升船機設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)分析與建模

李建成

(1.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030；2.杭州國電機械設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

作為一種水利通航設(shè)施，升船機適用于水頭高、上下游水位落差大的河流，具有節(jié)約水資源、過船速度快等優(yōu)點[1]，現(xiàn)已被廣泛運用于高壩電站、旅游過船等水利水電工程。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，國內(nèi)對各類型升船機在土建結(jié)構(gòu)、機電設(shè)備等方面的研究已趨于成熟，尤其在塔柱結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型[2-3]、地震作用下系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)[4]以及各功能子系統(tǒng)性能試驗研究[5-6]等方面取得了很多成果，然而還很少看到對升船機施工過程的研究。

與車間流水生產(chǎn)線[7-8]制造模式不同，升船機的施工組織方式具有一定的復(fù)雜性、不確定性以及隨機性，因此運用離散事件動態(tài)系統(tǒng)建模方法[9-12]和仿真技術(shù)手段[13-15]研究升船機的施工過程，對于保證升船機施工工期、降低工程成本具有重要意義。

本文在對升船機設(shè)備組成及安裝調(diào)試過程特點的分析基礎(chǔ)之上，運用離散事件動態(tài)系統(tǒng)理論和仿真的技術(shù)手段，對升船機設(shè)備從供貨到裝配調(diào)試整個過程進行建模，并運用模型研究其施工組織方面的問題。

1 升船機設(shè)備的組成及安裝調(diào)試過程流程分析

1.1 升船機設(shè)備的組成

升船機是一種由土木結(jié)構(gòu)和設(shè)備組成的水利設(shè)施，升船機的設(shè)備包括了機械設(shè)備、電氣設(shè)備以及液壓設(shè)備3大類，機械設(shè)備又可分為上游閘首設(shè)備、下游閘首設(shè)備、承船廂設(shè)備、平衡重設(shè)備、主提升設(shè)備5個部分，每個部分包含了主體設(shè)備以及與土建工程接口的埋件。升船機設(shè)備的組成如圖1所示。

圖1 升船機設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)

1.2 升船機設(shè)備安裝調(diào)試流程分析

升船機設(shè)備安裝調(diào)試過程可描述為：施工管理人員入駐施工現(xiàn)場，根據(jù)土建的施工情況和分包廠商設(shè)備的制造情況發(fā)布供貨通知，分包廠商接到通知后聯(lián)系物流公司對供貨的設(shè)備進行運輸，設(shè)備運至施工現(xiàn)場，安裝人員開始分配作業(yè)，對升船機各部位進行設(shè)備的裝配，在安裝時先對埋件的位置進行校準(zhǔn)和焊接，待混凝土的澆筑完成后，再進行主體設(shè)備的安裝，液壓設(shè)備及電氣設(shè)備往往在機械設(shè)備安裝完成后進行，升船機設(shè)備裝配全部完成后進行總體調(diào)試。

升船機設(shè)備在分包廠商工廠制造，在施工現(xiàn)場裝配調(diào)試，這是系統(tǒng)在地點維度上的不連續(xù)；升船機設(shè)備供貨、裝配、調(diào)試過程受安裝人員、工具、資金等多方面的影響，往往會出現(xiàn)設(shè)備的積壓或工期緊的現(xiàn)象，這是系統(tǒng)在時間維度上的不連續(xù)，由此可以看出升船機設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)是一種離散事件動態(tài)系統(tǒng)。

1.3 升船機設(shè)備安裝調(diào)試過程中的不確定性因素

在升船機設(shè)備供貨、裝配及調(diào)試過程中，系統(tǒng)主要存在以下幾個方面不確定性因素。

(1)設(shè)備進場時間的不確定性。設(shè)備進場時間受設(shè)備分包廠商制造加工的技術(shù)、設(shè)備運輸方式以及施工現(xiàn)場設(shè)備的安裝需求的影響表現(xiàn)出一定的不確定性。

(2)土建工程交付工作面時間的不確定性。升船機的土木結(jié)構(gòu)是設(shè)備的載體，設(shè)備的安裝依賴于土建工程的施工，主提升設(shè)備的安裝需在主提升設(shè)備二期埋件混凝土澆筑完成28d后才能開始安裝；閘首設(shè)備需在相應(yīng)門槽二期埋件混凝土澆筑完成28d后才能開始安裝等。土建方面如不能按照計劃完成相應(yīng)工作，即土建工程工作面交付時間不確定，則可能出現(xiàn)交叉作業(yè)，設(shè)備安裝作業(yè)停滯等現(xiàn)象。

(3)設(shè)備現(xiàn)場安裝調(diào)試時間的不確定性。設(shè)備運至施工現(xiàn)場后有專業(yè)的安裝人員進行安裝，安裝調(diào)試的時間受安裝人員的人數(shù)、技術(shù)、經(jīng)驗、心理和生理影響而表現(xiàn)出一定不確定性。

(4)防洪度汛、天氣等自然因素以及社會因素的不確定性。升船機工程是一項水利建設(shè)工程，其建設(shè)周期較長，通常大于一個防洪度汛周期，因此升船機的安裝調(diào)試還受水利樞紐防洪度汛要求的影響，同時雨天、雪天等惡劣天氣同樣會影響施工的質(zhì)量和進度。此外升船機項目資金的供給、驗收的標(biāo)準(zhǔn)以及政府對水利工程的支持同樣會影響升船機的供貨、安裝和調(diào)試。

2 基于Petri網(wǎng)理論的升船機設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)的概念模型

Petri網(wǎng)是一種研究離散事件動態(tài)系統(tǒng)常用的工具之一，因此可以用Petri網(wǎng)來研究升船機供貨及整體裝配系統(tǒng)?，F(xiàn)將Petri網(wǎng)中的庫所P(用圓圈表示)表示升船機人員、設(shè)備的在系統(tǒng)運動過程中狀態(tài)，變遷T(用矩形表示)表示在系統(tǒng)運動過程中人員對設(shè)備執(zhí)行的動作，有向弧F(用帶箭頭線段表示)表示系統(tǒng)運動過程中動作和狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換的邏輯關(guān)系，根據(jù)對升船機設(shè)備供貨、裝配、調(diào)試過程流程的分析，系統(tǒng)的概念模型可用圖2所示的Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖表示。

圖2中各符號的實際意義見表1。

圖2 升船機設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)

表1 系統(tǒng)Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖符號意義

3 升船機設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)仿真模型研究

3.1 系統(tǒng)仿真模型的建立

根據(jù)上述系統(tǒng)的概念模型和對升船機設(shè)備供貨、裝配、調(diào)試過程中的不確定性因素分析，結(jié)合升船機的基本布置形式，運用專業(yè)的仿真軟件witness對升船機設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)進行了建模，系統(tǒng)仿真模型的界面如圖3所示，圖中左半部分為實體運行模塊，右半部分為數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊。

圖3 升船機設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)仿真模型界面

3.2 實例分析

此實例為一旅游用升船機設(shè)備制造安裝工程，其施工過程中的施工計劃如圖4所示。

圖4 某升船機施工進度計劃

將圖4中升船機各組成設(shè)備安裝調(diào)試的時間導(dǎo)入到仿真模型中，以工作日為模型運行單位，假設(shè)安裝隊完成每項安裝調(diào)試任務(wù)的時間滿足(計劃時間，49)正態(tài)分布，并以完成一次升船機的安裝調(diào)試作業(yè)為模型運行終點，分別按以下3種工況運行仿真模型。

工況一：一組安裝隊伍進行現(xiàn)場安裝調(diào)試，升船機各設(shè)備的進場時間間隔滿足(10，15)的均勻分布；

工況二：兩組安裝隊伍進行現(xiàn)場安裝調(diào)試，升船機各設(shè)備的進場時間間隔滿足(10，15)的均勻分布；

工況三：一組安裝隊伍進行現(xiàn)場安裝調(diào)試，升船機各設(shè)備的進場時間間隔滿足(15，20)的均勻分布。

運行結(jié)果見表2。

表2 仿真模型的運行結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計

其中：M1～M12分別表示船廂室二期埋件、上閘首門槽、下閘首門槽、主提升二期埋件、上閘首門體、下閘首門體、承船廂、液壓設(shè)備、主提升設(shè)備、平衡重軌道、配重體、電氣設(shè)備從到達(dá)施工現(xiàn)場至開始安裝的等待時間，∑M=M1+M2+…+M12，T表示升船機安裝調(diào)試的工期，即從設(shè)備發(fā)貨到升船機完成調(diào)試的時間。

通過仿真數(shù)據(jù)可以看出：

工況二的工期比工況一的工期短，因此增加安裝調(diào)試的隊伍、增加安裝調(diào)試的人數(shù)或者將設(shè)備現(xiàn)場安裝的工作也分包給設(shè)備廠商，有利于縮短工期，但是由于增加安裝隊的數(shù)目或人數(shù)所造成的安裝成本的增加及窩工補償應(yīng)當(dāng)予以考慮。

工況三中設(shè)備進場后等待時間的總和比工況一小，施工工期相差不大，因此項目管理者應(yīng)當(dāng)對設(shè)備供應(yīng)商發(fā)貨的時間進行控制，防止設(shè)備提前進場而造成的設(shè)備維護管理費用的增加。

4 結(jié)論

在離散事件動態(tài)系統(tǒng)理論的指導(dǎo)下，深入研究了升船機供貨、裝配、調(diào)試過程中的生產(chǎn)組織問題，建立了相關(guān)的分析模型，主要成果有：①基于Petri網(wǎng)建模方法，結(jié)合升船機設(shè)備組成及其裝配調(diào)試過程流程分析，建立了升船機設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)的概念模型。模型描述了生產(chǎn)實體裝配流、生產(chǎn)調(diào)度指令流、各種事件、系統(tǒng)狀態(tài)等復(fù)雜的邏輯關(guān)系；②基于系統(tǒng)仿真技術(shù)和概念模型，結(jié)合某升船機施工現(xiàn)場安裝調(diào)試的實例，考慮多個隨機變量與分布，建立了升船機設(shè)備供貨及整體裝配系統(tǒng)的仿真模型；③基于仿真模型，進行了多種工況條件的仿真試驗研究，研究了安裝隊伍、設(shè)備進場時間的組織調(diào)度與升船機裝配調(diào)試效率和成本的關(guān)系問題，提出優(yōu)化的調(diào)度策略。為升船機制造安裝工程縮短工期、合理利用現(xiàn)場資源提供了的技術(shù)參考。