升船機(jī)設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)分析與建模

李建成

(1.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030；2.杭州國電機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

作為一種水利通航設(shè)施，升船機(jī)適用于水頭高、上下游水位落差大的河流，具有節(jié)約水資源、過船速度快等優(yōu)點(diǎn)[1]，現(xiàn)已被廣泛運(yùn)用于高壩電站、旅游過船等水利水電工程。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，國內(nèi)對各類型升船機(jī)在土建結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備等方面的研究已趨于成熟，尤其在塔柱結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型[2-3]、地震作用下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[4]以及各功能子系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究[5-6]等方面取得了很多成果，然而還很少看到對升船機(jī)施工過程的研究。

與車間流水生產(chǎn)線[7-8]制造模式不同，升船機(jī)的施工組織方式具有一定的復(fù)雜性、不確定性以及隨機(jī)性，因此運(yùn)用離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模方法[9-12]和仿真技術(shù)手段[13-15]研究升船機(jī)的施工過程，對于保證升船機(jī)施工工期、降低工程成本具有重要意義。

本文在對升船機(jī)設(shè)備組成及安裝調(diào)試過程特點(diǎn)的分析基礎(chǔ)之上，運(yùn)用離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論和仿真的技術(shù)手段，對升船機(jī)設(shè)備從供貨到裝配調(diào)試整個(gè)過程進(jìn)行建模，并運(yùn)用模型研究其施工組織方面的問題。

1 升船機(jī)設(shè)備的組成及安裝調(diào)試過程流程分析

1.1 升船機(jī)設(shè)備的組成

升船機(jī)是一種由土木結(jié)構(gòu)和設(shè)備組成的水利設(shè)施，升船機(jī)的設(shè)備包括了機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備以及液壓設(shè)備3大類，機(jī)械設(shè)備又可分為上游閘首設(shè)備、下游閘首設(shè)備、承船廂設(shè)備、平衡重設(shè)備、主提升設(shè)備5個(gè)部分，每個(gè)部分包含了主體設(shè)備以及與土建工程接口的埋件。升船機(jī)設(shè)備的組成如圖1所示。

圖1 升船機(jī)設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)

1.2 升船機(jī)設(shè)備安裝調(diào)試流程分析

升船機(jī)設(shè)備安裝調(diào)試過程可描述為：施工管理人員入駐施工現(xiàn)場，根據(jù)土建的施工情況和分包廠商設(shè)備的制造情況發(fā)布供貨通知，分包廠商接到通知后聯(lián)系物流公司對供貨的設(shè)備進(jìn)行運(yùn)輸，設(shè)備運(yùn)至施工現(xiàn)場，安裝人員開始分配作業(yè)，對升船機(jī)各部位進(jìn)行設(shè)備的裝配，在安裝時(shí)先對埋件的位置進(jìn)行校準(zhǔn)和焊接，待混凝土的澆筑完成后，再進(jìn)行主體設(shè)備的安裝，液壓設(shè)備及電氣設(shè)備往往在機(jī)械設(shè)備安裝完成后進(jìn)行，升船機(jī)設(shè)備裝配全部完成后進(jìn)行總體調(diào)試。

升船機(jī)設(shè)備在分包廠商工廠制造，在施工現(xiàn)場裝配調(diào)試，這是系統(tǒng)在地點(diǎn)維度上的不連續(xù)；升船機(jī)設(shè)備供貨、裝配、調(diào)試過程受安裝人員、工具、資金等多方面的影響，往往會出現(xiàn)設(shè)備的積壓或工期緊的現(xiàn)象，這是系統(tǒng)在時(shí)間維度上的不連續(xù)，由此可以看出升船機(jī)設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)是一種離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

1.3 升船機(jī)設(shè)備安裝調(diào)試過程中的不確定性因素

在升船機(jī)設(shè)備供貨、裝配及調(diào)試過程中，系統(tǒng)主要存在以下幾個(gè)方面不確定性因素。

(1)設(shè)備進(jìn)場時(shí)間的不確定性。設(shè)備進(jìn)場時(shí)間受設(shè)備分包廠商制造加工的技術(shù)、設(shè)備運(yùn)輸方式以及施工現(xiàn)場設(shè)備的安裝需求的影響表現(xiàn)出一定的不確定性。

(2)土建工程交付工作面時(shí)間的不確定性。升船機(jī)的土木結(jié)構(gòu)是設(shè)備的載體，設(shè)備的安裝依賴于土建工程的施工，主提升設(shè)備的安裝需在主提升設(shè)備二期埋件混凝土澆筑完成28d后才能開始安裝；閘首設(shè)備需在相應(yīng)門槽二期埋件混凝土澆筑完成28d后才能開始安裝等。土建方面如不能按照計(jì)劃完成相應(yīng)工作，即土建工程工作面交付時(shí)間不確定，則可能出現(xiàn)交叉作業(yè)，設(shè)備安裝作業(yè)停滯等現(xiàn)象。

(3)設(shè)備現(xiàn)場安裝調(diào)試時(shí)間的不確定性。設(shè)備運(yùn)至施工現(xiàn)場后有專業(yè)的安裝人員進(jìn)行安裝，安裝調(diào)試的時(shí)間受安裝人員的人數(shù)、技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)、心理和生理影響而表現(xiàn)出一定不確定性。

(4)防洪度汛、天氣等自然因素以及社會因素的不確定性。升船機(jī)工程是一項(xiàng)水利建設(shè)工程，其建設(shè)周期較長，通常大于一個(gè)防洪度汛周期，因此升船機(jī)的安裝調(diào)試還受水利樞紐防洪度汛要求的影響，同時(shí)雨天、雪天等惡劣天氣同樣會影響施工的質(zhì)量和進(jìn)度。此外升船機(jī)項(xiàng)目資金的供給、驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)以及政府對水利工程的支持同樣會影響升船機(jī)的供貨、安裝和調(diào)試。

2 基于Petri網(wǎng)理論的升船機(jī)設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)的概念模型

Petri網(wǎng)是一種研究離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)常用的工具之一，因此可以用Petri網(wǎng)來研究升船機(jī)供貨及整體裝配系統(tǒng)。現(xiàn)將Petri網(wǎng)中的庫所P(用圓圈表示)表示升船機(jī)人員、設(shè)備的在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中狀態(tài)，變遷T(用矩形表示)表示在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中人員對設(shè)備執(zhí)行的動(dòng)作，有向弧F(用帶箭頭線段表示)表示系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)作和狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換的邏輯關(guān)系，根據(jù)對升船機(jī)設(shè)備供貨、裝配、調(diào)試過程流程的分析，系統(tǒng)的概念模型可用圖2所示的Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖表示。

圖2中各符號的實(shí)際意義見表1。

圖2 升船機(jī)設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)

表1 系統(tǒng)Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖符號意義

3 升船機(jī)設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)仿真模型研究

3.1 系統(tǒng)仿真模型的建立

根據(jù)上述系統(tǒng)的概念模型和對升船機(jī)設(shè)備供貨、裝配、調(diào)試過程中的不確定性因素分析，結(jié)合升船機(jī)的基本布置形式，運(yùn)用專業(yè)的仿真軟件witness對升船機(jī)設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)進(jìn)行了建模，系統(tǒng)仿真模型的界面如圖3所示，圖中左半部分為實(shí)體運(yùn)行模塊，右半部分為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊。

圖3 升船機(jī)設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)仿真模型界面

3.2 實(shí)例分析

此實(shí)例為一旅游用升船機(jī)設(shè)備制造安裝工程，其施工過程中的施工計(jì)劃如圖4所示。

圖4 某升船機(jī)施工進(jìn)度計(jì)劃

將圖4中升船機(jī)各組成設(shè)備安裝調(diào)試的時(shí)間導(dǎo)入到仿真模型中，以工作日為模型運(yùn)行單位，假設(shè)安裝隊(duì)完成每項(xiàng)安裝調(diào)試任務(wù)的時(shí)間滿足(計(jì)劃時(shí)間，49)正態(tài)分布，并以完成一次升船機(jī)的安裝調(diào)試作業(yè)為模型運(yùn)行終點(diǎn)，分別按以下3種工況運(yùn)行仿真模型。

工況一：一組安裝隊(duì)伍進(jìn)行現(xiàn)場安裝調(diào)試，升船機(jī)各設(shè)備的進(jìn)場時(shí)間間隔滿足(10，15)的均勻分布；

工況二：兩組安裝隊(duì)伍進(jìn)行現(xiàn)場安裝調(diào)試，升船機(jī)各設(shè)備的進(jìn)場時(shí)間間隔滿足(10，15)的均勻分布；

工況三：一組安裝隊(duì)伍進(jìn)行現(xiàn)場安裝調(diào)試，升船機(jī)各設(shè)備的進(jìn)場時(shí)間間隔滿足(15，20)的均勻分布。

運(yùn)行結(jié)果見表2。

表2 仿真模型的運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

其中：M1～M12分別表示船廂室二期埋件、上閘首門槽、下閘首門槽、主提升二期埋件、上閘首門體、下閘首門體、承船廂、液壓設(shè)備、主提升設(shè)備、平衡重軌道、配重體、電氣設(shè)備從到達(dá)施工現(xiàn)場至開始安裝的等待時(shí)間，∑M=M1+M2+…+M12，T表示升船機(jī)安裝調(diào)試的工期，即從設(shè)備發(fā)貨到升船機(jī)完成調(diào)試的時(shí)間。

通過仿真數(shù)據(jù)可以看出：

工況二的工期比工況一的工期短，因此增加安裝調(diào)試的隊(duì)伍、增加安裝調(diào)試的人數(shù)或者將設(shè)備現(xiàn)場安裝的工作也分包給設(shè)備廠商，有利于縮短工期，但是由于增加安裝隊(duì)的數(shù)目或人數(shù)所造成的安裝成本的增加及窩工補(bǔ)償應(yīng)當(dāng)予以考慮。

工況三中設(shè)備進(jìn)場后等待時(shí)間的總和比工況一小，施工工期相差不大，因此項(xiàng)目管理者應(yīng)當(dāng)對設(shè)備供應(yīng)商發(fā)貨的時(shí)間進(jìn)行控制，防止設(shè)備提前進(jìn)場而造成的設(shè)備維護(hù)管理費(fèi)用的增加。

4 結(jié)論

在離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論的指導(dǎo)下，深入研究了升船機(jī)供貨、裝配、調(diào)試過程中的生產(chǎn)組織問題，建立了相關(guān)的分析模型，主要成果有：①基于Petri網(wǎng)建模方法，結(jié)合升船機(jī)設(shè)備組成及其裝配調(diào)試過程流程分析，建立了升船機(jī)設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)的概念模型。模型描述了生產(chǎn)實(shí)體裝配流、生產(chǎn)調(diào)度指令流、各種事件、系統(tǒng)狀態(tài)等復(fù)雜的邏輯關(guān)系；②基于系統(tǒng)仿真技術(shù)和概念模型，結(jié)合某升船機(jī)施工現(xiàn)場安裝調(diào)試的實(shí)例，考慮多個(gè)隨機(jī)變量與分布，建立了升船機(jī)設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)的仿真模型；③基于仿真模型，進(jìn)行了多種工況條件的仿真試驗(yàn)研究，研究了安裝隊(duì)伍、設(shè)備進(jìn)場時(shí)間的組織調(diào)度與升船機(jī)裝配調(diào)試效率和成本的關(guān)系問題，提出優(yōu)化的調(diào)度策略。為升船機(jī)制造安裝工程縮短工期、合理利用現(xiàn)場資源提供了的技術(shù)參考。