Tối ưu hóa công tác lựa chọn máy thi công công trình giao thông bằng phương pháp quy hoạch toán họ

TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 26, THÁNG 6 NĂM 2017
80
TỐI ƯU HÓA CÔNG TÁC LỰA CHỌNMÁY THI CÔNG
CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP
QUY HOẠCH TOÁN HỌC
OPTIMIZING THE SELECTION OF CONSTRUCTION MACHINERY
FOR TRAFFIC WORKS UTILIZING MATHEMATICAL
PROGRAMMING APPROACH
Tăng Tấn Minh1
Tóm tắt – Bài báo sử dụng phương pháp quy
hoạch toán học để đưa ra phương án lựa chọn
máy, thiết bị thi công công trình. Bài toán này,
căn cứ vào các ràng buộc cụ thể như khối lượng
đào, san lấp, đầm nén, vận chuyển. . . nhằm đáp
ứng đầy đủ khối lượng công việc theo kế hoạch.
Ngoài ra, mô hình bài toán còn phải thỏa mãn
hàm mục tiêu cho trước là cực tiểu chi phí ca
máy và đảm bảo thời gian thi công là ngắn nhất.
Phương pháp này nhằm mang lại lợi ích về kinh
tế cho đơn vị thi công và được sử dụng để tham
khảo khi lựa chọn máy, thiết bị thi công các công
trình có cùng khối lượng công việc. Mặt khác, bài
toán còn đề xuất phương án trang bị máy móc,
thiết bị cho đơn vị thi công.
Từ khóa: quy hoạch toán học, tối ưu hóa,
máy công trình
Abstract – The article used the methods plan-
ning mathematics to give alternatives machines,
construction equipment. This problem, based on
the specific constraints such as mass excava-
tion, leveling, compaction, transport ... to meet
the full workload as planned. Additionally, this
task must also satisfy the given objective func-
tion is minimal cost machine shift and ensure
the execution time is shortest. This approach
aims to bring about economic benefits for the
construction company and is used for reference
when selecting machines, construction equipment
1Khoa Kĩ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh
Email: tanminh@tvu.edu.vn
Ngày nhận bài: 24/10/2016; Ngày nhận kết quả bình
duyệt: 09/01/2017; Ngày chấp nhận đăng: 22/02/2017
works with the same workload. On the other
hand, problem also propose solutions equipped
machinery and equipment for the construction
company.
Keywords: mathematical planning, optimiza-
tion, contruction machinery.
I. MỞ ĐẦU
Hiện nay, công tác thi công các công trình giao
thông thường sử dụng số lượng máy thi công tại
công trình là rất lớn song công tác quản lí và khai
thác máy chưa hợp lí dẫn đến tình trạng một số
máy thi công chưa sử dụng hết công suất và hệ
số sử dụng thời gian. Vì thế, nhiều máy thi công
phải thanh lí trước thời hạn quy định. Bên cạnh
đó, nhiều máy thi công đã hết thời gian khấu hao
vẫn còn trong biên chế đội máy. Trong số những
nguyên nhân dẫn tới hậu quả nêu trên là do việc
đầu tư trang thiết bị máy thi công chưa hợp lí;
tính năng kĩ thuật các máy chưa hoàn toàn phù
hợp với đối tượng khai thác, có nhiều chủng loại
máy và phân tán, việc quản lí khai thác gặp nhiều
khó khăn, các máy được lựa chọn chưa đảm bảo
chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật cao bởi các nguyên nhân
chính sau:
- Công tác quản lí thiết bị thi công còn thiếu
chặt chẽ, lỏng lẻo nên chưa sử dụng được hết
công suất các tổ hợp máy thi công hiện có, chưa
có chế độ bảo dưỡng phù hợp, gây ra hỏng hóc
trong quá trình thi công dẫn tới năng suất thường
thấp hơn so với định mức.
- Trong những năm gần đây, do biến động của
nền kinh tế nên hầu hết các công ty xây dựng
công trình giao thông đều gặp khó khăn trong
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 26, THÁNG 6 NĂM 2017 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG
việc đầu tư trang thiết bị và máy thi công, nên
việc tìm nguồn vốn để đầu tư mua sắm thiết bị
thi công gặp nhiều khó khăn.
- Công tác quản lí đội máy thi công tại công
trình chưa thực sự phù hợp với điều kiện thực
tế nên chưa khai thác và sử dụng hết công suất,
tiềm năng của các đội máy.
- Việc trang bị máy thi công chưa đồng bộ, tổ
chức phối hợp giữa các máy trong đội máy chưa
thích hợp nên chưa phát huy hết công suất sẵn
có của các máy móc, thiết bị.
Với thực trạng đó, tình hình nghiên cứu của
các tác giả chủ yếu tập trung nghiên cứu giải
quyết tình trạng trước mắt là lựa chọn máy, thi
công mà chưa tập trung nghiên cứu để giải quyết
thực trạng của địa phương như: Nghiên cứu chọn
phương tiện cơ giới thi công hợp lí cho công
tác xây dựng công trình đường xuyên Á của tác
giả Nguyễn Hữu Trí [1]; Vận dụng bài toán quy
hoạch toán học để lựa chọn thiết bị hợp lí cho
dây chuyền thi công cầu Rồng của tác giả Lê
Ngọc Định [2]; Vận dụng bài toán quy hoạch
tuyến tính để lựa chọn thiết bị cho dây chuyền
thi công, công trình nâng cấp Quốc lộ 53 đoạn
thành phố Trà Vinh – Cầu Ngang của tác giả
Tăng Tấn Minh [3].
Do đó, bài báo này tập trung đưa ra biện pháp
tổ chức công trình thi công cầu, đường bộ bằng
việc áp dụng phương pháp quy hoạch toán học
để đưa ra giải pháp thi công của công trình cầu,
đường bộ nói chung.
Đánh giá về công tác bảo dưỡng
kĩ thuật
Với số lượng máy thi công tương đối lớn đã
trình bày như trên nhưng cơ sở vật chất dành
cho công tác bảo dưỡng kĩ thuật và sửa chữa
còn nhiều bất cập, chưa đáp ứng được yêu cầu
thực tế đặt ra, ngoài ra trình độ các bậc thợ chưa
đáp ứng được yêu cầu, trang thiết bị phục vụ
công tác bảo dưỡng, sửa chữa thiếu đồng bộ,
lạc hậu về công nghệ, đặc biệt là các thiết bị
phục vụ cho công tác chuẩn đoán kĩ thuật hầu
như không có, quy trình sửa chữa bảo dưỡng lạc
hậu. Các nội dung của bảo dưỡng và sửa chữa
được thực hiện bằng thủ công là chủ yếu, cơ giới
hóa chưa được coi trọng nên thời gian dành cho
bảo dưỡng và sửa chữa kéo dài, ảnh hưởng đến
tiến độ thi công.
Việc đầu tư mới trang thiết bị phục vụ cho
công tác bảo dưỡng kĩ thuật và sửa chữa đã có
nhưng thiếu chiều sâu, chất lượng và số lượng
trang thiết bị chưa đáp ứng được yêu cầu thực tế.
Việc sử dụng máy và thiết bị thi công đúng
chế độ, đúng quy định ở nhà thầu hiện nay chưa
được chú ý, ở hầu hết các đơn vị có máy thi công
thì người trực tiếp điều khiển máy móc thiết bị
chưa tuân theo quy định sử dụng, chưa hiểu rõ
cấu tạo và quy trình vận hành dẫn đến việc bỏ
bớt thao tác một cách tùy tiện. Hậu quả làm cho
nhiều máy thi công hư hỏng đột xuất, hiệu quả
khai thác thấp, làm tăng lượng máy thi công cần
sửa chữa.
Các nội dung của công tác bảo dưỡng ca, bảo
dưỡng định kì bị buông lỏng hoặc làm không
hết nội dung. Vì vậy, khi tiến hành bảo dưỡng kĩ
thuật ở cấp cao hơn khối lượng công việc tăng
lên, kéo theo tăng lượng phụ tùng thay thế, kéo
dài thời gian bảo dưỡng và sửa chữa, làm tăng
giá thành công tác bảo dưỡng và sửa chữa. Việc
bố trí mặt bằng sửa chữa ở các xưởng sửa chữa
không tuân thủ đúng thiết kế địa hình, đúng quy
cách, chưa đảm bảo các quy định về vệ sinh công
nghiệp và bảo vệ môi trường.
Các xưởng hiện nay đang áp dụng hình thức
sửa chữa nhà hoặc sửa chữa vừa bằng phương
pháp thay thế cụm, các tổ sửa chữa đều là tổ sửa
chữa vạn năng. Đây là hình thức có năng suất,
chất lượng thấp bộc lộ ở những điểm sau:
- Mức độ chuyên môn hóa thấp
- Mối liên hệ giữa các tổ sửa chữa không có
hoặc không có sự ràng buộc về trách nhiệm.
- Việc kiểm tra khó thực hiện [3].
II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
Căn cứ vào mục tiêu kinh tế - kĩ thuật cần đạt
được và cách tiếp cận vấn đề, người ta thường
sử dụng các phương pháp sau để tính chọn máy
thi công:
Các phương pháp trên đều có những ưu nhược
điểm và phạm vi ứng dụng riêng, cụ thể như sau:
A. Phương pháp giải tích
Bản chất của phương pháp này là xác định các
thông số của máy thi công dựa trên các quan hệ
hình học và các phép toán giải tích nhằm xác
định các thông số kích thước tới hạn của máy để
đảm bảo thao tác hợp lí khi sử dụng. Ưu điểm
81
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 26, THÁNG 6 NĂM 2017 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG
Hình 1: Các phương pháp tính chọn máy
thi công [4]
của phương pháp này là xác định khá chính xác
các thông số của máy thi công phù hợp với đòi
hỏi công trình. Tuy nhiên phương pháp này khó
áp dụng cho việc lựa chọn hàng loạt lớn máy
thi công với nhiều kiểu, loại khác nhau. Phương
pháp giải tích chỉ thích hợp cho việc chọn máy
thi công đơn chiếc với số lượng nhỏ [3].
B. Phương pháp dùng lí thuyết độ tin cậy
Dùng lí thuyết độ tin cậy để đánh giá chất
lượng của máy thi công là một trong những
phương pháp tốt nhất để có thể chọn được những
máy có chất lượng sử dụng cao thỏa mãn yêu cầu
đề ra. Bản chất của phương pháp này là dựa trên
đường lối của toán thống kê và lí thuyết xác suất
xác định ra các quy luật của thời gian làm việc
không hỏng hay thời gian hư hỏng của các bộ
phận hoặc của máy thi công. Từ đó, có thể xác
định được các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của
máy như hệ số sẵn sàng, hệ số sẵn sàng động, hệ
số sử dụng kĩ thuật,... Tuy nhiên, phương pháp
này còn có nhược điểm đó là chỉ đánh giá máy
thi công về phương diện chất lượng hoạt động
mà không đề cập đến yếu tố kĩ thuật của máy
trong quá trình khai thác, sử dụng [3].
C. Phương pháp dùng lí thuyết phục vụ
đám đông
Hoạt động của máy thi công trong các dây
chuyền công nghệ thi công nền, móng, mặt đường
được xem như hệ thống phục vụ đám đông. Căn
cứ vào lí thuyết phục vụ đám đông, ta sẽ chọn
ra được các đội máy đồng bộ phối hợp với nhau
theo dây chuyền công nghệ cho hiệu quả kinh tế
- kĩ thuật cao. Ưu điểm của phương pháp này là
đã quan tâm được cả trình tự phục vụ lẫn thời
gian hao phí chờ đợi xếp hàng đến và đi. Do
đó, nó sẽ rất hữu dụng cho các bài toán dùng
để xây dựng luận chứng kinh tế - kĩ thuật hoặc
lập kế hoạch tác nghiệp quá trình thi công theo
dây chuyền cơ giới. Tuy nhiên, phương pháp này
chưa đề cập một cách đầy đủ về thông số kĩ thuật
và chất lượng của máy thi công [3].
D. Phương pháp chọn máy dựa trên cơ sở chẩn
đoán kĩ thuật
Chẩn đoán kĩ thuật cho phép xác định trạng
thái kĩ thuật của từng máy ở một thời điểm nhất
định trong quá trình làm việc, dự báo được sự
thay đổi trạng thái kĩ thuật của máy theo thời
gian. Nhờ vậy, có thể không những chọn máy
đơn lẻ phù hợp với yêu cầu công việc mà còn
dự báo được thời điểm hư hỏng của một loạt các
bộ phận hoặc chi tiết nhằm tổ chức khai thác và
sửa chữa phòng ngừa có hiệu quả. Bằng cách lắp
các thiết bị chuyên dùng vào các vị trí cần thiết
của máy hoặc tháo rời từng bộ phận để có thể
thu được những tín hiệu chẩn đoán. Sau đó, phân
tích xử lí các tín hiệu chẩn đoán này có thể nhận
được kết quả tương đối chính xác về trạng thái
kĩ thuật của máy. Trên cơ sở đó, lập kế hoạch sử
dụng hay sửa chữa phòng ngừa kèm theo dự trữ
phụ tùng thay thế hoặc quyết định lựa chọn máy.
Tuy nhiên, nếu dùng phương pháp này để chọn
máy thi công với số lượng lớn, nhiều chủng loại
thì còn có những khó khăn nhất định như đòi hỏi
nhiều phương tiện, thiết bị chẩn đoán, thời gian
tiến hành chẩn đoán dài [3]...
E. Phương pháp chuyên gia
Ưu điểm của phương pháp này là có thể tính
gộp các chỉ tiêu cần so sánh, đánh giá vào một chỉ
tiêu duy nhất. Các chỉ tiêu thường diễn tả bằng
lời và có thể lượng hóa bình điểm theo ý kiến
các nhà chuyên môn có uy tín, có tính đến tầm
quan trọng của các chỉ tiêu và mức độ chuyên
sâu của các chuyên gia. Phương pháp này đặc
biệt phát huy ưu điểm khi đối tượng cần đánh
giá không có cơ sở chắc chắn, không dùng được
phương pháp thực nghiệm, các thông tin không
được thống kê đầy đủ và có độ bất định lớn. Tuy
nhiên, phương pháp này còn có nhược điểm cơ
bản là mang tính chủ quan và sẽ gặp nhiều khó
khăn khi xử lí nếu các ý kiến đánh giá tản mạn
hoặc trái ngược nhau [3].
82
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 26, THÁNG 6 NĂM 2017 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG
F. Phương pháp thống kê, phân tích kết hợp với
lí thuyết xác suất
Theo phương pháp này, nhu cầu về số lượng
và chất lượng cũng như việc đánh giá tính năng
kĩ thuật của máy thi công được xác định chủ
yếu trên kết quả thống kê, phân tích tình hình
hoạt động của máy trong nhiều năm trước. Đây
là phương pháp đơn giản, cho kết quả tương đối
chính xác. Tuy nhiên, phương pháp thống kê còn
có một số nhược điểm như: cần có số liệu thống
kê chính xác và khi có loại máy mới được biên
chế thì phương pháp này không thể đánh giá được
chính xác tình hình kĩ thuật cũng như khả năng
phối hợp tổ chức thi công của máy [3].
G. Phương pháp quy hoạch toán học
Quy hoạch nguyên (Integer Programming),
viết tắt là IP, là bài toán quy hoạch mà trong
đó tất cả hoặc một phần các biến bị ràng buộc
chỉ lấy giá trị nguyên. Trường hợp thứ nhất
được gọi là quy hoạch nguyên hoàn toàn (Pure
Integer Programming – PIP), trường hợp thứ hai
được gọi là quy hoạch nguyên bộ phận (Mixed
Integer Programming – MIP). Tuy vậy thuật ngữ
"quy hoạch nguyên" được dùng chung cho cả hai
trường hợp.
Mảng các bài toán có vẻ đơn giản nhất mà
cũng là quan trọng nhất trong lớp các bài toán
quy hoạch nguyên là các bài toán chọn các quyết
định (chọn/không chọn). Chẳng hạn bài toán bổ
nhiệm, biến quyết định việc bổ nhiệm nhận giá
trị như sau:
Xij =
{
1 Nếu máy i nhận công việc j
0 Nếu máy i không nhận công việc j
Vì các biến quyết định thường chỉ nhận một
trong hai giá trị nên bài toán này còn được
gọi là bài toán quy hoạch nguyên nhị phân
(Binary Integer Programming) hay quy hoạch
tuyến tính [3].
Phương pháp để giải bài toán quy hoạch
nguyên là giải một bài toán quy hoạch tuyến tính
tổng quát tạm bỏ qua ràng buộc biến phải nguyên.
Khi tìm được phương án tối ưu thì sẽ làm tròn
nó để được phương án tối ưu nguyên gần đúng.
H. Phương pháp tra bảng
Ngoài các phương pháp nêu ở trên, có thể lựa
chọn máy thi công theo phương pháp tra bảng.
Đây là phương pháp được áp dụng ở Liên Xô (cũ)
trên cơ sở thống kê kết quả trong thực tế nhiều
năm ở nhiều công trình. Với phương pháp này
cho phép lựa chọn được máy thi công một cách
đơn giản, không yêu cầu về phương tiện hoặc
thiết bị cao. Tuy nhiên, phương pháp này chưa
thể hiện được các chỉ tiêu kinh tế - kĩ thuật một
cách cụ thể [3].
Qua xem xét, nghiên cứu, tác giả lựa chọn
phương pháp quy hoạch toán học làm phương
pháp cơ bản để lựa chọn máy, thiết bị thi công.
Đối với phương pháp quy hoạch toán học, nhu
cầu về số lượng, loại máy thi công cũng như các
chỉ tiêu kinh tế - kĩ thuật để đánh giá chúng được
mô tả dưới dạng một mô hình toán quy hoạch
thông qua việc lập hàm mục tiêu và các ràng
buộc thích hợp. Sau đó, tìm cực trị của hàm mục
tiêu này với điều kiện các biến thỏa mãn ràng
buộc cho trước.
Mô hình toán này thường có hai phần: phần
hàm mục tiêu và phần mô tả các ràng buộc.
Phương pháp quy hoạch toán học có ưu điểm
là cho phép tính toán số lượng máy thi công hợp
lí đối với từng dây chuyền cơ giới hoặc toàn bộ
công trường hay khu vực lớn. Phương pháp này
có hiệu quả cho việc áp dụng vào công tác quy
hoạch trang bị cơ giới cho từng đơn vị, từng vùng
hay toàn lãnh thổ. Ngoài ra, phương pháp này
còn có thể giúp cho việc đánh giá tình trạng cơ
giới hiện tại và dự báo nhu cầu máy thi công
cho tương lai. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ
có hiệu quả khi áp dụng tính chọn máy thi công
hàng loạt lớn với các chỉ tiêu kinh tế - kĩ thuật,
chi phí các máy được xác định từ trước.
III. MÔ HÌNH BÀI TOÁN
Mô hình bài toán tính chọn máy thi công theo
phương pháp quy hoạch toán học gồm hai phần:
hàm mục tiêu và phần mô tả các ràng buộc.
A. Hàm mục tiêu có thể chọn theo các định
hướng sau
- Tổng chi phí ca máy nhỏ nhất.
- Tổng năng suất khai thác lớn nhất.
- Tổng lợi nhuận đầu tư cơ giới cao nhất.
83
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 26, THÁNG 6 NĂM 2017 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG
- Tổng thời gian thi công ngắn nhất.
Khi đặt ra bài toán có thể lựa chọn từng mục
tiêu để tính chọn máy thi công hoặc có thể thỏa
mãn hài lòng một số mục tiêu cho trước, đối với
mô hình bài toán lựa chọn thiết bị san lấp tác giả
chọn tổng chi phí ca máy nhỏ nhất là hàm mục
tiêu đặt ra cho bài toán [4].
Qua phân tích những yếu tố ảnh hưởng tới công
tác tính chọn máy thi công trong tỉnh và khu vực
lân cận, tác giả nhận thấy rằng: vấn đề đặt ra
cho công tác quản lí, khai thác máy thi công là
lựa chọn hợp lí đội máy thi công trên cơ sở đội
máy thi công hiện có theo dây chuyền cơ giới.
Có nghĩa là phải tìm ra một phương án hợp lí
trong việc phân bổ công việc cho các máy thi
công theo các dây chuyền cơ giới nhằm đảm bảo
chỉ tiêu cho phí nhỏ nhất và chỉ sử dụng các máy
thi công hiện có trong khu vực [5].
B. Các kí hiệu dùng cho bài toán
Xij (ca) - Số ca máy loại i làm công việc j.
nij - Số loại máy i làm công việc j.
Cij (đồng/ca) - Giá ca máy của máy loại i làm
công việc j.
Ti (ca) - Quỹ thời gian làm việc cho phép (số
ca máy cho phép) của loại máy i trong thời kì thi
công.
Dj(m3, tấn) - Khối lượng công việc j cần hoàn
thành theo kế hoạch.
Nij (m3/ca, tấn/ca) - Năng suất định mức của
máy loại i làm công việc j.
Fi - Tập hợp các đặc trưng về khả năng làm
việc của từng loại máy i.
δij - Hàm Kroneker đặc trưng cho khả năng
làm việc của loại máy i làm công việc j.
Yj - Tập hợp các đặc trưng yêu cầu của công
việc j.
Qi - Nhóm đất thi công được của loại máy i.
Bi - Chiều sâu đào của loại máy i.
Hi - Chiều cao đắp của loại máy i.
Ni - Năng suất của loại máy i.
Qj , Hj , Sj , Bj , Nj - Tương ứng như trên
là nhu cầu đòi hỏi phải có của đối tượng
khái thác j [5].
C. Mô hình bài toán
Cần tìm số ca máy Xij của máy loại i làm
công việc j trong dây chuyền thi công sao cho
tổng chi phí ca máy là nhỏ nhất. Tức là phải thỏa
mãn hàm mục tiêu:
L =
m∑
i−1
n∑
j−1
CijδijXij → min (1)
Đồng thời thỏa mãn hệ ràng buộc phản ánh đặc
điểm của dây chuyền thi công gồm:
- Tổng số thời gian làm việc (số ca máy) của
loại máy i không vượt quá thời gian cho phép (số
ca máy cho phép) của máy đó.
m∑
i−1
Xij ≤ Tij(i = 1÷m) (2)
Xij : số ca máy của máy loại i làm công việc
j trong dây chuyền thi công
- Ràng buộc về khối lượng công việc: Khối
lượng công việc do các máy thuộc loại i làm
công việc j phải bằng khối lượng định trước cho
công việc j:
m∑
i−1
NijδijXij = Dj(j = 1÷ n) (3)
- Ràng buộc về khả năng khai thác:
δij =
{
1 khi thỏa mãn mệnh đề F
0 khi không thỏa mãn mệnh đề F
(4)
Với F = Qi ≥ Qj∩ Hi4 ≥ Hj ∩ Si ≥ Sj
∩ Bi ≥ Bj
Điều kiện không âm của số lượng máy (ràng
buộc về dấu hoàn nguyên):
nij =
∑n
j=1Xij
Xđm
|(i = 1÷m, j = 1÷ n) (5)
nij ≥ 0(i = 1÷m, j = 1÷ n) (6)
hay
Xij ≥ 0(i = 1÷m, j = 1÷ n) (7)
nij được làm tròn theo yêu cầu kĩ thuật [5].
D. Khai triển các ràng buộc theo từng loại
công việc
Căn cứ vào những đòi hỏi của công trình xây
dựng nói chung, xây dựng giao thông tiêu biểu
như cầu, đường nói riêng, những công việc chủ
yếu thường bao gồm: công tác làm đất (đào xúc
đổ hoặc đào – vận chuyển – đắp), đầm lèn, san
rải. . . Mỗi công việc trên đòi hỏi những thông số
khác nhau đối với máy thi công khác nhau [4].
84
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 26, THÁNG 6 NĂM 2017 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG
Bảng 1. Ý nghĩa các kí hiệu tương ứng với các hạng mục thi công
TT
kí
hiệu
Các hạng mục thi công
Máy đào một gầu Máy ủi Máy đầm lèn Ô tô vận chuyển Máy rải mặt đường
1 Qxi Nhóm đất thi công Nhóm đất thi công Nhóm đất thi công Sức chở Dung tích thùng rải
2 Bxi Chiều sâu đào Chiều rộng lưỡi ủi Bề rộng vệt đầm Chiều rộng Chiều rộng rải
3 Hxi Chiều cao đắp Chiều cao lưỡi ủi Bề rộng vệt đầm Chiều cao Chiều dày lớp rải
4 Sxi
Cự li vận chuyển
đất hợp lí
Cự li vận chuyển
đất hợp lí
Cự li vận chuyển
đất hợp lí
Chiều dài
Cự li vận chuyển
đất hợp lí
5 Axi Năng suất Năng suất Năng suất Năng suất Năng suất
6 Txi Quỹ thời gian Quỹ thời gian Quỹ thời gian Quỹ thời gian Quỹ thời gian
E. Giải bài toán
Mô hình bài toán đáp ứng được yêu cầu đặt ra
là: cực tiểu về chi phí ca máy nhưng thỏa mãn
được các yêu cầu khai thác, phù hợp với dây
chuyền công nghệ thi công và điều kiện cụ thể
của nhà thầu. Về mặt kinh tế, máy được chọn là
những máy có tổng chi phí ca máy là nhỏ nhất.
Về mặt kĩ thuật, máy được chọn phù hợp với công
việc đảm bảo thi công được trong thời kì thi công.
Về mặt sử dụng, máy được chọn là những máy
hiện có trong tỉnh và khu vực lân cận.
Sau khi giải bài toán trên, ta sẽ nhận được
những kết quả sau:
+ Số lượng máy thi công loại i trên từng tuyến
thi công
ni =
∑n
j=1Xij
Xđm
(i = 1÷m, j = 1÷ n)
+ Tổng số lượng các loại máy khác nhau tham
gia trong dây chuyền thi công
ni =
m∑
i−1
ni(i = 1÷m)
+ Tổng chi phí ca máy cho từng loại công việc
Tổng chi phí ca máy = Xi . ci (i = 1 ÷ m) [4]
F. Giải bài toán tối ưu cho từng công việc cụ
thể
1) Xác định quỹ thời gian làm việc của máy
thi công theo công thức
Txi = [365˘(Tcn + TTL + Tscbd + Tngh)]x(1 +
Kca2 +Kca3) [6]
Trong đó:
Tcn – Số ngày chủ nhật trong 1 năm
TTL – Số ngày tết, lễ trong 1 năm
Tscbd – Số ngày ngừng máy để tiến hành sửa
chữa, bảo dưỡng theo kế hoạch trong 1 năm
Tngh - Số ngày ngừng máy do thời tiết hoặc
do các nguyên nhân ngẫu nhiên trong 1 năm
Kca2 – Hệ số sử dụng ca 2
Kca3 – Hệ số sử dụng ca 3
365 – Số ngày trong 1 năm
2) Giải bài toán tối ưu cho từng tuyến cụ thể
a) Đối với công tác đào xúc đất (máy
đào 1 gầu)
Căn cứ vào định mức cho phép đối với máy
đào ta tính được tổng số ca và giá trị ca máy:
Xđm1 – Số ca máy đào theo định mức; - Tính
toán năng suất máy đào một gầu:
Năng suất thực tế của máy đào một gầu được
xác định theo công thức:
N =
3600.q.Ktg.Kd
Tck.Kx
.Tca|(m3/ca) [7]
Tck = Th + Tđ + Tq + Tđđ + Tqv (s)
Trong đó:
q – Dung tích hình học gầu đào (m3)
kx – Hệ số tơi xốp của đất đá; kx = ( 1,1 –
1,4)
ktg – Hệ số sử dụng thời gian, máy đào xúc
đất, đổ lên ô tô; ktg = (0,7 – 0,8)
Tca – Số giờ làm việc trong 1 ca; Tca = 8 giờ
kđ – Hệ số đầy gầu;
Tck – Thời gian 1 chu kì công tác
Th – Thời gian hạ gầu
Tđ – Thời gian đào
Tq – Thời gian quay đến vị trí đổ
Tđđ – Thời gian đổ đất
Tqv – Thời gian quay về vị trí đào
Căn cứ vào định mức Nhà nước và các bảng
cataloge của máy, các tài liệu kĩ thuật, kết hợp
với khảo sát bằng phương pháp tính giờ (thống
kê) ta xác định được bảng thời gian chu kì làm
việc của máy đào.
85
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 26, THÁNG 6 NĂM 2017 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG
b) Đối với công tác san lấp (máy ủi)
- Căn cứ vào định mức cho phép đối với
máy ủi, ta tính được tổng số ca máy và giá trị ca
máy:
Xđm2 – Số ca máy ủi theo định mức;
- Năng suất thực tế của máy ủi được xác định
theo công thức:
N =
3600.V.Ktg.Kd
Tck.Kx
.Tca|(m3/ca) [7]
V =
B.H2
2tgϕ.Kx
|(m3/ca)
Trong đó:
V – Thể tích khối đất đá tích trước lưỡi ủi qua
mỗi chu kì công tác.
l1, l2, l0 - Quảng đường đào, vận chuyển và đi
trở về chỗ đào (m)
v1, v2, v0 – Vận tốc đào, vận chuyển và đi trở
về chỗ đào (m/s)
tc – Thời gian gài số (giây);
th – Thời gian hạ lưỡi ủi (giây);
tq – Thời gian quay máy (giây);
B – Chiều dài lưỡi ủi.
H – Chiều cao lưỡi ủi.
ϕ - Góc chảy tự nhiên của đất,
kx – Hệ số tơi xốp của đất đá,
- Thời gian làm việc 1 chu kì công tác:
Tck =
l1
v1
+
l2
v2
+
l0
v0
+ tc + th + 2tq|(s) [7]
Trong đó:
ktg – Hệ số sử dụng thời gian,
kđ – Hệ số phụ thuộc vào độ dốc của địa hình,
Tca – Thời gian 1 ca làm việc,
Tck – Thời gian 1 chu kì công tác (giây)
Căn cứ vào định mức Nhà nước và các bảng
cataloge của máy, các tài liệu kĩ thuật, kết hợp
với khảo sát bằng phương pháp tính giờ (thống
kê), ta xác định được bảng thời gian chu kì làm
việc của máy ủi.
c) Đối với công tác đầm nén (máy lu)
- Căn cứ vào định mức cho phép đối với máy
lu, ta tính được tổng số ca máy và giá trị ca máy:
Xđm3 – Số ca máy lu theo định mức;
- Năng suất thực tế của máy lu được xác định
theo công thức:
N =
1000(B − b).V.h.ktg
n
Tca|(m3/ca) [7]
Trong đó:
B – Bề rộng vệt đầm (m)
b – Khoảng cách trùng nhau giữa hai vệt bánh
đầm (m)
V – Tốc độ di chuyển máy khi đầm (km/h)
h – Chiều sâu tác dụng của đầm (m)
ktg – Hệ số sử dụng thời gian;
Tca – Thời gian 1 ca làm việc (giờ);
n – Số lần đầm nén trên một bề mặt;
Căn cứ vào định mức Nhà nước và các bảng
cataloge của máy, các tài liệu kĩ thuật, kết hợp
với khảo sát bằng phương pháp tính giờ (thống
kê), ta xác định được bảng thời gian chu kì làm
việc của máy lu.
c) Đối với công tác vận chuyển (Ô tô)
- Căn cứ vào định mức cho phép đối với ô tô
vận chuyển, ta tính được tổng số ca máy và giá
trị ca máy:
Xđm4 – Số ca ô tô vận chuyển theo định mức;
- Năng suất của ô tô vận chuyển tự đổ được
xác định theo công thức:
N =
60.q.Ktg.Kđ
γ.Tca
Tca|(m3/ca) [7]
Tca = tn + td + tc + tk + tp|(phút)
Trong đó:
q – Trọng tải chở cho phép của xe (tấn)
Ktg – Hệ số sử dụng thời gian;
Kđ – Hệ số điền đầy thùng;
- Khối lượng riêng của đất;
Tca – Số giờ làm việc trong 1 ca;
Tck – Thời gian 1 chu kì công tác (phút)
Tck = tn + td + tc + tk + tp
tn, td – Thời gian nhận và dỡ tải của ô tô (phút)
tc, tk – Thời gian chạy có tải và không tải của
ô tô (phút)
tc =
l1
v0
; tk =
l2
v1
l1,l2: - chiều dài quãng đường xe chạy có tải
và không tải.
v0, v1 – Vận tốc xe chạy có tải và không tải,
do vận chuyển trong điều kiện không thuận lợi
nên ta lấy v0 = 20 km/h, v1 = 40 km/h
tp – Thời gian phục vụ khác (phút)
Căn cứ vào định mức Nhà nước và các bảng
cataloge của máy, các tài liệu kĩ thuật, kết hợp
với khảo sát bằng phương pháp tính giờ (thống
kê), ta xác định được bảng thời gian chu kì làm
việc của ôtô vận chuyển tự đổ.
d) Đối với công tác rải bê tông nhựa
Căn cứ vào định mức cho phép đối với máy
rải bê tông nhựa, ta tính được tổng số ca máy và
giá trị ca máy:
86
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 26, THÁNG 6 NĂM 2017 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG
Xđm5 – Số ca máy rải bê tông nhựa theo định
mức;
- Năng suất của máy rải bê tông nhựa được
xác định theo công thức:
N = 60.b.h.v.γ.Tca|(Tn/ca) [7]
Trong đó:
b – Chiều rộng lớp nhựa rải (m)
h – Chiều dày lớp nhựa rải (m)
v – Tốc độ làm việc của máy (m/phút)
γ – Khối lượng riêng của lớp bê tông nhựa đã
đầm và là phẳng; γ = 2,2 tấn/m3
Tca – Số giờ làm việc trong 1 ca, Tca = 8 giờ.
Căn cứ vào định mức Nhà nước và các bảng
cataloge của máy, các tài liệu kĩ thuật, kết hợp
với khảo sát bằng phương pháp tính giờ (thống
kê), ta xác định được bảng thời gian chu kì làm
việc của máy rải nhựa đường.
Tiến hành thiết lập các phương trình theo căn
cứ vào các ràng buộc theo từng công việc cụ thể
và ứng dụng các phương pháp giải bài toán Quy
hoạch toán học, khi đó ta sẽ nhận được kết quả
tối ưu.
e) Ví dụ
Ứng dụng phương pháp quy hoạch toán học
để lựa chọn máy, thiết bị thi công công trình cho
Công ty Cổ phần Đầu tư và Xây dựng 717 để thi
công công trình nâng cấp Quốc lộ 53.
Sau khi phân tích và xem xét tính toán dựa vào
máy và thiết bị hiện có tại đơn vị và khu vực lân
cận; căn cứ vào [3], [6], [8], ta giải bài toán cho
kết quả như Bảng 2.
Bảng 2. Danh mục các máy thi công công trình
nâng cấp Quốc lộ 53:
TT Tên máy Mã hiệu Số lượng
1 Máy đào Deawoo DX340LC 01
2 Máy ủi Komatsu D31EX 03
3 Máy lu Caterpıllar CB-534D 01
4 Ô tô Nisan CW51HD 12
5 Máy rải Nigata NF6 W-TV 01
Số lượng và chủng loại máy thi công ở trên
phục vụ cho công trình nâng cấp Quốc lộ 53.
Trong thực tế, quá trình tổ chức thi công phụ
thuộc vào rất nhiều yếu tố như: về mặt bằng thi
công, quy trình kĩ thuật, môi trường thời tiết, hiệu
quả sử dụng máy... Cho nên chúng ta cần tính đến
hệ số dự trữ khi chọn số lượng máy thi công công
trình cụ thể.
IV. KẾT LUẬN
Bài báo đưa ra phương pháp tính chọn máy thi
công công trình giao thông bằng việc vận dụng
phương pháp quy hoạch toán học sao cho cực
tiểu chi phí ca máy thi công theo từng công việc
cụ thể nhằm đạt được các mục đích sau:
- Có thể áp dụng rộng rãi trong việc thi công
các công trình tương tự.
- Có thể thi công công trình có khối lượng tập
trung lớn.
- Tiết kiệm tối đa chi phí thi công nhằm mang
lại lợi nhuận cao nhất cho nhà thầu thi công.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Hữu Trí. Nghiên cứu chọn phương tiện cơ giới
thi công hợp lý cho công tác xây dựng công trình đường
xuyên Á [Luận văn Thạc sĩ]; 2000.
[2] Lê Ngọc Định. Vận dụng bài toán quy hoạch toán học
để lựa chọn thiết bị hợp lý cho dây chuyền thi công cầu
Rồng – Thành phố Đà Nẵng [Luận văn Thạc sĩ]; 2010.
[3] Tăng Tấn Minh. Vận dụng bài toán quy hoạch tuyến
tính để lựa chọn thiết bị cho dây chuyền thi công, công
trình nâng cấp Quốc lộ 53 đoạn thành phố Trà Vinh –
Cầu Ngang [Luận văn Thạc sĩ]; 2012.
[4] Nguyễn Bính. Kinh tế máy xây dựng và xếp dỡ. NXB
Xây dựng, Hà Nội; 2004.
[5] Vũ Thanh Bình. Trang bị cơ giới xây dựng và xếp dỡ
theo hàm mục tiêu. Đại học Giao thông Vận tải; 2009.
Tài liệu giảng dạy Cao học.
[6] Huỳnh Văn Hoàng, Đào Trọng Thường. Tính toán máy
trục. NXB Khoa Học Kỹ Thuật; 1971.
[7] Vũ Thanh Bình, Vũ Thế Lộc. Máy làm đất. NXB Giao
thông Vận tải. Hà Nội; 1997.
[8] Vũ Văn Lộc, Ngô Thị Phương, Nguyễn Ngọc Thanh,
Vũ Thị Xuân Hồng, Nguyễn Minh Trường. Sổ tay chọn
máy thi công. NXB Xây dựng, Hà Nội; 2005.
87