一种考虑续航里程的隧道电动出渣车配置方法及系统

技术领域

本发明涉及隧道施工工程领域，尤其是一种用于隧道施工中电动出渣车配置的优化方法及系统。

背景技术

作为解决地理障碍、缩短交通距离的关键组成部分，隧道已成为复杂地形地区如山区、城市和海峡的重要交通方式，隧道无轨出渣作业占整个隧道作业循环时间约为一半，传统的无轨出渣方式依赖柴油燃油出渣车，但它们在隧道这种相对封闭的环境中运行，会产生大量的尾气排放和噪音，对施工人员和周围环境造成危害。

随着环境保护意识的增强，电动出渣车正在逐渐取代传统的柴油燃油出渣车，成为隧道建设中的主流选择，电动出渣车的应用不仅减少了碳排放，还降低了施工噪音和空气污染，有效缓解了隧道通风压力和通风成本，对提升洞内工作环境和社会可持续发展具有积极影响。

然而，在隧道中使用电动出渣车时，其续航里程成为了一个关键问题。如何合理配置电动出渣车，既满足施工需求，又不浪费资源，成为了一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明涉及一种考虑续航里程的隧道电动出渣车配置方法及系统，旨在解决隧道施工中电动出渣车的优化配置问题，本发明特别关注于如何在确保施工效率和安全性的前提下，减少车辆使用数量，降低成本，并考虑环境因素，为实现上述目的，本发明提出如下技术方案。

(1)梳理分析了隧道施工中电动出渣车的工作场景，以确保配置方法能够满足实际施工的需求。

在隧道施工中，出渣是一个持续且关键的环节，随着隧道的连续开挖，大量的岩石碎料和土壤(统称为渣土)需要被及时有效地清除，这不仅保证了施工区域的整洁，而且为随后的施工流程腾出了必要的空间，详细描述如下：

1)装渣：在出渣工序开始后，出渣车在掌子面进行装渣；

2)运输：出渣车装满后，将渣土由掌子面开往至指定的弃渣场；

3)卸渣：出渣车将渣土全部卸到弃渣场；

4)返程：如还有装渣任务且剩余电量充足，则出渣车需要返回掌子面等待下一次装渣；

5)充电：如本循环出渣工序结束或电量耗尽，则返回洞口进行充电，等待下一个循环的出渣工序。

(2)建立一个电动出渣车配置优化模型，该模型综合考虑了续航里程、装载容量、施工需求等多个因素，以指导实际工程中的车辆配置和调度。

模型中包含基本假设，如固定装渣时间、连续工作、固定续航里程和返回出发点进行充电等，以简化实际施工过程的复杂性，基本假设如下：

1)固定装渣时间：假设每辆出渣车装载渣土的时间固定且不变，这一时间不受到其他外部因素，如设备性能、操作人员熟练度等的影响；

2)连续工作：出渣车、装载机在其工作时间内是连续运作的，不考虑因设备故障、维护或其他原因导致的停工；

3)固定续航里程：每辆出渣车的续航里程被视为固定值，不受电池亏损、路况、驾驶习惯等因素的影响；

4)返回出发点：在出渣工序结束后，所有的出渣车都会返回其出发点进行充电，假定充电设施配备充足，在下一次出渣工序开始前，能对所有出渣车充满电，确保下一次出渣工序的顺利进行。

(3)设定一系列约束条件，包括出渣量约束、车次数约束、连贯性约束和续航里程约束，确保模型结果的实用性和可行性，约束条件如下：

1)出渣量约束

出渣量约束关注隧道内安全和施工效率，在施工进程中，每一次循环爆破后都会产生一定量渣土，这些渣土需要通过出渣车全部运往弃渣场，确保洞内不会因为渣土的堆积而产生风险和施工效率的降低，即

Q＝α×l×S(式1)

其中，

Q：每个循环的出渣总量(单位：m

α：围岩松散系数；

l：每个循环的进尺(单位：m)；

S：隧道断面面积(单位：m2)。

2)车次数约束

车次数约束关注施工需求和运输能力之间的平衡，施工中产生的渣土总量与出渣车的单次装载量直接决定所需的最小车次数，为满足这一约束，需根据出渣车的装载容量和本循环渣土的总量，计算出完成一次完整出渣任务所需的总车次下限，实际配置的车次必须大于或等于这个下限，即：

其中，

N

C：出渣车的单次装载量(单位：m

3)连贯性约束：

连贯性约束关注施工流程中的协同和效率，确保装载机能够连续工作，同时避免出渣车不必要的等待，为了实现这一目标，施工过程中的车辆调度需要精确安排，当第N-1辆车开始装载时，第N辆车应已经准备就绪，处于等待状态，此外，当第N辆车开始装载时，第1辆车应已经完成上一轮的工作并返回到等待区域，为下一轮装载做好准备，即：

N

其中，

N

T

t

t

L

L

V

V

4)续航里程约束：

电动出渣车的续航里程约束是确保施工连续性和效率的关键因素，每辆出渣车的单次往返运行距离必须在其续航里程范围内，以避免因电量耗尽而导致的施工中断，同时约束，每循环出渣工序开始前，所有出渣车均为满电发车。

即

D

其中，

D

注：当出渣工序开始前即不满足该约束条件时，则证明电动出渣车因续航里程限制，无法应对此工况，需考虑其他施工方案(如采取燃油出渣车，或调整弃渣场位置等)。

以上约束共同构成了出渣工序的核心要求：出渣量约束确保本循环渣土被完全清除，保证施工安全；车次数约束保证足够的运输能力满足出渣需求；连贯性约束促使各施工环节紧密衔接，实现高效流水作业；续航里程约束则确保电动出渣车的稳定运行，避免施工中断，这些约束条件共同保障了出渣工序的高效、连续进行，确保施工进程的安全与稳定。

(4)定义配置目标函数，以最小化所需的出渣车数量和往返次数为目标，同时考虑不同季节和环境条件下的续航里程变化。

因此，目标函数可以定义为：

所需出渣车数量

其中，R

本发明还涉及一种系统，用于实施上述配置方法，该系统设计用于在隧道施工项目中优化电动出渣车的配置，以提高施工效率、降低成本并减少环境影响，系统的具体实施方式如下：

P1：数据输入模块是系统与用户交互的接口，它允许用户输入所有必要的隧道施工参数，这些参数是模型建立与优化的基础，对于确保配置方案的准确性至关重要，数据输入模块应具备高兼容性和易用性，以便用户可以轻松输入数据；

P2：模型建立与优化模块是系统的计算核心，它根据输入的参数建立配置优化模型，该模块采用高效的算法，确保在考虑续航里程、装载容量、施工需求等因素的基础上，实现出渣车数量和往返次数的最小化，此外，该模块还能够根据实际情况调整模型参数，以适应不同的施工环境和需求变化；

P3：约束条件处理模块负责确保配置方案的实用性和可行性，它根据预设的约束条件，如出渣量、车次数、连贯性和续航里程等，对配置方案进行验证和调整，该模块确保所有配置方案都在实际操作和车辆性能的限制范围内；

P4：配置计算模块是系统的关键组件，它执行具体的配置计算任务，根据配置目标函数和约束条件，该模块计算出最优的出渣车配置方案，包括确定所需的车辆数和每辆车的最大往返次数，该模块的计算结果直接影响到施工的效率和成本；

P5：输出模块负责将配置计算模块得到的方案以用户可理解的形式展示出来，输出可以是文本报告、图表或其他图形化展示，确保用户可以直观地理解配置方案，并据此进行决策和调度，输出模块的设计应注重信息的清晰性和可操作性。

这些模块共同构成了一个高效、可靠的系统，它能够为隧道施工项目提供科学的电动出渣车配置方案，通过本系统，施工管理者可以在确保施工效率和安全性的同时，优化资源分配，减少能源消耗，降低施工成本，并促进环境保护。

本发明的有益效果在于：提供了一种科学合理的电动出渣车配置方法，能够在隧道施工中实现资源的合理分配和使用；通过优化配置策略，减少了因续航里程限制导致的施工中断风险，提高了施工的连续性和效率；综合考虑了环境保护和成本控制的需求，有助于推动隧道施工向绿色、可持续发展方向转型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1展示了一种考虑续航里程的隧道电动出渣车配置方法的流程图。

图2展示了一种考虑续航里程的隧道电动出渣车配置系统的框架图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

具体实施方式聚焦某隧道工程，进行配置，该隧道工程具有以下特点：

(1)工程规模与结构：该隧道为单洞双线隧道，标段全长约11km，弃渣场距离隧道洞口达6.5km，隧道洞口至弃渣场已平整为缓坡路段，无陡坡；

(2)地理与环境特征：工程位于平均海拔3500米的高原地区，具有独特的地理和气候条件，隧道等级主要为Ⅲ、Ⅳ级，围岩松散系数α取1.5；

(3)设备选择：考虑到环境保护和效率需求，施工单位采用了国内主流装备厂家生产的电动出渣车，这些车辆配备了20m

(4)充电形式：隧道洞口设置充电桩群，单车充满电需要1.5小时，电动出渣车队利用出渣工序以外的时间充电，确保出渣工序开始前，车队处于满电状态；

(5)运行参数：根据现场施工日志，出渣车在洞内的平均速度V

实施例1：

本实施例为夏季施工条件下，正洞的配置情况。

根据配置方法，我们输入本实施例特定的参数：正洞断面面积约150m

表1：不同洞内距离下所需总车辆数和每辆出渣车最大往返次数的配置计算结果(实施例1)

实施例2：

本实施例为冬季施工条件下，正洞的配置情况，冬季条件下，电动出渣车续航时间相应降低。

根据配置方法，我们输入本实施例特定的参数：正洞断面面积约150m

表2：不同洞内距离下所需总车辆数和每辆出渣车最大往返次数的配置计算结果(实施例2)

实施例3

本实施例为夏季施工条件下，平行导洞的配置情况，由于平行导洞的断面面积较小，机械工作不变，单车装渣时间可能增加，但因每个循环的出渣量相对较少，因此所需的车辆数量可能会有所减少。

根据配置方法，我们输入本实施例特定的参数：平行导洞断面面积约70m

表3：不同洞内距离下所需总车辆数和每辆出渣车最大往返次数的配置计算结果(实施例3)

实施例4

本实施例为冬季施工条件下，平行导洞的配置情况，冬季条件下，电动出渣车续航时间相应降低。

根据配置方法，我们输入本实施例特定的参数：平行导洞断面面积约70m

表4：不同洞内距离下所需总车辆数和每辆出渣车最大往返次数的配置计算结果(实施例4)

在所有实施例中，配置方法和系统的应用都是为了实现资源的合理分配和使用，减少因续航里程限制导致的施工中断风险，提高施工的连续性和效率，同时考虑环境保护和成本控制的需求，通过这些实施例，我们可以为类似工程提供有益的参考和借鉴。