山东省建设建工（集团）有限责任公司
摘要：近年来，随着预拌混凝土行业的迅速崛起，城市建设文明化施工的巨大推进，预拌混凝土市场的日趋成熟，人们居住质量的极大提高，预拌混凝土的质量和年产量也在逐年提高和扩大。预拌混凝土供应、运输与使用形成一个排队系统，建筑工地根据工程建设进度和现场混凝土用量选择预拌混凝土供应商地点、混凝土运输车辆配置和混凝土泵车数量等。基于此，本文主要对预拌混凝土泵送施工系统的排队仿真与配置优化进行分析探讨。
关键词：预拌混凝土；泵送施工系统；排队仿真；配置优化
前言
由于混凝土初凝时间较短，预拌混凝土的运输、排队和泵送等过程必须在较短时间内完成。为了少留或不留施工缝，施工现场在短时间内所需混凝土量比较集中，因此大量混凝土运输车通常需要在施工现场排队等待泵送服务。
1、基本假设
某高层建筑所需混凝土全部由预拌混凝土搅拌站供应，由多辆混凝土运输车负责远距离的地面运输。预拌混凝土送达施工现场后，由混凝土泵车和管道组成的泵送系统完成从地面至高层建筑施工层的垂直高度运输。假设该预拌混凝土泵送施工过程为一个排队系统，混凝土泵车及其管道系统为服务台，混凝土运输车为顾客，混凝土的泵送过程就是服务台所提供的服务。预拌混凝土泵送施工系统的排队假设为：
Ａ.混凝土运输车在道路上正常行驶，没有任何交通意外事故，混凝土运输车到达建筑工地服从泊松分布，混凝土泵车的服务能力也服从泊松分布；
Ｂ.建筑工地及其周边道路可以为混凝土运输车提供足够大的等候空间，即排队等待的混凝土运输车可以无穷大；
Ｃ.建筑工地的所有混凝土泵送及其管道系统的工作效率与作业时间无区别；
Ｄ.所有混凝土运输车的几何容积相同，即每车的预拌混凝土运输量相同；
Ｆ.混凝土运输车从建筑工地附近等待区行驶至混凝土泵车的时间忽略不计，即不考虑混凝土泵车等待混凝土运输车的必须空闲时间。
2、混凝土泵送施工系统排队仿真模型
2.1排队系统仿真模型设计
用ＥｘｔｅｎｄＳｉｍ仿真软件建立Ｍ／Ｍ／ｍ排队系统的仿真模型，设混凝土运输车到达服从泊松流，其到达间隔时间服从负指数分布，均值为１／λ；混凝土泵车及其管道系统有ｍ个，混凝土泵车服务时间服从负指数分布，均值为１／μ；服务规则为先到先服务模式。使用ＥｘｔｅｎｄＳｉｍ软件的Ｃｒｅａｔ模块模拟混凝土运输车的到达行为，混凝土运输车到达间隔时间服从负指数分布。用Ｑｕｅｕｅ模块模拟混凝土运输车的排队行为，其输出模式选择为ＦＩＦＯ（ｆｉｒｓｔｉｎ，ｆｉｒｓｔｏｕｔ）。用Ａｃｔｉｖｉｔｙ模块模拟泵车工作行为，设置容量为１，即每次只能为一辆混凝土运输车提供服务。用ＳｅｌｅｃｔＩｔｅｍＯｕｔｐｕｔ模块设置混凝土运输车的路径选择规则：ａ。选择Ｓｅｌｅｃｔｏｕｔｐｕｔｂａｓｅｄｏｎ：ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ；ｂ。选择Ｉｆｏｕｔｐｕｔｉｓｂｌｏｃｋｅｄ：ｉｔｅｍｗｉｌｌｔｒｙｕｎｂｌｏｃｋｅｄｏｕｔｐｕｔｓ，使混凝土运输车按顺序轮流发送到ｍ个泵车接受服务。用Ｅｘｉｔ模块把接受完服务的混凝土运输车送出系统。建筑工地预拌混凝土泵送服务排队系统的ＥｘｔｅｎｄＳｉｍ仿真模型设置界面。
根据前述的各个指标，构建ＥｘｔｅｎｄＳｉｍ仿真实验，可以动态观察预拌混凝土运输车和泵送施工系统的总体性能，包括混凝土运输车在系统中的平均逗留时间、系统平均排队队长、平均排队时间、混凝土泵车空闲率等指标。通过模型设置、运行控制、重复实验控制、报告控制、重复设置等步骤，完成仿真实验。
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2.2仿真实验分析
在预拌混凝土泵送施工系统仿真实验中，平均到达间隔时间１／λ＝２，平均服务时间１／μ＝１０。混凝土泵车数量ｍ为变量，取值范围为３≤ｍ≤８，ｍ∈Ｎ。假设考察时间段为８ｈ，即每次运行仿真时间８×６０＝４８０ｍｉｎ。对每个ｍ值均采用不同的随机数重复实验１０次，由统计分析得到各指标结果。为减少仿真实验受随机数取值的影响，取１０次重复实验的均值作为本次仿真实验的最终结果。
仿真实验结果表明：
Ａ.随着混凝土泵车数量增加，排队系统的性能逐渐变好，混凝土泵车繁忙率降低，排队队长和排队时间降低，混凝土运输车数量增多。
Ｂ.混凝土泵车数量从ｍ＝３开始逐渐增加时，系统性能变化幅度很大，但是当泵车数量增加到一定数量（例如ｍ＝５）后，各个指标的变化趋势变缓。从系统各个性能指标变化规律可知，泵车数量ｍ＝５为系统效率的关键点。
Ｃ.混凝土泵车的空闲率变化随泵车数量增加也逐渐增加，说明混凝土泵车资源浪费逐渐增大，不经济。
Ｄ.综合考虑混凝土运输车和泵车利用率，该Ｍ／Ｍ／ｍ泵送施工排队系统仿真实验的最佳泵车配置数量是ｍ＝５。
3、混凝土泵送系统配置优化分析
3.1优化模型建立
影响Ｍ／Ｍ／ｍ排队系统性能的主要变量是混凝土泵送效率（μ）、混凝土运输车到达建筑工地的时间间隔（λ）和混凝土泵车及其管道系统数量（ｍ）。因此，预拌混凝土泵送系统最优配置问题就是通过分析上述３个变量之间的关系寻求泵送施工效率最大化。建筑工程现场泵送施工系统优化目的是以最短的时间泵送最多的预拌混凝土，以缩短施工工期。因此，预拌混凝土泵送系统最优配置问题的目标函数可以设为固定时间段内的混凝土量。系统最优目标就是在μ，λ变化时，求Ｍ／Ｍ／ｍ系统的最佳泵车配置数量ｍ，使得泵送施工排队系统的泵车总服务的混凝土运输车数量最大。
3.2模型运行结果
预拌混凝土运输车数量曲线的变化趋势均呈现随泵车数快速增长，而后增幅变缓的规律。说明曲线上存在一个拐点，此拐点就是混凝土泵送系统的最优配置点。在此最优配置点之前，混凝土运输车数量随着混凝土泵车数增加而大幅度增大；在此最优配置点之后，混凝土运输车数量随着混凝土泵车数增加而变化幅度不大。确定曲线拐点的方法有很多，本文判定方法采用切线法，从曲线的快速增长段所引切线与平缓段所引切线的交点即为拐点。横坐标泵车台数和纵坐标运输车数量都是离散的整数，常用的连续函数所采用的微分方法在此不合适。混凝土泵车的最优数量是一个整数，是拐点附近的一个近似整数。
3.3结果分析
通过混凝土泵送系统配置优化模型分析，可以观察到混凝土泵车系统的规律：
Ａ.在泵车及其管道系统的混凝土泵送传输效率固定不变时，预拌混凝土泵送施工系统的服务能力取决于泵车数量，混凝土泵车数量越充足，则泵送施工系统的服务能力就越大。
Ｂ.当混凝土泵车及其管道数量超过系统最佳泵车数量后，泵送施工系统的服务能力主要取决于混凝土运输车到达建筑工地的频率，混凝土运输车到达间隔时间越短，则泵送系统服务能力就越大。此时，提高混凝土泵送系统效率或者增加混凝土泵车及其管道数量，对提高泵送施工系统服务能力的贡献有限，是不科学的泵送系统配置方法。
Ｃ.当混凝土泵车的泵送效率和泵车数量固定不变时，可以通过合理配置和调度混凝土运输车辆，调节混凝土运输车到达建筑工地现场的到达间隔，达到施工现场混凝土泵送施工系统最优状态，减少混凝土运输车排队等待，降低建筑工地附近交通拥挤和预拌混凝土材料浪费。因此，混凝土泵送施工系统的最优配置必须综合考虑混凝土泵车及其管道系统的效率和数量，并且科学设计混凝土运输车辆的调度策略，提高泵送系统综合效率。
参考文献：
［1］黄荣辉。预拌混凝土实用技术［M］。北京：机械工业出版社，2008。
［2］王国富。预拌混凝土质量控制措施［M］。山东：山东大学出版社，2007。
论文作者:邵士营,姜林
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第32期
论文发表时间:2019/9/27
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