基于仿真的長(zhǎng)距離引水隧洞施工全過(guò)程進(jìn)度實(shí)時(shí)控制與可視化分析研究

胡連興，佟大威，焦 凱

(1．天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072;2．二灘水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，成都 610021)

1 前言

長(zhǎng)距離引水隧洞常具有埋深大、洞線長(zhǎng)、洞徑大和工程地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)。傳統(tǒng)施工進(jìn)度控制一般是依據(jù)開(kāi)工前所制定的施工組織設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行的，而在實(shí)際施工過(guò)程中，內(nèi)外環(huán)境和各種約束條件可能發(fā)生變化，使原定的施工進(jìn)度計(jì)劃與實(shí)際施工進(jìn)程不可避免地產(chǎn)生偏差，這種偏差如不及時(shí)糾正，將會(huì)越來(lái)越大，以致原計(jì)劃進(jìn)度起不到指導(dǎo)實(shí)際施工的作用。文章利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、控制論思想和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提出了基于仿真的長(zhǎng)距離引水隧洞施工全過(guò)程進(jìn)度實(shí)時(shí)控制與可視化分析方法，對(duì)實(shí)時(shí)控制施工進(jìn)度提供可行性研究和科學(xué)依據(jù)，確保項(xiàng)目管理人員準(zhǔn)確、迅速地進(jìn)行施工項(xiàng)目管理。

2 基于仿真的長(zhǎng)距離引水隧洞施工全過(guò)程進(jìn)度實(shí)時(shí)控制原理

2．1 施工全過(guò)程仿真原理

長(zhǎng)距離引水隧洞施工全過(guò)程仿真技術(shù)融合網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃分析和數(shù)值仿真技術(shù)于一體，利用CPM(critical path method，關(guān)鍵路徑法)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)和循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)［1］(cycle operation network，CYCLONE)，并結(jié)合優(yōu)化技術(shù)，對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算和優(yōu)化分析。

長(zhǎng)距離引水隧洞仿真采用系統(tǒng)仿真的辦法。系統(tǒng)分為連續(xù)性系統(tǒng)和離散系統(tǒng)［2］。前者是指系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間呈連續(xù)性變化，后者是指系統(tǒng)狀態(tài)僅在有限的時(shí)間點(diǎn)發(fā)生跳躍性變化。對(duì)于工程施工系統(tǒng)，研究施工過(guò)程的變化與發(fā)展時(shí)，使用離散系統(tǒng)進(jìn)行仿真已經(jīng)足夠了［3］。

離散系統(tǒng)仿真是用“仿真鐘”［4］來(lái)體現(xiàn)“模擬時(shí)間”的運(yùn)行軌跡。仿真鐘采用時(shí)間步長(zhǎng)法推進(jìn)，以工序準(zhǔn)備施工狀態(tài)作為初始狀態(tài)，以開(kāi)始施工的時(shí)刻作為本地仿真鐘的零點(diǎn)，從該點(diǎn)開(kāi)始，向前推進(jìn)一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)Δt，檢測(cè)是否有滿足條件的活動(dòng)發(fā)生。如果有活動(dòng)發(fā)生，則被認(rèn)為發(fā)生在Δt的終止處，相應(yīng)地改變系統(tǒng)的狀態(tài)，重復(fù)上述做法直到該工序結(jié)束，并把本地仿真鐘的狀態(tài)及資源利用率等信息一同返回給當(dāng)前工序，作為當(dāng)前工序的仿真結(jié)果保存起來(lái)。依此辦法，按時(shí)間順序進(jìn)行推進(jìn)，對(duì)所有的仿真工序進(jìn)行仿真，直到整個(gè)工程結(jié)束。長(zhǎng)距離引水隧洞施工全過(guò)程仿真流程如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)距離引水隧洞施工全過(guò)程仿真流程Fig．1 Flow chart of long diversion tunnel whole construction process simulation

2．2 長(zhǎng)距離引水隧洞施工系統(tǒng)仿真建模

長(zhǎng)距離引水隧洞施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，為了降低建模的復(fù)雜性，提高建模的效率，文章采用層次化、模型化建模的思想［5］，根據(jù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)原理，將長(zhǎng)距離引水隧洞施工仿真模型劃分成兩個(gè)層次:控制層模型和實(shí)施層模型。控制層模型采用CPM網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)建立，稱為CPM網(wǎng)絡(luò)層模型;實(shí)施層模型采用循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)，稱為CYCLONE層模型。

2．2．1 CPM網(wǎng)絡(luò)層仿真模型的建立

控制層模型對(duì)應(yīng)著工程控制的基本單位——工序。工序作為一個(gè)基本控制單元，采用的施工方法、機(jī)械設(shè)備配置和人員等基本固定。長(zhǎng)距離引水隧洞施工控制層CPM網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)距離引水隧洞施工控制層CPM網(wǎng)絡(luò)模型Fig．2 CPM network model of long diversion tunnel construction control layer

2．2．2 CYCLONE層仿真模型的建立

實(shí)施層模型反映控制層工序的施工工藝。以上斷面開(kāi)挖為例，長(zhǎng)距離引水隧洞上斷面開(kāi)挖施工過(guò)程包括鉆孔、裝藥、爆破、通風(fēng)排煙、安全檢查、支護(hù)、出渣等工藝，每個(gè)工藝構(gòu)成實(shí)施層的一個(gè)模型單元。實(shí)施過(guò)程是循環(huán)往復(fù)的，采用循環(huán)網(wǎng)絡(luò)(CYCLONE)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行建模分析。針對(duì)不同的施工工序的施工特點(diǎn)，可以建立不同施工工序的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真模型，包括開(kāi)挖工序、襯砌工序和灌漿工序。圖3所示為開(kāi)挖工序施工CYCLONE層仿真模型。

2．2．3 仿真模型參數(shù)的分類與確定方法

仿真模型參數(shù)是仿真系統(tǒng)的重要組成部分，也是模型方案設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，參數(shù)的準(zhǔn)確性與有效性直接影響到模型有效性評(píng)價(jià)及仿真結(jié)果的可信性與可用性。長(zhǎng)距離引水隧洞施工系統(tǒng)仿真模型參數(shù)按照其性質(zhì)和來(lái)源方式可分為確定型模型參數(shù)、隨機(jī)型模型參數(shù)［6］。

1)確定型模型參數(shù)指那些在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不發(fā)生改變，且能夠客觀地反映原型系統(tǒng)運(yùn)行特征屬性的參數(shù)，如隧洞的斷面尺寸、出渣通道以及機(jī)械設(shè)備的有關(guān)性能指標(biāo)等。

2)隨機(jī)型模型參數(shù)指那些在仿真運(yùn)行過(guò)程中是不確定的，但可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法或隨機(jī)理論方法獲得的模型參數(shù)，如裝渣、卸渣時(shí)間等。文章研究了9種不同的隨機(jī)分布類型，其名稱及有關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 隨機(jī)分布類型的名稱及其參數(shù)Table 1 Designation and parameters of the random distribution

2．3 基于仿真的實(shí)時(shí)進(jìn)度控制方法分析

2．3．1 進(jìn)度偏差比較分析方法

長(zhǎng)距離引水隧洞實(shí)際進(jìn)度信息一般比較散亂，沒(méi)有一個(gè)整體的概念，如果把這些信息反映到圖表上，就可以直觀、全面地了解實(shí)際進(jìn)度信息。文章采用進(jìn)度狀態(tài)向量和進(jìn)度動(dòng)態(tài)曲線［7，8］(前鋒線法)兩種方法來(lái)描述實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度之間的偏差。

圖3 開(kāi)挖工序施工實(shí)施層CYCLONE模型Fig．3 CYCLONE model of drill-blasting process construction implementation layer

1)進(jìn)度狀態(tài)向量。在進(jìn)度控制中，任意時(shí)刻的工作狀態(tài)有三種可能，一是未開(kāi)始，二是已完成，三是正在進(jìn)行。

設(shè)狀態(tài)變量mit表示在t時(shí)刻第i項(xiàng)工作ai的狀態(tài)，則有:

假設(shè)工程共有n個(gè)工序，則在t時(shí)刻所有工作狀態(tài)的集合構(gòu)成了一個(gè)狀態(tài)向量mt:

該向量中的元素只由－1、0、1構(gòu)成，mt為實(shí)際進(jìn)度狀態(tài)，即在t時(shí)刻工程中各項(xiàng)工作實(shí)際達(dá)到的進(jìn)度狀態(tài)。為計(jì)劃進(jìn)度狀態(tài)，即在t時(shí)刻工程中各項(xiàng)工作計(jì)劃達(dá)到的進(jìn)度狀態(tài)。dt為t時(shí)刻實(shí)際進(jìn)度狀態(tài)與計(jì)劃進(jìn)度狀態(tài)之差異，設(shè):則dt中各元素有5種可能的值:

從工程開(kāi)始到當(dāng)前時(shí)刻的所有檢查點(diǎn)的狀態(tài)向量集合，可以構(gòu)成進(jìn)度狀態(tài)矩陣和偏差矩陣。其中計(jì)劃進(jìn)度狀態(tài)矩陣為，實(shí)際進(jìn)度矩陣為，而進(jìn)度偏差矩陣上述矩陣反映了施工進(jìn)度計(jì)劃的執(zhí)行過(guò)程，對(duì)于工程計(jì)劃執(zhí)行情況的評(píng)價(jià)和施工狀態(tài)的預(yù)測(cè)提供了科學(xué)依據(jù)。

2)進(jìn)度動(dòng)態(tài)曲線(前鋒線法)。前鋒線比較法是通過(guò)繪制檢查時(shí)刻工程實(shí)際進(jìn)度前鋒線進(jìn)行實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度的偏差比較。所謂前鋒線是指在原時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃上，從檢查時(shí)刻的時(shí)標(biāo)點(diǎn)出發(fā)，依次將各項(xiàng)工作實(shí)際進(jìn)展位置點(diǎn)連接而成的折線，如圖4所示。

2．3．2 基于仿真的施工實(shí)時(shí)進(jìn)度控制與預(yù)測(cè)方法

基于仿真的施工進(jìn)度實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)［9］是指根據(jù)任意時(shí)刻的實(shí)際施工情況，運(yùn)用施工過(guò)程循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)，對(duì)剩余的工程施工過(guò)程進(jìn)行仿真，確定剩余工程的工期以及各工序的時(shí)間參數(shù)，預(yù)測(cè)將來(lái)工程的施工進(jìn)度。基于仿真的施工進(jìn)度實(shí)時(shí)控制分析流程如圖5所示。

圖4 前鋒線比較法示意圖Fig．4 Schematic diagram of the front line

圖5 基于仿真的施工進(jìn)度實(shí)時(shí)控制分析流程圖Fig．5 Real-time control flow chart of the construction schedule based on simulation

3 長(zhǎng)距離引水隧洞施工實(shí)時(shí)進(jìn)度可視化仿真方法

3．1 基于VR－Platform的實(shí)時(shí)進(jìn)度可視化仿真機(jī)制

長(zhǎng)距離引水隧洞施工實(shí)時(shí)進(jìn)度可視化仿真采用VC++作為仿真計(jì)算平臺(tái)，VR－Platform SDK作為三維圖形引擎，通過(guò)仿真計(jì)算與SDK的實(shí)時(shí)交互來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互式仿真［10］。長(zhǎng)距離引水隧洞施工進(jìn)度實(shí)時(shí)交互式仿真與控制系統(tǒng)如圖6所示，它由仿真計(jì)算數(shù)據(jù)、三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)仿真程序和實(shí)時(shí)交互程序等幾個(gè)部分組成。

3．2 施工進(jìn)度實(shí)時(shí)交互式仿真系統(tǒng)的運(yùn)行控制

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行交互控制，就要使用戶不僅可以對(duì)真實(shí)施工場(chǎng)景進(jìn)行觀察和參與，還能對(duì)仿真系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行控制［11］。在實(shí)時(shí)交互式仿真系統(tǒng)中，用戶可以實(shí)時(shí)地參與仿真系統(tǒng)的運(yùn)行，身臨其境地體會(huì)系統(tǒng)狀態(tài)的變化過(guò)程，并做出交互控制。真實(shí)場(chǎng)景下的施工系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互式仿真與控制原理如圖7所示。

圖6 長(zhǎng)距離引水隧洞施工進(jìn)度實(shí)時(shí)交互式仿真與控制系統(tǒng)框架Fig．6 Frame diagram of the construction schedule interactive simulation

圖7 真實(shí)場(chǎng)景下的施工系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互式仿真與控制原理Fig．7 Interactive simulation and control principle of the construction system based on real scene

4 工程實(shí)例分析

4．1 工程概況

某電站長(zhǎng)距離引水隧洞群位于我國(guó)西南地區(qū)，該工程引水隧洞群的單洞長(zhǎng)約16．67 km，開(kāi)挖洞徑為12．4 ～13．8 m，最大埋深達(dá) 2525 m。長(zhǎng)距離引水隧洞群工序工作量大，相互間影響巨大，加之復(fù)雜的地質(zhì)條件，增加了執(zhí)行施工進(jìn)度的風(fēng)險(xiǎn)。文章以1#引水隧洞為例，對(duì)1#隧洞進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與可視化分析。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，至2011年3月，施工進(jìn)度嚴(yán)重滯后，按照原施工進(jìn)度計(jì)劃達(dá)不到2012年年底首臺(tái)機(jī)組發(fā)電的要求，需要通過(guò)實(shí)時(shí)仿真控制后續(xù)施工進(jìn)度計(jì)劃，確保工程按時(shí)完工。

4．2 成果分析

利用施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真與可視化分析方法，可得到以2011年4月1日作為實(shí)時(shí)控制節(jié)點(diǎn)的1#引水隧洞后續(xù)工序施工進(jìn)度計(jì)劃。

4．2．1 仿真計(jì)算成果

1)1#引水隧洞完工日期。至2012月12月13日，1#隧洞開(kāi)挖、襯砌和灌漿施工完成，具備通水條件。

2)施工關(guān)鍵路線。包括4月份節(jié)點(diǎn)工期、輔3－1－西上斷面、輔3－1－西下斷面、5#底拱臺(tái)車安裝、輔3－1－西邊頂拱襯砌、7#橫通道－輔3洞段襯砌完成、剩余洞段開(kāi)挖、剩余洞段襯砌、1#洞灌漿、1#洞橫通道封堵與清淤、1#洞具備充水條件。

3)1#引水隧洞后續(xù)工序施工橫道圖。通過(guò)對(duì)施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)仿真和實(shí)時(shí)控制的反復(fù)調(diào)整，可以得到后續(xù)工序施工的橫道圖，如圖8所示。

4．2．2 長(zhǎng)距離引水隧洞實(shí)時(shí)進(jìn)度可視化仿真成果

利用VR－Platform三維互動(dòng)仿真平臺(tái)，結(jié)合長(zhǎng)距離引水隧洞的實(shí)時(shí)進(jìn)度，可以得到截至2011年4月1日的可視化仿真成果。文章以上斷面開(kāi)挖進(jìn)度為例，如圖9所示。

圖8 1#引水隧洞施工進(jìn)度實(shí)時(shí)控制橫道圖Fig．8 Construction schedule real-time control bar chart of diversion tunnel 1

圖9 長(zhǎng)距離引水隧洞施工進(jìn)度可視化仿真分析圖Fig．9 Construction schedule visual simulation analysis chart of the long distance diversion tunnel

5 結(jié)語(yǔ)

文章提出了基于仿真的長(zhǎng)距離引水隧洞施工全過(guò)程進(jìn)度實(shí)時(shí)控制與可視化分析方法。通過(guò)對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真分析，可以得到任意時(shí)刻后續(xù)的施工進(jìn)度計(jì)劃，包括后續(xù)施工的關(guān)鍵路線、橫道圖等仿真成果;通過(guò)基于VR－Platform的實(shí)時(shí)進(jìn)度可視化分析，可以實(shí)時(shí)得到任意時(shí)刻的三維進(jìn)度形象面貌，包括開(kāi)挖進(jìn)度、襯砌進(jìn)度和灌漿進(jìn)度等。通過(guò)上述方法可以使項(xiàng)目管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理實(shí)際施工中出現(xiàn)的問(wèn)題，預(yù)測(cè)后續(xù)施工進(jìn)度。實(shí)例研究表明該方法可為工程項(xiàng)目實(shí)時(shí)控制提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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