基于仿真的長距離引水隧洞施工全過程進度實時控制與可視化分析研究

胡連興，佟大威，焦 凱

(1．天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072;2．二灘水電開發(fā)有限責任公司，成都 610021)

1 前言

長距離引水隧洞常具有埋深大、洞線長、洞徑大和工程地質(zhì)條件復雜等特點。傳統(tǒng)施工進度控制一般是依據(jù)開工前所制定的施工組織設(shè)計來進行的，而在實際施工過程中，內(nèi)外環(huán)境和各種約束條件可能發(fā)生變化，使原定的施工進度計劃與實際施工進程不可避免地產(chǎn)生偏差，這種偏差如不及時糾正，將會越來越大，以致原計劃進度起不到指導實際施工的作用。文章利用計算機仿真技術(shù)、控制論思想和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，提出了基于仿真的長距離引水隧洞施工全過程進度實時控制與可視化分析方法，對實時控制施工進度提供可行性研究和科學依據(jù)，確保項目管理人員準確、迅速地進行施工項目管理。

2 基于仿真的長距離引水隧洞施工全過程進度實時控制原理

2．1 施工全過程仿真原理

長距離引水隧洞施工全過程仿真技術(shù)融合網(wǎng)絡(luò)計劃分析和數(shù)值仿真技術(shù)于一體，利用CPM(critical path method，關(guān)鍵路徑法)網(wǎng)絡(luò)計劃技術(shù)和循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)［1］(cycle operation network，CYCLONE)，并結(jié)合優(yōu)化技術(shù)，對整個施工過程進行仿真計算和優(yōu)化分析。

長距離引水隧洞仿真采用系統(tǒng)仿真的辦法。系統(tǒng)分為連續(xù)性系統(tǒng)和離散系統(tǒng)［2］。前者是指系統(tǒng)狀態(tài)隨時間呈連續(xù)性變化，后者是指系統(tǒng)狀態(tài)僅在有限的時間點發(fā)生跳躍性變化。對于工程施工系統(tǒng)，研究施工過程的變化與發(fā)展時，使用離散系統(tǒng)進行仿真已經(jīng)足夠了［3］。

離散系統(tǒng)仿真是用“仿真鐘”［4］來體現(xiàn)“模擬時間”的運行軌跡。仿真鐘采用時間步長法推進，以工序準備施工狀態(tài)作為初始狀態(tài)，以開始施工的時刻作為本地仿真鐘的零點，從該點開始，向前推進一個時間步長Δt，檢測是否有滿足條件的活動發(fā)生。如果有活動發(fā)生，則被認為發(fā)生在Δt的終止處，相應(yīng)地改變系統(tǒng)的狀態(tài)，重復上述做法直到該工序結(jié)束，并把本地仿真鐘的狀態(tài)及資源利用率等信息一同返回給當前工序，作為當前工序的仿真結(jié)果保存起來。依此辦法，按時間順序進行推進，對所有的仿真工序進行仿真，直到整個工程結(jié)束。長距離引水隧洞施工全過程仿真流程如圖1所示。

圖1 長距離引水隧洞施工全過程仿真流程Fig．1 Flow chart of long diversion tunnel whole construction process simulation

2．2 長距離引水隧洞施工系統(tǒng)仿真建模

長距離引水隧洞施工是一個動態(tài)過程，為了降低建模的復雜性，提高建模的效率，文章采用層次化、模型化建模的思想［5］，根據(jù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)原理，將長距離引水隧洞施工仿真模型劃分成兩個層次:控制層模型和實施層模型?？刂茖幽Ｐ筒捎肅PM網(wǎng)絡(luò)計劃技術(shù)建立，稱為CPM網(wǎng)絡(luò)層模型;實施層模型采用循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)，稱為CYCLONE層模型。

2．2．1 CPM網(wǎng)絡(luò)層仿真模型的建立

控制層模型對應(yīng)著工程控制的基本單位——工序。工序作為一個基本控制單元，采用的施工方法、機械設(shè)備配置和人員等基本固定。長距離引水隧洞施工控制層CPM網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。

圖2 長距離引水隧洞施工控制層CPM網(wǎng)絡(luò)模型Fig．2 CPM network model of long diversion tunnel construction control layer

2．2．2 CYCLONE層仿真模型的建立

實施層模型反映控制層工序的施工工藝。以上斷面開挖為例，長距離引水隧洞上斷面開挖施工過程包括鉆孔、裝藥、爆破、通風排煙、安全檢查、支護、出渣等工藝，每個工藝構(gòu)成實施層的一個模型單元。實施過程是循環(huán)往復的，采用循環(huán)網(wǎng)絡(luò)(CYCLONE)技術(shù)對其進行建模分析。針對不同的施工工序的施工特點，可以建立不同施工工序的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真模型，包括開挖工序、襯砌工序和灌漿工序。圖3所示為開挖工序施工CYCLONE層仿真模型。

2．2．3 仿真模型參數(shù)的分類與確定方法

仿真模型參數(shù)是仿真系統(tǒng)的重要組成部分，也是模型方案設(shè)計的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，參數(shù)的準確性與有效性直接影響到模型有效性評價及仿真結(jié)果的可信性與可用性。長距離引水隧洞施工系統(tǒng)仿真模型參數(shù)按照其性質(zhì)和來源方式可分為確定型模型參數(shù)、隨機型模型參數(shù)［6］。

1)確定型模型參數(shù)指那些在系統(tǒng)運行過程中不發(fā)生改變，且能夠客觀地反映原型系統(tǒng)運行特征屬性的參數(shù)，如隧洞的斷面尺寸、出渣通道以及機械設(shè)備的有關(guān)性能指標等。

2)隨機型模型參數(shù)指那些在仿真運行過程中是不確定的，但可以通過統(tǒng)計分析方法或隨機理論方法獲得的模型參數(shù)，如裝渣、卸渣時間等。文章研究了9種不同的隨機分布類型，其名稱及有關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 隨機分布類型的名稱及其參數(shù)Table 1 Designation and parameters of the random distribution

2．3 基于仿真的實時進度控制方法分析

2．3．1 進度偏差比較分析方法

長距離引水隧洞實際進度信息一般比較散亂，沒有一個整體的概念，如果把這些信息反映到圖表上，就可以直觀、全面地了解實際進度信息。文章采用進度狀態(tài)向量和進度動態(tài)曲線［7，8］(前鋒線法)兩種方法來描述實際進度與計劃進度之間的偏差。

圖3 開挖工序施工實施層CYCLONE模型Fig．3 CYCLONE model of drill-blasting process construction implementation layer

1)進度狀態(tài)向量。在進度控制中，任意時刻的工作狀態(tài)有三種可能，一是未開始，二是已完成，三是正在進行。

設(shè)狀態(tài)變量mit表示在t時刻第i項工作ai的狀態(tài)，則有:

假設(shè)工程共有n個工序，則在t時刻所有工作狀態(tài)的集合構(gòu)成了一個狀態(tài)向量mt:

該向量中的元素只由－1、0、1構(gòu)成，mt為實際進度狀態(tài)，即在t時刻工程中各項工作實際達到的進度狀態(tài)。為計劃進度狀態(tài)，即在t時刻工程中各項工作計劃達到的進度狀態(tài)。dt為t時刻實際進度狀態(tài)與計劃進度狀態(tài)之差異，設(shè):則dt中各元素有5種可能的值:

從工程開始到當前時刻的所有檢查點的狀態(tài)向量集合，可以構(gòu)成進度狀態(tài)矩陣和偏差矩陣。其中計劃進度狀態(tài)矩陣為，實際進度矩陣為，而進度偏差矩陣上述矩陣反映了施工進度計劃的執(zhí)行過程，對于工程計劃執(zhí)行情況的評價和施工狀態(tài)的預測提供了科學依據(jù)。

2)進度動態(tài)曲線(前鋒線法)。前鋒線比較法是通過繪制檢查時刻工程實際進度前鋒線進行實際進度與計劃進度的偏差比較。所謂前鋒線是指在原時標網(wǎng)絡(luò)計劃上，從檢查時刻的時標點出發(fā)，依次將各項工作實際進展位置點連接而成的折線，如圖4所示。

2．3．2 基于仿真的施工實時進度控制與預測方法

基于仿真的施工進度實時預測［9］是指根據(jù)任意時刻的實際施工情況，運用施工過程循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)，對剩余的工程施工過程進行仿真，確定剩余工程的工期以及各工序的時間參數(shù)，預測將來工程的施工進度?；诜抡娴氖┕みM度實時控制分析流程如圖5所示。

圖4 前鋒線比較法示意圖Fig．4 Schematic diagram of the front line

圖5 基于仿真的施工進度實時控制分析流程圖Fig．5 Real-time control flow chart of the construction schedule based on simulation

3 長距離引水隧洞施工實時進度可視化仿真方法

3．1 基于VR－Platform的實時進度可視化仿真機制

長距離引水隧洞施工實時進度可視化仿真采用VC++作為仿真計算平臺，VR－Platform SDK作為三維圖形引擎，通過仿真計算與SDK的實時交互來實現(xiàn)實時交互式仿真［10］。長距離引水隧洞施工進度實時交互式仿真與控制系統(tǒng)如圖6所示，它由仿真計算數(shù)據(jù)、三維場景數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)仿真程序和實時交互程序等幾個部分組成。

3．2 施工進度實時交互式仿真系統(tǒng)的運行控制

為了實現(xiàn)對實時仿真系統(tǒng)的運行過程進行交互控制，就要使用戶不僅可以對真實施工場景進行觀察和參與，還能對仿真系統(tǒng)的狀態(tài)進行控制［11］。在實時交互式仿真系統(tǒng)中，用戶可以實時地參與仿真系統(tǒng)的運行，身臨其境地體會系統(tǒng)狀態(tài)的變化過程，并做出交互控制。真實場景下的施工系統(tǒng)實時交互式仿真與控制原理如圖7所示。

圖6 長距離引水隧洞施工進度實時交互式仿真與控制系統(tǒng)框架Fig．6 Frame diagram of the construction schedule interactive simulation

圖7 真實場景下的施工系統(tǒng)實時交互式仿真與控制原理Fig．7 Interactive simulation and control principle of the construction system based on real scene

4 工程實例分析

4．1 工程概況

某電站長距離引水隧洞群位于我國西南地區(qū)，該工程引水隧洞群的單洞長約16．67 km，開挖洞徑為12．4 ～13．8 m，最大埋深達 2525 m。長距離引水隧洞群工序工作量大，相互間影響巨大，加之復雜的地質(zhì)條件，增加了執(zhí)行施工進度的風險。文章以1#引水隧洞為例，對1#隧洞進行實時控制與可視化分析。通過現(xiàn)場分析，至2011年3月，施工進度嚴重滯后，按照原施工進度計劃達不到2012年年底首臺機組發(fā)電的要求，需要通過實時仿真控制后續(xù)施工進度計劃，確保工程按時完工。

4．2 成果分析

利用施工進度實時仿真與可視化分析方法，可得到以2011年4月1日作為實時控制節(jié)點的1#引水隧洞后續(xù)工序施工進度計劃。

4．2．1 仿真計算成果

1)1#引水隧洞完工日期。至2012月12月13日，1#隧洞開挖、襯砌和灌漿施工完成，具備通水條件。

2)施工關(guān)鍵路線。包括4月份節(jié)點工期、輔3－1－西上斷面、輔3－1－西下斷面、5#底拱臺車安裝、輔3－1－西邊頂拱襯砌、7#橫通道－輔3洞段襯砌完成、剩余洞段開挖、剩余洞段襯砌、1#洞灌漿、1#洞橫通道封堵與清淤、1#洞具備充水條件。

3)1#引水隧洞后續(xù)工序施工橫道圖。通過對施工進度動態(tài)仿真和實時控制的反復調(diào)整，可以得到后續(xù)工序施工的橫道圖，如圖8所示。

4．2．2 長距離引水隧洞實時進度可視化仿真成果

利用VR－Platform三維互動仿真平臺，結(jié)合長距離引水隧洞的實時進度，可以得到截至2011年4月1日的可視化仿真成果。文章以上斷面開挖進度為例，如圖9所示。

圖8 1#引水隧洞施工進度實時控制橫道圖Fig．8 Construction schedule real-time control bar chart of diversion tunnel 1

圖9 長距離引水隧洞施工進度可視化仿真分析圖Fig．9 Construction schedule visual simulation analysis chart of the long distance diversion tunnel

5 結(jié)語

文章提出了基于仿真的長距離引水隧洞施工全過程進度實時控制與可視化分析方法。通過對施工全過程進度實時仿真分析，可以得到任意時刻后續(xù)的施工進度計劃，包括后續(xù)施工的關(guān)鍵路線、橫道圖等仿真成果;通過基于VR－Platform的實時進度可視化分析，可以實時得到任意時刻的三維進度形象面貌，包括開挖進度、襯砌進度和灌漿進度等。通過上述方法可以使項目管理人員及時發(fā)現(xiàn)和處理實際施工中出現(xiàn)的問題，預測后續(xù)施工進度。實例研究表明該方法可為工程項目實時控制提供強有力的技術(shù)支持，具有很強的實用價值。

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