三峽工程施工中的計算機仿真技術

鄭　瑛

摘要：三峽總公司在三峽工程二期混凝土大壩澆筑中開發(fā)了功能強大的計算機仿真系統(tǒng)，可以快速評價承包商作的施工總進度計劃，對技術措施進行定量分析，快速比較多種澆筑方案，對影響混凝土施工的各種因素作敏感性分析，對工程進度進行實時控制，還可對澆筑過程進行三維動態(tài)顯示等。三峽工程截流及圍堰工程施工過程的仿真研究，基于可視化技術及計算機圖形、圖像技術、多媒體技術等，以三維動態(tài)方式生動逼真地展示了截流、圍堰填筑施工全過程。

關鍵詞：計算機仿真；施工；三峽工程

計算機仿真技術應用于水電工程施工近30年，應用范圍從輔助施工組織設計擴展到結(jié)構(gòu)設計、三維動態(tài)顯示等，從仿真單一的混凝土壩澆筑到仿真土石壩施工、截流施工、地下工程施工等；應用目標從靜態(tài)的方案優(yōu)選發(fā)展到動態(tài)的實時控制等；從最初把仿真成果僅僅作為一種不重要的決策參考，逐漸發(fā)展成水電工程、尤其是大型水電工程規(guī)劃、設計和施工管理中不可缺少的技術手段。三峽總公司在三峽工程二期混凝土大壩澆筑中開發(fā)了功能強大的計算機仿真系統(tǒng)，可以快速評價承包商作的施工總進度計劃，對技術措施進行定量分析，快速比較多種澆筑方案，對影響混凝土施工的各種因素作敏感性分析，對工程進度進行實時控制，還町對澆筑過程進行三維動態(tài)顯示等。三峽工程截流及圍堰工程施工過程的仿真研究。基于可視化技術及計算機圖形、圖像技術、多媒體技術等，以三維動態(tài)方式生動逼真地展示了截流、圍堰填筑施工全過程。

1 大壩混凝土施工過程仿真

三峽工程大壩混凝土工程不僅量大，工序復雜，施工期長，影響和制約因素眾多，而且大型施工經(jīng)驗有限，國內(nèi)成熟的施工方案也不多。巨型工程的施啊，難免會出現(xiàn)許多不可預見的干擾因素，且在各種因素變化時，難以快速對大壩混凝十施工進行多方案比較及調(diào)整。三峽開發(fā)總公司通過委托有關科研部門，根據(jù)以往系統(tǒng)工程在大壩混凝土施工中應用的經(jīng)驗，通過對三峽工程的施工特性和需要的分析，運用現(xiàn)代科技管理技術．實現(xiàn)了快速制定大壩混凝土澆筑的施工進度計劃、合理地評價預先擬定的施工方案、實現(xiàn)進度計劃的適時監(jiān)控，為業(yè)主的重大決策提供了依據(jù)。

1.1 大壩混凝土施工過程仿真

大壩混凝土施工包括砂石料生產(chǎn)、混凝土拌和、混凝土運輸和混凝土澆筑4個子系統(tǒng)。在混凝土的澆筑過程中，壩區(qū)工作面的施工組織非常復雜，影響施工的因素眾多，除混凝土生產(chǎn)和澆筑的生產(chǎn)效率外，還有壩體結(jié)構(gòu)型式(孔洞、廊道)、氣候條件、壩體分縫分塊、相鄰高差、溫度控制措施、接縫灌漿、基礎處理、倉面處理等。

三峽二期大壩廠程混凝土施工，采用了高架門機、圓筒式門機、胎帶機、纜機、塔帶機等多種機械聯(lián)合作業(yè)。這些機械運行方式不同，生產(chǎn)效率不同，且投入使用的時間也不同，導致混凝上澆筑在時間和空間上均出現(xiàn)了互相交叉、互相干擾的情況，更增加了大壩混凝土澆筑施工組織的難度。在作施工組織設計時．需在設備使用基本原則的基礎上，根據(jù)壩面施工的具體情況，以及混凝土澆筑設備的丁作范圍、布置位置、使用時間，作出具體的設備配置安排。

通過收集、整理分析時間約束條件、大壩混凝土溫度控制、氣象條件、間歇時間、相鄰高差等大壩施工參數(shù)，遵循澆筑設備時鐘最小優(yōu)先原則、壩塊澆筑高程最低優(yōu)先原則、壩塊間隙時間最長優(yōu)先原則，建立壩體澆筑仿真計算的數(shù)學模型，實現(xiàn)狀態(tài)變量、決策變量與約束條件之間的數(shù)學邏輯關系的定量描述，通過狀態(tài)變量和決策變量的不斷改變．按照既定的澆筑規(guī)律和約束條件對大壩混凝土的施。廠過程進行仿真?；炷翝仓抡媸┕さ囊c為：

(1)首先判斷有無可澆筑的混凝土塊，否則模擬時鐘時間直接向前推進。重新判斷直到條件均滿足為止。

(2)如果有滿足條件的混凝土塊，需先確定混凝土澆筑塊的位置，然后確定澆筑該塊混凝土的澆筑設備及數(shù)量。

(3)如此反復循環(huán)，各臺設備從大壩開始澆筑之時起，隨著澆筑工作的進行，設備的工作時間逐漸增加，直至整個大壩混凝土全部澆筑完畢，此時設備的工作延續(xù)時間就是大壩總澆筑工期，累計的混凝土量即為澆筑完成的混凝土量。各時段澆筑的混凝土即為混凝土澆筑強度。在這個循環(huán)過程中，隨時記錄設備的工作時間狀態(tài)、壩塊的澆筑順序及混凝土量、各壩段高程，即可得到設備的工作狀態(tài)和大壩施工面貌的動態(tài)變化過程。

整個系統(tǒng)的主要功能模塊包括主控模塊、數(shù)據(jù)庫文件管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、模擬計算模塊、圖形模塊、報表模塊、查詢模塊等。這幾個模塊之間，以數(shù)據(jù)文件為媒介進行交流。

系統(tǒng)具有文件的存取與多方案的自動比較、二維與三維動態(tài)圖形顯示、信息動態(tài)反饋功能、強大的適應能力及處理特殊問題的能力(包括自動調(diào)整層高及倒縫、各種異常情況的處理、層厚調(diào)整、設備的調(diào)整、修訂目標進度)、動態(tài)跟蹤跳塊過程等特點。

2 大江截流計算機決策仿真

通過建立三峽工程大江截流及相關工程的水力學計算模型和三維實體模型，對大江截流工程的施工全過程進行三維計算機仿真模擬，從而反映出大江截流各個階段的的水力學指標和形象面貌，及時發(fā)現(xiàn)工程施工過程中存在的問題，并尋求解決問題的方法及相應對策，為大江截流決策提供可靠依據(jù)，以實現(xiàn)指導工程施工、科學規(guī)劃和科學管理。主要有三個方面的功能：

(1)建模及水力學計算。根據(jù)長江科學院所作大江截流物理模型的試驗結(jié)果，建立了截流水力學分析計算數(shù)學模型。利用該模型可以方便地計算出在不同流量、不同水位、不同上：下游口門寬度組合的情況下，截流戧堤周圍流場分布，包括每一點的水流流速、流向，以及明渠內(nèi)的分流比與明渠內(nèi)的流速分布情況。據(jù)此能科學地決定拋投物料的尺寸大小與性質(zhì)、汛期以前口門寬度、平拋墊底的最大高程上下游口門寬度的最優(yōu)組合等。數(shù)學模型的建立，彌補了物理模型試驗的局限性，可以在真實比尺下快速計算出各種工況的截流水力學狀況。

(2)大江截流計算機施工過程的三維仿真。利用先進的三維CAD技術，構(gòu)成三維實物模型，對大江截流個過程進行仿真模擬，逼真地展現(xiàn)廣大江截流驚心動魄的壯觀場面，具有直觀形象的可視效果。它可以給出特定參數(shù)下任意時點的截流面貌，并可在施工現(xiàn)場漫游。這種可視化虛擬現(xiàn)實的先進手段，使得對截流町能存在的問題具有前瞻性，能為實際決策提供有力的科學佐證。

為確保三維實體模型的準確與實用，研究采用的基本資料包括區(qū)域地形圖、施工詳圖、總體布置規(guī)劃、施仁關鍵時段形象面貌圖、水工模型試驗資料、以及與三峽工程施工期有關的工程施工圖片。

首先利用實測的地形圖通過數(shù)字化儀在計算機內(nèi)形成二維地形，然后用Microstation形成三維地形圖，之后在Microstation下形成導流明渠、縱向圍堰、關鍵時段大江截流及二期圍堰三維實體模型，最后在3DMAX下進行動畫制作，漫游施工現(xiàn)場，包括有水下深槽、平拋墊底、預進占施工、渡汛、非龍口段施工、龍口段施工、二期圍堰完建等幾個階段。

(3)圖文數(shù)據(jù)庫及截流施工組織設計動態(tài)優(yōu)化。包括有關截流的工程概況、基礎資料數(shù)據(jù)庫、決策文檔庫和施工組織設計圖形庫。根據(jù)前述兩部分對截流的模擬仿真，發(fā)現(xiàn)問題時可以實時地調(diào)出相應圖文數(shù)據(jù)，在CAD軟件中修改圖紙，隨時優(yōu)化施工組織設計。

3 明渠截流施工Petrl網(wǎng)仿真

Petri網(wǎng)能夠以圖形方式深刻、簡潔地描述系統(tǒng)的動態(tài)過程，精確描述事件的順序、并發(fā)和沖突關系，使系統(tǒng)形象化，有利于理解，賦時Petri網(wǎng)(TPN)具有(事件)變遷的時間延遲，廣泛應用于離散事件系統(tǒng)中的面向?qū)ο蠹夹g，因其抽象性、封裝性、繼承性、多態(tài)性等特色，有利于提高系統(tǒng)的建模能力；因此采用賦時Petri網(wǎng)對三峽三期截流施工系統(tǒng)建模，并將面向?qū)ο蠹夹g融人其中，既可以更好地描述施工系統(tǒng)的動態(tài)過程，又大大方便了系統(tǒng)的建模與實現(xiàn)。

建立Petri網(wǎng)模型，以庫所表示的汽車、挖裝機械和施工部位均被抽象為對象來看待，每一個對象均具有多種屬性，同時汽車和挖裝機械還具有方法。這兩者的結(jié)合大大增強了程序的可擴充性，使實現(xiàn)容易、簡便，同時更便于研究系統(tǒng)的運行特性。三峽三期截流共有16個主要料場，為確保施工強度，節(jié)省運距，基本按“上游備料運至上游圍堰、下游備料運至下游圍堰”的原則進行平衡。運輸時主要選用32～85t的大型載重自卸汽車。整個施工運輸系統(tǒng)是由一系列特定運輸環(huán)節(jié)所構(gòu)成的一個循環(huán)過程。在截流運輸中，各料場的汽車經(jīng)裝載后，到達各自的卸料部位，卸完后即返回到原先的料場挖裝機械前等待裝車。這個過程循環(huán)往復，每一次都是前一次的重復。

在初始狀態(tài)下，每輛汽車及挖裝機械設備都處于空閑狀態(tài)，在模型圖中體現(xiàn)為托肯(Token)處于可用狀態(tài)，整個過程每輛汽車順次經(jīng)歷裝載、重運、進入卸載隊列、卸載、空返這5個變遷，每一變遷的發(fā)生時間體現(xiàn)為托肯從不可用狀態(tài)到可用狀態(tài)的持續(xù)時間，這一段持續(xù)時間在程序中用隨機函數(shù)產(chǎn)生。

在程序?qū)崿F(xiàn)中，針對挖裝機械設備和卸料點的使用，定義了料場處的裝載等待隊列和卸料點處的卸載等待隊列。對于每個料場，根據(jù)Petri網(wǎng)的運行規(guī)則，結(jié)合輸入的有關參數(shù)，順次處理汽車裝載、重運等事件。當汽車到達施工部位時，則進入卸載等待隊列等待處理卸載事件。每次通過處理最短時間事件來推進模擬鐘。在推進模擬鐘的同時，將系統(tǒng)當前的狀態(tài)在模擬時實時寫屏輸出并存人文件。

在三峽三期截流施工運輸系統(tǒng)中，具有順序、并發(fā)及沖突等事件關系，其中，沖突事件對系統(tǒng)性能的影響最大。對于挖裝機械設備及卸料點的使用沖突，采用“FIFO(先到先服務)”及“SPT(服務時間最短)”等調(diào)度規(guī)則。

經(jīng)過對三峽導流明渠截流與三期土石圍堰的仿真計算。優(yōu)選施工組織方案和施工機械設備的配置。賦時Petri網(wǎng)能簡潔地描述系統(tǒng)的動態(tài)特性，然而往往存在模型的復雜問題；而面向?qū)ο蠹夹g，對龐大而復雜的系統(tǒng)描述提供了更有效的簡化手段，將面向?qū)ο蠹夹g與賦時Petri網(wǎng)方法相結(jié)合，可充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，同時又彌補了各自的缺點。通過上述方法進行建模與仿真，條理清晰，易于理解且便于計算機實現(xiàn)，程序的可擴充性也大大增強。它不僅能提供常規(guī)分析方法所得到的數(shù)據(jù)，優(yōu)選施工組織方案和施工機械設備的配置還能反映實際施工系統(tǒng)的動態(tài)變化情況，并能實時取出某個具體對象(如自卸汽車，卸料點等)的當前屬性；對于車輛的擁擠程度和行車狀況等指標也能較容易地得到。運用該模型及方法進行施工運輸系統(tǒng)模擬可以為施工計劃、施工組織設計和施工進度管理提供更多的決策信息。