基于循環網絡技術的水利圍堰施工運輸系統仿真模型設計

趙偉超 何志凱

（青州水建工程建設有限公司，山東 青州 262500）

0 引言

在水利工程施工之前，建造臨時圍堰構造，不僅能防止水土進入建筑，還能為基坑施工提供有利條件。在水利圍堰施工過程中，運輸系統需要負責工程建設的物料調運與管理，既要滿足圍堰施工需求，又要縮短物料運輸時間，是控制施工進度與施工成本的關鍵因素。如何合理規劃和組織施工現場的交通運輸系統已成為工程精細化施工的基本要求。

水利圍堰使用常規的模型很難擬合運輸系統的運輸環境[1]。循環網絡技術，是在卷積神經網絡基礎之上的設計技術，對于深度分析運輸系統的時間序列具有重要意義[2]。通過分析循環神經網絡的運輸軌跡，可以找出水利圍堰施工運輸系統的關聯軌跡，進而預測出可能出現的情況，調整出更加符合實際需求的模型。因此，本文利用循環網絡技術設計水利圍堰施工運輸系統的仿真模型，旨在減少不確定因素對施工運輸系統的影響，縮短施工材料的運輸時間，為工程高效開展奠定基礎。

1 基于循環網絡技術的水利圍堰施工運輸系統仿真模型設計

1.1 確定水利圍堰施工運輸線路的幾何特征

在水利圍堰施工物料運輸的過程中，運輸系統會呈現出幾何運輸路線，該路線是位于空間的曲線，運輸路段分別為右岸上游路段、右岸下游路段、左岸上游路段、左岸下游路段，每個運輸路段的運輸方向也會不同[3]。本文選取2～14km 作為運輸路徑，運輸時間為1～10min，由此得出的水利圍堰施工運輸系統的集合運輸路徑如圖1所示。

從圖1 可知，E 點與F 點分別為右岸與左岸的中心點，E 點與F 點上的四個箭頭表示物料運輸線路的方向。其中，E 點運輸線路的方向屬于對向；F 點運輸線路的方向屬于同向。在路徑為4～10km 范圍時，運輸路段相同，運輸時間也保持相同。因此，在分析水利圍堰施工運輸系統的幾何特征時，以0～4km，10～14km的范圍為主。對于施工運輸車輛而言，施工路段不存在其他車輛，車輛之間距離也相對較遠，在車輛本身性能支持并符合道路限速的前提下，車輛的因素可以忽略不計。

圖1 施工運輸系統的集合運輸路線

1.2 劃分運輸系統施工條件

施工物料運輸是影響施工進度計劃的關鍵因素，在最短的時間內運輸最多的物料是施工的核心標準[4]。具體來講，水利圍堰施工運輸系統的運輸流程為：物料裝車—岔口排隊—卸車排隊—物料卸車—岔口排隊—裝車排隊—物料裝車。此過程是一個循環過程，物料裝車到物料卸車階段屬于重車運行；物料卸車到重新裝車階段屬于空車返回。對于運輸系統而言，整體運輸過程分為施工材料子系統、道路子系統、物料來源子系統，以及運輸機械與裝載機械子系統[5]。其中，施工材料子系統是主導運輸的系統，運輸時間、運輸機械與裝載機械子系統、物料來源子系統等均會受到施工材料子系統的影響；道路子系統具有分辨運輸途中的岔口與路段的作用；物料來源子系統可以反映施工材料的來源與歸宿，在運輸過程中可以分門別類地運輸，減少材料混淆的現象；運輸機械與裝載機械子系統具有設定施工物料種類、運輸周期、運輸量以及裝配裝載機械的作用。

1.3 基于循環網絡技術規劃運輸系統的最短路徑

循環網絡技術具有完善模型功能的作用，傳統的仿真模型中不能存儲較多的歷史信息，但是模型使用的過程中會出現結果序列不穩定的現象[6]。就施工運輸系統的歷史位置來講，如果使用傳統的仿真模型，部分歷史位置會出現空缺，預測模型中存在問題時具有一定的誤差，影響運輸系統規劃最短運輸時間的效果[7]。運輸系統的最短擇路標準是仿真模型設計的關鍵指標，本文以系統擇路規則為第一原則；并將車輛運行路線最短作為第二原則；按照物料運輸性質擇路作為正向強制性原則；按照物料需求量控制作為第一逆向強制性原則；物料存儲量控制作為第二逆向強制性原則。根據以上原則可以得出運行路線的表達式如下：

式中：Mi(σi)——施工物料運輸最佳路徑的表達式，其中i為常數，σi為運輸距離；

M1(σ1)——不同的物料運輸目的地；

M2(σ2)——通過規劃運輸最短路徑；

Mn(σn)(σn+1)——可以最大限度地縮短施工材料運輸時間，提高施工物料的運輸效率。

1.4 構建水利圍堰施工運輸系統仿真模型

為了構建水利圍堰施工運輸系統仿真模型，本文首先確定出水利圍堰施工運輸線路的幾何特征，了解運輸系統中存在的不確定因素；其次，劃分運輸系統施工條件，分析運輸系統的實際運輸流程；最后，規劃出運輸系統運輸的最短路徑，縮短運輸時間。以上述條件為基礎，可以設計出一個完善的仿真模型。本文構建的模型基礎是循環網絡技術，通過集合運輸系統重要位置序列的構成軌跡，形成模型的表達式如下：

式中：Msimulate——仿真模型表達式；

k——運輸系統重要位置；

c——構成軌跡的中心點；

C(k)——軌跡集合中含有重要位置k的結合；

Jaggregate——軌跡集合；

k(c|k;σi)——模型的條件向量；

evc·vk——c與k的列向維度；

c′——c的變化量。

通過仿真模型的設計可以優化運輸系統的運輸路徑，進一步縮短運輸時間，對于提高水利圍堰施工效率具有重要作用。

2 仿真試驗

為了驗證本文設計的仿真模型是否具有實用價值，本文搭建了一個仿真平臺進行測驗。首先，按照現實條件布置水利樞紐與工程量，保證仿真平臺測試的真實性；其次，模擬水利圍堰施工進度、運輸線路、道路標準等條件，為仿真實驗提供科學依據；最后，還原出水利圍堰工程的周圍環境，在滿足所有運輸條件的基礎上進行試驗。

2.1 試驗過程

在進行試驗之前，按照實際水利圍堰工程施工條件在仿真平臺上1∶1 還原。利用計算機技術，將圍堰的迎水面邊坡橫縱比設置為2∶1，基坑側邊坡比例在2∶3左右。在此基礎上，將圍堰使用的材料進行調整，保證圍堰施工材料的運輸完整性。對于水利圍堰施工進度、運輸線路、道路標準等條件而言，需要作出簡單的規劃，將施工進度設定為施工前期；運輸線路選取為500～5000m 之內的隨機路段；道路標準以常規標準為主。由于水利圍堰施工工程量較大，施工強度也相對增高，施工運輸環境的布置需要滿足所有施工需求。本文根據水利圍堰工程環境進行仿真模擬，將工程右岸上下游與左岸上下游的道路空間進行設置。

其中，右岸上游道路主要負責圍堰施工材料的運輸，左岸下游道路主要負責填筑材料的運輸，并在運輸系統將各個路段進行編號，編號的規則以首字母為主，右岸上游路段的編號為RO（Right On）；右岸下游路段的編號為RL（Right Lower）；以此類推，左岸上游路段的編號為LO（Left On）；左岸下游路段的編號為LL（Left Lower）。各個運輸道路在相應岔口位置設置相應的編號，保證運輸路徑的正確性。考慮到實際施工環境會受到天氣、氣候等自然條件的制約，實際施工過程不可能一直處于工作狀態。因此，本文使用與現實相同的工作時間。每天的有效工作時間為12h，每月的有效工作天數為26d。在所有前提條件均模擬好之后，即可開始實驗。

2.2 試驗結果

在上述試驗條件下，本文在搭建出的仿真平臺上對水利圍堰施工運輸路徑進行仿真，設定運輸路徑為500m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m。以此為前提，將傳統水利圍堰施工運輸系統仿真模型規劃的最短運輸時間，與本文設計的仿真模型最短運輸時間進行比較，實驗結果如表1所示。

表1 試驗結果

如表1 所示，路徑仿真時以500m 為間隔，分別在500m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m 的運輸路徑上進行最短時間規劃。在相同試驗條件下，傳統水利圍堰施工運輸系統仿真模型規劃的最短運輸時間較長，并會隨著路徑的延長而增加。其中，運輸時間最長的仿真路徑為5000m，最短運輸時間為25min45s；運輸時間最短的仿真路徑為500m，最短運輸時間為2min48s，直接影響水利圍堰施工運輸效果，進而耽誤施工周期。本文設計的仿真模型在運輸時間上更短，在仿真路徑為500～3000m 時，運輸時間會隨著路徑的增加而延長，但是仿真路徑超過3000m 之后，最短運輸時間會固定在7min31s 左右；在500m 左右的短距離施工路徑，最短運輸時間甚至可以低于1min，減少路徑對運輸時間的局限性，符合本文研究目的。

3 結束語

水利圍堰施工是水利工程安全施工的關鍵環節，受到技術水平與管理水平的限制，水利圍堰施工運輸系統成本較大。由于水利圍堰施工運輸系統結構相對復雜，影響因素較多，開放性較強，很多不確定性因素很容易影響到系統的運輸時間，進而耽誤施工進度。基于此，本文利用循環網絡技術，設計水利圍堰施工運輸系統仿真模型，通過仿真試驗的方式反映出運輸系統的真實過程，為實踐中提升運輸系統運輸效率提供借鑒。