全過程動態仿真技術在水利水電工程施工中的運用

■姚志華

（南充開放大學，四川 南充 637000）

早在20世紀80年代，循環網絡仿真（CYCLONE）技術就被用在了地下廠房系統仿真設計領域中，盡管CYCLONE技術的成熟度與完善性已經達到一定層次，但實際應用中也暴露出一些不足。比如，CYCLONE建模過程繁雜，一定要對工程及相關算法有全面了解，并需要豐富經驗和技巧，這些增加了CYCLONE技術普及應用難度，并且這種技術分析與部署整個實體工程進度的能力較弱。CPM為新時期工程領域常用的一種網絡計劃技術，具有簡潔、實用等特征，但對于有循環特點的工程項目，CPM通常結合既往經驗把工序持續時間設置成固定值，且很難呈現出現場施工的不確定性。鑒于以上情況，本研究做出應用全過程動態仿真技術的提議，疊合CPM和CYCLONE技術的優勢，實現對施工全過程的仿真計算與完善分析。

一、全過程動態仿真技術的概述

（一）基本思想

可以將該項技術視為CPM和CYCLONE技術的融合體，將其用于工程實踐中，能有效發揮仿真測算、分析等實用功能，為相關人員決策提供可靠的數據參照。近些年，這種技術在我國工程領域中已經實現了規模化應用，特別是在水利水電工程建造時，指導相關人員編制項目施工計劃、科學調配機械設備、完善施工設計方案等。在CPM和CYCLONE技術的協助下，工程技術仿真模式建設過程中有了更可靠的支持，也輔助了部分模型內容的完善工作，確保現場施工活動安全進度計劃有序推進。因為融合了CPM和CYCLONE模型優勢，能更充分地發揮實用功能。CPM模型有適用范圍廣、結構簡單及操作便捷等優點，CYCLONE模型屬于底層設計，全過程動態仿真吸納了以上兩種技術的優越性，把CPM模型作為構架，細化相關仿真節點的構成形式，轉變成CYCLONE模型狀態，充分應用兩種模型的優勢完善分層次結構模型的設計任務。

（二）原理分析

從宏觀層面上，可以把系統劃分成連續性與離散性系統兩大類型，前者最大的特點是伴隨時間的推移系統會連續發生改變，而后者則是在有限時間點上出現跳躍式改變。對于現代工程的施工系統而言，運用離散性系統研究施工過程改變及發展情況就足以了，這也就意味著工程施工系統仿真是屬于離散性系統仿真的范疇。離散系統仿真實踐中，基本理念是運用“仿真鐘”，利用其清晰地表現出“模擬時間”的運行軌跡。因為這種技術運用的建模技術由兩個層次構成，故而仿真過程中要分別布設兩個不同的“仿真鐘”，對應的分別是“本地仿真鐘”與“全程仿真鐘”；后者主要是仿真CYM網絡層運作軌跡，多應用時間步長法推進以上過程，其把某個設計的單位時間作為增量，即△t,每推進一個步驟就檢測檢驗、預測是否發生了相關事件，如果作出的是肯定達到，則就可以認定其發生在△t的終點位置，并且要對系統運行狀態作出整改，否則維持系統的初始狀態。“本地仿真鐘”也是采用時間步長法推進的，將工程準備施工狀態設定為原始狀態，零點即是開始施工的時刻[1]。由零點開始，各個時間步長△t向前方推進，借此方式掃描其模型內的全部節點，進而使實際條件符合項目實體的檢測活動，并追蹤各項工程資源的現場應用情況。如果能檢測出發生相關活動時，則認定其出現在△t終點處，隨后適度調整系統的運行狀態，統計各類資源的實際應用或者閑置時間。反復執行以上方法直到該項工程完工，隨后才把控制權移交給“全程仿真鐘”，“本地仿真鐘”的有關信息將會整合至當前事件內，統一保存結果數據。“全程仿真鐘”后期依然繼續推進，重復運行以上過程，直到整個工程項目完工，最后分析測算出相應的仿真結果，精準輸出，施工進度部署、施工高峰期等是常見的輸出信息內容。

二、仿真建模

（一）CPM模型的主要構成

節點、矢線以及屬性是CPM網絡模型的主要構成，其中節點自身具有3種圖示符號，利用其表示不同的狀態或功能（見圖1）[2]。其中，一般節點代表的是工程現場施工中簡易工序或者能確定下來的工序，未設置CYCLONE層模型；仿真節點用來表示項目施工中繁雜的或不確定性工序，具備CYCLONE層模型，當“全程仿真鐘”抵達該節點時會轉入到CYCLONE層模型執行相關仿真計算過程；滯后節點用來表示不同工序之間形成的時間限制關系，實質上就是要求某道工序一定要在另一道工序開始一段時間后再實施運行，比如在水利工程中，灌漿施作一定要在襯砌開始一段時間以后才進行。在該模型內關于不同階段在時間及空間上形成的邏輯關系，要求一定要在箭尾節點完成后才能發生箭頭節點，但其自身不損耗時間成本。不同類型節點持有的屬性有差異，其中一般節點可能涵蓋了連續時間、時間分布種類、施工作業量等屬性，工程現場施工條件、設備運行參數及水文信息等可能會成為仿真節點的基本屬性。

圖1 CPM網絡模型節點與矢線

（二）CYCLONE模型的構成

在該模型內設定了5種特殊的圖示符號去闡述不同的工程施工狀態，結合實際施作以及邏輯關系，利用矢線將其連接成一個整體，并融合運行控制機制，構建出圖示模型去闡述現場實際施工過程，流水單元、矢線和節點是CYCLONE模型的三大構成要素。針對CYCLONE模型的流水單元，其被定義成在系統內持續轉換與處于流動狀態的實物體，以及施工作業活動推進過程中所需要的各種資源，包括機具、勞動力、原材料及其他信息等。利用矢線表示不同流水單元的流動方向與活動先后次序的邏輯關系，同樣不消耗時間資源。節點存在著5種不同圖示符號，其呈現出的是不同的狀態或者功能（見圖2）。

圖2 CYCLONE模型節點圖示

一般節點（NORMAL）：通常用其表示單個非限制性工作項目以及主動狀態，當有流水單元抵達該節點時能夠實現自由進入其內，步入至工作狀態并且會維持一段時間（也可以被稱之為歷時）。

復合節點（COMBI）：適用于表示一個受到制約的工作內容。該節點運行過程中明確要求實際所需的資源條件統統被滿足以后，各個流水單元方能同時進到節點，并在一段時間內維持設計的工作狀態。

排隊節點（QUEUE）：闡述的對象以處于被動狀態的流水單元為主。當流水單元進入至該節點以后，就會快速轉變成等待狀態，等到其他排隊節點都滿足基本工作條件一會同時進到COMBI內。

職能節點（FUNCTION）：這類節點最大的特點是有將N個同類流水單元其組合成一個流水單元的完善化功能，通常采用CONNg表示，與其有倍數產生能力的QUEUE聯合應用。

控制節點（COUNTER）：監測、調控這類節點的主要功能，通過積累、統計整合至節點內的流水單元數去調控模型的仿真過程。

在創建CYCLONE過程中，工作人員先要掌握實體項目施工過程中的活動類型及不同活動之間形成的邏輯關系，活動推進過程中所需的流水單元、建模所需的各種參數，而后由模型的基本構成部分著手創建原始模型。筆者認為建模工作是一個系統化過程，需要屢次進行修訂，當經判斷確認被建模型和真實系統大體相符時，則將其認定成是最后的CYCLONE模型[3]。

（三）全過程動態仿真模型

這種模型的建設和單代號網絡圖之間有很大的相似度，工作人員要先掌握現場施工活動中不同工序之間在時間及空間上形成的邏輯關系，規劃出相配套的CPM模型，而后設計出模型內需要格外注意的仿真節點，建造出CYCLONE模型，隨后按照一定層次建立出完整的仿真模型。在具體建模過程中應注意如下幾點內容：一是首節點與尾節點均只能有一個；二是嚴禁出現與邏輯相違背的表示形式，比如環路；三是不可以出現相同的編碼；四是加強仿真節點的控制，盡量確保其精準度、真實性均處于較高的水平，只有這樣才能提高模型的仿真度，在實踐應用中創造出良好的效益。

（四）仿真模型構建結果及相關優化

1.結果

以水利水電工程作為研究樣本，創建了相對應的全過程動態仿真模型，利用其對項目施工全過程進行動態化的仿真計算與分析。工程實際應用過程中，其形成額度結果主要在如下應用中，其應用結果主要表現在：首先，相關人員根據動態仿真測算結果，更加科學地部署水利水電工程現場施工進度，進而在確保工程建設質量符合設計要求的基礎上，有序地推進施工進程。其次，結合施工仿真計算與分析結果，幫助相關工作人員更加科學、合理地調配機械設備，編制科學、詳細的物資調配方案。現代水利水電工程建設規模龐大、施工工序繁雜，合理選用設備是施工活動順利推進的重要保障，故而提升機械設備配置的合理性具有很大現實意義。最后，利用動態仿真及分析所得結果，能夠幫助有關人員更全面地了解實體工程施工信息，比如建材資源領用利用情況、施工難度及強度等諸多內容，這樣他們在做出相關決策時將會有更多實用信息作參照。

2.優化

新時期，國內很多水利水電工程項目被建設在高山、峽谷等地形復雜區段，現場施工環境條件極為惡劣，且在具體施工操作中容易遇到諸多不確定因素，輕則延誤工期，影響項目施工進度與質量，嚴重時則對現場工人生命安全構成威脅。在這樣特殊的工況下合理應用全過程動態仿真技術具有很大現實意義，其能動態仿真與計算工程整個施工過程，為工程管理、施工方案改進等提供可靠參照。為了把該項技術優勢發揮到最大化，有關工作人員一定要確立采用優化措施的思想意識。一是有針對性地優化項目施工環境，通過各種渠道采集區域環境有關信息等，和相應的仿真計算及分析結果進行整合，為決策工作推進創造便利條件；二是CPM、CYCLONE為該項仿真分析技術的主要構成，將其用于實體工程建設實踐中，工作人員要反復校對復核仿真結果，確保其精準無誤，輔助水利水電工程有序、安全施工過程。

三、工程實例

A工程引水發電系統（以下稱為地下廠房）應用鉆爆法施工建造，先組織工人進行開挖與襯砌頂拱操作，隨后對中間巖體開展分臺階施工活動。整個主廠房被細分成9層，統一是雙向施工，主變室則被分成4層，單向施工，尾調室共計被分成11層，5層之上應用的是雙向施工模式，剖面圖及臺階規劃情況見圖3[4]。本廠房系統應用了多工作面同時施工模式，布設了上、中、下三層通道出渣，其中上層通道負責執行主廠房上層局部（上1、上2）、主變室A層與B層等出渣任務，主廠房下層（下1—下4）及局部尾調室（6—11層）的出渣過程由下層通道執行。主廠房部分施工參數被統計在附表1內。

圖3 剖面及臺階規劃

（一）仿真模型

結合工程設計圖紙內不同洞室施工之間形成的連接關系及相互管束條件創建CPM模型，而后為該模型內的仿真節點選擇適宜的CYCLONE層模型。本文以主廠房模型作為實例進行分析，闡釋全過程動態仿真模型的建立情況（見圖 4）[5]。

圖4 全過程動態仿真模型

統一仿真模擬了主廠房各填筑單元，給各個填筑單元賦予一個時鐘值，仿真模擬過程可以做出如下闡述：首先，遍歷全部填筑單元的子時鐘值，探尋到子時鐘值最小的填筑單元，將其設定成主導實體，錄入和主導實體狀態相關的信息；其次，結合主導實體的填筑關注條件（上升高程、相鄰高差等）判別其狀態是否出現變化，若有所改變，則可以測算出其填筑開始、結束時間等參數；最后，重復以上過程，搜查下一個主導實體，直至全部填筑單元填筑模擬結束[6]。

（二）仿真結果統計與優化

本研究采用筆者所在團隊研發制造出的動態仿真軟件仿真計算了主廠房的整個施工過程，一方面順利地獲得了規范合理的施工進度計劃、機械設備配套方案，另一方面也較為全面地獲得不同時段的工程施工信息，比如正在施工建造的工作面，施工強度、設備利用效率，智能輸出相應圖形。通過仿真獲得本工程總工期82個月，在第3年5月初開始進行支洞施工，至第10年3月15日首臺機組成功發電，主廠房系統施工是項目的關鍵路線，附表2統計了部分仿真分析結果。

附表1 主要仿真參數統計（主廠房部分）

附表2 部分仿真結果統計（主廠房）

新時期，很多水利水電工程項目被建造在高山峽谷之間，現場施工條件極惡劣，施工過程中存在著諸多不確定因素，合理應用仿真技術，能協助相關人員更加科學地分析工程施工系統。全過程動態仿真技術把CPM作為基本框架，配合應用前期調封好的CYCLONE模型，打造出一個層次分明的模型結構，綜合分析整個工程進度計劃的實施情況，為工程決策提供可靠參照。