基于實時監(jiān)控的碾壓混凝土壩倉面施工仿真可視化分析

鐘登華，張元坤，吳斌平，任炳昱

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津　300072)

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基于實時監(jiān)控的碾壓混凝土壩倉面施工仿真可視化分析

鐘登華，張元坤，吳斌平，任炳昱

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072)

結(jié)合系統(tǒng)仿真技術(shù)、實時監(jiān)控技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和可視化技術(shù)，開展碾壓混凝土壩倉面施工仿真可視化分析研究，構(gòu)建倉面施工精細(xì)仿真模型。該模型不僅可以通過仿真計算獲得詳細(xì)的倉面施工進(jìn)度信息，而且實現(xiàn)了可交互的倉面施工三維動態(tài)可視化分析。研究成果已應(yīng)用于西南某碾壓混凝土壩工程。

水利工程施工；碾壓混凝土壩倉面施工；實時監(jiān)控；精細(xì)仿真模型；施工仿真三維可視化

碾壓混凝土壩是采用超干硬性混凝土經(jīng)逐層鋪填碾壓而成的混凝土壩，是將土石壩碾壓技術(shù)應(yīng)用于混凝土壩施工的一種新壩型。相對于常態(tài)混凝土壩，碾壓混凝土壩施工倉面大、施工作業(yè)快速連續(xù)、機械化水平較高，因此具有施工速度快、工期短、費用低的特點，但與此同時，也要求碾壓混凝土壩各施工環(huán)節(jié)組織調(diào)度高度協(xié)調(diào)，以保證混凝土從拌和、運輸?shù)綌備?、碾壓等工序可以在較短的時間內(nèi)完成，施工組織設(shè)計與進(jìn)度計劃安排難度較大。碾壓混凝土壩施工是一個復(fù)雜的隨機動態(tài)過程，難以通過數(shù)學(xué)解析方法進(jìn)行分析，往往采用計算機仿真方法對施工過程進(jìn)行研究。

國外針對混凝土工程施工的計算機仿真研究開始較早，1973年， Bassgen結(jié)合混凝土重力壩施工進(jìn)行了纜機澆筑過程仿真；1977年，Halpin[1]將計算機仿真技術(shù)與循環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，對混凝土運輸過程進(jìn)行了研究。在國內(nèi)，計算機仿真技術(shù)應(yīng)用于水利工程混凝土施工始于20世紀(jì)80年代。1984年，朱光熙[2]運用系統(tǒng)分析方法對某雙曲拱壩澆筑方案進(jìn)行計算機模擬，仿真成果符合一般施工規(guī)律。隨著我國碾壓混凝土筑壩技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前在碾壓混凝土壩的設(shè)計、施工及管理等方面我國均處于世界領(lǐng)先水平，針對碾壓混凝土的施工仿真研究也取得了一系列成果。在碾壓混凝土運輸和大壩澆筑方面，王仁超等[3]采用計算機系統(tǒng)仿真技術(shù)和排隊隨機仿真網(wǎng)格理論進(jìn)行了深入研究；在碾壓混凝土分倉優(yōu)化方面，巫世晶等[4]基于離散系統(tǒng)數(shù)值仿真的思想進(jìn)行了理論研究；在施工運輸方案優(yōu)選方面，鐘登華等[5]建構(gòu)了碾壓混凝土施工運輸方案選擇的專家系統(tǒng)RCPSES；在可視化仿真及建模方面，吳康新等[6]以及趙春菊等[7]借助不同的平臺對碾壓混凝土壩施工三維動態(tài)可視化仿真系統(tǒng)進(jìn)行了探索研究。

碾壓混凝土壩施工系統(tǒng)由許多子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)間相對獨立，又保持著整體的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，但單獨針對各子系統(tǒng)的優(yōu)化并不一定能帶來整個系統(tǒng)的整體優(yōu)化。因此，針對碾壓混凝土施工系統(tǒng)的系統(tǒng)耦合建模與精細(xì)化仿真研究應(yīng)運而生。羅偉等[8-9]構(gòu)建了基于碾壓混凝土生產(chǎn)、運輸及倉面作業(yè)的多系統(tǒng)復(fù)雜邊界條件下的耦合賦時Petri網(wǎng)動態(tài)仿真模型；周宜紅等[10]建立了混凝土拌和生產(chǎn)系統(tǒng)與澆筑系統(tǒng)耦合模型以及資源沖突時的協(xié)調(diào)模型；趙春菊等[11]構(gòu)建了基于碾壓混凝土壩施工生產(chǎn)、運輸及倉面作業(yè)各子系統(tǒng)間相互作用機理的耦合模型。隨著碾壓混凝土筑壩技術(shù)的快速發(fā)展，碾壓混凝土壩施工仿真理論日益完善，仿真模型中針對某一突出的子系統(tǒng)或者施工環(huán)節(jié)的模型精度日漸提高，在充分反映碾壓混凝土壩施工工藝特點的同時，也提高了仿真模型對原型系統(tǒng)描述的可靠性。常昊天等[12]實現(xiàn)了耦合動態(tài)合倉的碾壓混凝土壩施工進(jìn)度全過程仿真，使仿真結(jié)果更貼近實際施工；趙春菊等[13]構(gòu)建了倉面作業(yè)系統(tǒng)施工仿真與優(yōu)化模型，確定了有限資源條件下最優(yōu)倉面作業(yè)方案；郝雪瑩[14]基于仿真軟件Anylogic建立了碾壓混凝土壩平層鋪筑倉面施工模擬系統(tǒng)。

綜上所述，目前碾壓混凝土壩施工仿真研究沒有考慮倉面施工作業(yè)系統(tǒng)各項工藝流程及其約束條件對施工進(jìn)度的影響，難以全面描述和反映碾壓混凝土壩倉面鋪筑的復(fù)雜施工規(guī)律，同時也無法得到倉面施工過程的詳細(xì)信息，一定程度上降低了仿真成果的精度。此外，當(dāng)前仿真模型中所用仿真參數(shù)多是依靠以往工程經(jīng)驗選取，未能充分挖掘、利用實際施工數(shù)據(jù)，以致仿真缺乏實時性，難以結(jié)合前期施工歷程準(zhǔn)確預(yù)測未來的施工進(jìn)度。同時，目前的碾壓混凝土壩倉面施工仿真研究在成果的可視化表現(xiàn)方面仍有很大的進(jìn)步空間，需要進(jìn)行更加深入的研究。因此，針對以上問題，本文結(jié)合系統(tǒng)仿真技術(shù)、實時監(jiān)控技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和可視化技術(shù)，針對碾壓混凝土壩倉面施工可視化仿真進(jìn)行了探索研究，編制了相應(yīng)的仿真程序，實現(xiàn)基于Unity 3D的三維可視化分析，為優(yōu)化現(xiàn)場倉面組織設(shè)計、指導(dǎo)現(xiàn)場施工提供有力的技術(shù)支持。

1　仿 真 框 架

在全面分析碾壓混凝土壩倉面施工各項工藝流程及其施工約束條件的基礎(chǔ)上，依據(jù)離散事件系統(tǒng)仿真原理，構(gòu)建碾壓混凝土壩倉面施工仿真模型。運用數(shù)理統(tǒng)計方法對倉面施工實時監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過MATLAB擬合各施工參數(shù)分布函數(shù)，在仿真時通過Monte Carlo方法生成符合相應(yīng)分布的隨機數(shù)進(jìn)行計算?；赨nity 3D引擎搭建碾壓混凝土壩倉面施工三維場景，實時演示施工仿真成果?；趯崟r監(jiān)控的碾壓混凝土壩倉面施工仿真可視化分析框架如圖1所示。

圖1　研究框架Fig. 1　Frame chart of research

2　倉面施工仿真理論與方法

2.1倉面施工工藝流程分析

碾壓混凝土壩兼有土石壩和混凝土壩的特點，又具有獨特的施工工藝。碾壓混凝土壩倉面施工主要包括層面處理、埋設(shè)冷卻水管、卸料平倉、振動碾壓、質(zhì)檢、切縫、變態(tài)混凝土施工、倉面養(yǎng)護(hù)等工序，其中切縫、變態(tài)混凝土施工一般與振動碾壓工序同時進(jìn)行，不占直線工期。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，振動碾壓是倉面施工過程中最重要的環(huán)節(jié)。實際施工時，為提高施工的連續(xù)性和施工人員的專業(yè)性，通常將倉面劃分為若干施工段，組織各工作隊進(jìn)行流水作業(yè)施工，如圖2所示。

圖2　碾壓混凝土壩倉面施工流水作業(yè)示意圖Fig. 2　Schematic diagram of construction process of storehouse surface of RCC dam

2.2仿真數(shù)學(xué)模型及其實現(xiàn)

2.2.1 倉面施工仿真數(shù)學(xué)模型

碾壓混凝土壩倉面施工過程十分復(fù)雜，倉面施工組織不僅需要考慮質(zhì)量要求、施工工藝、機械配置等因素，還會受到外界環(huán)境的影響。例如，當(dāng)遭遇多雨、高溫、低溫等天氣時，一方面會影響碾壓混凝土的質(zhì)量，形成安全隱患，另一方面也會使倉面施工工作效率降低，施工復(fù)雜程度加劇。此時必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC施工質(zhì)量，氣候較惡劣時應(yīng)暫停施工。在碾壓混凝土壩倉面施工仿真系統(tǒng)中，以上因素均可歸結(jié)為影響倉面施工的約束條件。綜合考慮各種復(fù)雜的約束條件，可構(gòu)建碾壓混凝土壩倉面施工數(shù)學(xué)邏輯模型：

(1)

(2)

式中：i——某一碾壓層面編號；P——倉面施工歷時；R(i)——倉面施工條件參數(shù)；S(i)——倉面鋪筑施工方式；M(i)——倉面施工參數(shù)；S0——平行作業(yè)施工參數(shù)；S1——流水作業(yè)施工參數(shù)；m——層面施工段數(shù)；n——倉面施工工序數(shù)；Mc——實時監(jiān)控系統(tǒng)對倉面施工過程的控制參數(shù)；Tc——層面施工時間；T0——碾壓混凝土從拌和加水到碾壓完畢的最長允許歷時；W(T,C)——倉面施工時的氣候條件；T——環(huán)境溫度；C——降雨參數(shù)；W0——碾壓混凝土倉面允許施工的氣候條件。

2.2.2仿真參數(shù)分析

仿真模型可以看做是由一系列仿真參數(shù)依據(jù)一定的邏輯關(guān)系組合而成，仿真參數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響仿真成果的可信度。因此，為了確保仿真模型對原型系統(tǒng)描述的準(zhǔn)確性，提高仿真模型的精度，對實際施工數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析并以此更新仿真參數(shù)是必然措施。當(dāng)前階段，碾壓混凝土壩倉面施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)已實現(xiàn)對施工過程中振動碾壓環(huán)節(jié)精細(xì)化、全天候的實時監(jiān)控，以及對倉面施工信息的動態(tài)高效集成管理與分析[15]，為碾壓混凝土壩倉面施工仿真研究提供了大量寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文通過ADO.NET技術(shù)由數(shù)據(jù)庫中讀取實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，運用MATLAB、SPSS等軟件對其進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析，可以得到振動碾壓主要工序各仿真參數(shù)的分布函數(shù)。

在實際施工中，由于施工員的駕駛水平差異與無法避免的外力干擾等因素，振動碾的運動狀態(tài)并不是恒定不變的，其行走速度、前進(jìn)方向時刻發(fā)生著改變，振動碾行走速度、偏轉(zhuǎn)角度均為動態(tài)隨機變量。同理，振動碾錯距所用的時間以及錯距所產(chǎn)生的條帶搭接寬度也是隨機值。因此，振動碾壓工序中各施工參數(shù)均可看做符合某種概率分布的隨機變量，即

(3)

式中:v(t) ——振動碾行走速度；g(v)——振動碾行走速度的概率密度函數(shù)；vmin——振動碾行走速度的最小允許值；vmax——振動碾行走速度的最大允許值；h(θ)——偏轉(zhuǎn)角度的概率密度函數(shù)；θ0——振動碾偏轉(zhuǎn)角度的最大允許值；p(tb)——錯距時間的概率密度函數(shù)；k(b)——條帶搭接寬度的概率密度函數(shù)；bmin——條帶搭接寬度的最小允許值；bmax——條帶搭接寬度的最大允許值。

運用數(shù)理統(tǒng)計方法對實時監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理分析，得到各施工參數(shù)的概率分布，然后通過MATLAB曲線擬合工具箱Cftool使用一系列的標(biāo)準(zhǔn)分布對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，選取其中擬合程度最高的分布作為各施工參數(shù)的擬合函數(shù)，如圖3～6所示。

從圖3～6可以看出，振動碾行走速度服從正態(tài)分布，相關(guān)系數(shù)為0.982 7，擬合度較高；錯距時間服從二次多項式分布，相關(guān)系數(shù)為0.954 6，擬合度較高；條帶間搭接寬度服從均勻分布，相關(guān)系數(shù)為0.871 3；振動碾偏轉(zhuǎn)角度較為離散，難以用曲線擬合，可采用離散概率密度函數(shù)進(jìn)行描述。

對于層面處理、卸料平倉、質(zhì)量檢測等次要工序，在實際施工中未對其具體施工過程進(jìn)行實時監(jiān)控，可以根據(jù)各工序施工規(guī)律并結(jié)合以往的工程經(jīng)驗確定其施工參數(shù)分布情況。

圖3　行走速度概率密度曲線Fig. 3　Probability density curve of rolling speed

圖4　偏轉(zhuǎn)角度直方圖Fig. 4　Histogram of deflection angle

圖5　錯距時間概率密度曲線Fig. 5　Probability density curve of time of offset

圖6　搭接寬度概率密度曲線Fig. 6　Probability density curve of overlapping width

2.2.3施工歷時計算

2.2.3.1各工序作業(yè)時間分析

對于振動碾壓工序，在實際施工中振動碾行進(jìn)方向一般與壩軸線方向平行，錯距方向與壩軸線方向垂直，同時要求各碾壓條帶間搭接寬度為100～200 mm，因此可以根據(jù)仿真過程中振動碾的實時位置與施工段形狀間的相對關(guān)系來判斷錯距的發(fā)生和施工段碾壓活動的結(jié)束。

假定某鋪筑層面某施工段劃分為h個條帶進(jìn)行碾壓，每個條帶碾壓遍數(shù)為k，振動碾在第j個條帶第i次從倉面一端行駛至另一端所用時間為tij，第i次由前一條帶錯距至下一條帶所用時間為tbi，則該施工段振動碾壓工序施工時間計算公式為

(4)

行進(jìn)時振動碾的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為

(5)

錯距時振動碾的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為

(6)

式中： (xt，yt)——振動碾t時刻的位置;(xt-1，yt-1)——振動碾t-1時刻的位置；v(t)——振動碾t時刻隨機行駛速度；θ(t)——振動碾t時刻隨機偏轉(zhuǎn)角度。

對于層面處理、卸料平倉、質(zhì)量檢測以及鋪設(shè)冷卻水管等次要工序，根據(jù)以往工程經(jīng)驗，各工序施工歷時服從不同的分布規(guī)律。其中，層面處理、卸料平倉施工歷時服從確定性分布，質(zhì)量檢測、鋪設(shè)冷卻水管施工歷時服從一定區(qū)間上的均勻分布，計算公式為

確定性分布

(7)

均勻分布

T2～U(tmin,tmax)

(8)

式中：s——施工段面積；l——施工機械數(shù)量；p——施工機械工作效率；tmin——施工歷時最小值；tmax——施工歷時最大值。

2.2.3.2各層面施工時間計算

當(dāng)某一鋪筑層面采用平行作業(yè)施工時，該層面施工時間為各施工工序施工歷時之和。

當(dāng)某一鋪筑層面采用流水作業(yè)施工時，假定該層面劃分為m個施工段、n道施工工序，第i道工序在第j個施工段上的施工作業(yè)記為S(i，j)，其施工歷時記為ti,j，施工結(jié)束時刻記為Ti,j，S(i，j)是S(i+1，j)和S(i，j+1)的緊前工序。設(shè)該層面的施工起始時刻為Ts，則Ti,j的遞推公式為

(9)

因此，可推算出該層面施工時間為最后一個施工段最后一個工序的施工結(jié)束時刻減去層面施工起始時刻。

整個倉面的施工總歷時等于鋪筑前層面處理時間、各層面施工時間、層間處理時間以及倉面養(yǎng)護(hù)時間之和。連續(xù)鋪筑上升的臨時施工層面一般不進(jìn)行層間處理，但在全斷面碾壓混凝土壩上游面防滲區(qū)必須鋪砂漿或水泥漿，以防止層面漏水。

2.2.4倉面施工仿真流程

仿真程序基于Visual Studio、SQL Server平臺進(jìn)行開發(fā)，以C#作為主要編程語言。程序開始，首先初始化仿真模型，確定倉面施工方案后進(jìn)行仿真計算。整體上以下一事件推進(jìn)法推進(jìn)仿真時鐘，依次進(jìn)行倉面施工各施工工序歷時的計算，中途需要判斷是否需要通水降溫以及是否連續(xù)鋪筑上升。對于振動碾壓工序，采用固定時間推進(jìn)法推進(jìn)仿真時鐘，產(chǎn)生隨進(jìn)速度和偏轉(zhuǎn)角度，計算振動碾位置坐標(biāo)。根據(jù)振動碾位置與施工段形狀的相對關(guān)系來判斷是否需要錯距。若需要錯距，則產(chǎn)生隨機錯距距離和錯距時間，更新振動碾位置信息，將仿真時鐘推進(jìn)相應(yīng)時長;若不需要錯距，則正常推進(jìn)仿真時鐘。重復(fù)以上步驟，直到完成振動碾壓工序。仿真流程如圖7所示。

圖7　仿真流程Fig. 7　Flowchart of simulation

3　倉面施工三維動態(tài)可視化的實現(xiàn)

基于Unity 3D引擎構(gòu)建碾壓混凝土壩倉面施工三維場景，用戶可以在相對真實自然的虛擬環(huán)境中自由漫游，與場景進(jìn)行交互，并可實時查看倉面施工仿真信息。構(gòu)建三維交互場景的一般步驟為：首先運用實體幾何構(gòu)造法、細(xì)分曲面法等建模技術(shù)，創(chuàng)建地形、壩體、水工建筑物、倉面施工機械等三維模型，導(dǎo)入Unity 3D工程文件；然后在場景中添加光源，設(shè)置紋理貼圖，運用實時全局光照技術(shù)模擬自然光照效果；最后通過內(nèi)置的物理引擎為模型設(shè)置碰撞檢測等規(guī)則，使物體運動過程符合客觀規(guī)律。

3.1全局光照

全局光照(global illumination)是考慮到環(huán)境中所有表面和光源相互作用的光線照射效果，是對光線傳輸物理特性的一種模擬，表現(xiàn)為直接照明和間接照明的綜合效果。相對于傳統(tǒng)的烘焙光照效果，全局光照可以獲得更為逼真自然的光影交互效果，極大地提高場景的仿真度。

全局光照中光線在場景中傳播的整個物理過程可以通過光能傳遞方程(式(10))來描述，方程求解的過程就是對場景的渲染過程。光能傳遞方程所表達(dá)的含義為：一個觀察點x在某個方向上對外輻射的總能量L(x,ω)是由自體激發(fā)的能量Le和反射的能量(對Li的積分)2部分組成。

L(x,ω)=Le+∫Ωρ(x,ω,ω′)Li(x,ω′)cos(N,ω′)dω′

(10)

式中：Ω——x點所有半球方向的集合；ρ(x, ω, ω′)——雙向散射分布函數(shù)；ω——光線出射方向；ω′——光線入射方向；N——x點法向量。

3.2碰撞檢測

剛體(rigidbody)、碰撞體(collider)均屬于Unity 3D引擎中物理組件的一類。剛體組件可使對象在物理系統(tǒng)的控制下運動，碰撞體組件與剛體組件一起添加到對象上時才能觸發(fā)碰撞事件。在物理模擬中，沒有碰撞體的剛體在相互撞擊時會彼此穿過。因此，為有效地限制場景中各物體的活動范圍，保證施工機械在倉面內(nèi)的運動貼合實際，避免出現(xiàn)相互穿越的現(xiàn)象，需要采用碰撞檢測技術(shù)。

根據(jù)三維場景中物體自身體型的差異，可分別添加不同類型的碰撞體，如盒碰撞體、網(wǎng)格碰撞體、地形碰撞體等。碰撞體組件覆蓋在物體的表面，負(fù)責(zé)處理與其他物體間的碰撞事件。當(dāng)2個物體相互接近時，物理引擎自動檢測物體的碰撞體組件是否相交：如果不相交，則不發(fā)生碰撞；如果2個物體的碰撞體組件相交，則觸發(fā)碰撞事件，阻止物體繼續(xù)行進(jìn)。

4　工 程 實 例

4.1基本施工信息

圖8　倉面施工歷時仿真計算結(jié)果Fig. 8　Simulation results of construction duration of storehouse surface表1　倉面某鋪筑層施工歷時計算結(jié)果Table 1　Calculated results of construction duration of a paved layer h

以西南某水電站工程為例，其攔河壩段為碾壓混凝土重力壩。本文所選倉面形狀為矩形，沿壩軸線方向長度為86 m，垂直于壩軸線方向長度為34 m，倉面面積約為3 000 m2，澆筑高度為2.7 m，分8層連續(xù)鋪筑，每層厚度約為0.34 m，第3層及第7層施工前需鋪設(shè)冷卻水管。倉面鋪筑采用流水作業(yè)施工方式，施工時將倉面劃分為5個施工段，其中第1 ～ 4施工段寬度為7 m，第5施工段寬度為6 m。振動碾壓施工采取先靜碾2遍、再振碾8遍、最后靜碾2遍的方式。倉內(nèi)施工機械有2臺推土機、3臺振動碾以及1臺切縫機。

4.2施工仿真成果

初始化仿真模型，更新仿真參數(shù)，輸入相應(yīng)的施工參數(shù)，對該倉面的施工過程仿真計算51次，仿真成果統(tǒng)計如圖8所示。通過SPSS軟件對倉面施工歷時仿真成果進(jìn)行K-S檢驗，可知該倉面施工歷時服從正態(tài)分布，平均值為85.930 7 h，標(biāo)準(zhǔn)差為15.308 3。

以往的碾壓混凝土壩施工仿真通常采用倉面鋪筑土方量比施工機械工作效率來計算倉面施工歷時，無法得到倉面施工過程的詳細(xì)信息。本文通過全面分析倉面施工各項工藝流程及其約束條件，構(gòu)建了倉面施工精細(xì)仿真模型，通過仿真計算可以得到較詳盡的倉面施工進(jìn)度信息。倉面某鋪筑層各施工段各工序施工歷時計算結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，該鋪筑層各施工段碾壓工序施工歷時之和占層面施工總歷時的94%，符合碾壓工序是倉面施工主控工序的實際施工規(guī)律。

為檢驗仿真模型能否反映真實的施工情況，采用獨立重復(fù)多次試驗的方法對可視化仿真系統(tǒng)進(jìn)行置信度檢驗。取置信度為95%，即α=0.05，計算可得倉面施工歷時的置信區(qū)間為(81.657 1 h，90.204 3 h)。倉面施工實際歷時為88.058 3 h，落入仿真成果置信區(qū)間內(nèi)，說明仿真計算成果比較準(zhǔn)確，仿真模型能夠反映倉面的實際施工情況。

借助基于Unity 3D引擎構(gòu)建的碾壓混凝土壩倉面施工虛擬場景，可實現(xiàn)對倉面施工仿真成果的三維可視化分析。圖9顯示某時刻倉面施工仿真三維場景，此時倉面正在進(jìn)行第8鋪筑層的施工，該鋪筑層共劃分為5個施工段，其中第1施工段正在進(jìn)行質(zhì)檢工序，第2施工段正在進(jìn)行振動碾壓，第4施工段正在進(jìn)行卸料平倉。通過倉面施工仿真三維可視化場景可以較直觀地獲得當(dāng)前施工仿真進(jìn)度信息。

圖9　倉面施工仿真三維可視化效果Fig. 9　Three-dimensional visualization of storehouse surface construction simulation

5　結(jié)　　語

倉面施工是碾壓混凝土壩施工中的關(guān)鍵組成部分，在壩體施工仿真過程中，倉面作業(yè)系統(tǒng)仿真貫穿始終。本文對倉面施工過程進(jìn)行系統(tǒng)的分析與研究，對于控制碾壓混凝土壩施工進(jìn)度、保證施工質(zhì)量具有重要意義。目前的碾壓混凝土壩施工仿真一般采用倉面鋪筑土方量與機械工作效率之比求得倉面施工時間，仿真參數(shù)的選取主要依靠以往的工程經(jīng)驗，未能充分挖掘、利用工程實際施工數(shù)據(jù)，同時仿真成果的表現(xiàn)形式也比較單一。本文依據(jù)離散事件系統(tǒng)仿真原理，構(gòu)建了碾壓混凝土壩倉面施工精細(xì)仿真模型，對實時監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，更新仿真參數(shù)，進(jìn)行仿真計算，獲得了詳細(xì)的倉面施工進(jìn)度信息，同時基于Unity 3D平臺對仿真成果的三維可視化進(jìn)行了探索研究。研究成果在實際工程中得到具體應(yīng)用，為工程現(xiàn)場的施工組織管理提供了一種科學(xué)、形象的分析手段，有助于推動水利水電工程施工向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。

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Simulation and visual analysis for construction of storehouse surface of RCC dam based on real-time monitoring

ZHONG Denghua, ZHANG Yuankun, WU Binping, REN Bingyu

(StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Using the techniques of system simulation, real-time monitoring, databases, and visualization, simulation and visual analysis for the construction of the storehouse surface of a roller-compacted concrete (RCC) dam was carried out. An elaborate simulation model for storehouse surface construction was established, through which detailed construction progress information can be obtained. Furthermore, interactive three-dimensional dynamic visualization analysis for storehouse surface construction was realized. These research achievements have been applied in a RCC dam in Southwest China.

hydro project construction; construction of storehouse surface of RCC dam; real-time monitoring; elaborate simulation model; three-dimensional visualization of construction simulation

10.3876/j.issn.1000-1980.2016.05.001

2015-10-19

國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體基金(51321065)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2013CB035904)；國家自然科學(xué)基金青年基金(51409188)

鐘登華(1963—)，男，江西贛縣人，中國工程院院士，教授，博士，主要從事水利水電工程施工仿真與實時控制分析技術(shù)研究。E-mail：dzhong@tju.edu.cn

TV52

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1000-1980(2016)05-0377-09