全過程動態(tài)仿真技術(shù)在水利水電工程施工中的運用

■姚志華

（南充開放大學，四川 南充 637000）

早在20世紀80年代，循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真（CYCLONE）技術(shù)就被用在了地下廠房系統(tǒng)仿真設(shè)計領(lǐng)域中，盡管CYCLONE技術(shù)的成熟度與完善性已經(jīng)達到一定層次，但實際應(yīng)用中也暴露出一些不足。比如，CYCLONE建模過程繁雜，一定要對工程及相關(guān)算法有全面了解，并需要豐富經(jīng)驗和技巧，這些增加了CYCLONE技術(shù)普及應(yīng)用難度，并且這種技術(shù)分析與部署整個實體工程進度的能力較弱。CPM為新時期工程領(lǐng)域常用的一種網(wǎng)絡(luò)計劃技術(shù)，具有簡潔、實用等特征，但對于有循環(huán)特點的工程項目，CPM通常結(jié)合既往經(jīng)驗把工序持續(xù)時間設(shè)置成固定值，且很難呈現(xiàn)出現(xiàn)場施工的不確定性。鑒于以上情況，本研究做出應(yīng)用全過程動態(tài)仿真技術(shù)的提議，疊合CPM和CYCLONE技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)對施工全過程的仿真計算與完善分析。

一、全過程動態(tài)仿真技術(shù)的概述

（一）基本思想

可以將該項技術(shù)視為CPM和CYCLONE技術(shù)的融合體，將其用于工程實踐中，能有效發(fā)揮仿真測算、分析等實用功能，為相關(guān)人員決策提供可靠的數(shù)據(jù)參照。近些年，這種技術(shù)在我國工程領(lǐng)域中已經(jīng)實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用，特別是在水利水電工程建造時，指導相關(guān)人員編制項目施工計劃、科學調(diào)配機械設(shè)備、完善施工設(shè)計方案等。在CPM和CYCLONE技術(shù)的協(xié)助下，工程技術(shù)仿真模式建設(shè)過程中有了更可靠的支持，也輔助了部分模型內(nèi)容的完善工作，確?，F(xiàn)場施工活動安全進度計劃有序推進。因為融合了CPM和CYCLONE模型優(yōu)勢，能更充分地發(fā)揮實用功能。CPM模型有適用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單及操作便捷等優(yōu)點，CYCLONE模型屬于底層設(shè)計，全過程動態(tài)仿真吸納了以上兩種技術(shù)的優(yōu)越性，把CPM模型作為構(gòu)架，細化相關(guān)仿真節(jié)點的構(gòu)成形式，轉(zhuǎn)變成CYCLONE模型狀態(tài)，充分應(yīng)用兩種模型的優(yōu)勢完善分層次結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計任務(wù)。

（二）原理分析

從宏觀層面上，可以把系統(tǒng)劃分成連續(xù)性與離散性系統(tǒng)兩大類型，前者最大的特點是伴隨時間的推移系統(tǒng)會連續(xù)發(fā)生改變，而后者則是在有限時間點上出現(xiàn)跳躍式改變。對于現(xiàn)代工程的施工系統(tǒng)而言，運用離散性系統(tǒng)研究施工過程改變及發(fā)展情況就足以了，這也就意味著工程施工系統(tǒng)仿真是屬于離散性系統(tǒng)仿真的范疇。離散系統(tǒng)仿真實踐中，基本理念是運用“仿真鐘”，利用其清晰地表現(xiàn)出“模擬時間”的運行軌跡。因為這種技術(shù)運用的建模技術(shù)由兩個層次構(gòu)成，故而仿真過程中要分別布設(shè)兩個不同的“仿真鐘”，對應(yīng)的分別是“本地仿真鐘”與“全程仿真鐘”；后者主要是仿真CYM網(wǎng)絡(luò)層運作軌跡，多應(yīng)用時間步長法推進以上過程，其把某個設(shè)計的單位時間作為增量，即△t,每推進一個步驟就檢測檢驗、預(yù)測是否發(fā)生了相關(guān)事件，如果作出的是肯定達到，則就可以認定其發(fā)生在△t的終點位置，并且要對系統(tǒng)運行狀態(tài)作出整改，否則維持系統(tǒng)的初始狀態(tài)?！氨镜胤抡骁姟币彩遣捎脮r間步長法推進的，將工程準備施工狀態(tài)設(shè)定為原始狀態(tài)，零點即是開始施工的時刻[1]。由零點開始，各個時間步長△t向前方推進，借此方式掃描其模型內(nèi)的全部節(jié)點，進而使實際條件符合項目實體的檢測活動，并追蹤各項工程資源的現(xiàn)場應(yīng)用情況。如果能檢測出發(fā)生相關(guān)活動時，則認定其出現(xiàn)在△t終點處，隨后適度調(diào)整系統(tǒng)的運行狀態(tài)，統(tǒng)計各類資源的實際應(yīng)用或者閑置時間。反復執(zhí)行以上方法直到該項工程完工，隨后才把控制權(quán)移交給“全程仿真鐘”，“本地仿真鐘”的有關(guān)信息將會整合至當前事件內(nèi)，統(tǒng)一保存結(jié)果數(shù)據(jù)?！叭谭抡骁姟焙笃谝廊焕^續(xù)推進，重復運行以上過程，直到整個工程項目完工，最后分析測算出相應(yīng)的仿真結(jié)果，精準輸出，施工進度部署、施工高峰期等是常見的輸出信息內(nèi)容。

二、仿真建模

（一）CPM模型的主要構(gòu)成

節(jié)點、矢線以及屬性是CPM網(wǎng)絡(luò)模型的主要構(gòu)成，其中節(jié)點自身具有3種圖示符號，利用其表示不同的狀態(tài)或功能（見圖1）[2]。其中，一般節(jié)點代表的是工程現(xiàn)場施工中簡易工序或者能確定下來的工序，未設(shè)置CYCLONE層模型；仿真節(jié)點用來表示項目施工中繁雜的或不確定性工序，具備CYCLONE層模型，當“全程仿真鐘”抵達該節(jié)點時會轉(zhuǎn)入到CYCLONE層模型執(zhí)行相關(guān)仿真計算過程；滯后節(jié)點用來表示不同工序之間形成的時間限制關(guān)系，實質(zhì)上就是要求某道工序一定要在另一道工序開始一段時間后再實施運行，比如在水利工程中，灌漿施作一定要在襯砌開始一段時間以后才進行。在該模型內(nèi)關(guān)于不同階段在時間及空間上形成的邏輯關(guān)系，要求一定要在箭尾節(jié)點完成后才能發(fā)生箭頭節(jié)點，但其自身不損耗時間成本。不同類型節(jié)點持有的屬性有差異，其中一般節(jié)點可能涵蓋了連續(xù)時間、時間分布種類、施工作業(yè)量等屬性，工程現(xiàn)場施工條件、設(shè)備運行參數(shù)及水文信息等可能會成為仿真節(jié)點的基本屬性。

圖1 CPM網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點與矢線

（二）CYCLONE模型的構(gòu)成

在該模型內(nèi)設(shè)定了5種特殊的圖示符號去闡述不同的工程施工狀態(tài)，結(jié)合實際施作以及邏輯關(guān)系，利用矢線將其連接成一個整體，并融合運行控制機制，構(gòu)建出圖示模型去闡述現(xiàn)場實際施工過程，流水單元、矢線和節(jié)點是CYCLONE模型的三大構(gòu)成要素。針對CYCLONE模型的流水單元，其被定義成在系統(tǒng)內(nèi)持續(xù)轉(zhuǎn)換與處于流動狀態(tài)的實物體，以及施工作業(yè)活動推進過程中所需要的各種資源，包括機具、勞動力、原材料及其他信息等。利用矢線表示不同流水單元的流動方向與活動先后次序的邏輯關(guān)系，同樣不消耗時間資源。節(jié)點存在著5種不同圖示符號，其呈現(xiàn)出的是不同的狀態(tài)或者功能（見圖2）。

圖2 CYCLONE模型節(jié)點圖示

一般節(jié)點（NORMAL）：通常用其表示單個非限制性工作項目以及主動狀態(tài)，當有流水單元抵達該節(jié)點時能夠?qū)崿F(xiàn)自由進入其內(nèi)，步入至工作狀態(tài)并且會維持一段時間（也可以被稱之為歷時）。

復合節(jié)點（COMBI）：適用于表示一個受到制約的工作內(nèi)容。該節(jié)點運行過程中明確要求實際所需的資源條件統(tǒng)統(tǒng)被滿足以后，各個流水單元方能同時進到節(jié)點，并在一段時間內(nèi)維持設(shè)計的工作狀態(tài)。

排隊節(jié)點（QUEUE）：闡述的對象以處于被動狀態(tài)的流水單元為主。當流水單元進入至該節(jié)點以后，就會快速轉(zhuǎn)變成等待狀態(tài)，等到其他排隊節(jié)點都滿足基本工作條件一會同時進到COMBI內(nèi)。

職能節(jié)點（FUNCTION）：這類節(jié)點最大的特點是有將N個同類流水單元其組合成一個流水單元的完善化功能，通常采用CONNg表示，與其有倍數(shù)產(chǎn)生能力的QUEUE聯(lián)合應(yīng)用。

控制節(jié)點（COUNTER）：監(jiān)測、調(diào)控這類節(jié)點的主要功能，通過積累、統(tǒng)計整合至節(jié)點內(nèi)的流水單元數(shù)去調(diào)控模型的仿真過程。

在創(chuàng)建CYCLONE過程中，工作人員先要掌握實體項目施工過程中的活動類型及不同活動之間形成的邏輯關(guān)系，活動推進過程中所需的流水單元、建模所需的各種參數(shù)，而后由模型的基本構(gòu)成部分著手創(chuàng)建原始模型。筆者認為建模工作是一個系統(tǒng)化過程，需要屢次進行修訂，當經(jīng)判斷確認被建模型和真實系統(tǒng)大體相符時，則將其認定成是最后的CYCLONE模型[3]。

（三）全過程動態(tài)仿真模型

這種模型的建設(shè)和單代號網(wǎng)絡(luò)圖之間有很大的相似度，工作人員要先掌握現(xiàn)場施工活動中不同工序之間在時間及空間上形成的邏輯關(guān)系，規(guī)劃出相配套的CPM模型，而后設(shè)計出模型內(nèi)需要格外注意的仿真節(jié)點，建造出CYCLONE模型，隨后按照一定層次建立出完整的仿真模型。在具體建模過程中應(yīng)注意如下幾點內(nèi)容：一是首節(jié)點與尾節(jié)點均只能有一個；二是嚴禁出現(xiàn)與邏輯相違背的表示形式，比如環(huán)路；三是不可以出現(xiàn)相同的編碼；四是加強仿真節(jié)點的控制，盡量確保其精準度、真實性均處于較高的水平，只有這樣才能提高模型的仿真度，在實踐應(yīng)用中創(chuàng)造出良好的效益。

（四）仿真模型構(gòu)建結(jié)果及相關(guān)優(yōu)化

1.結(jié)果

以水利水電工程作為研究樣本，創(chuàng)建了相對應(yīng)的全過程動態(tài)仿真模型，利用其對項目施工全過程進行動態(tài)化的仿真計算與分析。工程實際應(yīng)用過程中，其形成額度結(jié)果主要在如下應(yīng)用中，其應(yīng)用結(jié)果主要表現(xiàn)在：首先，相關(guān)人員根據(jù)動態(tài)仿真測算結(jié)果，更加科學地部署水利水電工程現(xiàn)場施工進度，進而在確保工程建設(shè)質(zhì)量符合設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，有序地推進施工進程。其次，結(jié)合施工仿真計算與分析結(jié)果，幫助相關(guān)工作人員更加科學、合理地調(diào)配機械設(shè)備，編制科學、詳細的物資調(diào)配方案?，F(xiàn)代水利水電工程建設(shè)規(guī)模龐大、施工工序繁雜，合理選用設(shè)備是施工活動順利推進的重要保障，故而提升機械設(shè)備配置的合理性具有很大現(xiàn)實意義。最后，利用動態(tài)仿真及分析所得結(jié)果，能夠幫助有關(guān)人員更全面地了解實體工程施工信息，比如建材資源領(lǐng)用利用情況、施工難度及強度等諸多內(nèi)容，這樣他們在做出相關(guān)決策時將會有更多實用信息作參照。

2.優(yōu)化

新時期，國內(nèi)很多水利水電工程項目被建設(shè)在高山、峽谷等地形復雜區(qū)段，現(xiàn)場施工環(huán)境條件極為惡劣，且在具體施工操作中容易遇到諸多不確定因素，輕則延誤工期，影響項目施工進度與質(zhì)量，嚴重時則對現(xiàn)場工人生命安全構(gòu)成威脅。在這樣特殊的工況下合理應(yīng)用全過程動態(tài)仿真技術(shù)具有很大現(xiàn)實意義，其能動態(tài)仿真與計算工程整個施工過程，為工程管理、施工方案改進等提供可靠參照。為了把該項技術(shù)優(yōu)勢發(fā)揮到最大化，有關(guān)工作人員一定要確立采用優(yōu)化措施的思想意識。一是有針對性地優(yōu)化項目施工環(huán)境，通過各種渠道采集區(qū)域環(huán)境有關(guān)信息等，和相應(yīng)的仿真計算及分析結(jié)果進行整合，為決策工作推進創(chuàng)造便利條件；二是CPM、CYCLONE為該項仿真分析技術(shù)的主要構(gòu)成，將其用于實體工程建設(shè)實踐中，工作人員要反復校對復核仿真結(jié)果，確保其精準無誤，輔助水利水電工程有序、安全施工過程。

三、工程實例

A工程引水發(fā)電系統(tǒng)（以下稱為地下廠房）應(yīng)用鉆爆法施工建造，先組織工人進行開挖與襯砌頂拱操作，隨后對中間巖體開展分臺階施工活動。整個主廠房被細分成9層，統(tǒng)一是雙向施工，主變室則被分成4層，單向施工，尾調(diào)室共計被分成11層，5層之上應(yīng)用的是雙向施工模式，剖面圖及臺階規(guī)劃情況見圖3[4]。本廠房系統(tǒng)應(yīng)用了多工作面同時施工模式，布設(shè)了上、中、下三層通道出渣，其中上層通道負責執(zhí)行主廠房上層局部（上1、上2）、主變室A層與B層等出渣任務(wù)，主廠房下層（下1—下4）及局部尾調(diào)室（6—11層）的出渣過程由下層通道執(zhí)行。主廠房部分施工參數(shù)被統(tǒng)計在附表1內(nèi)。

圖3 剖面及臺階規(guī)劃

（一）仿真模型

結(jié)合工程設(shè)計圖紙內(nèi)不同洞室施工之間形成的連接關(guān)系及相互管束條件創(chuàng)建CPM模型，而后為該模型內(nèi)的仿真節(jié)點選擇適宜的CYCLONE層模型。本文以主廠房模型作為實例進行分析，闡釋全過程動態(tài)仿真模型的建立情況（見圖 4）[5]。

圖4 全過程動態(tài)仿真模型

統(tǒng)一仿真模擬了主廠房各填筑單元，給各個填筑單元賦予一個時鐘值，仿真模擬過程可以做出如下闡述：首先，遍歷全部填筑單元的子時鐘值，探尋到子時鐘值最小的填筑單元，將其設(shè)定成主導實體，錄入和主導實體狀態(tài)相關(guān)的信息；其次，結(jié)合主導實體的填筑關(guān)注條件（上升高程、相鄰高差等）判別其狀態(tài)是否出現(xiàn)變化，若有所改變，則可以測算出其填筑開始、結(jié)束時間等參數(shù)；最后，重復以上過程，搜查下一個主導實體，直至全部填筑單元填筑模擬結(jié)束[6]。

（二）仿真結(jié)果統(tǒng)計與優(yōu)化

本研究采用筆者所在團隊研發(fā)制造出的動態(tài)仿真軟件仿真計算了主廠房的整個施工過程，一方面順利地獲得了規(guī)范合理的施工進度計劃、機械設(shè)備配套方案，另一方面也較為全面地獲得不同時段的工程施工信息，比如正在施工建造的工作面，施工強度、設(shè)備利用效率，智能輸出相應(yīng)圖形。通過仿真獲得本工程總工期82個月，在第3年5月初開始進行支洞施工，至第10年3月15日首臺機組成功發(fā)電，主廠房系統(tǒng)施工是項目的關(guān)鍵路線，附表2統(tǒng)計了部分仿真分析結(jié)果。

附表1 主要仿真參數(shù)統(tǒng)計（主廠房部分）

附表2 部分仿真結(jié)果統(tǒng)計（主廠房）

新時期，很多水利水電工程項目被建造在高山峽谷之間，現(xiàn)場施工條件極惡劣，施工過程中存在著諸多不確定因素，合理應(yīng)用仿真技術(shù)，能協(xié)助相關(guān)人員更加科學地分析工程施工系統(tǒng)。全過程動態(tài)仿真技術(shù)把CPM作為基本框架，配合應(yīng)用前期調(diào)封好的CYCLONE模型，打造出一個層次分明的模型結(jié)構(gòu)，綜合分析整個工程進度計劃的實施情況，為工程決策提供可靠參照。