劉 超，尹習雙，劉 全

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072；2.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

1 前 言

施工過程計算機仿真是通過建立數(shù)學模型，在計算機上模擬被仿真對象的運行狀態(tài)及其隨時間變化的過程。通過對數(shù)學模型的運行過程的研究，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為的分析，來估計和推斷實際系統(tǒng)的真實參數(shù)和性能。水利水電工程是一項復雜的系統(tǒng)工程，一般工程規(guī)模龐大，技術和自然條件復雜，其施工過程中不僅內(nèi)部各種因素之間、各子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)與總系統(tǒng)之間相互制約，需要協(xié)調(diào)，并且還受諸多外部因素影響。因此，對施工過程進行研究時應用解析法較為困難，多采用計算機仿真方法。通過對實際系統(tǒng)的模擬，可以獲得有價值系統(tǒng)的參數(shù)，增進對實際工程的了解，為施工組織設計提供依據(jù)；同時，可減輕技術人員的計算強度，縮短方案制定周期。甚至可以通過修改參數(shù)獲取大量對比方案，對不同方案進行仿真試驗，預測不同施工方案的執(zhí)行結(jié)果，通過方案比較確定出一個較優(yōu)方案[1]。由于計算機施工過程仿真的這些優(yōu)點，其在水利水電工程中的應用越來越廣泛。從20世紀80年代二灘、魯布格工程中進行資源優(yōu)化仿真開始，施工仿真在我國水電工程中應用逐漸廣泛，應用面從大型工程到中小型工程，從高?？茖W研究與技術開發(fā)普及到各大設計單位的生產(chǎn)設計，從單一的過程仿真技術到與相關學科交融。鐘登華等將GIS技術引入，實現(xiàn)基于GIS的可視化仿真[2-3]。周宜紅等將動態(tài)思想引入仿真，推進了動態(tài)仿真研究[4]。Adenso-Diaz等將動態(tài)仿真優(yōu)化方法引入煤礦開采的道路優(yōu)化過程，并應用到具體工程中[5]。國內(nèi)外學者將CAD與仿真技術結(jié)合提出針對施工進度的4D CAD設計技術[2,6，7]，是施工管理科學發(fā)展的新方向。

高拱壩因其顯著的技術、經(jīng)濟特點，在已建和在建的水電工程中占有相當?shù)谋壤?。高拱壩一般使用纜機澆筑常態(tài)混凝土，施工工藝復雜，干擾因素多，施工工期等施工系統(tǒng)參數(shù)是拱壩施工組織設計的重點。自20世紀80年代以來，我國的水電工程研究者對拱壩施工問題進行了廣泛而深入的研究，王仁超等將隨機排隊理論引入混凝土壩澆筑順序優(yōu)化中取得一定的進展[8]；鐘登華等將三維動態(tài)可視化仿真引入混凝土壩施工，是可視化技術的發(fā)展熱點[9]；Shi將實時決策與資源分配思想引入，建立了計算機仿真模型，并應用于ABC仿真系統(tǒng)[10]；周宜紅等將人工智能引入混凝土施工仿真，研究了仿真的行為原則[11]；胡志根等在多種混凝土澆筑施工順序決策模型的優(yōu)選決策中做了很多工作[12]。但是，針對混凝土澆筑施工工藝的仿真與優(yōu)化研究相對較少。本文致力于建立混凝土施工工藝過程的動態(tài)仿真模型，以較為真實的仿真施工工藝，使仿真成果更具真實性。

2 高拱壩施工系統(tǒng)分析

2.1 高拱壩施工系統(tǒng)分解(見圖1)

高拱壩施工系統(tǒng)可以分解為多個子系統(tǒng)：混凝土子系統(tǒng)，澆筑倉子系統(tǒng)，大壩施工外界影響子系統(tǒng)，大壩施工澆筑行為描述子系統(tǒng)?；炷磷酉到y(tǒng)包括：混凝土生產(chǎn)、混凝土運輸(水平、垂直運輸)和混凝土倉面作業(yè)等部分；澆筑倉子系統(tǒng)包括：大壩體形描述和大壩特殊部位描述等部分；大壩施工外界影響子系統(tǒng)包括：氣候和導流等部分；大壩施工澆筑行為子系統(tǒng)包括：可用機械、可澆倉位系統(tǒng)和正在澆筑的倉位等部分。它們從各個方面反映了施工系統(tǒng)的特征。其間有著各種各樣的聯(lián)系，對應著客觀的施工系統(tǒng)的各種聯(lián)系。

圖1 高拱壩施工系統(tǒng)分解

2.2 高拱壩混凝土澆筑行為分析

我國已建和在建的高拱壩(200m以上)，使用纜機施工的占多數(shù)，纜機類型和主要參數(shù)見表1。

表1 我國的高拱壩纜機類型及主要參數(shù)

由表1可見，纜機是目前大部分拱壩施工的主要機械。因此，本文以具有代表性的全纜機施工的拱壩為主要研究對象。

一般的混凝土澆筑系統(tǒng)仿真認為，混凝土澆筑行為就是澆筑機械對澆筑倉的服務行為，該服務行為就是混凝土入倉的過程。為了真實地反映混凝土澆筑機械的行為，僅僅反映澆筑機械與澆筑倉之間的關系是不夠的，如纜機活動空間受到軌道和其他纜機的限制，因此其運行邊界是動態(tài)的，其關系也沒有顯式的服務與被服務關系，而且，某一纜機的移動可能還會對其他纜機的位置造成影響(避讓)，導致服務定義邊界的模糊，為仿真建模與實現(xiàn)帶來困難。同時，一般的服務模型假設一旦開始服務，服務臺和客戶就靜態(tài)地綁定到一起，直到服務完成(多數(shù)服務系統(tǒng)也的確是這樣)。但是，纜機是高度機動的機械，為了快速施工，對澆筑倉的服務模式不是一成不變的，纜機可能在中途加入或者退出對特定的澆筑倉的澆筑服務。即，纜機對澆筑倉的服務模式實際上是多對多(M∶N)的，一對多(N∶1)模式是簡化考慮。顯然，需要提出一個新的仿真模型來反映這樣的施工特性。

2.3 高混凝土拱壩施工仿真模型

2.3.1 一般施工仿真模型

一般認為，水電工程的施工系統(tǒng)是離散事件系統(tǒng)，采用離散事件仿真的基本方法來建立仿真模型。一些文獻[5]使用服務系統(tǒng)來抽象仿真系統(tǒng)對象之間的關系，運用排隊論的基本思想來理解施工系統(tǒng)中的服務問題。

隨著仿真粒度的細化，仿真系統(tǒng)特征的以服務系統(tǒng)為代表的模型在應用中也遇到了一些問題：(1)對于纜機作業(yè)的一些重要細節(jié)反映不夠，難以保證仿真成果的合理性；(2)服務的靜態(tài)關聯(lián)難以達到優(yōu)化要求。一般服務系統(tǒng)假設客戶和服務臺之間的關系在服務過程中是確定不變的，即在服務進行中，服務臺和客戶之間的關聯(lián)是靜態(tài)的。以上模型假設與客觀情況不符，是過強的要求，很多的優(yōu)化要求都需要在服務過程中動態(tài)調(diào)整服務臺與客戶之間的關系。因此，高拱壩施工仿真需要針對以上兩個問題改進現(xiàn)有的基于服務系統(tǒng)的仿真模型。

對于上述兩個問題可以概括如下：(1)纜機施工活動的后效性，或者機械活動的相互影響；(2)服務模式需要擴展。因此，使用虛擬活動技術和機械動態(tài)調(diào)整兩個技術來對應解決，具體說明如下。

參考纜機施工一般原則，假設施工纜機在纜機軌道上是不動的，其位置也不受到其他施工纜機的影響；而空閑纜機在軌道的有效范圍內(nèi)是可以任意活動的(同軌道纜機顯然不能跨越)。準備施工的纜機為了達到指定倉位的上方可能需要“擠開”其他空閑纜機，同時保證纜機之間的安全距離。這是一個動態(tài)控制的問題。纜機位置系統(tǒng)的狀態(tài)變化來自于有澆筑任務的纜機移動事件，隨之出現(xiàn)相關纜機狀態(tài)的變化事件。處理觸發(fā)事件方法有兩類：循環(huán)檢測和遞歸處理。遞歸處理算法結(jié)構(gòu)簡練，但是對算法的抽象程度要求較高，調(diào)試的難度也較大，因此我們使用循環(huán)檢測處理，檢測調(diào)整后的系統(tǒng)中是否有不符合要求的對象狀態(tài)，如有就觸發(fā)沖突處理事件，如全部達標或者無解則退出。循環(huán)檢測處理纜機安全距離的方法的算法框圖見圖2。

圖2 循環(huán)檢測處理纜機安全距離的方法的算法框圖

對于擴展服務模式的需求，針對當前的纜機混凝土施工實況，一般一臺纜機在服務過程中最多服務兩個倉位。由于調(diào)度困難，服務更多的倉位在實際施工中幾乎無法使用，因此服務模式的問題從多對多(M∶N)簡化為多對2(N∶2)。對于同時施工的多個纜機組合，沒有必要多臺纜機同時服務兩個倉，在特定的時間只要一臺纜機同時服務兩個倉就足以反映前面提到的優(yōu)化問題了，因此問題從多對2(N∶2)簡化為一對2(1∶2)，即一臺纜機同時服務兩個倉。這也是與一般服務模型不同之處。典型服務模型中的服務臺一般是不可再分的服務單元。

一個服務臺同時服務兩個客戶需要一個基礎、解決兩個主要問題。一個基礎是具體執(zhí)行中仿真粒度需要進一步縮小，具體為混凝土澆筑罐級別。需要解決的問題是：開始條件和負載均衡。

由于涉及兩個倉位，定義A倉位的原有機械施工能力為QA，澆筑倉需求強度為NA，定義B倉位的原有機械施工能力為QB，澆筑倉需求強度為NB，定義Q與N的差為W，那么如果同時存在兩個倉位：

WA=QA-NA>0

WB=QB-NB<0

WA+WB>0

由上述條件可知，B倉位的機械配置不滿足施工需求，如果有A倉位纜機可以覆蓋B倉位，經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整后，將A倉位的機械剩余能力轉(zhuǎn)移到B倉位，B倉位就可以進行澆筑。滿足這樣條件的系統(tǒng)狀態(tài)就可以進入一個服務臺同時服務兩個客戶的狀態(tài)。

負載均衡是控制實施過程的策略，確定服務臺為每個客戶服務的具體數(shù)量。顯然每個客戶的基本需求要得到滿足，多余的服務能力根據(jù)某種特定的原則分給兩個客戶。目前使用的負載均衡原則是客戶需求的加權(quán)平均。定義加權(quán)算子DA、DB為：

DA=NA/(NA+NB)

DB=NB/(NA+NB)

客戶得到的服務強度為：

PA=NA+DA(WA+WB)

PB=NB+DB(WA+WB)

開始控制和負載均衡是一個服務臺服務兩個客戶模型的主要問題，模型中還包括執(zhí)行過程中的客戶轉(zhuǎn)換和執(zhí)行完成后的資源回收策略，相對較為簡單，不再贅述。

將纜機施工仿真的粒度設定在混凝土罐級，因此纜機不再是混凝土施工中的最小服務量單元。但是由于混凝土罐本身不是獨立的施工單位，因此澆筑倉決策施工還是以纜機為基本活動單元進行。以上就是以纜機為單位的澆筑倉施工決策，以混凝土澆筑罐為單元的澆筑倉施工。圖3為本文采用的高拱壩施工模型圖。

圖3 高拱壩施工模型

2.3.2 高拱壩施工面向?qū)ο笙到y(tǒng)分析

根據(jù)以上分析結(jié)合一般服務理論，使用面向?qū)ο蠓治龇椒▽⒏吖皦问┕つＰ娃D(zhuǎn)換為程序?qū)崿F(xiàn)使用的類繼承圖、類關系圖和系統(tǒng)狀態(tài)時序圖等。圖4為施工仿真中使用的類繼承和類間主要關系圖。

進行進一步的分析后，即可使用某種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言實現(xiàn)[13]。

圖4 拱壩施工仿真的類繼承和關系

2.4 高拱壩施工計算機仿真功能模塊劃分

對上述模型還要設定其初始條件和邊界條件，內(nèi)容包括：大壩總體描述、大壩的坐標系統(tǒng)和體形方程、分縫方式、倉面容積統(tǒng)計、孔洞和特殊部分參數(shù)、混凝土初凝時間和有效工作日、纜機布置方案、纜機主要運行參數(shù)、同層纜機的安全距離、混凝土供料線、混凝土供應強度、澆筑層厚及間歇時間、基礎灌漿的設定、澆筑倉立模、高差控制和施工進度要求等。如此多的施工參數(shù)需要相應的前處理模塊來管理，以數(shù)據(jù)庫為信息載體，以填表的形式輸入?yún)?shù)，并進行初級的參數(shù)合理性檢測。

上述模型在計算的同時得到以澆筑順序表和混凝土小時生產(chǎn)強度表為主的計算數(shù)據(jù)。由于常態(tài)混凝土施工分層較薄，因此在一般澆筑順序表中會得到數(shù)以千計的澆筑順序記錄。通過這些數(shù)據(jù)可以統(tǒng)計出施工總工期，分月大壩施工強度、進度，施工機械的施工強度、利用率，混凝土供料線的供應強度和老混凝土比例統(tǒng)計等施工系統(tǒng)參數(shù)。該部分功能在施工仿真后處理模塊中實現(xiàn)。為了更好地處理上述參數(shù)，一般采用可視化方法將施工參數(shù)可視化。同時，為了便于查詢，引入基于可視化的交互式查詢技術，為施工方案特性的分析提供便利。

高拱壩混凝土澆筑行為及動態(tài)優(yōu)化施工過程仿真軟件的模塊組成見圖5。

圖5 高拱壩混凝土澆筑行為及動態(tài)優(yōu)化施工過程仿真軟件的模塊組成

3 工程案例

3.1 概 述

某水電工程由混凝土雙曲拱壩、二道壩及水墊塘、引水發(fā)電系統(tǒng)和永久泄洪洞等建筑物組成。工程樞紐建筑物規(guī)模宏大，兩岸引水發(fā)電系統(tǒng)采用地下廠房型式，電站總裝機容量達12 000MW。土石方開挖總量超過5 000萬m3，混凝土澆筑總量超過1 300萬m3。拱壩壩高280m，在雙層纜機平臺布置5臺纜機。壩體混凝土工程量達739萬m3，最大澆筑倉面面積約1 700m2，預計高峰澆筑強度超過20萬m3/月，需妥善解決混凝土供應和垂直運輸入倉問題。雙層纜機平臺中的低平臺基本可以覆蓋整個壩體，配置2臺纜機；高平臺完全覆蓋整個壩體，布置臺3臺纜機。5臺高速平移式纜機澆筑大壩，施工中存在較大干擾，必須合理組織、妥善安排。大壩進度計劃制訂、導流規(guī)劃設計和纜機數(shù)量的選擇等施工系統(tǒng)關鍵性問題，需要詳細的施工系統(tǒng)預測資料，因此采用上述模型進行大壩施工仿真，對比不同方案下的施工參數(shù)，為施工方案的優(yōu)選提供依據(jù)。

3.2 方案說明

大壩底部拱圈厚度在70m左右，經(jīng)過初步計算，底部澆筑塊平層澆筑需要3臺以上的纜機才能滿足入倉強度需求；而大壩頂部寬度為13m，1臺纜機即可滿足其入倉強度。很顯然在大壩的中部的很多部位，存在需要2.5個澆筑單位才能滿足入倉強度的地方，這樣配置5臺纜機的方案需要優(yōu)化才能同時澆筑兩個倉位。圖6是仿真計算得到的倉位澆筑需求纜機數(shù)量分布圖。

圖中需要3臺纜機澆筑的倉位和需要2臺纜機澆筑的倉位區(qū)域有所重疊，原因是冬季施工的倉位混凝土初凝時間較長，入倉強度可以比夏季低，因此夏季需要3臺纜機澆筑的倉位，冬季可能只需要2臺就可以了。

與仿真優(yōu)化模型有關的主要工程參數(shù)與方案參數(shù)見表2。

針對上述拱壩，擬定一個應用動態(tài)優(yōu)化施工算法的優(yōu)化方案和一個未使用該算法的方案進行比較。

3.3 仿真結(jié)果與分析

圖6 倉位澆筑需求纜機數(shù)量分布

參 數(shù)取 值參 數(shù)取 值壩高280.0m纜機臺數(shù)5大壩壩段總數(shù)34.0高平臺纜機數(shù)3大壩底部高程550.0m高臺纜機跨度1 100m大壩頂部高程830.0m高臺纜機控制高程范圍550～830m大壩孔洞總數(shù)24低平臺纜機數(shù)2大壩澆筑倉總數(shù)約2 700低臺纜機跨度920m底拱中心厚度68.0m低臺纜機控制高程范圍550～750m頂拱中心厚度13.0m拌和系統(tǒng)生產(chǎn)強度500.0m3/h最大澆筑塊容積約4 800m3高高程供料線高程827.0m最小澆筑倉容積63.0m3低高程供料線高程730.0m大壩混凝土總量8 370×103m3底部塊平層澆筑纜機臺數(shù)要求>3大壩設計總工期60月頂部塊平層澆筑纜機臺數(shù)要求<1

注：1)大壩澆筑倉總數(shù)由于不同的計算方案有不同的分層高度，總數(shù)在2 700左右。

2)最大澆筑塊容積受到分倉面積和分倉高度的影響在4 800m3左右。

根據(jù)上述方案的參數(shù)進行仿真，得到其特征與系統(tǒng)參數(shù)。兩個方案的施工月累計澆筑強度見圖7。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化方案在施工高峰期間，施工強度較為均衡，波動較小，在第15月到50月近三年的施工時間中，可行方案的月澆筑強度的均方差為4.9×103m3，優(yōu)化方案的月澆筑強度的均方差為4.4×103m3，可見優(yōu)化方案的確較優(yōu)，與直觀觀察一致。同時可以看到，在工程剛剛開始的前15個月中，優(yōu)化方案與可行方案的月強度指標是一樣的，這是因為在大壩的底部區(qū)域，倉面面積巨大，纜機的循環(huán)時間又較長，因此此時纜機的空閑時間較少。本文的方法主要是針對纜機富余澆筑能力的優(yōu)化利用，所以纜機沒有空閑，就沒有多少優(yōu)化的可能。到了大壩中部這樣的優(yōu)勢才凸現(xiàn)出來。類似的，在大壩頂部澆筑倉較小，一般一臺纜機即可達到入倉強度要求，沒有優(yōu)化的必要。因此兩方案的強度曲線尾部同樣比較相似。

由于纜機數(shù)量較多，趨勢基本相同，因此使用纜機分月澆筑強度統(tǒng)計的最大值和最小值進行比較。從圖8中可以看出，優(yōu)化方案的各任務較為均衡，充分利用了各臺纜機的生產(chǎn)能力；而可行方案的纜機，同一時段有纜機月累計澆筑達到15×103m3，而有的幾乎沒有參與施工?？梢?，在機械均衡利用方面，優(yōu)化模型也體現(xiàn)出其優(yōu)化作用。

優(yōu)化方案對于施工系統(tǒng)資源的充分利用還體現(xiàn)在混凝土小時上壩強度的累計歷時上?；炷列r上壩強度的累計歷時是混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)在大壩施工過程中，在特定的生產(chǎn)混凝土生產(chǎn)強度區(qū)間上的時間累計，對于特定的生產(chǎn)系統(tǒng)，顯然希望生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)任務較為飽和。從圖9可見，優(yōu)化方案的強度高峰較為靠后，超過400m3/h生產(chǎn)強度的高強度生產(chǎn)歷時累計明顯高于可行方案；相應的中強度歷時累計時間明顯低于可行方案；而在低強度生產(chǎn)時段統(tǒng)計，由于大壩總是存在一些邊角塊，面積、體積較小，對應混凝土生產(chǎn)強度較低，可行方案、優(yōu)化方案差別不大。

可行方案、優(yōu)化方案系統(tǒng)仿真結(jié)果比較見表3。

優(yōu)化方案的總工期較短，同時最高月強度、單機最高澆筑強度和纜機最高混凝土澆筑利用率都較低?？梢?，使用優(yōu)化澆筑工藝可以縮短澆筑工期，均衡機械設備的利用率，有更多時間參與輔助作業(yè)充分利用機械設備，優(yōu)化施工程序。通過提高小時澆筑強度、充分利用纜機的運行時間，均衡了分月混凝土澆筑強度，縮短了總工期，為項目的機械選型、機械配置，運行方式提供了參考。

圖7 施工月澆筑強度

圖8 纜機分月澆筑強度統(tǒng)計

圖9 混凝土小時上壩強度累計歷時

方 案總工期/月最高月強度/m3·月-1單機最高月強度/m3·月-1最高小時強度/m3·h-1纜機澆筑最高利用率/%可行方案6020.14.9148866.5優(yōu)化方案5919.34.4750059.1

4 結(jié) 論

本文針對常態(tài)混凝土高拱壩的纜機施工行為進行深入研究，以排隊論的思想為基礎，結(jié)合動態(tài)優(yōu)化的思想，進一步縮小過程仿真粒度，從纜機澆筑行為方面優(yōu)化高拱壩纜機施工工藝，并按照優(yōu)化方法進行仿真建模，計算得到施工方案特征參數(shù)。仿真計算表明，針對纜機澆筑行為的動態(tài)優(yōu)化算法在施工工期、施工強度和纜機澆筑利用率等方面取得了優(yōu)化的效果，更加接近工程實際，可為高拱壩施工機械快速選型、優(yōu)化配置和運行方式提供參考。

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