全过程动态仿真技术在水利水电工程施工中的运用

■姚志华

（南充开放大学，四川 南充 637000）

早在20世纪80年代，循环网络仿真（CYCLONE）技术就被用在了地下厂房系统仿真设计领域中，尽管CYCLONE技术的成熟度与完善性已经达到一定层次，但实际应用中也暴露出一些不足。比如，CYCLONE建模过程繁杂，一定要对工程及相关算法有全面了解，并需要丰富经验和技巧，这些增加了CYCLONE技术普及应用难度，并且这种技术分析与部署整个实体工程进度的能力较弱。CPM为新时期工程领域常用的一种网络计划技术，具有简洁、实用等特征，但对于有循环特点的工程项目，CPM通常结合既往经验把工序持续时间设置成固定值，且很难呈现出现场施工的不确定性。鉴于以上情况，本研究做出应用全过程动态仿真技术的提议，叠合CPM和CYCLONE技术的优势，实现对施工全过程的仿真计算与完善分析。

一、全过程动态仿真技术的概述

（一）基本思想

可以将该项技术视为CPM和CYCLONE技术的融合体，将其用于工程实践中，能有效发挥仿真测算、分析等实用功能，为相关人员决策提供可靠的数据参照。近些年，这种技术在我国工程领域中已经实现了规模化应用，特别是在水利水电工程建造时，指导相关人员编制项目施工计划、科学调配机械设备、完善施工设计方案等。在CPM和CYCLONE技术的协助下，工程技术仿真模式建设过程中有了更可靠的支持，也辅助了部分模型内容的完善工作，确保现场施工活动安全进度计划有序推进。因为融合了CPM和CYCLONE模型优势，能更充分地发挥实用功能。CPM模型有适用范围广、结构简单及操作便捷等优点，CYCLONE模型属于底层设计，全过程动态仿真吸纳了以上两种技术的优越性，把CPM模型作为构架，细化相关仿真节点的构成形式，转变成CYCLONE模型状态，充分应用两种模型的优势完善分层次结构模型的设计任务。

（二）原理分析

从宏观层面上，可以把系统划分成连续性与离散性系统两大类型，前者最大的特点是伴随时间的推移系统会连续发生改变，而后者则是在有限时间点上出现跳跃式改变。对于现代工程的施工系统而言，运用离散性系统研究施工过程改变及发展情况就足以了，这也就意味着工程施工系统仿真是属于离散性系统仿真的范畴。离散系统仿真实践中，基本理念是运用“仿真钟”，利用其清晰地表现出“模拟时间”的运行轨迹。因为这种技术运用的建模技术由两个层次构成，故而仿真过程中要分别布设两个不同的“仿真钟”，对应的分别是“本地仿真钟”与“全程仿真钟”；后者主要是仿真CYM网络层运作轨迹，多应用时间步长法推进以上过程，其把某个设计的单位时间作为增量，即△t,每推进一个步骤就检测检验、预测是否发生了相关事件，如果作出的是肯定达到，则就可以认定其发生在△t的终点位置，并且要对系统运行状态作出整改，否则维持系统的初始状态。“本地仿真钟”也是采用时间步长法推进的，将工程准备施工状态设定为原始状态，零点即是开始施工的时刻[1]。由零点开始，各个时间步长△t向前方推进，借此方式扫描其模型内的全部节点，进而使实际条件符合项目实体的检测活动，并追踪各项工程资源的现场应用情况。如果能检测出发生相关活动时，则认定其出现在△t终点处，随后适度调整系统的运行状态，统计各类资源的实际应用或者闲置时间。反复执行以上方法直到该项工程完工，随后才把控制权移交给“全程仿真钟”，“本地仿真钟”的有关信息将会整合至当前事件内，统一保存结果数据。“全程仿真钟”后期依然继续推进，重复运行以上过程，直到整个工程项目完工，最后分析测算出相应的仿真结果，精准输出，施工进度部署、施工高峰期等是常见的输出信息内容。

二、仿真建模

（一）CPM模型的主要构成

节点、矢线以及属性是CPM网络模型的主要构成，其中节点自身具有3种图示符号，利用其表示不同的状态或功能（见图1）[2]。其中，一般节点代表的是工程现场施工中简易工序或者能确定下来的工序，未设置CYCLONE层模型；仿真节点用来表示项目施工中繁杂的或不确定性工序，具备CYCLONE层模型，当“全程仿真钟”抵达该节点时会转入到CYCLONE层模型执行相关仿真计算过程；滞后节点用来表示不同工序之间形成的时间限制关系，实质上就是要求某道工序一定要在另一道工序开始一段时间后再实施运行，比如在水利工程中，灌浆施作一定要在衬砌开始一段时间以后才进行。在该模型内关于不同阶段在时间及空间上形成的逻辑关系，要求一定要在箭尾节点完成后才能发生箭头节点，但其自身不损耗时间成本。不同类型节点持有的属性有差异，其中一般节点可能涵盖了连续时间、时间分布种类、施工作业量等属性，工程现场施工条件、设备运行参数及水文信息等可能会成为仿真节点的基本属性。

图1 CPM网络模型节点与矢线

（二）CYCLONE模型的构成

在该模型内设定了5种特殊的图示符号去阐述不同的工程施工状态，结合实际施作以及逻辑关系，利用矢线将其连接成一个整体，并融合运行控制机制，构建出图示模型去阐述现场实际施工过程，流水单元、矢线和节点是CYCLONE模型的三大构成要素。针对CYCLONE模型的流水单元，其被定义成在系统内持续转换与处于流动状态的实物体，以及施工作业活动推进过程中所需要的各种资源，包括机具、劳动力、原材料及其他信息等。利用矢线表示不同流水单元的流动方向与活动先后次序的逻辑关系，同样不消耗时间资源。节点存在着5种不同图示符号，其呈现出的是不同的状态或者功能（见图2）。

图2 CYCLONE模型节点图示

一般节点（NORMAL）：通常用其表示单个非限制性工作项目以及主动状态，当有流水单元抵达该节点时能够实现自由进入其内，步入至工作状态并且会维持一段时间（也可以被称之为历时）。

复合节点（COMBI）：适用于表示一个受到制约的工作内容。该节点运行过程中明确要求实际所需的资源条件统统被满足以后，各个流水单元方能同时进到节点，并在一段时间内维持设计的工作状态。

排队节点（QUEUE）：阐述的对象以处于被动状态的流水单元为主。当流水单元进入至该节点以后，就会快速转变成等待状态，等到其他排队节点都满足基本工作条件一会同时进到COMBI内。

职能节点（FUNCTION）：这类节点最大的特点是有将N个同类流水单元其组合成一个流水单元的完善化功能，通常采用CONNg表示，与其有倍数产生能力的QUEUE联合应用。

控制节点（COUNTER）：监测、调控这类节点的主要功能，通过积累、统计整合至节点内的流水单元数去调控模型的仿真过程。

在创建CYCLONE过程中，工作人员先要掌握实体项目施工过程中的活动类型及不同活动之间形成的逻辑关系，活动推进过程中所需的流水单元、建模所需的各种参数，而后由模型的基本构成部分着手创建原始模型。笔者认为建模工作是一个系统化过程，需要屡次进行修订，当经判断确认被建模型和真实系统大体相符时，则将其认定成是最后的CYCLONE模型[3]。

（三）全过程动态仿真模型

这种模型的建设和单代号网络图之间有很大的相似度，工作人员要先掌握现场施工活动中不同工序之间在时间及空间上形成的逻辑关系，规划出相配套的CPM模型，而后设计出模型内需要格外注意的仿真节点，建造出CYCLONE模型，随后按照一定层次建立出完整的仿真模型。在具体建模过程中应注意如下几点内容：一是首节点与尾节点均只能有一个；二是严禁出现与逻辑相违背的表示形式，比如环路；三是不可以出现相同的编码；四是加强仿真节点的控制，尽量确保其精准度、真实性均处于较高的水平，只有这样才能提高模型的仿真度，在实践应用中创造出良好的效益。

（四）仿真模型构建结果及相关优化

1.结果

以水利水电工程作为研究样本，创建了相对应的全过程动态仿真模型，利用其对项目施工全过程进行动态化的仿真计算与分析。工程实际应用过程中，其形成额度结果主要在如下应用中，其应用结果主要表现在：首先，相关人员根据动态仿真测算结果，更加科学地部署水利水电工程现场施工进度，进而在确保工程建设质量符合设计要求的基础上，有序地推进施工进程。其次，结合施工仿真计算与分析结果，帮助相关工作人员更加科学、合理地调配机械设备，编制科学、详细的物资调配方案。现代水利水电工程建设规模庞大、施工工序繁杂，合理选用设备是施工活动顺利推进的重要保障，故而提升机械设备配置的合理性具有很大现实意义。最后，利用动态仿真及分析所得结果，能够帮助有关人员更全面地了解实体工程施工信息，比如建材资源领用利用情况、施工难度及强度等诸多内容，这样他们在做出相关决策时将会有更多实用信息作参照。

2.优化

新时期，国内很多水利水电工程项目被建设在高山、峡谷等地形复杂区段，现场施工环境条件极为恶劣，且在具体施工操作中容易遇到诸多不确定因素，轻则延误工期，影响项目施工进度与质量，严重时则对现场工人生命安全构成威胁。在这样特殊的工况下合理应用全过程动态仿真技术具有很大现实意义，其能动态仿真与计算工程整个施工过程，为工程管理、施工方案改进等提供可靠参照。为了把该项技术优势发挥到最大化，有关工作人员一定要确立采用优化措施的思想意识。一是有针对性地优化项目施工环境，通过各种渠道采集区域环境有关信息等，和相应的仿真计算及分析结果进行整合，为决策工作推进创造便利条件；二是CPM、CYCLONE为该项仿真分析技术的主要构成，将其用于实体工程建设实践中，工作人员要反复校对复核仿真结果，确保其精准无误，辅助水利水电工程有序、安全施工过程。

三、工程实例

A工程引水发电系统（以下称为地下厂房）应用钻爆法施工建造，先组织工人进行开挖与衬砌顶拱操作，随后对中间岩体开展分台阶施工活动。整个主厂房被细分成9层，统一是双向施工，主变室则被分成4层，单向施工，尾调室共计被分成11层，5层之上应用的是双向施工模式，剖面图及台阶规划情况见图3[4]。本厂房系统应用了多工作面同时施工模式，布设了上、中、下三层通道出渣，其中上层通道负责执行主厂房上层局部（上1、上2）、主变室A层与B层等出渣任务，主厂房下层（下1—下4）及局部尾调室（6—11层）的出渣过程由下层通道执行。主厂房部分施工参数被统计在附表1内。

图3 剖面及台阶规划

（一）仿真模型

结合工程设计图纸内不同洞室施工之间形成的连接关系及相互管束条件创建CPM模型，而后为该模型内的仿真节点选择适宜的CYCLONE层模型。本文以主厂房模型作为实例进行分析，阐释全过程动态仿真模型的建立情况（见图 4）[5]。

图4 全过程动态仿真模型

统一仿真模拟了主厂房各填筑单元，给各个填筑单元赋予一个时钟值，仿真模拟过程可以做出如下阐述：首先，遍历全部填筑单元的子时钟值，探寻到子时钟值最小的填筑单元，将其设定成主导实体，录入和主导实体状态相关的信息；其次，结合主导实体的填筑关注条件（上升高程、相邻高差等）判别其状态是否出现变化，若有所改变，则可以测算出其填筑开始、结束时间等参数；最后，重复以上过程，搜查下一个主导实体，直至全部填筑单元填筑模拟结束[6]。

（二）仿真结果统计与优化

本研究采用笔者所在团队研发制造出的动态仿真软件仿真计算了主厂房的整个施工过程，一方面顺利地获得了规范合理的施工进度计划、机械设备配套方案，另一方面也较为全面地获得不同时段的工程施工信息，比如正在施工建造的工作面，施工强度、设备利用效率，智能输出相应图形。通过仿真获得本工程总工期82个月，在第3年5月初开始进行支洞施工，至第10年3月15日首台机组成功发电，主厂房系统施工是项目的关键路线，附表2统计了部分仿真分析结果。

附表1 主要仿真参数统计（主厂房部分）

附表2 部分仿真结果统计（主厂房）

新时期，很多水利水电工程项目被建造在高山峡谷之间，现场施工条件极恶劣，施工过程中存在着诸多不确定因素，合理应用仿真技术，能协助相关人员更加科学地分析工程施工系统。全过程动态仿真技术把CPM作为基本框架，配合应用前期调封好的CYCLONE模型，打造出一个层次分明的模型结构，综合分析整个工程进度计划的实施情况，为工程决策提供可靠参照。