分析全過程動態(tài)仿真技術(shù)及其在水利水電工程施工中的應(yīng)用

■姜 振 ■河南省中原水利水電工程集團(tuán)有限公司，河南 濮陽 457000

早在20 世紀(jì)80 年代CYCLONE 模型即應(yīng)用于地下廠房系統(tǒng)仿真中，此模型雖然已比較完善，但仍然存在較多問題，比如其建模較為復(fù)雜;對工程整體進(jìn)度的分析與安排能力較為缺乏［1］。而CPM 模型較之于CYCLONE 模型則更為簡便、實(shí)用，目前已得到很多工程管理者的認(rèn)可。但其對處理具有CYCLONE 特征的施工項(xiàng)目時(shí)往往很難如實(shí)反映施工過程的不確定性。本文主要對全過程仿真技術(shù)、CPM 模型以及CYCLONE 模型其仿真原理、基本思想、仿真建模等幾方面作了初步分析，以期為其不斷優(yōu)化與完善提供參考。

1 全過程動態(tài)仿真技術(shù)

1.1 基本思想

全過程動態(tài)仿真技術(shù)將數(shù)值仿真技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃分析相融合，有助于對施工過程的整體仿真計(jì)算、分析、制定施工計(jì)劃、對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置、為工程施工的組織與設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。其對CPM 與CYCLONE 模型的優(yōu)點(diǎn)加以融合，對工程項(xiàng)目的整體進(jìn)度進(jìn)行計(jì)劃與分析，利用CYCLONE 模型對施工工期以及資源利用率等工程情況進(jìn)行仿真分析。前者主要面向用戶，應(yīng)用較廣泛，人們了解及建模均較為簡便，而后者則屬底層技術(shù)，通過為CPM 提供接口來建立模型，有效克服了CYCLONE 模型的復(fù)雜性，兩大模型相互補(bǔ)充，對整個(gè)工程施工進(jìn)度進(jìn)行仿真分析。

1.2 仿真原理

此系統(tǒng)可分為連續(xù)性與離散性兩大系統(tǒng)。連續(xù)性系統(tǒng)隨時(shí)間而連續(xù)變化;離散性系統(tǒng)則僅在特定的時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生跳躍性變化［2］，施工系統(tǒng)仿真則屬于離散性系統(tǒng)。離散性系統(tǒng)主要用于對“模擬時(shí)間”的運(yùn)行軌跡加以體現(xiàn)。全過程仿真技術(shù)因其采用了兩大不同層次的建模技術(shù)，因而其仿真過程中會設(shè)置兩個(gè)仿真鐘:即本地仿真鐘與全程仿真鐘。其中全程仿真主要是對CPM 模型進(jìn)行仿真，采用時(shí)間步長法進(jìn)行推進(jìn);而本地仿真鐘則是對CYCLONE 模型進(jìn)行仿真，采用的也是時(shí)間步長法進(jìn)行推進(jìn)。當(dāng)全程仿真鐘檢測到將有事件發(fā)生時(shí)，此仿真鐘則保留當(dāng)時(shí)狀態(tài)，并將控制權(quán)交予CYCLONE 層，本地仿真鐘啟動，并將模型設(shè)置成初始狀態(tài)。將施工開始時(shí)間設(shè)置為本地仿真鐘的零點(diǎn)，并從該時(shí)刻開始將時(shí)間步長向前推薦一個(gè)△t，而后對模型中所有節(jié)點(diǎn)加以掃描，檢測是否存在滿足該條件的活動會發(fā)生，與此同時(shí)，對各類資源使用情況進(jìn)行跟蹤。若有活動發(fā)生，則被認(rèn)為是發(fā)生在△t 的終止處，而系統(tǒng)狀態(tài)也會隨之改變，對各類資源使用時(shí)間或者空閑時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，上述作法保持重復(fù)直至項(xiàng)目工程結(jié)束，而后將控制權(quán)交還給全程仿真鐘，并將本地仿真鐘的相應(yīng)狀態(tài)、資源利用情況等相關(guān)信息一并返還給全程仿真鐘，將其作為當(dāng)前時(shí)間仿真結(jié)果加以保存。而后全程仿真鐘保持推進(jìn)，并重復(fù)上述作法直至工程項(xiàng)目整體結(jié)束。最后對仿真結(jié)果進(jìn)行專業(yè)分析與計(jì)算，并將施工進(jìn)度安排、關(guān)鍵路線、橫道圖、施工高峰期、施工強(qiáng)度以及資源利用情況等相關(guān)情況輸出，至此仿真流程全部完成。

1.3 仿真建模及其在水利水電工程施工中的應(yīng)用

(1)CPM 網(wǎng)絡(luò)層仿真模型的構(gòu)成

CPM 模型主要由矢線、節(jié)點(diǎn)與屬性組成。其節(jié)點(diǎn)有3 中不同圖示符號分別對不同狀態(tài)、功能進(jìn)行表示。節(jié)點(diǎn)一般用以表示施工中可確定的或較簡單的工序，無CYCLONE 模型層;而仿真節(jié)點(diǎn)則用于對施工中較復(fù)雜或尚未確定的工序進(jìn)行表示，具有CYCLONE 層模型，全程仿真鐘轉(zhuǎn)至該節(jié)點(diǎn)時(shí)則會轉(zhuǎn)入CYCLONE 層模型繼續(xù)進(jìn)行仿真計(jì)算;滯后節(jié)點(diǎn)用于表示工序之間的時(shí)間限制關(guān)系，即某工序須在另一工序開始后方可開始。矢線主要用于表示各節(jié)點(diǎn)間時(shí)間與空間的邏輯關(guān)系，即是說箭頭節(jié)點(diǎn)須在箭尾節(jié)點(diǎn)完成后方可發(fā)生，節(jié)點(diǎn)本身對時(shí)間資源不消耗，類型不同的節(jié)點(diǎn)屬性也不同［3］。一般節(jié)點(diǎn)大致包括時(shí)間分布類型、持續(xù)時(shí)間以及施工量等，而仿真節(jié)點(diǎn)則大致包括設(shè)備參數(shù)、地址參數(shù)以及施工條件等。

(2)CYCL0NE 仿真模型的構(gòu)成

CYCLONE 模型中總共定義了5 種特定的圖示符號來對各種狀態(tài)進(jìn)行描述，并根據(jù)邏輯關(guān)系與施工作業(yè)用矢線將其連接起來，將其加入控制機(jī)制并構(gòu)造出相應(yīng)的圖示模型來表現(xiàn)施工的實(shí)際過程。CYCL0NE模型主要由矢線、流水單元和節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。其中，流水單元指的是在該系統(tǒng)中不斷流動及進(jìn)行狀態(tài)交換的各類實(shí)體，以及進(jìn)行作業(yè)需要的各類資源實(shí)體。矢線則用于表示各流水單元活動順序與流動方向的邏輯關(guān)系，其本身并不產(chǎn)生時(shí)間消耗。節(jié)點(diǎn)共分為5 類不同的圖示符號分別用于對不同狀態(tài)或功能進(jìn)行表示。進(jìn)行CYCLONE 模型構(gòu)建時(shí)需對其反復(fù)進(jìn)行修改，直至其與實(shí)際系統(tǒng)基本相符時(shí)則為最終的CYCLONE模型。

(3)全過程動態(tài)仿真模型的構(gòu)建

全過程仿真動態(tài)模型的構(gòu)建與單代號網(wǎng)絡(luò)圖的建立極為相似。首先應(yīng)明確施工過程中各工序間時(shí)間與空間上的邏輯關(guān)系，而后合理利用矢線、節(jié)點(diǎn)將其表示出來。在此模型的構(gòu)建過程中應(yīng)著重注意以下幾個(gè)問題:①首節(jié)點(diǎn)與尾節(jié)點(diǎn)各為一個(gè)，既不能增加，也不可減少;②邏輯關(guān)系不可出現(xiàn)違反的情況，比如環(huán)路;③不可出現(xiàn)相同編號。

2 仿真模型構(gòu)建結(jié)果及優(yōu)化

本文作者在利用全過程動態(tài)仿真模型對地下廠房系統(tǒng)施工進(jìn)行全過程動態(tài)仿真分析與計(jì)算，既獲得了較為科學(xué)合理的工程施工進(jìn)度安排計(jì)劃、機(jī)械設(shè)備的優(yōu)化配置可行性方案，又獲得了詳盡全面的項(xiàng)目施工信息，比如施工強(qiáng)度、資源利用率、正處于施工狀況的工作面以及施工道路系統(tǒng)的行車情況等諸多相關(guān)信息，并自動輸出資源強(qiáng)度柱狀圖及具有邏輯關(guān)系的橫道圖等計(jì)算結(jié)果。水利水電工程項(xiàng)目多建于高山峽谷間，因而其施工條件較為復(fù)雜，施工工程極具不確定性。全過程動態(tài)仿真技術(shù)的應(yīng)用為復(fù)雜的水利水電工程施工的分析與計(jì)算提供了一個(gè)科學(xué)有效的計(jì)算工具。此技術(shù)將數(shù)值仿真技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃分析成功融合，并從整體觀點(diǎn)出發(fā)對整個(gè)工程施工進(jìn)行全程仿真分析、計(jì)算，有助于水利水電工程施工的順利進(jìn)展及按時(shí)按質(zhì)完成。

3 總結(jié)

全過程動態(tài)仿真技術(shù)以CPM 模型為框架并將CYCLONE 模型相融合，對兩大模型的優(yōu)點(diǎn)加以充分利用，為水利水電工程施工進(jìn)行全過程仿真分析與計(jì)算，極大地提高了整個(gè)項(xiàng)目施工進(jìn)度的合理安排、機(jī)械設(shè)備的優(yōu)化配置、資源利用率的科學(xué)性［4］。既克服了CYCLONE 模型的局限性，又對CPM 模型的優(yōu)點(diǎn)加以充分利用，兩大模型取長補(bǔ)短，更好地為水利水電工程施工進(jìn)行仿真分析與計(jì)算提供操作平臺。

［1］鐘登華，李景茹，鄭家祥.全過程動態(tài)仿真技術(shù)及其在水利水電工程施工中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，2002，33(9):22-24.

［2］高峰.全過程動態(tài)仿真技術(shù)及其在水利水電工程施工中的應(yīng)用分析［J］.科學(xué)與財(cái)富，2014，38(12):305.

［3］華劍寶.三維建模與仿真技術(shù)在水利水電工程施工中應(yīng)用探討［J］.建材與裝飾，2013，7(32):169.

［4］洪玲.動態(tài)模擬施工導(dǎo)流在水利水電工程中的應(yīng)用［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012，26(4):46.