計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在水電工程施工中的應(yīng)用

 

1前言計(jì)算機(jī)仿真也稱計(jì)算機(jī)模擬，是借助高速大存貯量數(shù)字計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)，對(duì)復(fù)雜的真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程或狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字化模仿的技木所以也稱為數(shù)字仿真，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于水電工程施工近30年，*早于70年代初。修建奧地利施立格混凝土壩時(shí)采用了確定性數(shù)字模擬技術(shù)對(duì)纜機(jī)澆筑混凝土方案進(jìn)行優(yōu)選。實(shí)踐明，模擬的饒筑速度和進(jìn)程與實(shí)際施工情況非常吻和。80年代初。我國(guó)首先在灘工程大壩施工組織設(shè)計(jì)中采用該技術(shù)，進(jìn)行了類似范圍從輔助施工組織設(shè)計(jì)擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)維動(dòng)態(tài)顯等；從仿真單的混凝土壩澆筑到仿真土石壩施工截流施工地工程施工等；應(yīng)用目標(biāo)從靜態(tài)的方案優(yōu)選發(fā)展到動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)控制等；從*初把仿真成果僅僅作為種不重要的決策參考，逐漸發(fā)展成水電工程尤其是大型水電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工管理中不可缺少的技術(shù)手段。如水口水電站大壩施工采用了計(jì)算機(jī)仿真實(shí)時(shí)控制技術(shù)；峽工程期混凝土大現(xiàn)繞筑已開(kāi)發(fā)了功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，可以快速評(píng)價(jià)承包商提交的施工總進(jìn)度計(jì)劃，能夠?qū)夹g(shù)措施進(jìn)行定量分析，快速比較多種澆筑方案。對(duì)混凝土施工進(jìn)行各種因素的敏感性分析對(duì)工程進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，還可對(duì)澆筑過(guò)程進(jìn)行維動(dòng)態(tài)顯等。另外，峽工程大江截流及期圍堰工程施工過(guò)程的仿真研宄?；诳梢暬夹g(shù)及計(jì)算機(jī)形像技術(shù)多媒體技術(shù)等。將大江截流。1期圍堰填筑旌工全過(guò)程以動(dòng)態(tài)方式生動(dòng)逼真地展了出來(lái)。目前該研究已擴(kuò)展到對(duì)整個(gè)峽工程施工全過(guò)程的維動(dòng)態(tài)顯，除此之外，從結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的角度出發(fā)。大壩施工過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)。溫度場(chǎng)計(jì)算機(jī)仿真研宄也悄然興起。并在些工程的設(shè)計(jì)階段得到應(yīng)用。效果很好，如大連理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的沙牌高碾壓混凝土拱埂施工過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)?？梢灶A(yù)計(jì)，將施工過(guò)程的應(yīng)力仿真和施工措施仿真相結(jié)合同時(shí)輔以維動(dòng)態(tài)顯技術(shù)的日子即將來(lái)臨。這必然為計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在水電工程施工中的應(yīng)用開(kāi)辟了更廣闊的空間。

 

2計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的核心是按系統(tǒng)工程原理建立真實(shí)系會(huì)冗機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研宄，按照數(shù)學(xué)模型的分類。水電工程施工過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真模型于離散時(shí)間模型，即仿真過(guò)程中用某時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)該系統(tǒng)某時(shí)段內(nèi)的狀態(tài)，系統(tǒng)狀態(tài)變化是非連續(xù)的。而是在離散時(shí)刻發(fā)生突變。如此來(lái)。只需按時(shí)間順序描述各時(shí)間點(diǎn)上的系統(tǒng)狀態(tài)就算掌握了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。為反映離散時(shí)間模型的時(shí)間軌跡，需要采用仿真鐘，仿真鐘的推進(jìn)有兩種法1十用步長(zhǎng)法和事件步長(zhǎng)法。時(shí)間步氏法以某固定單位時(shí)間為增量，按時(shí)間順序仿真出各時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，*終步步地刻劃出整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程；事件步長(zhǎng)法則以各個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間為，量，同樣按時(shí)間順序?qū)⒏魇录^(guò)程，*早建立的水電工程施工過(guò)程仿真模型多是確定性的，這與水電工程施工過(guò)程中充斥著隨機(jī)和模糊事件的實(shí)際情況明顯不符。為此，不少科研技術(shù)人員引入了隨機(jī)理論和模糊理論。從而使建立的模型能夠更接近真實(shí)系統(tǒng)，同時(shí)賦予仿真研宄成果更多的意義。如從工期角度評(píng)價(jià)某施工方案的合理性時(shí)，通過(guò)計(jì)算不僅可以得出該方案*有可能的工期，還可得出按期完工的概率。從而作出方案的風(fēng)險(xiǎn)分析等。

 

此外，按研宄目的不同，模型又分為靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型。這里靜態(tài)模型的仿真過(guò)程并非狀態(tài)仿真，事實(shí)上仍是過(guò)程仿真，不過(guò)仿真進(jìn)程必須氣呵成，不能中斷。主要用于方案的評(píng)價(jià)和比較。而動(dòng)態(tài)仿真可以任意中斷，或?qū)⒎抡孢M(jìn)程按需要分成若干階段，因此可以在方案實(shí)施當(dāng)中。按照實(shí)際達(dá)到的進(jìn)程水平修改施工參，以便求出下階段施工的*佳調(diào)整方案和進(jìn)度計(jì)劃。從而達(dá)到對(duì)大壩施工進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的目的。

 

3計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在不同施工過(guò)程中的應(yīng)用3.1在混凝土壩澆筑施工中的應(yīng)用大型水電工程混凝土壩澆筑過(guò)程仿真研宄的主要目的是解決兩個(gè)問(wèn)是合理配置機(jī)械設(shè)備妥善安排壩體混凝土注塊的澆筑順序，正確預(yù)測(cè)澆筑工期；是在施工期間的實(shí)時(shí)控制。

 

燒筑過(guò)程仿真的基本思路是，首先對(duì)注塊。投入使用的饒筑。運(yùn)輸設(shè)備分別進(jìn)行編號(hào)。然后，按照給定的澆筑方案所要求的各種約束條件安排注塊的澆筑順序并算出各注塊澆筑施工進(jìn)程從而算出該方案下的大壩施工工期。重復(fù)計(jì)算多個(gè)方案，得出不同結(jié)果。*后經(jīng)過(guò)綜合比較，即可選出*優(yōu)方案。

 

仿真遵循的目標(biāo)是在滿足各種約束條件的前提下，安排設(shè)備閑置時(shí)間*少。而所謂的約束條件有某注塊能否澆筑1起重機(jī)工作范圍限制；相鄰起重機(jī)工作干擾限制；氣溫條件對(duì)澆筑的影響；其他約束條件。如灌漿等。

 

欠壩澆筑系統(tǒng)本質(zhì)上可以看作是個(gè)由起重機(jī)為主導(dǎo)的饒筑吊運(yùn)系統(tǒng)按特定規(guī)則分別為各個(gè)注塊服務(wù)的種特殊的排隊(duì)服務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)中不僅要考慮由起重機(jī)組成的服務(wù)系統(tǒng)中存在的排隊(duì)現(xiàn)象還要考慮與之聯(lián)系并相互制約與影響的拌和供料。運(yùn)輸系統(tǒng)之間的配合與相互影響等隨機(jī)因素引起部考慮為個(gè)完整系統(tǒng)，用蒙特卡羅方法對(duì)之進(jìn)行仿真。

 

3.2在土石壩施工中的應(yīng)用1石現(xiàn)施工組織設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)解決個(gè)問(wèn)，1土石料場(chǎng)規(guī)劃與調(diào)度；運(yùn)輸?shù)缆芬?guī)劃及運(yùn)輸機(jī)械的組織和管理；土石壩填筑過(guò)程中各作業(yè)環(huán)節(jié)之間的組織協(xié)調(diào)及施工進(jìn)度計(jì)劃的制定與實(shí)施。針對(duì)上述大問(wèn)可分別建立土石優(yōu)化調(diào)運(yùn)仿真模型施工運(yùn)輸仿真模型和土石壩填筑過(guò)程仿真模型，再按照者的制約關(guān)系集成個(gè)完整的土石壩施工仿真系統(tǒng)。

 

建立土石優(yōu)化調(diào)運(yùn)模型的思路是根據(jù)內(nèi)。外影響因素將大現(xiàn)施工工期劃分為若干時(shí)段。在每個(gè)時(shí)段內(nèi)確定供料源和受料源。先根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)初步方案建立各時(shí)段土石線性規(guī)劃模型。然后對(duì)施工期各時(shí)段內(nèi)的料場(chǎng)綜合編號(hào)，再結(jié)合施中的實(shí)際要求，*終形成總的土石優(yōu)化調(diào)運(yùn)數(shù)學(xué)模型。其目標(biāo)為總調(diào)運(yùn)費(fèi)用*省而約束條件有①*大可供應(yīng)量②*大可接受量③堆料場(chǎng)進(jìn)出料量平衡等。

 

石壩施工運(yùn)輸系統(tǒng)也屬于隨機(jī)排隊(duì)服務(wù)系統(tǒng)。對(duì)這類條統(tǒng)言。0說(shuō)排隊(duì)的模型山這，種在美國(guó)出現(xiàn)的專門研究排隊(duì)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真模型。利用運(yùn)輸系統(tǒng)排隊(duì)仿真網(wǎng)絡(luò)模型可以解決的問(wèn)有①計(jì)算不同運(yùn)輸機(jī)械配套情況下，多種機(jī)械的利用率或忙期概率。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)確定*佳機(jī)械配套及其相應(yīng)的運(yùn)輸生產(chǎn)能力②運(yùn)輸過(guò)程中。道路上的行車密度及相應(yīng)的概率分布規(guī)律。據(jù)此可決策多種道路的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)③交叉錯(cuò)車情況及排隊(duì)等待情況等。

 

建立土石壩填筑壩面作業(yè)子系統(tǒng)仿真模型的思路是。把個(gè)土石壩的施工過(guò)程離散成若干層，每層的填筑看成項(xiàng)活動(dòng)，每個(gè)區(qū)看作個(gè)實(shí)體，而填鋪過(guò)程看作對(duì)實(shí)體進(jìn)行服務(wù)，從而將土石壩的填筑施工過(guò)程抽象為個(gè)離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。同樣可以建立排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型或循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型，仿真過(guò)程實(shí)際上就是確定每填筑層的開(kāi)始填筑時(shí)間和填筑完成時(shí)間。通過(guò)仿真，可以解決以下問(wèn)0降雨等環(huán)境因素對(duì)土石壩施工進(jìn)度的綜合影響程度②在不同的運(yùn)輸機(jī)械配套及料場(chǎng)調(diào)運(yùn)方案情況下，大壩的上升過(guò)程，壩面作業(yè)機(jī)械的配套及其利用情況④不同上升規(guī)劃制約下的大壩填筑過(guò)程及進(jìn)度。

 

根據(jù)上述研宄成果，經(jīng)過(guò)綜合比較，可以選擇出以總費(fèi)用*低為原則的*優(yōu)施工方案并制定總進(jìn)度計(jì)劃。

 

3.3在隧洞施工中的應(yīng)用隧洞施工過(guò)程是個(gè)由鉆孔爆破出渣等多種工序反復(fù)循環(huán)的過(guò)程。由于每道工序的作業(yè)時(shí)間多是隨機(jī)的，每個(gè)工作循環(huán)都可以產(chǎn)生隨機(jī)排隊(duì)現(xiàn)象。甩可能在某個(gè)儻環(huán)作業(yè)出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象而影響其他的作業(yè)。對(duì)于這類工程的施工，若采用般網(wǎng)絡(luò)模型肘孤來(lái)達(dá)整個(gè)工程的循環(huán)施工過(guò)程是極其復(fù)雜的。同時(shí)難以反映施工過(guò)程中某些隨機(jī)時(shí)間因素及其影響。針對(duì)這問(wèn)。70年代美國(guó)出現(xiàn)了循環(huán)運(yùn)。行網(wǎng)絡(luò)述0押131如1士技術(shù)，是解決此類問(wèn)的*佳選擇。該技術(shù)通過(guò)模擬工程對(duì)象的循環(huán)過(guò)程和隨機(jī)時(shí)間?？伤愠霾煌Y源水平和施工組織情況下循環(huán)過(guò)程的工期和成本。并找出擁塞點(diǎn)，通過(guò)靈敏度分析可以得到合理的機(jī)械配套組合及理想的工期成本*優(yōu)方案，建立隧洞施工循環(huán)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)模型的基本思路是首先明確施工過(guò)程中有哪些活動(dòng)以及各活動(dòng)之間的邏輯關(guān)系。活動(dòng)需哪些初始資源及其數(shù)目；然后由模型的組成部分按照節(jié)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系建立起循環(huán)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)模型。

 

利用該模型進(jìn)行隧洞施工過(guò)程仿真可得出施工工期機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)率資源閑置等待時(shí)間資源利用率施工費(fèi)用以及找出擁塞點(diǎn)等。從而為決策提供所需的多種信息，3.4在截流施工中的應(yīng)用截流是施工總進(jìn)度計(jì)劃的控制性工期。向倍受重視。

 

與傳統(tǒng)方法相比。借助計(jì)算機(jī)仿真方法可以更方便更細(xì)致定量程度更高地研宄截流中存在的問(wèn)，以更高的效率比較更多的截流施工方案。更有效地指揮現(xiàn)場(chǎng)施工。從而降低施工成本和風(fēng)險(xiǎn)。提尚截流的成功率。

 

截流方法中*常用的是平堵和立堵兩種方法。這兩種方法，尤其是立堵法的施工過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真在料場(chǎng)規(guī)劃與調(diào)度交通運(yùn)輸組織方面與土石壩施工十分類似。與土石壩施工不同的是戧堤填筑，以立堵法為例，其工程量更加集中。施工強(qiáng)度更大。對(duì)施工組織的要求更加嚴(yán)格，而且，戧堤填筑基本上是水下施工。截流過(guò)程中的填筑方量和拋投材料的粒徑受流速變化的制約，方面填筑方量受截流流量影響，另方面，需隨著龍口寬度變化進(jìn)行所謂流速分區(qū)，因此。截流施工的計(jì)算機(jī)仿真較多地依賴于截流水力計(jì)算與河道水文地形。±也吣條件。除此外?？桑胀?，壩圯筑施1過(guò)程的仂以認(rèn)。

 

4結(jié)語(yǔ)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在水電工程施工中得到了比較成功的應(yīng)用，收到了較好的經(jīng)濟(jì)效益，并逐漸流行為種趨勢(shì)。目前，該技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的方案優(yōu)選方面應(yīng)用效果較為理想。但在施工期間的實(shí)時(shí)控制方面。應(yīng)用效果則不盡如人意。宄其原因。瓶頸主要是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的收集整理應(yīng)用存在較大發(fā)揮這方面的功能。但我們有理由相信。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)工程理論的不斷完善。以及信息技術(shù)的推廣應(yīng)用。此項(xiàng)潛力巨大的技術(shù)必將為水電工程建設(shè)的規(guī)劃。設(shè)計(jì)施工帶來(lái)革命忡的進(jìn)步。