分析全过程动态仿真技术及其在水利水电工程施工中的应用

■姜 振 ■河南省中原水利水电工程集团有限公司，河南 濮阳 457000

早在20 世纪80 年代CYCLONE 模型即应用于地下厂房系统仿真中，此模型虽然已比较完善，但仍然存在较多问题，比如其建模较为复杂;对工程整体进度的分析与安排能力较为缺乏［1］。而CPM 模型较之于CYCLONE 模型则更为简便、实用，目前已得到很多工程管理者的认可。但其对处理具有CYCLONE 特征的施工项目时往往很难如实反映施工过程的不确定性。本文主要对全过程仿真技术、CPM 模型以及CYCLONE 模型其仿真原理、基本思想、仿真建模等几方面作了初步分析，以期为其不断优化与完善提供参考。

1 全过程动态仿真技术

1.1 基本思想

全过程动态仿真技术将数值仿真技术与网络计划分析相融合，有助于对施工过程的整体仿真计算、分析、制定施工计划、对机械设备进行优化配置、为工程施工的组织与设计提供科学依据。其对CPM 与CYCLONE 模型的优点加以融合，对工程项目的整体进度进行计划与分析，利用CYCLONE 模型对施工工期以及资源利用率等工程情况进行仿真分析。前者主要面向用户，应用较广泛，人们了解及建模均较为简便，而后者则属底层技术，通过为CPM 提供接口来建立模型，有效克服了CYCLONE 模型的复杂性，两大模型相互补充，对整个工程施工进度进行仿真分析。

1.2 仿真原理

此系统可分为连续性与离散性两大系统。连续性系统随时间而连续变化;离散性系统则仅在特定的时间点产生跳跃性变化［2］，施工系统仿真则属于离散性系统。离散性系统主要用于对“模拟时间”的运行轨迹加以体现。全过程仿真技术因其采用了两大不同层次的建模技术，因而其仿真过程中会设置两个仿真钟:即本地仿真钟与全程仿真钟。其中全程仿真主要是对CPM 模型进行仿真，采用时间步长法进行推进;而本地仿真钟则是对CYCLONE 模型进行仿真，采用的也是时间步长法进行推进。当全程仿真钟检测到将有事件发生时，此仿真钟则保留当时状态，并将控制权交予CYCLONE 层，本地仿真钟启动，并将模型设置成初始状态。将施工开始时间设置为本地仿真钟的零点，并从该时刻开始将时间步长向前推荐一个△t，而后对模型中所有节点加以扫描，检测是否存在满足该条件的活动会发生，与此同时，对各类资源使用情况进行跟踪。若有活动发生，则被认为是发生在△t 的终止处，而系统状态也会随之改变，对各类资源使用时间或者空闲时间进行统计，上述作法保持重复直至项目工程结束，而后将控制权交还给全程仿真钟，并将本地仿真钟的相应状态、资源利用情况等相关信息一并返还给全程仿真钟，将其作为当前时间仿真结果加以保存。而后全程仿真钟保持推进，并重复上述作法直至工程项目整体结束。最后对仿真结果进行专业分析与计算，并将施工进度安排、关键路线、横道图、施工高峰期、施工强度以及资源利用情况等相关情况输出，至此仿真流程全部完成。

1.3 仿真建模及其在水利水电工程施工中的应用

(1)CPM 网络层仿真模型的构成

CPM 模型主要由矢线、节点与属性组成。其节点有3 中不同图示符号分别对不同状态、功能进行表示。节点一般用以表示施工中可确定的或较简单的工序，无CYCLONE 模型层;而仿真节点则用于对施工中较复杂或尚未确定的工序进行表示，具有CYCLONE 层模型，全程仿真钟转至该节点时则会转入CYCLONE 层模型继续进行仿真计算;滞后节点用于表示工序之间的时间限制关系，即某工序须在另一工序开始后方可开始。矢线主要用于表示各节点间时间与空间的逻辑关系，即是说箭头节点须在箭尾节点完成后方可发生，节点本身对时间资源不消耗，类型不同的节点属性也不同［3］。一般节点大致包括时间分布类型、持续时间以及施工量等，而仿真节点则大致包括设备参数、地址参数以及施工条件等。

(2)CYCL0NE 仿真模型的构成

CYCLONE 模型中总共定义了5 种特定的图示符号来对各种状态进行描述，并根据逻辑关系与施工作业用矢线将其连接起来，将其加入控制机制并构造出相应的图示模型来表现施工的实际过程。CYCL0NE模型主要由矢线、流水单元和节点构成。其中，流水单元指的是在该系统中不断流动及进行状态交换的各类实体，以及进行作业需要的各类资源实体。矢线则用于表示各流水单元活动顺序与流动方向的逻辑关系，其本身并不产生时间消耗。节点共分为5 类不同的图示符号分别用于对不同状态或功能进行表示。进行CYCLONE 模型构建时需对其反复进行修改，直至其与实际系统基本相符时则为最终的CYCLONE模型。

(3)全过程动态仿真模型的构建

全过程仿真动态模型的构建与单代号网络图的建立极为相似。首先应明确施工过程中各工序间时间与空间上的逻辑关系，而后合理利用矢线、节点将其表示出来。在此模型的构建过程中应着重注意以下几个问题:①首节点与尾节点各为一个，既不能增加，也不可减少;②逻辑关系不可出现违反的情况，比如环路;③不可出现相同编号。

2 仿真模型构建结果及优化

本文作者在利用全过程动态仿真模型对地下厂房系统施工进行全过程动态仿真分析与计算，既获得了较为科学合理的工程施工进度安排计划、机械设备的优化配置可行性方案，又获得了详尽全面的项目施工信息，比如施工强度、资源利用率、正处于施工状况的工作面以及施工道路系统的行车情况等诸多相关信息，并自动输出资源强度柱状图及具有逻辑关系的横道图等计算结果。水利水电工程项目多建于高山峡谷间，因而其施工条件较为复杂，施工工程极具不确定性。全过程动态仿真技术的应用为复杂的水利水电工程施工的分析与计算提供了一个科学有效的计算工具。此技术将数值仿真技术与网络计划分析成功融合，并从整体观点出发对整个工程施工进行全程仿真分析、计算，有助于水利水电工程施工的顺利进展及按时按质完成。

3 总结

全过程动态仿真技术以CPM 模型为框架并将CYCLONE 模型相融合，对两大模型的优点加以充分利用，为水利水电工程施工进行全过程仿真分析与计算，极大地提高了整个项目施工进度的合理安排、机械设备的优化配置、资源利用率的科学性［4］。既克服了CYCLONE 模型的局限性，又对CPM 模型的优点加以充分利用，两大模型取长补短，更好地为水利水电工程施工进行仿真分析与计算提供操作平台。

［1］钟登华，李景茹，郑家祥.全过程动态仿真技术及其在水利水电工程施工中的应用［J］.水利水电技术，2002，33(9):22-24.

［2］高峰.全过程动态仿真技术及其在水利水电工程施工中的应用分析［J］.科学与财富，2014，38(12):305.

［3］华剑宝.三维建模与仿真技术在水利水电工程施工中应用探讨［J］.建材与装饰，2013，7(32):169.

［4］洪玲.动态模拟施工导流在水利水电工程中的应用［J］.中国新技术新产品，2012，26(4):46.