分析全過程動態仿真技術及其在水利水電工程施工中的應用

■姜 振 ■河南省中原水利水電工程集團有限公司，河南 濮陽 457000

早在20 世紀80 年代CYCLONE 模型即應用于地下廠房系統仿真中，此模型雖然已比較完善，但仍然存在較多問題，比如其建模較為復雜;對工程整體進度的分析與安排能力較為缺乏［1］。而CPM 模型較之于CYCLONE 模型則更為簡便、實用，目前已得到很多工程管理者的認可。但其對處理具有CYCLONE 特征的施工項目時往往很難如實反映施工過程的不確定性。本文主要對全過程仿真技術、CPM 模型以及CYCLONE 模型其仿真原理、基本思想、仿真建模等幾方面作了初步分析，以期為其不斷優化與完善提供參考。

1 全過程動態仿真技術

1.1 基本思想

全過程動態仿真技術將數值仿真技術與網絡計劃分析相融合，有助于對施工過程的整體仿真計算、分析、制定施工計劃、對機械設備進行優化配置、為工程施工的組織與設計提供科學依據。其對CPM 與CYCLONE 模型的優點加以融合，對工程項目的整體進度進行計劃與分析，利用CYCLONE 模型對施工工期以及資源利用率等工程情況進行仿真分析。前者主要面向用戶，應用較廣泛，人們了解及建模均較為簡便，而后者則屬底層技術，通過為CPM 提供接口來建立模型，有效克服了CYCLONE 模型的復雜性，兩大模型相互補充，對整個工程施工進度進行仿真分析。

1.2 仿真原理

此系統可分為連續性與離散性兩大系統。連續性系統隨時間而連續變化;離散性系統則僅在特定的時間點產生跳躍性變化［2］，施工系統仿真則屬于離散性系統。離散性系統主要用于對“模擬時間”的運行軌跡加以體現。全過程仿真技術因其采用了兩大不同層次的建模技術，因而其仿真過程中會設置兩個仿真鐘:即本地仿真鐘與全程仿真鐘。其中全程仿真主要是對CPM 模型進行仿真，采用時間步長法進行推進;而本地仿真鐘則是對CYCLONE 模型進行仿真，采用的也是時間步長法進行推進。當全程仿真鐘檢測到將有事件發生時，此仿真鐘則保留當時狀態，并將控制權交予CYCLONE 層，本地仿真鐘啟動，并將模型設置成初始狀態。將施工開始時間設置為本地仿真鐘的零點，并從該時刻開始將時間步長向前推薦一個△t，而后對模型中所有節點加以掃描，檢測是否存在滿足該條件的活動會發生，與此同時，對各類資源使用情況進行跟蹤。若有活動發生，則被認為是發生在△t 的終止處，而系統狀態也會隨之改變，對各類資源使用時間或者空閑時間進行統計，上述作法保持重復直至項目工程結束，而后將控制權交還給全程仿真鐘，并將本地仿真鐘的相應狀態、資源利用情況等相關信息一并返還給全程仿真鐘，將其作為當前時間仿真結果加以保存。而后全程仿真鐘保持推進，并重復上述作法直至工程項目整體結束。最后對仿真結果進行專業分析與計算，并將施工進度安排、關鍵路線、橫道圖、施工高峰期、施工強度以及資源利用情況等相關情況輸出，至此仿真流程全部完成。

1.3 仿真建模及其在水利水電工程施工中的應用

(1)CPM 網絡層仿真模型的構成

CPM 模型主要由矢線、節點與屬性組成。其節點有3 中不同圖示符號分別對不同狀態、功能進行表示。節點一般用以表示施工中可確定的或較簡單的工序，無CYCLONE 模型層;而仿真節點則用于對施工中較復雜或尚未確定的工序進行表示，具有CYCLONE 層模型，全程仿真鐘轉至該節點時則會轉入CYCLONE 層模型繼續進行仿真計算;滯后節點用于表示工序之間的時間限制關系，即某工序須在另一工序開始后方可開始。矢線主要用于表示各節點間時間與空間的邏輯關系，即是說箭頭節點須在箭尾節點完成后方可發生，節點本身對時間資源不消耗，類型不同的節點屬性也不同［3］。一般節點大致包括時間分布類型、持續時間以及施工量等，而仿真節點則大致包括設備參數、地址參數以及施工條件等。

(2)CYCL0NE 仿真模型的構成

CYCLONE 模型中總共定義了5 種特定的圖示符號來對各種狀態進行描述，并根據邏輯關系與施工作業用矢線將其連接起來，將其加入控制機制并構造出相應的圖示模型來表現施工的實際過程。CYCL0NE模型主要由矢線、流水單元和節點構成。其中，流水單元指的是在該系統中不斷流動及進行狀態交換的各類實體，以及進行作業需要的各類資源實體。矢線則用于表示各流水單元活動順序與流動方向的邏輯關系，其本身并不產生時間消耗。節點共分為5 類不同的圖示符號分別用于對不同狀態或功能進行表示。進行CYCLONE 模型構建時需對其反復進行修改，直至其與實際系統基本相符時則為最終的CYCLONE模型。

(3)全過程動態仿真模型的構建

全過程仿真動態模型的構建與單代號網絡圖的建立極為相似。首先應明確施工過程中各工序間時間與空間上的邏輯關系，而后合理利用矢線、節點將其表示出來。在此模型的構建過程中應著重注意以下幾個問題:①首節點與尾節點各為一個，既不能增加，也不可減少;②邏輯關系不可出現違反的情況，比如環路;③不可出現相同編號。

2 仿真模型構建結果及優化

本文作者在利用全過程動態仿真模型對地下廠房系統施工進行全過程動態仿真分析與計算，既獲得了較為科學合理的工程施工進度安排計劃、機械設備的優化配置可行性方案，又獲得了詳盡全面的項目施工信息，比如施工強度、資源利用率、正處于施工狀況的工作面以及施工道路系統的行車情況等諸多相關信息，并自動輸出資源強度柱狀圖及具有邏輯關系的橫道圖等計算結果。水利水電工程項目多建于高山峽谷間，因而其施工條件較為復雜，施工工程極具不確定性。全過程動態仿真技術的應用為復雜的水利水電工程施工的分析與計算提供了一個科學有效的計算工具。此技術將數值仿真技術與網絡計劃分析成功融合，并從整體觀點出發對整個工程施工進行全程仿真分析、計算，有助于水利水電工程施工的順利進展及按時按質完成。

3 總結

全過程動態仿真技術以CPM 模型為框架并將CYCLONE 模型相融合，對兩大模型的優點加以充分利用，為水利水電工程施工進行全過程仿真分析與計算，極大地提高了整個項目施工進度的合理安排、機械設備的優化配置、資源利用率的科學性［4］。既克服了CYCLONE 模型的局限性，又對CPM 模型的優點加以充分利用，兩大模型取長補短，更好地為水利水電工程施工進行仿真分析與計算提供操作平臺。

［1］鐘登華，李景茹，鄭家祥.全過程動態仿真技術及其在水利水電工程施工中的應用［J］.水利水電技術，2002，33(9):22-24.

［2］高峰.全過程動態仿真技術及其在水利水電工程施工中的應用分析［J］.科學與財富，2014，38(12):305.

［3］華劍寶.三維建模與仿真技術在水利水電工程施工中應用探討［J］.建材與裝飾，2013，7(32):169.

［4］洪玲.動態模擬施工導流在水利水電工程中的應用［J］.中國新技術新產品，2012，26(4):46.