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(kāi)發(fā)了功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，可以快速評(píng)價(jià)承包商作的施工總進(jìn)度計(jì)劃，對(duì)技術(shù)措施進(jìn)行定量分析，快速比較多種澆筑方案，對(duì)影響混凝土施工的各種因素作敏感性分析，對(duì)工程進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，還可對(duì)澆筑過(guò)程進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)顯示等。三峽工程截流及圍堰工程施工過(guò)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(dòng)態(tài)方式生動(dòng)逼真地展示了截流、圍堰填筑施工全過(guò)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(dòng)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(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)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(kāi)發(fā)了功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，可以快速評(píng)價(jià)承包商作的施工總進(jìn)度計(jì)劃，對(duì)技術(shù)措施進(jìn)行定量分析，快速比較多種澆筑方案，對(duì)影響混凝土施工的各種因素作敏感性分析，對(duì)工程進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，還町對(duì)澆筑過(guò)程進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)顯示等。三峽工程截流及圍堰工程施工過(guò)程的仿真研究?；诳梢暬夹g(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(dòng)態(tài)方式生動(dòng)逼真地展示了截流、圍堰填筑施工全過(guò)程。

1 大壩混凝土施工過(guò)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(zhǎng)，影響和制約因素眾多，而且大型施工經(jīng)驗(yàn)有限，國(guó)內(nèi)成熟的施工方案也不多。巨型工程的施啊，難免會(huì)出現(xiàn)許多不可預(yù)見(jiàn)的干擾因素，且在各種因素變化時(shí)，難以快速對(duì)大壩混凝十施工進(jìn)行多方案比較及調(diào)整。三峽開(kāi)發(fā)總公司通過(guò)委托有關(guān)科研部門(mén)，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(guò)對(duì)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(píng)價(jià)預(yù)先擬定的施工方案、實(shí)現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃的適時(shí)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(guò)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(gè)子系統(tǒng)。在混凝土的澆筑過(guò)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(cāng)面處理等。

三峽二期大壩廠程混凝土施工，采用了高架門(mén)機(jī)、圓筒式門(mén)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(shí)間也不同，導(dǎo)致混凝上澆筑在時(shí)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(shí)．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(shí)間，作出具體的設(shè)備配置安排。

通過(guò)收集、整理分析時(shí)間約束條件、大壩混凝土溫度控制、氣象條件、間歇時(shí)間、相鄰高差等大壩施工參數(shù)，遵循澆筑設(shè)備時(shí)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(shí)間最長(zhǎng)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(guò)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(duì)大壩混凝土的施。廠過(guò)程進(jìn)行仿真?；炷翝仓抡媸┕さ囊c(diǎn)為：

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

(2)如果有滿(mǎn)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(tái)設(shè)備從大壩開(kāi)始澆筑之時(shí)起，隨著澆筑工作的進(jìn)行，設(shè)備的工作時(shí)間逐漸增加，直至整個(gè)大壩混凝土全部澆筑完畢，此時(shí)設(shè)備的工作延續(xù)時(shí)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(shí)段澆筑的混凝土即為混凝土澆筑強(qiáng)度。在這個(gè)循環(huán)過(guò)程中，隨時(shí)記錄設(shè)備的工作時(shí)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(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

整個(gè)系統(tǒng)的主要功能模塊包括主控模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)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(bào)表模塊、查詢(xún)模塊等。這幾個(gè)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(dòng)比較、二維與三維動(dòng)態(tài)圖形顯示、信息動(dòng)態(tài)反饋功能、強(qiáng)大的適應(yīng)能力及處理特殊問(wèn)題的能力(包括自動(dòng)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(dòng)態(tài)跟蹤跳塊過(guò)程等特點(diǎn)。

2 大江截流計(jì)算機(jī)決策仿真

通過(guò)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(duì)大江截流工程的施工全過(guò)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(gè)階段的的水力學(xué)指標(biāo)和形象面貌，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程施工過(guò)程中存在的問(wèn)題，并尋求解決問(wèn)題的方法及相應(yīng)對(duì)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(gè)方面的功能：

(1)建模及水力學(xué)計(jì)算。根據(jù)長(zhǎng)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(mén)寬度組合的情況下，截流戧堤周?chē)鲌?chǎng)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(mén)寬度、平拋墊底的最大高程上下游口門(mén)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(guò)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(duì)大江截流個(gè)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，逼真地展現(xiàn)廣大江截流驚心動(dòng)魄的壯觀場(chǎng)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(shí)點(diǎn)的截流面貌，并可在施工現(xiàn)場(chǎng)漫游。這種可視化虛擬現(xiàn)實(shí)的先進(jìn)手段，使得對(duì)截流町能存在的問(wèn)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(shí)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(cè)的地形圖通過(guò)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(shí)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(dòng)畫(huà)制作，漫游施工現(xiàn)場(chǎng)，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(gè)階段。

(3)圖文數(shù)據(jù)庫(kù)及截流施工組織設(shè)計(jì)動(dòng)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(kù)、決策文檔庫(kù)和施工組織設(shè)計(jì)圖形庫(kù)。根據(jù)前述兩部分對(duì)截流的模擬仿真，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以實(shí)時(shí)地調(diào)出相應(yīng)圖文數(shù)據(jù)，在CAD軟件中修改圖紙，隨時(shí)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(jiǎn)潔地描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)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(shí)Petri網(wǎng)(TPN)具有(事件)變遷的時(shí)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(shí)Petri網(wǎng)對(duì)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(dòng)態(tài)過(guò)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(kù)所表示的汽車(chē)、挖裝機(jī)械和施工部位均被抽象為對(duì)象來(lái)看待，每一個(gè)對(duì)象均具有多種屬性，同時(shí)汽車(chē)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(jiǎn)便，同時(shí)更便于研究系統(tǒng)的運(yùn)行特性。三峽三期截流共有16個(gè)主要料場(chǎng)，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(shí)主要選用32～85t的大型載重自卸汽車(chē)。整個(gè)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(gè)循環(huán)過(guò)程。在截流運(yùn)輸中，各料場(chǎng)的汽車(chē)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(chǎng)挖裝機(jī)械前等待裝車(chē)。這個(gè)過(guò)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(chē)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(gè)過(guò)程每輛汽車(chē)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(gè)變遷，每一變遷的發(fā)生時(shí)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(shí)間，這一段持續(xù)時(shí)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(duì)挖裝機(jī)械設(shè)備和卸料點(diǎn)的使用，定義了料場(chǎng)處的裝載等待隊(duì)列和卸料點(diǎn)處的卸載等待隊(duì)列。對(duì)于每個(gè)料場(chǎng)，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(chē)裝載、重運(yùn)等事件。當(dāng)汽車(chē)到達(dá)施工部位時(shí)，則進(jìn)入卸載等待隊(duì)列等待處理卸載事件。每次通過(guò)處理最短時(shí)間事件來(lái)推進(jìn)模擬鐘。在推進(jìn)模擬鐘的同時(shí)，將系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)在模擬時(shí)實(shí)時(shí)寫(xiě)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(duì)系統(tǒng)性能的影響最大。對(duì)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(shí)間最短)”等調(diào)度規(guī)則。

經(jīng)過(guò)對(duì)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(shí)Petri網(wǎng)能簡(jiǎn)潔地描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，然而往往存在模型的復(fù)雜問(wèn)題；而面向?qū)ο蠹夹g(shù)，對(duì)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)描述提供了更有效的簡(jiǎn)化手段，將面向?qū)ο蠹夹g(shù)與賦時(shí)Petri網(wǎng)方法相結(jié)合，可充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又彌補(bǔ)了各自的缺點(diǎn)。通過(guò)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(dòng)態(tài)變化情況，并能實(shí)時(shí)取出某個(gè)具體對(duì)象(如自卸汽車(chē)，卸料點(diǎn)等)的當(dāng)前屬性；對(duì)于車(chē)輛的擁擠程度和行車(chē)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。