全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)及其在大型工程施工管理中的應(yīng)用

梁開(kāi)明

摘 要：通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃和數(shù)值仿真技術(shù)融于一體的全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，它的框架是CPM網(wǎng)絡(luò)模型，并調(diào)用CYCLONE模型于框架中，使得整個(gè)模型結(jié)構(gòu)有層次。CYCLONE模型只為CPM網(wǎng)絡(luò)層提供接口而不面向用戶，因?yàn)镃PM對(duì)有循環(huán)特征的復(fù)雜工程的處理能力低且CYCLONE技術(shù)專業(yè)性太強(qiáng)，所以CYCLONE模型只為CPM網(wǎng)絡(luò)層提供接口而不面向用戶，通過(guò)兩者互補(bǔ)從而達(dá)到更方便適用。該技術(shù)的可行性在實(shí)際工程中的應(yīng)用中得到了很好的驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真；循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)；關(guān)鍵路線法；施工管理

施工過(guò)程存在很多不確定因素，受氣溫、雨水等外界條件的限制，組織方式和施工水平等人為因素的影響，實(shí)際施工情況難以靠傳統(tǒng)的解析方法和經(jīng)驗(yàn)公式準(zhǔn)確地分析，從而影響了施工機(jī)械的優(yōu)化配置，施工進(jìn)度高效安排，施工管理方案的經(jīng)濟(jì)合理。

仿真技術(shù)于20世紀(jì)70年代開(kāi)始應(yīng)用在工程施工的系統(tǒng)分析。CYCLONE是最早廣泛應(yīng)用在工程建設(shè)中仿真技術(shù)，至今已經(jīng)比較成熟完善。網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)中排隊(duì)論和仿真技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)仿真時(shí)間隨機(jī)的循環(huán)施工過(guò)程，反映施工的運(yùn)行過(guò)程。隨后一系列添加圖像建模功能，或者增加排隊(duì)優(yōu)先等級(jí)擴(kuò)展功能的仿真軟件發(fā)展起來(lái)。

通過(guò)對(duì)CYCLONE模型思想的借鑒，針對(duì)CPM網(wǎng)絡(luò)在隧道洞開(kāi)挖、高層建筑物施工等帶有循環(huán)特征的工程項(xiàng)目時(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)多的問(wèn)題，Senior等提出仿真模型PICASSO，PICASSO是面向工程計(jì)劃的，它在CPM網(wǎng)絡(luò)加入了資源節(jié)點(diǎn)，有效地減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)。并且通過(guò)加入循環(huán)控制的方法，使得循環(huán)特征的工程項(xiàng)目表達(dá)更簡(jiǎn)化了。

PICASSO在大型工程項(xiàng)目應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了一些不足。在涉及執(zhí)行步驟比較多時(shí)循環(huán)工作時(shí)，模型的建立十分復(fù)雜。此外，因?yàn)镻ICASSO借鑒了CYCLONE，建立PICASSO模型前需先掌握一定的CYCLONE建模經(jīng)驗(yàn)和技巧，這影響了PICASSO技術(shù)的廣泛使用。

針對(duì)以上問(wèn)題出現(xiàn)了全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)。融合數(shù)值仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃分析于一體的全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，充分結(jié)合了CYCLONE對(duì)施工細(xì)節(jié)仿真的分析和CPM對(duì)工程總體分析的優(yōu)勢(shì)，對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算和優(yōu)化分析。

1 全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)

1.1基本思想

通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃和數(shù)值仿真技術(shù)融于一體的全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，它的框架是CPM網(wǎng)絡(luò)模型，并調(diào)用CYCLONE模型于框架中，使得整個(gè)模型結(jié)構(gòu)有層次。CYCLONE模型只為CPM網(wǎng)絡(luò)層提供接口而不面向用戶，因?yàn)镃PM對(duì)有循環(huán)特征的復(fù)雜工程的處理能力低且CYCLONE技術(shù)專業(yè)性太強(qiáng)，所以CYCLONE模型只為CPM網(wǎng)絡(luò)層提供接口而不面向用戶，通過(guò)兩者互補(bǔ)從而達(dá)到更方便適用。該技術(shù)的可行性在實(shí)際工程中的應(yīng)用中得到了很好的驗(yàn)證。

1.2仿真原理

系統(tǒng)分離散性系統(tǒng)和連續(xù)性系統(tǒng)，系統(tǒng)狀態(tài)在時(shí)間點(diǎn)上跳躍的是連續(xù)性系統(tǒng)。研究施工過(guò)程的變化發(fā)展的工程施工系統(tǒng)，通常采用離散系統(tǒng)。

“仿真鐘”用于體現(xiàn)“模擬時(shí)間”的運(yùn)動(dòng)軌跡，是離散系統(tǒng)仿真的基本概念。采用了兩個(gè)層次的建模技術(shù)的全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，同時(shí)設(shè)置了“全程仿真鐘”和“本地仿真鐘”。

全過(guò)程仿真鐘采用時(shí)間步長(zhǎng)法推進(jìn)又稱為固定增量時(shí)間推進(jìn)法。它設(shè)定一個(gè)單位時(shí)間△T作為增量，通過(guò)檢驗(yàn)每推進(jìn)一步是否有事件發(fā)生來(lái)確定系統(tǒng)狀態(tài)是否改變。全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真鐘在仿真鐘推進(jìn)過(guò)程中，檢測(cè)到有仿真事件發(fā)生，仿真鐘會(huì)保持原有狀態(tài)，并交由CYCLONE層啟動(dòng)本地仿真鐘，設(shè)置模型初始狀態(tài)。本地仿真鐘也采用時(shí)間步長(zhǎng)法推進(jìn)。它的初始狀態(tài)是該項(xiàng)活動(dòng)準(zhǔn)備施工時(shí)的狀態(tài)，零點(diǎn)是開(kāi)始施工的時(shí)刻作。從零點(diǎn)開(kāi)始，向前推進(jìn)一個(gè)△T，掃描模型中的所有節(jié)點(diǎn)，檢測(cè)活動(dòng)發(fā)生的條件是否滿足，并且對(duì)各種資源的使用情況進(jìn)行跟蹤。D活動(dòng)發(fā)生后，認(rèn)定它們發(fā)生在△T的終止處。對(duì)應(yīng)改變系統(tǒng)的狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)資源的使用和空閑時(shí)間。然后循環(huán)至該項(xiàng)活動(dòng)結(jié)束后把控制權(quán)交回全過(guò)程仿真鐘，并一同返回本地仿真鐘的狀態(tài)和資源利用情況等信息給當(dāng)前事件，作為當(dāng)前事件的仿真結(jié)果存儲(chǔ)。全程仿真鐘重復(fù)上述過(guò)程繼續(xù)推進(jìn)，直到工程結(jié)束。最后分析計(jì)算仿真結(jié)果并輸出橫道圖、施工進(jìn)度安排、關(guān)鍵路線、施工高峰期、施工強(qiáng)度和資源利用率等。

2仿真建模

2.1 CPM網(wǎng)絡(luò)層仿真模型的組成

CPM網(wǎng)絡(luò)模型由節(jié)點(diǎn)、矢線和屬性組成。節(jié)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)表示不同的狀態(tài)或功能分一般、仿真與滯后三種節(jié)點(diǎn)。一般節(jié)點(diǎn)：表示可以從經(jīng)驗(yàn)或資料統(tǒng)計(jì)知道施工持續(xù)時(shí)間的簡(jiǎn)單工序。仿真節(jié)點(diǎn)：表示由仿真來(lái)確定施工持續(xù)時(shí)間的復(fù)雜工序。全過(guò)程仿真鐘在到達(dá)仿真節(jié)點(diǎn)時(shí)，仿真計(jì)算轉(zhuǎn)入CYCLONE層模型進(jìn)行。滯后節(jié)點(diǎn)：表示某一工序必須在另一工序開(kāi)始一段時(shí)間后才開(kāi)始的工序間的時(shí)間限制關(guān)系，如磚砌開(kāi)始一段時(shí)間才能開(kāi)始灌漿。矢線：表示各節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間在時(shí)間和空間上的邏輯關(guān)系，即箭頭節(jié)點(diǎn)必須發(fā)生在箭尾節(jié)點(diǎn)完成后，時(shí)間資源不消耗。屬性：節(jié)點(diǎn)各自有不同的屬性。一般節(jié)點(diǎn)的屬性包括時(shí)間分布類型，施工量和持續(xù)時(shí)間等；仿真節(jié)點(diǎn)的屬性包括地質(zhì)參數(shù)、設(shè)備參數(shù)和施工條件等。

2.2 CYCLONE仿真模型的組成

CYCLONE仿真模型由流水單元、矢線和節(jié)點(diǎn)組成。CYCLONE模型節(jié)點(diǎn)有五種圖示符號(hào)，按照施工作業(yè)，邏輯關(guān)系用矢線將它們連接起來(lái)，加入控制機(jī)制構(gòu)造出圖示模型來(lái)表達(dá)實(shí)際施工過(guò)程.

3工程實(shí)例

3.1工程概況

某輸水工程，總長(zhǎng)度86.8km，工程包含15條隧洞，根據(jù)進(jìn)度要求以及施工組織設(shè)計(jì)，采用掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖其中兩條地質(zhì)比較好的隧洞A和隧洞B，兩條隧洞合計(jì)長(zhǎng)15.6km，采用鉆爆法開(kāi)挖剩下的13條隧洞，現(xiàn)在以同屬于標(biāo)段1的隧洞A和隧洞B為例說(shuō)明全過(guò)程仿真技術(shù)的應(yīng)用。隧洞A和隧洞B的具體工程資料詳見(jiàn)表1，以隧洞入口處的范圍坐標(biāo)作為零點(diǎn)。

3.2仿真建模

本工程建模采用了CPM層網(wǎng)絡(luò)模型（圖三）和采用TBM法施工的CYCLONE層網(wǎng)絡(luò)模型（圖四）。

3.3仿真參數(shù)

本工程采用隧洞掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖隧洞A和隧洞B，其中掘進(jìn)機(jī)的行程為1.0m，行走和重定位時(shí)間在5min-7min之間，服從均勻分布；裝渣采用卸料小車(chē)移動(dòng)裝渣，后配套系統(tǒng)；CPM層模數(shù)參數(shù)與CYCLONE層模型參數(shù)詳表一與表二。

3.4仿真結(jié)果和分析

工期和關(guān)鍵路線，工程從2010年12月20日開(kāi)始，2012年8月15日結(jié)束，工期20個(gè)月，每個(gè)月實(shí)際施工天數(shù)30天。采用仿真進(jìn)度安排橫道圖表示關(guān)鍵路線及各項(xiàng)工作的進(jìn)度安排.全過(guò)程仿真軟件可以在計(jì)算工期以及進(jìn)度安排的同時(shí)得到掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖過(guò)程的詳細(xì)仿真數(shù)據(jù)。全過(guò)程仿真軟件分別針對(duì)兩段隧洞地質(zhì)的條件變化情況，從進(jìn)口端開(kāi)始將隧洞劃分地質(zhì)段，再按照不同的地質(zhì)段計(jì)算掘進(jìn)速度和掘進(jìn)時(shí)間等參數(shù)。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)可以科學(xué)有效地對(duì)工程特別是大型的復(fù)雜工程進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)。全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)將數(shù)值仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃分析進(jìn)行了很好的融合，做為框架的簡(jiǎn)單的CPM網(wǎng)絡(luò)融合了能解決復(fù)雜工程的CYCLONE層模型，通過(guò)兩者互補(bǔ)從而達(dá)到更方便適用。在大量的實(shí)際工程中的應(yīng)用證明了全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)能有效的進(jìn)行進(jìn)度安排和資源管理，從中取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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