劉 超，尹習(xí)雙，劉 全

(1.中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072；2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)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(xué)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(xué)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(fù)雜的系統(tǒng)工程，一般工程規(guī)模龐大，技術(shù)和自然條件復(fù)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(yīng)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(shè)計提供依據(jù)；同時，可減輕技術(shù)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(yù)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(yīng)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(yīng)用逐漸廣泛，應(yīng)用面從大型工程到中小型工程，從高校科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)普及到各大設(shè)計單位的生產(chǎn)設(shè)計，從單一的過程仿真技術(shù)到與相關(guān)學(xué)科交融。鐘登華等將GIS技術(shù)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(yīng)用到具體工程中[5]。國內(nèi)外學(xué)者將CAD與仿真技術(shù)結(jié)合提出針對施工進度的4D CAD設(shè)計技術(shù)[2,6，7]，是施工管理科學(xué)發(fā)展的新方向。

高拱壩因其顯著的技術(shù)、經(jīng)濟特點，在已建和在建的水電工程中占有相當?shù)谋壤８吖皦我话闶褂美|機澆筑常態(tài)混凝土，施工工藝復(fù)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(shè)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(shù)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(wù)行為，該服務(wù)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(guān)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(guān)系也沒有顯式的服務(wù)與被服務(wù)關(guān)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(dǎo)致服務(wù)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(wù)模型假設(shè)一旦開始服務(wù)，服務(wù)臺和客戶就靜態(tài)地綁定到一起，直到服務(wù)完成(多數(shù)服務(wù)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(wù)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(wù)。即，纜機對澆筑倉的服務(wù)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(wù)系統(tǒng)來抽象仿真系統(tǒng)對象之間的關(guān)系，運用排隊論的基本思想來理解施工系統(tǒng)中的服務(wù)問題。

隨著仿真粒度的細化，仿真系統(tǒng)特征的以服務(wù)系統(tǒng)為代表的模型在應(yīng)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(wù)的靜態(tài)關(guān)聯(lián)難以達到優(yōu)化要求。一般服務(wù)系統(tǒng)假設(shè)客戶和服務(wù)臺之間的關(guān)系在服務(wù)過程中是確定不變的，即在服務(wù)進行中，服務(wù)臺和客戶之間的關(guān)聯(lián)是靜態(tài)的。以上模型假設(shè)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(wù)過程中動態(tài)調(diào)整服務(wù)臺與客戶之間的關(guān)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(wù)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(wù)模式需要擴展。因此，使用虛擬活動技術(shù)和機械動態(tài)調(diào)整兩個技術(shù)來對應(yīng)解決，具體說明如下。

參考纜機施工一般原則，假設(shè)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(wù)的纜機移動事件，隨之出現(xiàn)相關(guān)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(wù)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(wù)過程中最多服務(wù)兩個倉位。由于調(diào)度困難，服務(wù)更多的倉位在實際施工中幾乎無法使用，因此服務(wù)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(wù)兩個倉，在特定的時間只要一臺纜機同時服務(wù)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(wù)兩個倉。這也是與一般服務(wù)模型不同之處。典型服務(wù)模型中的服務(wù)臺一般是不可再分的服務(wù)單元。

一個服務(wù)臺同時服務(wù)兩個客戶需要一個基礎(chǔ)、解決兩個主要問題。一個基礎(chǔ)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(wù)臺同時服務(wù)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(wù)臺為每個客戶服務(wù)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(wù)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(wù)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(wù)臺服務(wù)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(shè)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(wù)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(wù)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(guān)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(guān)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(guān)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(shè)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(yīng)強度、澆筑層厚及間歇時間、基礎(chǔ)灌漿的設(shè)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(yīng)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(yīng)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(shù)，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(yù)計高峰澆筑強度超過20萬m3/月，需妥善解決混凝土供應(yīng)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(dǎo)流規(guī)劃設(shè)計和纜機數(shù)量的選擇等施工系統(tǒng)關(guān)鍵性問題，需要詳細的施工系統(tǒng)預(yù)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(guān)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(yīng)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(shè)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(wù)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(wù)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(yīng)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(yīng)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(shè)備的利用率，有更多時間參與輔助作業(yè)充分利用機械設(shè)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(chǔ)，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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