升船机设备供货及整体装配系统分析与建模

李建成

(1.华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030；2.杭州国电机械设计研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

作为一种水利通航设施，升船机适用于水头高、上下游水位落差大的河流，具有节约水资源、过船速度快等优点[1]，现已被广泛运用于高坝电站、旅游过船等水利水电工程。经过近几十年的发展，国内对各类型升船机在土建结构、机电设备等方面的研究已趋于成熟，尤其在塔柱结构动力学模型[2-3]、地震作用下系统的动态响应[4]以及各功能子系统性能试验研究[5-6]等方面取得了很多成果，然而还很少看到对升船机施工过程的研究。

与车间流水生产线[7-8]制造模式不同，升船机的施工组织方式具有一定的复杂性、不确定性以及随机性，因此运用离散事件动态系统建模方法[9-12]和仿真技术手段[13-15]研究升船机的施工过程，对于保证升船机施工工期、降低工程成本具有重要意义。

本文在对升船机设备组成及安装调试过程特点的分析基础之上，运用离散事件动态系统理论和仿真的技术手段，对升船机设备从供货到装配调试整个过程进行建模，并运用模型研究其施工组织方面的问题。

1 升船机设备的组成及安装调试过程流程分析

1.1 升船机设备的组成

升船机是一种由土木结构和设备组成的水利设施，升船机的设备包括了机械设备、电气设备以及液压设备3大类，机械设备又可分为上游闸首设备、下游闸首设备、承船厢设备、平衡重设备、主提升设备5个部分，每个部分包含了主体设备以及与土建工程接口的埋件。升船机设备的组成如图1所示。

图1 升船机设备的组成结构

1.2 升船机设备安装调试流程分析

升船机设备安装调试过程可描述为：施工管理人员入驻施工现场，根据土建的施工情况和分包厂商设备的制造情况发布供货通知，分包厂商接到通知后联系物流公司对供货的设备进行运输，设备运至施工现场，安装人员开始分配作业，对升船机各部位进行设备的装配，在安装时先对埋件的位置进行校准和焊接，待混凝土的浇筑完成后，再进行主体设备的安装，液压设备及电气设备往往在机械设备安装完成后进行，升船机设备装配全部完成后进行总体调试。

升船机设备在分包厂商工厂制造，在施工现场装配调试，这是系统在地点维度上的不连续；升船机设备供货、装配、调试过程受安装人员、工具、资金等多方面的影响，往往会出现设备的积压或工期紧的现象，这是系统在时间维度上的不连续，由此可以看出升船机设备供货及整体装配系统是一种离散事件动态系统。

1.3 升船机设备安装调试过程中的不确定性因素

在升船机设备供货、装配及调试过程中，系统主要存在以下几个方面不确定性因素。

(1)设备进场时间的不确定性。设备进场时间受设备分包厂商制造加工的技术、设备运输方式以及施工现场设备的安装需求的影响表现出一定的不确定性。

(2)土建工程交付工作面时间的不确定性。升船机的土木结构是设备的载体，设备的安装依赖于土建工程的施工，主提升设备的安装需在主提升设备二期埋件混凝土浇筑完成28d后才能开始安装；闸首设备需在相应门槽二期埋件混凝土浇筑完成28d后才能开始安装等。土建方面如不能按照计划完成相应工作，即土建工程工作面交付时间不确定，则可能出现交叉作业，设备安装作业停滞等现象。

(3)设备现场安装调试时间的不确定性。设备运至施工现场后有专业的安装人员进行安装，安装调试的时间受安装人员的人数、技术、经验、心理和生理影响而表现出一定不确定性。

(4)防洪度汛、天气等自然因素以及社会因素的不确定性。升船机工程是一项水利建设工程，其建设周期较长，通常大于一个防洪度汛周期，因此升船机的安装调试还受水利枢纽防洪度汛要求的影响，同时雨天、雪天等恶劣天气同样会影响施工的质量和进度。此外升船机项目资金的供给、验收的标准以及政府对水利工程的支持同样会影响升船机的供货、安装和调试。

2 基于Petri网理论的升船机设备供货及整体装配系统的概念模型

Petri网是一种研究离散事件动态系统常用的工具之一，因此可以用Petri网来研究升船机供货及整体装配系统。现将Petri网中的库所P(用圆圈表示)表示升船机人员、设备的在系统运动过程中状态，变迁T(用矩形表示)表示在系统运动过程中人员对设备执行的动作，有向弧F(用带箭头线段表示)表示系统运动过程中动作和状态相互转换的逻辑关系，根据对升船机设备供货、装配、调试过程流程的分析，系统的概念模型可用图2所示的Petri网结构图表示。

图2中各符号的实际意义见表1。

图2 升船机设备供货及整体装配系统Petri网结构

表1 系统Petri网结构图符号意义

3 升船机设备供货及整体装配系统仿真模型研究

3.1 系统仿真模型的建立

根据上述系统的概念模型和对升船机设备供货、装配、调试过程中的不确定性因素分析，结合升船机的基本布置形式，运用专业的仿真软件witness对升船机设备供货及整体装配系统进行了建模，系统仿真模型的界面如图3所示，图中左半部分为实体运行模块，右半部分为数据统计模块。

图3 升船机设备供货及整体装配系统仿真模型界面

3.2 实例分析

此实例为一旅游用升船机设备制造安装工程，其施工过程中的施工计划如图4所示。

图4 某升船机施工进度计划

将图4中升船机各组成设备安装调试的时间导入到仿真模型中，以工作日为模型运行单位，假设安装队完成每项安装调试任务的时间满足(计划时间，49)正态分布，并以完成一次升船机的安装调试作业为模型运行终点，分别按以下3种工况运行仿真模型。

工况一：一组安装队伍进行现场安装调试，升船机各设备的进场时间间隔满足(10，15)的均匀分布；

工况二：两组安装队伍进行现场安装调试，升船机各设备的进场时间间隔满足(10，15)的均匀分布；

工况三：一组安装队伍进行现场安装调试，升船机各设备的进场时间间隔满足(15，20)的均匀分布。

运行结果见表2。

表2 仿真模型的运行结果数据统计

其中：M1～M12分别表示船厢室二期埋件、上闸首门槽、下闸首门槽、主提升二期埋件、上闸首门体、下闸首门体、承船厢、液压设备、主提升设备、平衡重轨道、配重体、电气设备从到达施工现场至开始安装的等待时间，∑M=M1+M2+…+M12，T表示升船机安装调试的工期，即从设备发货到升船机完成调试的时间。

通过仿真数据可以看出：

工况二的工期比工况一的工期短，因此增加安装调试的队伍、增加安装调试的人数或者将设备现场安装的工作也分包给设备厂商，有利于缩短工期，但是由于增加安装队的数目或人数所造成的安装成本的增加及窝工补偿应当予以考虑。

工况三中设备进场后等待时间的总和比工况一小，施工工期相差不大，因此项目管理者应当对设备供应商发货的时间进行控制，防止设备提前进场而造成的设备维护管理费用的增加。

4 结论

在离散事件动态系统理论的指导下，深入研究了升船机供货、装配、调试过程中的生产组织问题，建立了相关的分析模型，主要成果有：①基于Petri网建模方法，结合升船机设备组成及其装配调试过程流程分析，建立了升船机设备供货及整体装配系统的概念模型。模型描述了生产实体装配流、生产调度指令流、各种事件、系统状态等复杂的逻辑关系；②基于系统仿真技术和概念模型，结合某升船机施工现场安装调试的实例，考虑多个随机变量与分布，建立了升船机设备供货及整体装配系统的仿真模型；③基于仿真模型，进行了多种工况条件的仿真试验研究，研究了安装队伍、设备进场时间的组织调度与升船机装配调试效率和成本的关系问题，提出优化的调度策略。为升船机制造安装工程缩短工期、合理利用现场资源提供了的技术参考。