基于循环网络技术的水利围堰施工运输系统仿真模型设计

赵伟超 何志凯

（青州水建工程建设有限公司，山东 青州 262500）

0 引言

在水利工程施工之前，建造临时围堰构造，不仅能防止水土进入建筑，还能为基坑施工提供有利条件。在水利围堰施工过程中，运输系统需要负责工程建设的物料调运与管理，既要满足围堰施工需求，又要缩短物料运输时间，是控制施工进度与施工成本的关键因素。如何合理规划和组织施工现场的交通运输系统已成为工程精细化施工的基本要求。

水利围堰使用常规的模型很难拟合运输系统的运输环境[1]。循环网络技术，是在卷积神经网络基础之上的设计技术，对于深度分析运输系统的时间序列具有重要意义[2]。通过分析循环神经网络的运输轨迹，可以找出水利围堰施工运输系统的关联轨迹，进而预测出可能出现的情况，调整出更加符合实际需求的模型。因此，本文利用循环网络技术设计水利围堰施工运输系统的仿真模型，旨在减少不确定因素对施工运输系统的影响，缩短施工材料的运输时间，为工程高效开展奠定基础。

1 基于循环网络技术的水利围堰施工运输系统仿真模型设计

1.1 确定水利围堰施工运输线路的几何特征

在水利围堰施工物料运输的过程中，运输系统会呈现出几何运输路线，该路线是位于空间的曲线，运输路段分别为右岸上游路段、右岸下游路段、左岸上游路段、左岸下游路段，每个运输路段的运输方向也会不同[3]。本文选取2～14km 作为运输路径，运输时间为1～10min，由此得出的水利围堰施工运输系统的集合运输路径如图1所示。

从图1 可知，E 点与F 点分别为右岸与左岸的中心点，E 点与F 点上的四个箭头表示物料运输线路的方向。其中，E 点运输线路的方向属于对向；F 点运输线路的方向属于同向。在路径为4～10km 范围时，运输路段相同，运输时间也保持相同。因此，在分析水利围堰施工运输系统的几何特征时，以0～4km，10～14km的范围为主。对于施工运输车辆而言，施工路段不存在其他车辆，车辆之间距离也相对较远，在车辆本身性能支持并符合道路限速的前提下，车辆的因素可以忽略不计。

图1 施工运输系统的集合运输路线

1.2 划分运输系统施工条件

施工物料运输是影响施工进度计划的关键因素，在最短的时间内运输最多的物料是施工的核心标准[4]。具体来讲，水利围堰施工运输系统的运输流程为：物料装车—岔口排队—卸车排队—物料卸车—岔口排队—装车排队—物料装车。此过程是一个循环过程，物料装车到物料卸车阶段属于重车运行；物料卸车到重新装车阶段属于空车返回。对于运输系统而言，整体运输过程分为施工材料子系统、道路子系统、物料来源子系统，以及运输机械与装载机械子系统[5]。其中，施工材料子系统是主导运输的系统，运输时间、运输机械与装载机械子系统、物料来源子系统等均会受到施工材料子系统的影响；道路子系统具有分辨运输途中的岔口与路段的作用；物料来源子系统可以反映施工材料的来源与归宿，在运输过程中可以分门别类地运输，减少材料混淆的现象；运输机械与装载机械子系统具有设定施工物料种类、运输周期、运输量以及装配装载机械的作用。

1.3 基于循环网络技术规划运输系统的最短路径

循环网络技术具有完善模型功能的作用，传统的仿真模型中不能存储较多的历史信息，但是模型使用的过程中会出现结果序列不稳定的现象[6]。就施工运输系统的历史位置来讲，如果使用传统的仿真模型，部分历史位置会出现空缺，预测模型中存在问题时具有一定的误差，影响运输系统规划最短运输时间的效果[7]。运输系统的最短择路标准是仿真模型设计的关键指标，本文以系统择路规则为第一原则；并将车辆运行路线最短作为第二原则；按照物料运输性质择路作为正向强制性原则；按照物料需求量控制作为第一逆向强制性原则；物料存储量控制作为第二逆向强制性原则。根据以上原则可以得出运行路线的表达式如下：

式中：Mi(σi)——施工物料运输最佳路径的表达式，其中i为常数，σi为运输距离；

M1(σ1)——不同的物料运输目的地；

M2(σ2)——通过规划运输最短路径；

Mn(σn)(σn+1)——可以最大限度地缩短施工材料运输时间，提高施工物料的运输效率。

1.4 构建水利围堰施工运输系统仿真模型

为了构建水利围堰施工运输系统仿真模型，本文首先确定出水利围堰施工运输线路的几何特征，了解运输系统中存在的不确定因素；其次，划分运输系统施工条件，分析运输系统的实际运输流程；最后，规划出运输系统运输的最短路径，缩短运输时间。以上述条件为基础，可以设计出一个完善的仿真模型。本文构建的模型基础是循环网络技术，通过集合运输系统重要位置序列的构成轨迹，形成模型的表达式如下：

式中：Msimulate——仿真模型表达式；

k——运输系统重要位置；

c——构成轨迹的中心点；

C(k)——轨迹集合中含有重要位置k的结合；

Jaggregate——轨迹集合；

k(c|k;σi)——模型的条件向量；

evc·vk——c与k的列向维度；

c′——c的变化量。

通过仿真模型的设计可以优化运输系统的运输路径，进一步缩短运输时间，对于提高水利围堰施工效率具有重要作用。

2 仿真试验

为了验证本文设计的仿真模型是否具有实用价值，本文搭建了一个仿真平台进行测验。首先，按照现实条件布置水利枢纽与工程量，保证仿真平台测试的真实性；其次，模拟水利围堰施工进度、运输线路、道路标准等条件，为仿真实验提供科学依据；最后，还原出水利围堰工程的周围环境，在满足所有运输条件的基础上进行试验。

2.1 试验过程

在进行试验之前，按照实际水利围堰工程施工条件在仿真平台上1∶1 还原。利用计算机技术，将围堰的迎水面边坡横纵比设置为2∶1，基坑侧边坡比例在2∶3左右。在此基础上，将围堰使用的材料进行调整，保证围堰施工材料的运输完整性。对于水利围堰施工进度、运输线路、道路标准等条件而言，需要作出简单的规划，将施工进度设定为施工前期；运输线路选取为500～5000m 之内的随机路段；道路标准以常规标准为主。由于水利围堰施工工程量较大，施工强度也相对增高，施工运输环境的布置需要满足所有施工需求。本文根据水利围堰工程环境进行仿真模拟，将工程右岸上下游与左岸上下游的道路空间进行设置。

其中，右岸上游道路主要负责围堰施工材料的运输，左岸下游道路主要负责填筑材料的运输，并在运输系统将各个路段进行编号，编号的规则以首字母为主，右岸上游路段的编号为RO（Right On）；右岸下游路段的编号为RL（Right Lower）；以此类推，左岸上游路段的编号为LO（Left On）；左岸下游路段的编号为LL（Left Lower）。各个运输道路在相应岔口位置设置相应的编号，保证运输路径的正确性。考虑到实际施工环境会受到天气、气候等自然条件的制约，实际施工过程不可能一直处于工作状态。因此，本文使用与现实相同的工作时间。每天的有效工作时间为12h，每月的有效工作天数为26d。在所有前提条件均模拟好之后，即可开始实验。

2.2 试验结果

在上述试验条件下，本文在搭建出的仿真平台上对水利围堰施工运输路径进行仿真，设定运输路径为500m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m。以此为前提，将传统水利围堰施工运输系统仿真模型规划的最短运输时间，与本文设计的仿真模型最短运输时间进行比较，实验结果如表1所示。

表1 试验结果

如表1 所示，路径仿真时以500m 为间隔，分别在500m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m 的运输路径上进行最短时间规划。在相同试验条件下，传统水利围堰施工运输系统仿真模型规划的最短运输时间较长，并会随着路径的延长而增加。其中，运输时间最长的仿真路径为5000m，最短运输时间为25min45s；运输时间最短的仿真路径为500m，最短运输时间为2min48s，直接影响水利围堰施工运输效果，进而耽误施工周期。本文设计的仿真模型在运输时间上更短，在仿真路径为500～3000m 时，运输时间会随着路径的增加而延长，但是仿真路径超过3000m 之后，最短运输时间会固定在7min31s 左右；在500m 左右的短距离施工路径，最短运输时间甚至可以低于1min，减少路径对运输时间的局限性，符合本文研究目的。

3 结束语

水利围堰施工是水利工程安全施工的关键环节，受到技术水平与管理水平的限制，水利围堰施工运输系统成本较大。由于水利围堰施工运输系统结构相对复杂，影响因素较多，开放性较强，很多不确定性因素很容易影响到系统的运输时间，进而耽误施工进度。基于此，本文利用循环网络技术，设计水利围堰施工运输系统仿真模型，通过仿真试验的方式反映出运输系统的真实过程，为实践中提升运输系统运输效率提供借鉴。