全過程動態仿真技術及其在大型工程施工管理中的應用

梁開明

摘 要：通過將網絡計劃和數值仿真技術融于一體的全過程動態仿真技術，它的框架是CPM網絡模型，并調用CYCLONE模型于框架中，使得整個模型結構有層次。CYCLONE模型只為CPM網絡層提供接口而不面向用戶，因為CPM對有循環特征的復雜工程的處理能力低且CYCLONE技術專業性太強，所以CYCLONE模型只為CPM網絡層提供接口而不面向用戶，通過兩者互補從而達到更方便適用。該技術的可行性在實際工程中的應用中得到了很好的驗證。

關鍵詞：全過程動態仿真；循環網絡仿真技術；關鍵路線法；施工管理

施工過程存在很多不確定因素，受氣溫、雨水等外界條件的限制，組織方式和施工水平等人為因素的影響，實際施工情況難以靠傳統的解析方法和經驗公式準確地分析，從而影響了施工機械的優化配置，施工進度高效安排，施工管理方案的經濟合理。

仿真技術于20世紀70年代開始應用在工程施工的系統分析。CYCLONE是最早廣泛應用在工程建設中仿真技術，至今已經比較成熟完善。網絡計劃技術中排隊論和仿真技術的應用，通過仿真時間隨機的循環施工過程，反映施工的運行過程。隨后一系列添加圖像建模功能，或者增加排隊優先等級擴展功能的仿真軟件發展起來。

通過對CYCLONE模型思想的借鑒，針對CPM網絡在隧道洞開挖、高層建筑物施工等帶有循環特征的工程項目時節點數量過多的問題，Senior等提出仿真模型PICASSO，PICASSO是面向工程計劃的，它在CPM網絡加入了資源節點，有效地減少了網絡節點數。并且通過加入循環控制的方法，使得循環特征的工程項目表達更簡化了。

PICASSO在大型工程項目應用中也發現了一些不足。在涉及執行步驟比較多時循環工作時，模型的建立十分復雜。此外，因為PICASSO借鑒了CYCLONE，建立PICASSO模型前需先掌握一定的CYCLONE建模經驗和技巧，這影響了PICASSO技術的廣泛使用。

針對以上問題出現了全過程動態仿真技術。融合數值仿真技術和網絡計劃分析于一體的全過程動態仿真技術，充分結合了CYCLONE對施工細節仿真的分析和CPM對工程總體分析的優勢，對整個施工過程進行仿真計算和優化分析。

1 全過程動態仿真技術

1.1基本思想

通過將網絡計劃和數值仿真技術融于一體的全過程動態仿真技術，它的框架是CPM網絡模型，并調用CYCLONE模型于框架中，使得整個模型結構有層次。CYCLONE模型只為CPM網絡層提供接口而不面向用戶，因為CPM對有循環特征的復雜工程的處理能力低且CYCLONE技術專業性太強，所以CYCLONE模型只為CPM網絡層提供接口而不面向用戶，通過兩者互補從而達到更方便適用。該技術的可行性在實際工程中的應用中得到了很好的驗證。

1.2仿真原理

系統分離散性系統和連續性系統，系統狀態在時間點上跳躍的是連續性系統。研究施工過程的變化發展的工程施工系統，通常采用離散系統。

“仿真鐘”用于體現“模擬時間”的運動軌跡，是離散系統仿真的基本概念。采用了兩個層次的建模技術的全過程動態仿真技術，同時設置了“全程仿真鐘”和“本地仿真鐘”。

全過程仿真鐘采用時間步長法推進又稱為固定增量時間推進法。它設定一個單位時間△T作為增量，通過檢驗每推進一步是否有事件發生來確定系統狀態是否改變。全過程動態仿真鐘在仿真鐘推進過程中，檢測到有仿真事件發生，仿真鐘會保持原有狀態，并交由CYCLONE層啟動本地仿真鐘，設置模型初始狀態。本地仿真鐘也采用時間步長法推進。它的初始狀態是該項活動準備施工時的狀態，零點是開始施工的時刻作。從零點開始，向前推進一個△T，掃描模型中的所有節點，檢測活動發生的條件是否滿足，并且對各種資源的使用情況進行跟蹤。D活動發生后，認定它們發生在△T的終止處。對應改變系統的狀態，統計資源的使用和空閑時間。然后循環至該項活動結束后把控制權交回全過程仿真鐘，并一同返回本地仿真鐘的狀態和資源利用情況等信息給當前事件，作為當前事件的仿真結果存儲。全程仿真鐘重復上述過程繼續推進，直到工程結束。最后分析計算仿真結果并輸出橫道圖、施工進度安排、關鍵路線、施工高峰期、施工強度和資源利用率等。

2仿真建模

2.1 CPM網絡層仿真模型的組成

CPM網絡模型由節點、矢線和屬性組成。節點：節點表示不同的狀態或功能分一般、仿真與滯后三種節點。一般節點：表示可以從經驗或資料統計知道施工持續時間的簡單工序。仿真節點：表示由仿真來確定施工持續時間的復雜工序。全過程仿真鐘在到達仿真節點時，仿真計算轉入CYCLONE層模型進行。滯后節點：表示某一工序必須在另一工序開始一段時間后才開始的工序間的時間限制關系，如磚砌開始一段時間才能開始灌漿。矢線：表示各節點與節點之間在時間和空間上的邏輯關系，即箭頭節點必須發生在箭尾節點完成后，時間資源不消耗。屬性：節點各自有不同的屬性。一般節點的屬性包括時間分布類型，施工量和持續時間等；仿真節點的屬性包括地質參數、設備參數和施工條件等。

2.2 CYCLONE仿真模型的組成

CYCLONE仿真模型由流水單元、矢線和節點組成。CYCLONE模型節點有五種圖示符號，按照施工作業，邏輯關系用矢線將它們連接起來，加入控制機制構造出圖示模型來表達實際施工過程.

3工程實例

3.1工程概況

某輸水工程，總長度86.8km，工程包含15條隧洞，根據進度要求以及施工組織設計，采用掘進機開挖其中兩條地質比較好的隧洞A和隧洞B，兩條隧洞合計長15.6km，采用鉆爆法開挖剩下的13條隧洞，現在以同屬于標段1的隧洞A和隧洞B為例說明全過程仿真技術的應用。隧洞A和隧洞B的具體工程資料詳見表1，以隧洞入口處的范圍坐標作為零點。

3.2仿真建模

本工程建模采用了CPM層網絡模型（圖三）和采用TBM法施工的CYCLONE層網絡模型（圖四）。

3.3仿真參數

本工程采用隧洞掘進機開挖隧洞A和隧洞B，其中掘進機的行程為1.0m，行走和重定位時間在5min-7min之間，服從均勻分布；裝渣采用卸料小車移動裝渣，后配套系統；CPM層模數參數與CYCLONE層模型參數詳表一與表二。

3.4仿真結果和分析

工期和關鍵路線，工程從2010年12月20日開始，2012年8月15日結束，工期20個月，每個月實際施工天數30天。采用仿真進度安排橫道圖表示關鍵路線及各項工作的進度安排.全過程仿真軟件可以在計算工期以及進度安排的同時得到掘進機開挖過程的詳細仿真數據。全過程仿真軟件分別針對兩段隧洞地質的條件變化情況，從進口端開始將隧洞劃分地質段，再按照不同的地質段計算掘進速度和掘進時間等參數。

4結語

通過全過程動態仿真技術可以科學有效地對工程特別是大型的復雜工程進行施工組織設計。全過程動態仿真技術將數值仿真技術和網絡計劃分析進行了很好的融合，做為框架的簡單的CPM網絡融合了能解決復雜工程的CYCLONE層模型，通過兩者互補從而達到更方便適用。在大量的實際工程中的應用證明了全過程動態仿真技術能有效的進行進度安排和資源管理，從中取得良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1] 熊光愣，彭毅 先進仿真技術與仿真環境[M] 北京：國防工業出版社.

[2] 鐘登華，鄭家祥，劉東海等 可視化仿真技術及其應用 [M] 北京：中國水利水電出版社.