填海造陆工程深层地基处理过程的卸载料调配多目标动态协同优化方法

研究背景

方法论

卸载料优化配置是填海造陆工程地基处理的核心，需要经济、效益、安全的综合协调。本研究设计的多目标优化模型通过以下四个部分将进度与卸载料调配结合起来：(1)模型假设；(2)模型分析和符号定义；(3)多目标进度-卸载料调配协调模型；(4)NSGA-II和线性规划混合优化算法。

图1 技术路线图

本研究建立了施工进度与卸载料分配之间的协同优化机制，将区域开工时间作为决策变量，将时间窗约束与物资供需关系动态耦合。因此，建模的重点是解决时空协调问题，该模型以施工计划中给定的加载量与卸载量作为输入，这些量已隐含了标准的松散系数和压实系数，因此不再单独考虑土体物理性质在施工过程中的实时变化；为聚焦于施工进度与卸载料分配的时间–空间协同优化，所有工序均采用基于计划量的平均加载速率和平均卸载速率，且材料直接转移仅允许发生在卸载与加载时间窗口重叠的工序之间，不设置中间存储环节。这一简化假设体系在确保模型计算可行性的同时，有效支撑了进度与卸载料调配动态耦合的核心机制。

在填海造陆工程中，施工区域被划分为多个子区（记为集合A），每个子区包含若干道施工工序，工序之间存在严格的先后顺序约束。真空-堆载联合预压法的每一道工序均包含“加载—恒载—卸载”三个连续阶段，各阶段的持续时间由施工方案给定；每个子区首道工序的开工时间受限于该区的土地交付时间和项目完工期限所构成的起止时间窗。材料分配的核心前提在于时间重叠——卸载阶段与加载阶段存在重叠时，方可实现材料从卸载工序向加载工序的直接转移，无需中间堆存；转移量受限于卸载方与加载方在重叠时段内的平均速率。未被分配的卸载料成为弃土，若分配量不足以满足加载需求，则需从场外补充。在此框架下，加载速率、卸载速率、分配量、弃土量和场外补土量构成了材料流的关键参数，图2、图3及图4分别对工序阶段关系、时间重叠条件及卸载料流向进行了示意。

图2 过程-阶段关系图

图3 工艺时间重叠示意图

图4 卸载料流向示意图

鉴于填海工程对加快土地交付的严格时间表要求，研究以项目工期作为进度优化目标F1，最小化所有工序的最晚完成时间Eu与最早开工时间Sl之间的间隔:

填海造陆工程的土方处理成本需要通过将材料转移和场外进口成本降至最低来优化支出，同时考虑到进度压缩费用。成本目标函数F2将分配成本与调度压缩系数组合在一起:

弃土的产生增加了成本和环境负担，目标函数F3确保在卸载阶段期间使弃土最小化：

本研究采用NSGA-II与线性规划相结合的混合算法求解多目标优化问题。NSGA-II通过快速非支配排序和拥挤度距离机制，在离散的调度方案空间中搜索帕累托最优解集；线性规划则针对每个候选调度方案，在土方供需平衡等约束下精确求解连续的材料分配子问题，最小化调配成本。两者形成分层协同框架：外层NSGA-II负责全局探索调度方案的可行域，内层线性规划负责对每个调度方案进行最优卸载料调配的精确计算，由此将离散的时间决策变量与连续的资源配置变量统一于同一优化体系之中。该混合策略既发挥了NSGA-II在多目标组合优化中的全局搜索优势，又利用了线性规划在连续资源分配问题上的高效求解能力。

图5 NSGA-II和线性规划混合优化算法流程示意图

案例研究

在协同优化模型中，本研究输入了所有区域的工艺参数和区域间的单位配置成本。该模型求解得到一个三目标帕累托前沿(图7)，显示了项目持续时间、总成本和总弃土量，它们的二维关系如图8所示：持续时间与总成本、持续时间与废渣量、总成本与废渣量。二维关系预测揭示了：(1)明显的成本-工期负相关；(2)更分散的工期-弃土分布；(3)较强的成本-弃土负相关。

该研究通过三个柱状图（图9）进一步分析了目标间的相互关系。延长的时间表提高了分配灵活性，实现了最佳路线和资源配置，同时避免了冲突和高峰成本，在最后期限灵活的情况下，适度延长时间表可以产生可观的经济效益。弃土量-持续期关系没有明显的线性关系，表明弃土量不仅取决于持续期，还取决于结构性因素，包括：(1)特定区域的供需匹配；(2)分配窗口重叠程度；(3)内部运输效率。这些都需要精细化的分区分配策略来进行优化。值得注意的是，弃土量从1.207×10⁶增加到2.249×10⁶立方米，成本却从81.7785亿元下降到75.6942亿元，表现出负的线性相关性。这一趋势表明，减少弃土量需要更高的配置投资。在实际的工程场景中，这三个目标本质上是相互冲突的，需要基于项目优先级的平衡折中。出于实证的目的，本研究从帕累托前沿选择了三个具有代表性的解决方案：最短持续时间解决方案、最低成本解决方案和最小弃土量解决方案，如图10-12所示。

研究结论

致谢