓冲FB,以及在关键链上的重要工序前设置分散缓冲SB的缓冲设置方法,从地下洞室群施工的过程和结果等两方面提高施工方案的解的鲁棒性和质量鲁棒性;同时,运用DSm T(Dezert-Smarandache Theory)理论求解干扰事件导致工程出现延迟、故障、停工等不利后果的综合概率,以弥补弹性系数法在计算缓冲时依据经验确定不利后果的综合概率、影响缓冲计算结果准确性的不足,得到关键链上的缓冲总量(即,分散缓冲之和与项目缓冲),以及非关键链上的缓冲总量(即,汇入缓冲)。并且,采用斐波那契黄金分割理论将DSm T-弹性系数法计算出的关键链上缓冲总量分配为分散缓冲之和与项目缓冲;采用STC(Starting Time Criticality,开始时间关键度)方法对关键链上工序的关键性程度进行排序,从而根据工序的关键性程度确定分散缓冲的大小和位置。结果表明:相比于对比组方法,基于本文方法设置的项目缓冲总量增加13.26天,分散缓冲总量增加39.58天,汇入缓冲总量增加58.27天;施工方案的鲁棒性提高27.71%,验证了本文缓冲设置方法的优越性。(3)提出地下洞室群施工工期-鲁棒性多目标优化灰狼正余弦混合算法。针对目前大多数地下洞室群施工方案优化研究缺少对工期和鲁棒性这两个相互制衡目标进行优化研究的问题,以及传统灰狼优化算法在迭代后期收敛速度减慢、易陷入局部最优的不足,首先,建立以工期和鲁棒性为目标的地下洞室群施工多目标优化数学模型。其次,通过正弦函数与余弦函数随机数的产生与切换,采用正余弦优化算法改进灰狼优化算法中头狼(?)的位置更新方式,平衡灰狼算法寻优的收敛与发散能力,从而克服灰狼优化算法在迭代后期所出现的收敛速度减慢、易陷入局部最优的问题;最后,采用VIKOR多方案优选方法从Pareto解集中选出最佳施工方案。结果表明:相比于MOPSO、MOGWO、MOEA、MOMVO等经典优化算法,灰狼正余弦混合优化算法具有更短的寻优速度(616.337秒)和更多的优化解(34个),具有求解地下洞室群施工工期-鲁棒性多目标优化问题的优越性。(4)提出基于SD-DES进度纠偏耦合模型的地下洞室群施工工期-鲁棒性多目标优化方法。针对现有进度纠偏研究缺乏考虑地下洞室群施工中采取的加班、增加设备、增派人员、重新调度等四种纠偏策略的问题;以及相关的系统动力学(system dynamics,SD)模型未能考虑施工人员懈怠、设备磨损与维修等纠偏参数的问题;并且,由于SD模型仅能够描述“进度偏差估计-纠偏策略制定”之间的因果反馈关系,而无法对“纠偏策略制定-策略实施效果”之间的逻辑关系进行有效描述,所以仅采用SD模型无法解决“进度偏差估计-纠偏策略制定-策略实施效果”这一过程的有效模拟与分析问题。首先,建立包含加班、增加设备、增派人员、重新调度等四个子模型的纠偏策略SD模型。其次,在加班SD子模型中考虑人员疲劳、懈怠、出错等纠偏参数。再次,在增加设备SD子模型中考虑磨损、故障、维修情况等纠偏参数,并且提出Bagging-MLP算法对模型中的机械故障率进行预测。最后,构建进度纠偏SD-DES耦合模型,结合实际地下洞室群工程,进行施工进度纠偏应用研究,探究“进度偏差估计-纠偏策略制定-策略实施效果”的有效模拟与分析,实现施工过程中的地下洞室群施工工期-鲁棒性多目标优化。结果表明:与传统模型相比,基于本文模型所得纠偏策略的准确性提高32.34%,能够更有效地指导现场纠偏。
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