三峽工程施工中的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)

鄭　瑛

摘要：三峽總公司在三峽工程二期混凝土大壩澆筑中開發(fā)了功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，可以快速評價承包商作的施工總進(jìn)度計(jì)劃，對技術(shù)措施進(jìn)行定量分析，快速比較多種澆筑方案，對影響混凝土施工的各種因素作敏感性分析，對工程進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時控制，還可對澆筑過程進(jìn)行三維動態(tài)顯示等。三峽工程截流及圍堰工程施工過程的仿真研究，基于可視化技術(shù)及計(jì)算機(jī)圖形、圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)等，以三維動態(tài)方式生動逼真地展示了截流、圍堰填筑施工全過程。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)仿真；施工；三峽工程

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于水電工程施工近30年，應(yīng)用范圍從輔助施工組織設(shè)計(jì)擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維動態(tài)顯示等，從仿真單一的混凝土壩澆筑到仿真土石壩施工、截流施工、地下工程施工等；應(yīng)用目標(biāo)從靜態(tài)的方案優(yōu)選發(fā)展到動態(tài)的實(shí)時控制等；從最初把仿真成果僅僅作為一種不重要的決策參考，逐漸發(fā)展成水電工程、尤其是大型水電工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工管理中不可缺少的技術(shù)手段。三峽總公司在三峽工程二期混凝土大壩澆筑中開發(fā)了功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，可以快速評價承包商作的施工總進(jìn)度計(jì)劃，對技術(shù)措施進(jìn)行定量分析，快速比較多種澆筑方案，對影響混凝土施工的各種因素作敏感性分析，對工程進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時控制，還町對澆筑過程進(jìn)行三維動態(tài)顯示等。三峽工程截流及圍堰工程施工過程的仿真研究。基于可視化技術(shù)及計(jì)算機(jī)圖形、圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)等，以三維動態(tài)方式生動逼真地展示了截流、圍堰填筑施工全過程。

1 大壩混凝土施工過程仿真

三峽工程大壩混凝土工程不僅量大，工序復(fù)雜，施工期長，影響和制約因素眾多，而且大型施工經(jīng)驗(yàn)有限，國內(nèi)成熟的施工方案也不多。巨型工程的施啊，難免會出現(xiàn)許多不可預(yù)見的干擾因素，且在各種因素變化時，難以快速對大壩混凝十施工進(jìn)行多方案比較及調(diào)整。三峽開發(fā)總公司通過委托有關(guān)科研部門，根據(jù)以往系統(tǒng)工程在大壩混凝土施工中應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，通過對三峽工程的施工特性和需要的分析，運(yùn)用現(xiàn)代科技管理技術(shù)．實(shí)現(xiàn)了快速制定大壩混凝土澆筑的施工進(jìn)度計(jì)劃、合理地評價預(yù)先擬定的施工方案、實(shí)現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃的適時監(jiān)控，為業(yè)主的重大決策提供了依據(jù)。

1.1 大壩混凝土施工過程仿真

大壩混凝土施工包括砂石料生產(chǎn)、混凝土拌和、混凝土運(yùn)輸和混凝土澆筑4個子系統(tǒng)。在混凝土的澆筑過程中，壩區(qū)工作面的施工組織非常復(fù)雜，影響施工的因素眾多，除混凝土生產(chǎn)和澆筑的生產(chǎn)效率外，還有壩體結(jié)構(gòu)型式(孔洞、廊道)、氣候條件、壩體分縫分塊、相鄰高差、溫度控制措施、接縫灌漿、基礎(chǔ)處理、倉面處理等。

三峽二期大壩廠程混凝土施工，采用了高架門機(jī)、圓筒式門機(jī)、胎帶機(jī)、纜機(jī)、塔帶機(jī)等多種機(jī)械聯(lián)合作業(yè)。這些機(jī)械運(yùn)行方式不同，生產(chǎn)效率不同，且投入使用的時間也不同，導(dǎo)致混凝上澆筑在時間和空間上均出現(xiàn)了互相交叉、互相干擾的情況，更增加了大壩混凝土澆筑施工組織的難度。在作施工組織設(shè)計(jì)時．需在設(shè)備使用基本原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)壩面施工的具體情況，以及混凝土澆筑設(shè)備的丁作范圍、布置位置、使用時間，作出具體的設(shè)備配置安排。

通過收集、整理分析時間約束條件、大壩混凝土溫度控制、氣象條件、間歇時間、相鄰高差等大壩施工參數(shù)，遵循澆筑設(shè)備時鐘最小優(yōu)先原則、壩塊澆筑高程最低優(yōu)先原則、壩塊間隙時間最長優(yōu)先原則，建立壩體澆筑仿真計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)變量、決策變量與約束條件之間的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系的定量描述，通過狀態(tài)變量和決策變量的不斷改變．按照既定的澆筑規(guī)律和約束條件對大壩混凝土的施。廠過程進(jìn)行仿真。混凝土澆筑仿真施工的要點(diǎn)為：

(1)首先判斷有無可澆筑的混凝土塊，否則模擬時鐘時間直接向前推進(jìn)。重新判斷直到條件均滿足為止。

(2)如果有滿足條件的混凝土塊，需先確定混凝土澆筑塊的位置，然后確定澆筑該塊混凝土的澆筑設(shè)備及數(shù)量。

(3)如此反復(fù)循環(huán)，各臺設(shè)備從大壩開始澆筑之時起，隨著澆筑工作的進(jìn)行，設(shè)備的工作時間逐漸增加，直至整個大壩混凝土全部澆筑完畢，此時設(shè)備的工作延續(xù)時間就是大壩總澆筑工期，累計(jì)的混凝土量即為澆筑完成的混凝土量。各時段澆筑的混凝土即為混凝土澆筑強(qiáng)度。在這個循環(huán)過程中，隨時記錄設(shè)備的工作時間狀態(tài)、壩塊的澆筑順序及混凝土量、各壩段高程，即可得到設(shè)備的工作狀態(tài)和大壩施工面貌的動態(tài)變化過程。

整個系統(tǒng)的主要功能模塊包括主控模塊、數(shù)據(jù)庫文件管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、模擬計(jì)算模塊、圖形模塊、報表模塊、查詢模塊等。這幾個模塊之間，以數(shù)據(jù)文件為媒介進(jìn)行交流。

系統(tǒng)具有文件的存取與多方案的自動比較、二維與三維動態(tài)圖形顯示、信息動態(tài)反饋功能、強(qiáng)大的適應(yīng)能力及處理特殊問題的能力(包括自動調(diào)整層高及倒縫、各種異常情況的處理、層厚調(diào)整、設(shè)備的調(diào)整、修訂目標(biāo)進(jìn)度)、動態(tài)跟蹤跳塊過程等特點(diǎn)。

2 大江截流計(jì)算機(jī)決策仿真

通過建立三峽工程大江截流及相關(guān)工程的水力學(xué)計(jì)算模型和三維實(shí)體模型，對大江截流工程的施工全過程進(jìn)行三維計(jì)算機(jī)仿真模擬，從而反映出大江截流各個階段的的水力學(xué)指標(biāo)和形象面貌，及時發(fā)現(xiàn)工程施工過程中存在的問題，并尋求解決問題的方法及相應(yīng)對策，為大江截流決策提供可靠依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)工程施工、科學(xué)規(guī)劃和科學(xué)管理。主要有三個方面的功能：

(1)建模及水力學(xué)計(jì)算。根據(jù)長江科學(xué)院所作大江截流物理模型的試驗(yàn)結(jié)果，建立了截流水力學(xué)分析計(jì)算數(shù)學(xué)模型。利用該模型可以方便地計(jì)算出在不同流量、不同水位、不同上：下游口門寬度組合的情況下，截流戧堤周圍流場分布，包括每一點(diǎn)的水流流速、流向，以及明渠內(nèi)的分流比與明渠內(nèi)的流速分布情況。據(jù)此能科學(xué)地決定拋投物料的尺寸大小與性質(zhì)、汛期以前口門寬度、平拋墊底的最大高程上下游口門寬度的最優(yōu)組合等。數(shù)學(xué)模型的建立，彌補(bǔ)了物理模型試驗(yàn)的局限性，可以在真實(shí)比尺下快速計(jì)算出各種工況的截流水力學(xué)狀況。

(2)大江截流計(jì)算機(jī)施工過程的三維仿真。利用先進(jìn)的三維CAD技術(shù)，構(gòu)成三維實(shí)物模型，對大江截流個過程進(jìn)行仿真模擬，逼真地展現(xiàn)廣大江截流驚心動魄的壯觀場面，具有直觀形象的可視效果。它可以給出特定參數(shù)下任意時點(diǎn)的截流面貌，并可在施工現(xiàn)場漫游。這種可視化虛擬現(xiàn)實(shí)的先進(jìn)手段，使得對截流町能存在的問題具有前瞻性，能為實(shí)際決策提供有力的科學(xué)佐證。

為確保三維實(shí)體模型的準(zhǔn)確與實(shí)用，研究采用的基本資料包括區(qū)域地形圖、施工詳圖、總體布置規(guī)劃、施仁關(guān)鍵時段形象面貌圖、水工模型試驗(yàn)資料、以及與三峽工程施工期有關(guān)的工程施工圖片。

首先利用實(shí)測的地形圖通過數(shù)字化儀在計(jì)算機(jī)內(nèi)形成二維地形，然后用Microstation形成三維地形圖，之后在Microstation下形成導(dǎo)流明渠、縱向圍堰、關(guān)鍵時段大江截流及二期圍堰三維實(shí)體模型，最后在3DMAX下進(jìn)行動畫制作，漫游施工現(xiàn)場，包括有水下深槽、平拋墊底、預(yù)進(jìn)占施工、渡汛、非龍口段施工、龍口段施工、二期圍堰完建等幾個階段。

(3)圖文數(shù)據(jù)庫及截流施工組織設(shè)計(jì)動態(tài)優(yōu)化。包括有關(guān)截流的工程概況、基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫、決策文檔庫和施工組織設(shè)計(jì)圖形庫。根據(jù)前述兩部分對截流的模擬仿真，發(fā)現(xiàn)問題時可以實(shí)時地調(diào)出相應(yīng)圖文數(shù)據(jù)，在CAD軟件中修改圖紙，隨時優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)。

3 明渠截流施工Petrl網(wǎng)仿真

Petri網(wǎng)能夠以圖形方式深刻、簡潔地描述系統(tǒng)的動態(tài)過程，精確描述事件的順序、并發(fā)和沖突關(guān)系，使系統(tǒng)形象化，有利于理解，賦時Petri網(wǎng)(TPN)具有(事件)變遷的時間延遲，廣泛應(yīng)用于離散事件系統(tǒng)中的面向?qū)ο蠹夹g(shù)，因其抽象性、封裝性、繼承性、多態(tài)性等特色，有利于提高系統(tǒng)的建模能力；因此采用賦時Petri網(wǎng)對三峽三期截流施工系統(tǒng)建模，并將面向?qū)ο蠹夹g(shù)融人其中，既可以更好地描述施工系統(tǒng)的動態(tài)過程，又大大方便了系統(tǒng)的建模與實(shí)現(xiàn)。

建立Petri網(wǎng)模型，以庫所表示的汽車、挖裝機(jī)械和施工部位均被抽象為對象來看待，每一個對象均具有多種屬性，同時汽車和挖裝機(jī)械還具有方法。這兩者的結(jié)合大大增強(qiáng)了程序的可擴(kuò)充性，使實(shí)現(xiàn)容易、簡便，同時更便于研究系統(tǒng)的運(yùn)行特性。三峽三期截流共有16個主要料場，為確保施工強(qiáng)度，節(jié)省運(yùn)距，基本按“上游備料運(yùn)至上游圍堰、下游備料運(yùn)至下游圍堰”的原則進(jìn)行平衡。運(yùn)輸時主要選用32～85t的大型載重自卸汽車。整個施工運(yùn)輸系統(tǒng)是由一系列特定運(yùn)輸環(huán)節(jié)所構(gòu)成的一個循環(huán)過程。在截流運(yùn)輸中，各料場的汽車經(jīng)裝載后，到達(dá)各自的卸料部位，卸完后即返回到原先的料場挖裝機(jī)械前等待裝車。這個過程循環(huán)往復(fù)，每一次都是前一次的重復(fù)。

在初始狀態(tài)下，每輛汽車及挖裝機(jī)械設(shè)備都處于空閑狀態(tài)，在模型圖中體現(xiàn)為托肯(Token)處于可用狀態(tài)，整個過程每輛汽車順次經(jīng)歷裝載、重運(yùn)、進(jìn)入卸載隊(duì)列、卸載、空返這5個變遷，每一變遷的發(fā)生時間體現(xiàn)為托肯從不可用狀態(tài)到可用狀態(tài)的持續(xù)時間，這一段持續(xù)時間在程序中用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生。

在程序?qū)崿F(xiàn)中，針對挖裝機(jī)械設(shè)備和卸料點(diǎn)的使用，定義了料場處的裝載等待隊(duì)列和卸料點(diǎn)處的卸載等待隊(duì)列。對于每個料場，根據(jù)Petri網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)則，結(jié)合輸入的有關(guān)參數(shù)，順次處理汽車裝載、重運(yùn)等事件。當(dāng)汽車到達(dá)施工部位時，則進(jìn)入卸載等待隊(duì)列等待處理卸載事件。每次通過處理最短時間事件來推進(jìn)模擬鐘。在推進(jìn)模擬鐘的同時，將系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)在模擬時實(shí)時寫屏輸出并存人文件。

在三峽三期截流施工運(yùn)輸系統(tǒng)中，具有順序、并發(fā)及沖突等事件關(guān)系，其中，沖突事件對系統(tǒng)性能的影響最大。對于挖裝機(jī)械設(shè)備及卸料點(diǎn)的使用沖突，采用“FIFO(先到先服務(wù))”及“SPT(服務(wù)時間最短)”等調(diào)度規(guī)則。

經(jīng)過對三峽導(dǎo)流明渠截流與三期土石圍堰的仿真計(jì)算。優(yōu)選施工組織方案和施工機(jī)械設(shè)備的配置。賦時Petri網(wǎng)能簡潔地描述系統(tǒng)的動態(tài)特性，然而往往存在模型的復(fù)雜問題；而面向?qū)ο蠹夹g(shù)，對龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)描述提供了更有效的簡化手段，將面向?qū)ο蠹夹g(shù)與賦時Petri網(wǎng)方法相結(jié)合，可充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，同時又彌補(bǔ)了各自的缺點(diǎn)。通過上述方法進(jìn)行建模與仿真，條理清晰，易于理解且便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，程序的可擴(kuò)充性也大大增強(qiáng)。它不僅能提供常規(guī)分析方法所得到的數(shù)據(jù)，優(yōu)選施工組織方案和施工機(jī)械設(shè)備的配置還能反映實(shí)際施工系統(tǒng)的動態(tài)變化情況，并能實(shí)時取出某個具體對象(如自卸汽車，卸料點(diǎn)等)的當(dāng)前屬性；對于車輛的擁擠程度和行車狀況等指標(biāo)也能較容易地得到。運(yùn)用該模型及方法進(jìn)行施工運(yùn)輸系統(tǒng)模擬可以為施工計(jì)劃、施工組織設(shè)計(jì)和施工進(jìn)度管理提供更多的決策信息。