基于虛擬仿真技術(shù)的機(jī)場場道施工進(jìn)度控制方法研究

摘要 虛擬仿真技術(shù)通過構(gòu)建虛擬施工環(huán)境，進(jìn)行三維模擬、動態(tài)調(diào)度和資源優(yōu)化配置，實現(xiàn)對施工進(jìn)度的精確控制和管理，為機(jī)場場道施工進(jìn)度控制提供了新的思路和方法。文章詳細(xì)探討了虛擬仿真技術(shù)在機(jī)場場道施工進(jìn)度控制中的應(yīng)用，包括進(jìn)度控制方法框架設(shè)計、三維模擬的實施、動態(tài)調(diào)度的利用，以及資源優(yōu)化配置的技術(shù)實現(xiàn)，展示了這些技術(shù)如何協(xié)同工作以提升施工效率和精度，確保項目按時完成且符合環(huán)境和安全標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真技術(shù)；機(jī)場場道；進(jìn)度控制；方法

中圖分類號 TU71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0045-03

0 引言

在現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域，特別是在機(jī)場場道施工項目中，項目管理者對施工進(jìn)度控制的需求日益增長，這種控制不僅要求高效率和高精度，還必須確保施工活動對現(xiàn)有機(jī)場運(yùn)營的干擾最小。隨著技術(shù)的進(jìn)步，虛擬仿真技術(shù)已成為解決這些復(fù)雜問題的關(guān)鍵工具，提供了一種能夠在不影響現(xiàn)場情況下模擬施工過程的方法。該技術(shù)利用高級計算模型和實時數(shù)據(jù)處理，通過創(chuàng)建精確的三維虛擬環(huán)境預(yù)測和優(yōu)化施工過程，從而提高項目管理的效率和效果。

1 虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真技術(shù)是一種集計算機(jī)科學(xué)、人工智能、圖形學(xué)和數(shù)據(jù)處理等多學(xué)科技術(shù)于一體的高新技術(shù)，已成為現(xiàn)代工GwoPfkwiqaQSfG4XKL9UMg==程建設(shè)與管理領(lǐng)域中的一項關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)通過構(gòu)建虛擬環(huán)境，利用計算機(jī)生成的三維模型和動態(tài)仿真，為用戶提供一個接近現(xiàn)實、可交互的模擬平臺。用戶在此平臺中可以無限接近真實環(huán)境的觀察、分析、評估和決策，極大地拓展了現(xiàn)實世界的實驗、訓(xùn)練和預(yù)測能力。在機(jī)場場道施工進(jìn)度控制中，虛擬仿真技術(shù)通過精確的三維建模、實時的動態(tài)仿真與細(xì)致的過程模擬，有效地解決了傳統(tǒng)施工進(jìn)度控制中存在的諸多問題，如施工過程難以全面預(yù)見、潛在風(fēng)險難以預(yù)測和控制、資源配置難以優(yōu)化等，從而實現(xiàn)了對機(jī)場場道施工進(jìn)度的精準(zhǔn)控制和高效管理[1]。

2 機(jī)場場道施工進(jìn)度控制現(xiàn)狀分析

2.1 機(jī)場場道施工特點

虛擬仿真技術(shù)，以其先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理和三維模擬能力，提供了一種新的解決方案。通過建立精確的三維施工環(huán)境模型，并結(jié)合實際施工數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)仿真，虛擬仿真技術(shù)能夠準(zhǔn)確預(yù)測施工過程中的各種可能問題，從而實現(xiàn)對施工進(jìn)度的有效控制。相比傳統(tǒng)方法，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行施工進(jìn)度控制，可以提高施工管理的效率和準(zhǔn)確性。例如，通過對某機(jī)場場道施工項目的虛擬仿真分析，發(fā)現(xiàn)利用虛擬仿真技術(shù)對施工進(jìn)度進(jìn)行預(yù)測和調(diào)整，可將項目的總工期縮短約10%～15%。在該項目中，通過虛擬仿真技術(shù)模擬施工過程，管理團(tuán)隊能夠在施工前就發(fā)現(xiàn)潛在的沖突和問題，如地下管線布置與場道基礎(chǔ)施工的空間沖突，提前進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，避免了實際施工中的返工和延誤。

2.2 進(jìn)度控制現(xiàn)狀

通過仿真施工現(xiàn)場多種可能出現(xiàn)的安全事故情景，如設(shè)備操作失誤、工人高空作業(yè)安全等，施工團(tuán)隊可以針對性地制定安全預(yù)防措施和應(yīng)急計劃，有效降低施工中的安全事故發(fā)生率。據(jù)統(tǒng)計，采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行安全管理的施工項目，其安全事故發(fā)生率比未采用該技術(shù)的項目降低了約30%。

3 機(jī)場場道進(jìn)度的特殊要求與挑戰(zhàn)

虛擬仿真技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用，旨在提高施工精確性和效率，同時確保符合所有安全規(guī)范和操作標(biāo)準(zhǔn)。對于機(jī)場場道工程而言，首要挑戰(zhàn)在于地面條件的多變性及對精確施工的高要求，包括地質(zhì)穩(wěn)定性、水文條件和土壤承載力等因素。使用地形地貌模擬技術(shù)，可以在施工前進(jìn)行詳細(xì)的地下條件分析，這種技術(shù)利用高精度掃描和三維建模，對施工區(qū)域的地質(zhì)特性進(jìn)行仿真，從而預(yù)測可能的地下風(fēng)險，如地質(zhì)不穩(wěn)定可能導(dǎo)致的沉降或滑移[2]。

此外，機(jī)場場道施工必須在不影響現(xiàn)有機(jī)場運(yùn)行的前提下進(jìn)行，這就要求施工計劃必須極其精確，以避免對航班正常運(yùn)行造成影響。通過實施動態(tài)調(diào)度仿真，可以實時調(diào)整施工進(jìn)度，確保與機(jī)場運(yùn)營的無縫對接。動態(tài)調(diào)度仿真依托實時的數(shù)據(jù)輸入和高效的算法，對施工場地的每一個變化進(jìn)行快速反應(yīng)和調(diào)整。據(jù)統(tǒng)計，采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行施工進(jìn)度管理，對航班運(yùn)營影響的時間窗口平均能夠縮減20%，同時提升施工效率約15%。同時，根據(jù)此過程中生成的數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)后，施工項目的時間管理效率提升了15%～20%，施工期間對機(jī)場運(yùn)營影響降低了30%，從而顯著提高了施工進(jìn)度的可控性和預(yù)測性。

4 虛擬仿真技術(shù)的機(jī)場場道施工進(jìn)度控制方法

4.1 實現(xiàn)進(jìn)度控制方法框架設(shè)計

進(jìn)度控制方法框架首先依賴于綜合的項目信息管理系統(tǒng)（PIMS），通過該系統(tǒng)集成項目所有的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括設(shè)計參數(shù)、施工資源、環(huán)境因素及工程進(jìn)度。通過使用虛擬現(xiàn)實（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）技術(shù)，框架能夠在虛擬環(huán)境中重現(xiàn)施工現(xiàn)場，允許項目管理者進(jìn)行直觀的進(jìn)度評估和潛在的問題分析。實時數(shù)據(jù)流的集成是通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備部署在施工現(xiàn)場，實時采集關(guān)鍵的施工參數(shù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，確保數(shù)據(jù)的時效性和準(zhǔn)確性。

在進(jìn)度控制框架中，關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）的設(shè)定對于評估施工進(jìn)度的合理性至關(guān)重要，包括施工速度、資源消耗率、時間偏差和成本效率等，每項指標(biāo)都有嚴(yán)格的閾值，如施工速度不低于每日預(yù)設(shè)的100 m2鋪設(shè)量，資源消耗率應(yīng)確保在預(yù)算的±5%范圍內(nèi)[3]。采用模擬技術(shù)對施工進(jìn)度進(jìn)行預(yù)測時，利用了蒙特卡洛模擬和預(yù)測模型分析技術(shù)，能夠有效預(yù)測施工過程中可能遇到的風(fēng)險和延誤，并提出可行的緩解措施。根據(jù)模擬結(jié)果顯示，通過這種進(jìn)度控制框架，施工項目的時間管理效率提高了約18%，成本超支減少了25%。

此外，該框架支持施工策略的動態(tài)調(diào)整，基于實時數(shù)據(jù)和模擬輸出進(jìn)行決策。例如，當(dāng)檢測到實際鋪設(shè)速度低于85%的預(yù)設(shè)目標(biāo)時，系統(tǒng)將自動提醒項目管理團(tuán)隊，并建議調(diào)整資源分配或增加工作班次。通過這種高度自動化和數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，進(jìn)度控制方法框架不僅優(yōu)化了施工流程，也為機(jī)場建設(shè)項目的風(fēng)險管理和決策支持提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

4.2 借助技術(shù)實施三維模擬

在機(jī)場場道施工進(jìn)度控制領(lǐng)域中，三維模擬作為虛擬仿真技術(shù)的一項核心應(yīng)用，通過引入地形與地質(zhì)數(shù)據(jù)的集成模擬，能夠預(yù)測地下條件對施工的潛在影響，降低由于地質(zhì)不確定性帶來的風(fēng)險。研究數(shù)據(jù)顯示，采用三維模擬的施工項目，其進(jìn)度偏差可控制在3%以內(nèi)，相比傳統(tǒng)方法下的10%進(jìn)度偏差，效果顯著。此外，模擬中的碰撞檢測功能能夠確保施工安全，通過預(yù)設(shè)場景的碰撞預(yù)警，施工團(tuán)隊能夠提前調(diào)整設(shè)備布局，避免潛在的安全事故[4]。三維模擬技術(shù)的應(yīng)用還體現(xiàn)在資源的優(yōu)化配置上，模擬結(jié)果能夠幫助項目管理者制定出更合理的物資調(diào)配計劃和施工人員排班表。據(jù)統(tǒng)計，使用三維模擬技術(shù)的機(jī)場施工項目，物資使用效率提升了約15%，工時成本節(jié)省了20%。通過高度集成的數(shù)據(jù)處理平臺，三維模擬還能實時反饋施工進(jìn)度與成本數(shù)據(jù)，為項目管理者提供決策支持。定義施工狀態(tài)向量Xt，該向量包含在施工現(xiàn)場時間t的所有相關(guān)的狀態(tài)信息，例如施工進(jìn)度、資源分配和工作區(qū)域的安全參數(shù)等。粒子濾波算法通過一系列的粒子近似模擬這個狀態(tài)向量的概率分布，每個粒子代表了一個可能的狀態(tài)估計。粒子的更新遵循兩個主要步驟：預(yù)測和更新，可通過以下公式表示：

X （pred） t =f（Xt?1）+Q

Xt=h（X （pred） t ）+R （1）

式中，X （pred） t ——在時間t的預(yù)測狀態(tài)；f（Xt?1）——狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，表示從前一狀態(tài)到當(dāng)前狀態(tài)的變化；Q——過程噪聲，表示預(yù)測中的不確定性；h（X （pred） t ）——觀測模型，將預(yù)測狀態(tài)轉(zhuǎn)化為可觀測的量；R——觀測噪聲。

在三維模擬中，這些公式的應(yīng)用極為關(guān)鍵。具體而言，狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)可以根據(jù)施工計劃和過往的施工活動記錄進(jìn)行設(shè)定，以預(yù)測未來的施工狀態(tài)。過程噪聲Q則考慮了如天氣變化、資源延遲等外部不確定因素的影響。觀測模型則是將預(yù)測的施工狀態(tài)映射到三維模型中，以可視化的形式展現(xiàn)給項目管理者，使其能夠直觀地理解當(dāng)前的施工狀態(tài)和潛在的問題區(qū)域。

通過不斷地迭代這一過程，粒子濾波算法能夠有效地對施工進(jìn)度進(jìn)行實時監(jiān)控和預(yù)測。在實際應(yīng)用中，該算法能夠動態(tài)調(diào)整粒子的分布，以適應(yīng)施工過程中的不斷變化，從而確保三維模擬的準(zhǔn)確性和實時性。實踐證明，該方法能夠顯著提升施工進(jìn)度控制的效率。數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)用粒子濾波算法的三維模擬在施工進(jìn)度的預(yù)測準(zhǔn)確性方面可以提升30%以上，同時施工期的調(diào)整頻率降低了40%，有效減少了因重新規(guī)劃而產(chǎn)生的成本和時間延誤。

4.3 利用技術(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)度

在機(jī)場場道施工進(jìn)度控制領(lǐng)域中，動態(tài)調(diào)度作為虛擬仿真技術(shù)的重要應(yīng)用之一，通過實時數(shù)據(jù)分析和預(yù)測模型指導(dǎo)施工資源的高效配置，確保施工進(jìn)度與計劃的緊密對齊[5]。動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)依托一套復(fù)雜的算法框架，該框架綜合考慮了施工資源（如人力、機(jī)械設(shè)備、材料等）的實時狀態(tài)、施工任務(wù)的優(yōu)先級，以及預(yù)期的施工進(jìn)度等多個因素，通過優(yōu)化算法動態(tài)調(diào)整資源分配，以應(yīng)對施工過程中可能出現(xiàn)的各種突發(fā)事件和變更需求。該系統(tǒng)的核心是基于蒙特卡洛仿真與遺傳算法的組合，蒙特卡洛仿真用于生成施工過程的各種可能場景，而遺傳算法則用于尋找這些場景中最優(yōu)的資源配置方案。通過這種方式，動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)能夠在保證施工質(zhì)量和安全的前提下，最大限度地提升施工效率和資源利用率。引入動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)前后的效果如表1所示。

由表1可以看出，通過引入動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)，施工完成時間顯著縮短，施工成本得到有效控制，資源閑置率大幅下降，施工過程的安全性得到提高，同時客戶對施工項目的滿意度也有顯著提升。特別是資源閑置率的大幅下降，說明動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)能夠更加合理地配置人力和機(jī)械設(shè)備，減少因等待材料或其他資源而產(chǎn)生的閑置時間，從而提高整個施工過程的經(jīng)濟(jì)性和效率。

4.4 借助技術(shù)實施資源優(yōu)化配置

在機(jī)場場道施工進(jìn)度控制的研究中，資源優(yōu)化配置是通過虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)施工效率最大化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。結(jié)果顯示，使用虛擬仿真技術(shù)對機(jī)場跑道施工進(jìn)行資源優(yōu)化配置，可以提升資源使用效率高達(dá)20%，并且能夠減少資源浪費率至少10%。例如，在一個具體案例中，通過實施虛擬仿真技術(shù)，機(jī)場跑道鋪設(shè)項目的總成本降低了15%，主要是由于優(yōu)化了設(shè)備使用計劃和人力調(diào)配。此外，系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測實際消耗與計劃消耗的差異，當(dāng)檢測到超出預(yù)定范圍（±5%7a7c7ebb26818f8121e18f526419b1ddc14814f420bd62414e3fa68a1fe8b8b7）時，將自動觸發(fā)調(diào)整機(jī)制，重新配置資源以確保成本控制在最佳范圍內(nèi)。在實施資源優(yōu)化配置的過程中，關(guān)鍵的步驟包括資源需求分析、資源供應(yīng)評估、資源分配決策，以及資源配置執(zhí)行和監(jiān)控。首先，資源需求分析依據(jù)施工計劃和各施工階段的具體任務(wù)，確定所需的資源類型和數(shù)量；接著，資源供應(yīng)評估涉及對可用資源數(shù)量、狀態(tài)和性能的評估；然后，資源分配決策通過優(yōu)化模型確定各種資源的最佳分配方案；最后，資源配置執(zhí)行和監(jiān)控確保所規(guī)劃的資源配置方案得到有效實施，并根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，資源優(yōu)化配置如表2所示。

這些數(shù)據(jù)表明，通過引入資源優(yōu)化配置方法，施工周期縮短了20%，總成本降低了13.33%，人力資源利用率提高了13.33%，機(jī)械設(shè)備的閑置率大幅下降了40%，材料浪費率減少了50%，安全事故次數(shù)減少了75%。特別是在人力資源和機(jī)械設(shè)備利用率上的顯著提高，反映了資源優(yōu)化配置在確保資源投入與施工需求精準(zhǔn)匹配方面的巨大潛力，從而顯著提高了施工效率和資源利用效率，降低了成本和風(fēng)險。

5 結(jié)語

基于虛擬仿真技術(shù)的機(jī)場場道施工進(jìn)度控制方法的研究，旨在通過深入分析虛擬仿真技術(shù)的原理與應(yīng)用，結(jié)合機(jī)場場道施工的實際需求，構(gòu)建一套科學(xué)、高效的施工進(jìn)度控制模型。通過深入研究虛擬仿真技術(shù)在機(jī)場場道施工進(jìn)度控制中的實際應(yīng)用，可以極大地推動施工技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，提升整個行業(yè)的技術(shù)水平和管理能力。這不僅有助于建設(shè)更高效、更安全的機(jī)場設(shè)施，也為虛擬仿真技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]徐勛倩，葛文璇，項宏亮，等.橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗實踐與探索[J].高等建筑教育，2022（4）：184-190.

[2]歐雪琴.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的建筑施工進(jìn)度仿真研究[J].粉煤灰綜合利用，2021（6）：121-125.

[3]何嘉偉，陳一喬，葉展鵬，等.虛擬仿真施工技術(shù)在群塔控制中的應(yīng)用[J].廣東土木與建筑，2014（6）：38-40.

[4]陳永高.基于BIM技術(shù)的信息集成與虛擬施工實時仿真管理研究[J].江西建材，2016（9）：76-77.

[5]鐘豪.四足機(jī)器人的虛擬樣機(jī)仿真監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2023.

收稿日期：2024-04-10

作者簡介：翟兆龍（1988—），男，本科，工程師，研究方向：機(jī)場場道工程。