基于循環(huán)網(wǎng)絡技術的水利圍堰施工運輸系統(tǒng)仿真模型設計

趙偉超 何志凱

（青州水建工程建設有限公司，山東 青州 262500）

0 引言

在水利工程施工之前，建造臨時圍堰構造，不僅能防止水土進入建筑，還能為基坑施工提供有利條件。在水利圍堰施工過程中，運輸系統(tǒng)需要負責工程建設的物料調(diào)運與管理，既要滿足圍堰施工需求，又要縮短物料運輸時間，是控制施工進度與施工成本的關鍵因素。如何合理規(guī)劃和組織施工現(xiàn)場的交通運輸系統(tǒng)已成為工程精細化施工的基本要求。

水利圍堰使用常規(guī)的模型很難擬合運輸系統(tǒng)的運輸環(huán)境[1]。循環(huán)網(wǎng)絡技術，是在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡基礎之上的設計技術，對于深度分析運輸系統(tǒng)的時間序列具有重要意義[2]。通過分析循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡的運輸軌跡，可以找出水利圍堰施工運輸系統(tǒng)的關聯(lián)軌跡，進而預測出可能出現(xiàn)的情況，調(diào)整出更加符合實際需求的模型。因此，本文利用循環(huán)網(wǎng)絡技術設計水利圍堰施工運輸系統(tǒng)的仿真模型，旨在減少不確定因素對施工運輸系統(tǒng)的影響，縮短施工材料的運輸時間，為工程高效開展奠定基礎。

1 基于循環(huán)網(wǎng)絡技術的水利圍堰施工運輸系統(tǒng)仿真模型設計

1.1 確定水利圍堰施工運輸線路的幾何特征

在水利圍堰施工物料運輸?shù)倪^程中，運輸系統(tǒng)會呈現(xiàn)出幾何運輸路線，該路線是位于空間的曲線，運輸路段分別為右岸上游路段、右岸下游路段、左岸上游路段、左岸下游路段，每個運輸路段的運輸方向也會不同[3]。本文選取2～14km 作為運輸路徑，運輸時間為1～10min，由此得出的水利圍堰施工運輸系統(tǒng)的集合運輸路徑如圖1所示。

從圖1 可知，E 點與F 點分別為右岸與左岸的中心點，E 點與F 點上的四個箭頭表示物料運輸線路的方向。其中，E 點運輸線路的方向屬于對向；F 點運輸線路的方向屬于同向。在路徑為4～10km 范圍時，運輸路段相同，運輸時間也保持相同。因此，在分析水利圍堰施工運輸系統(tǒng)的幾何特征時，以0～4km，10～14km的范圍為主。對于施工運輸車輛而言，施工路段不存在其他車輛，車輛之間距離也相對較遠，在車輛本身性能支持并符合道路限速的前提下，車輛的因素可以忽略不計。

圖1 施工運輸系統(tǒng)的集合運輸路線

1.2 劃分運輸系統(tǒng)施工條件

施工物料運輸是影響施工進度計劃的關鍵因素，在最短的時間內(nèi)運輸最多的物料是施工的核心標準[4]。具體來講，水利圍堰施工運輸系統(tǒng)的運輸流程為：物料裝車—岔口排隊—卸車排隊—物料卸車—岔口排隊—裝車排隊—物料裝車。此過程是一個循環(huán)過程，物料裝車到物料卸車階段屬于重車運行；物料卸車到重新裝車階段屬于空車返回。對于運輸系統(tǒng)而言，整體運輸過程分為施工材料子系統(tǒng)、道路子系統(tǒng)、物料來源子系統(tǒng)，以及運輸機械與裝載機械子系統(tǒng)[5]。其中，施工材料子系統(tǒng)是主導運輸?shù)南到y(tǒng)，運輸時間、運輸機械與裝載機械子系統(tǒng)、物料來源子系統(tǒng)等均會受到施工材料子系統(tǒng)的影響；道路子系統(tǒng)具有分辨運輸途中的岔口與路段的作用；物料來源子系統(tǒng)可以反映施工材料的來源與歸宿，在運輸過程中可以分門別類地運輸，減少材料混淆的現(xiàn)象；運輸機械與裝載機械子系統(tǒng)具有設定施工物料種類、運輸周期、運輸量以及裝配裝載機械的作用。

1.3 基于循環(huán)網(wǎng)絡技術規(guī)劃運輸系統(tǒng)的最短路徑

循環(huán)網(wǎng)絡技術具有完善模型功能的作用，傳統(tǒng)的仿真模型中不能存儲較多的歷史信息，但是模型使用的過程中會出現(xiàn)結果序列不穩(wěn)定的現(xiàn)象[6]。就施工運輸系統(tǒng)的歷史位置來講，如果使用傳統(tǒng)的仿真模型，部分歷史位置會出現(xiàn)空缺，預測模型中存在問題時具有一定的誤差，影響運輸系統(tǒng)規(guī)劃最短運輸時間的效果[7]。運輸系統(tǒng)的最短擇路標準是仿真模型設計的關鍵指標，本文以系統(tǒng)擇路規(guī)則為第一原則；并將車輛運行路線最短作為第二原則；按照物料運輸性質(zhì)擇路作為正向強制性原則；按照物料需求量控制作為第一逆向強制性原則；物料存儲量控制作為第二逆向強制性原則。根據(jù)以上原則可以得出運行路線的表達式如下：

式中：Mi(σi)——施工物料運輸最佳路徑的表達式，其中i為常數(shù)，σi為運輸距離；

M1(σ1)——不同的物料運輸目的地；

M2(σ2)——通過規(guī)劃運輸最短路徑；

Mn(σn)(σn+1)——可以最大限度地縮短施工材料運輸時間，提高施工物料的運輸效率。

1.4 構建水利圍堰施工運輸系統(tǒng)仿真模型

為了構建水利圍堰施工運輸系統(tǒng)仿真模型，本文首先確定出水利圍堰施工運輸線路的幾何特征，了解運輸系統(tǒng)中存在的不確定因素；其次，劃分運輸系統(tǒng)施工條件，分析運輸系統(tǒng)的實際運輸流程；最后，規(guī)劃出運輸系統(tǒng)運輸?shù)淖疃搪窂剑s短運輸時間。以上述條件為基礎，可以設計出一個完善的仿真模型。本文構建的模型基礎是循環(huán)網(wǎng)絡技術，通過集合運輸系統(tǒng)重要位置序列的構成軌跡，形成模型的表達式如下：

式中：Msimulate——仿真模型表達式；

k——運輸系統(tǒng)重要位置；

c——構成軌跡的中心點；

C(k)——軌跡集合中含有重要位置k的結合；

Jaggregate——軌跡集合；

k(c|k;σi)——模型的條件向量；

evc·vk——c與k的列向維度；

c′——c的變化量。

通過仿真模型的設計可以優(yōu)化運輸系統(tǒng)的運輸路徑，進一步縮短運輸時間，對于提高水利圍堰施工效率具有重要作用。

2 仿真試驗

為了驗證本文設計的仿真模型是否具有實用價值，本文搭建了一個仿真平臺進行測驗。首先，按照現(xiàn)實條件布置水利樞紐與工程量，保證仿真平臺測試的真實性；其次，模擬水利圍堰施工進度、運輸線路、道路標準等條件，為仿真實驗提供科學依據(jù)；最后，還原出水利圍堰工程的周圍環(huán)境，在滿足所有運輸條件的基礎上進行試驗。

2.1 試驗過程

在進行試驗之前，按照實際水利圍堰工程施工條件在仿真平臺上1∶1 還原。利用計算機技術，將圍堰的迎水面邊坡橫縱比設置為2∶1，基坑側邊坡比例在2∶3左右。在此基礎上，將圍堰使用的材料進行調(diào)整，保證圍堰施工材料的運輸完整性。對于水利圍堰施工進度、運輸線路、道路標準等條件而言，需要作出簡單的規(guī)劃，將施工進度設定為施工前期；運輸線路選取為500～5000m 之內(nèi)的隨機路段；道路標準以常規(guī)標準為主。由于水利圍堰施工工程量較大，施工強度也相對增高，施工運輸環(huán)境的布置需要滿足所有施工需求。本文根據(jù)水利圍堰工程環(huán)境進行仿真模擬，將工程右岸上下游與左岸上下游的道路空間進行設置。

其中，右岸上游道路主要負責圍堰施工材料的運輸，左岸下游道路主要負責填筑材料的運輸，并在運輸系統(tǒng)將各個路段進行編號，編號的規(guī)則以首字母為主，右岸上游路段的編號為RO（Right On）；右岸下游路段的編號為RL（Right Lower）；以此類推，左岸上游路段的編號為LO（Left On）；左岸下游路段的編號為LL（Left Lower）。各個運輸?shù)缆吩谙鄳砜谖恢迷O置相應的編號，保證運輸路徑的正確性?？紤]到實際施工環(huán)境會受到天氣、氣候等自然條件的制約，實際施工過程不可能一直處于工作狀態(tài)。因此，本文使用與現(xiàn)實相同的工作時間。每天的有效工作時間為12h，每月的有效工作天數(shù)為26d。在所有前提條件均模擬好之后，即可開始實驗。

2.2 試驗結果

在上述試驗條件下，本文在搭建出的仿真平臺上對水利圍堰施工運輸路徑進行仿真，設定運輸路徑為500m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m。以此為前提，將傳統(tǒng)水利圍堰施工運輸系統(tǒng)仿真模型規(guī)劃的最短運輸時間，與本文設計的仿真模型最短運輸時間進行比較，實驗結果如表1所示。

表1 試驗結果

如表1 所示，路徑仿真時以500m 為間隔，分別在500m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m 的運輸路徑上進行最短時間規(guī)劃。在相同試驗條件下，傳統(tǒng)水利圍堰施工運輸系統(tǒng)仿真模型規(guī)劃的最短運輸時間較長，并會隨著路徑的延長而增加。其中，運輸時間最長的仿真路徑為5000m，最短運輸時間為25min45s；運輸時間最短的仿真路徑為500m，最短運輸時間為2min48s，直接影響水利圍堰施工運輸效果，進而耽誤施工周期。本文設計的仿真模型在運輸時間上更短，在仿真路徑為500～3000m 時，運輸時間會隨著路徑的增加而延長，但是仿真路徑超過3000m 之后，最短運輸時間會固定在7min31s 左右；在500m 左右的短距離施工路徑，最短運輸時間甚至可以低于1min，減少路徑對運輸時間的局限性，符合本文研究目的。

3 結束語

水利圍堰施工是水利工程安全施工的關鍵環(huán)節(jié)，受到技術水平與管理水平的限制，水利圍堰施工運輸系統(tǒng)成本較大。由于水利圍堰施工運輸系統(tǒng)結構相對復雜，影響因素較多，開放性較強，很多不確定性因素很容易影響到系統(tǒng)的運輸時間，進而耽誤施工進度。基于此，本文利用循環(huán)網(wǎng)絡技術，設計水利圍堰施工運輸系統(tǒng)仿真模型，通過仿真試驗的方式反映出運輸系統(tǒng)的真實過程，為實踐中提升運輸系統(tǒng)運輸效率提供借鑒。