基于信息反馈的地下洞室群施工动态仿真系统研究

，周宜红2，孙金山21长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，武汉(430010)2武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉(430072)E-mail：[e-mail]摘要：本文在对地下洞室群施工过程进行系统分析的基础上，建立了基于现场施工信息实时反馈的地下洞室群施工动态仿真系统。该系统基于网络计划技术、循环运行网络技术和多目标优化技术建立，可根据施工现场的实时反馈信息对地下洞室群的施工过程进行动态模拟，实现施工进度的动态预测，提高模拟结果的可靠度，并可对施工机械设备配置进行优化。关键词:地下洞室群施工，系统仿真，信息反馈，机械设备配置优化中图分类号:TP391.91．引言地下洞室群施工过程复杂，工程自然地质条件、洞室结构形式、机械设备配置、各洞室的开挖顺序等都会对其产生显著的影响。近年来，计算机系统仿真技术逐渐在地下洞室施工组织中得到了应用，研究人员相继开发了不同模式和用途的地下洞室群施工仿真系统[1]～[4]，提高了地下洞室群的施工组织设计水平。然而，目前的仿真系统仍存在一些缺点和不足，例如，许多仿真系统仅侧重对开工之前的地下洞室群的施工进度计划进行模拟计算，未能结合现场的施工反馈信息对施工进度计划进行调整优化；仿真过程中难以纠正系统随机误差，影响仿真结果的可靠度；地下洞室群单项工程施工机械设备配置的确定多采用工程经验和灵敏度分析来完成，受人的主观影响比较大，忽略了多个参数同时变化对施工工期、施工费用等的影响，并且不能自动寻优。2．基于施工信息实时反馈的动态仿真系统分析地下洞室群施工过程系统仿真一般是依据开工前所预估的施工参数来进行的。但实际施工过程中，由于工程地质条件、机械设备配置、投资费用等各种因素的变化，势必导致施工模拟参数的变更，使得模拟得到的施工进度与实际施工进度产生偏差；随着施工的进行这种偏差可能会积累放大，使模拟结果与工程实际相差甚远，以致施工仿真起不到指导实际施工的作用。因此，本文建立了基于现场施工信息实时反馈的动态仿真系统，该系统包括全过程仿真和施工机械设备配置优化两个子系统。在该动态仿真系统中，通过建立现场施工反馈信息数据库来存储由施工现场反馈得到的工程地质条件、实际施工进度、机械设备配置、工程量、工程事故等工程信息。如在工程开工后，由于施工过程的不确定性造成模拟得到的工期、施工进度等与实际有所偏差，或某项工序施工过程中出现事故、机械设备配置更改、工程量变化甚至施工程序改变时，可由系统调用现场施工反馈信息数据库，根据反馈信息对初始模拟参数进行修改，再调用全过程仿真子系统进行仿真计算，以重新预测各单项工程及整个洞室的施工工期、施工进度等。并且在进度或工期达不到要求时，可调整施工参数或寻找可能的机械设备配置方案以尽量使施工进度或工期满足要求。在完成施工过程的仿真后，视实际需要调用施工机械设备配置优化子系统对工程机械设备配置进行优化。整个系统的仿真流程图如图1所示。,调用全过程仿真子系统进行模拟计算成果输出结束仿真开始输入施工实时反馈信息检查比较有无偏差?无有根据反馈信息更新初始数据库，重新进行模拟计算是否满足要求？是成果输出仿真结束否调整施工参数或机械设备配置是否需要优化机械设备配置否是调用机械设备配置优化子系统,进行机械设备配置优化图1施工信息实时反馈动态仿真流程图Fig1Flowchartofdynamicsimulationbasedoninformationfeedback2.1全过程仿真子系统全过程仿真子系统基于网络计划技术和循环运行网络（简称CYCLONE）技术进行建模，相应建立了两个层次的模型：工序模型和活动模型。工序模型反映施工工序间（如主厂房第I层开挖、第II层开挖、第III层开挖）相互关系，由模拟工序、非模拟工序、滞后及矢线等组成；活动模型则是反映各活动（如钻孔、爆破、散烟、出渣等）间相互关系，由流水单元、箭线、一般节点、复合节点、排队节点、控制节点和职能节点组成[1][2]。施工全过程仿真模型就是以工序模型作为框架，再将框架中的模拟工序细化为活动模型，通过原始数据和计算结果在工序模型和活动模型之间的互相传输完成对施工过程的模拟[5]。其中，工序模型处于上层，面向用户，利用网络计划技术对其进行组合，表达整个地下洞室群的开挖施工过程；活动模型则位于工序模型层之下，利用循环运行网络技术仿真计算模拟工序的施工工期、施工强度等。各个活动模型的计算成果返回到相应工序模型，各个工序模型再依照拟定的地下洞室的施工顺序依次相连，实现整个施工过程的模拟。，将地下洞室群施工系统作为离散事件系统进行研究，使用“仿真钟”来记录“模拟时间”的运行轨迹[4]。由于采用了两个层次模型，在仿真过程中相应地设置了两个仿真钟，即全程仿真钟和本地仿真钟。全程仿真钟用于记录工序模型的仿真轨迹，本地仿真钟则用于记录活动模型的仿真轨迹，它们都采用事件步长法推进，施工全过程仿真流程图如图2所示。数据初始化，启动全程仿真钟，工序I=1成果输出结束仿真全部工序是否完成计算工序I完成时间,全程仿真钟推进从事件表中搜索下一工序I=I+1否是保留全程仿真钟,启动本地仿真钟,进入活动模型模拟工序I是否为模拟工序确定工序I开工时间计算非模拟工序持续时间是否开始计算模拟工序持续时间、资源利用率等,返回全程仿真钟判断紧前工序是否完成是否图2施工全过程仿真流程图Fig2Flowchartofsimulationofallconstructionprocess2.2机械设备配置优化子系统针对灵敏度分析的缺陷，本文采用多目标优化技术对机械设备配置进行优化，以工期和费用作为目标，建立了机械设备配置的多目标优化数学模型[2]：决策变量：N＝{N1,N2,…Nm}(1)目标函数：MinC(N,T)＝∑=miNCiNiT1)(，MinT(N)(2)式中：m——施工机械设备种类；——某种施工机械设备每台每天的费用；Ni——某种机械设备的数量。其中:N＝{N1,N2,…Nm}表示各种施工机械设备数量所组成的向量；T(N)为施工工期是通过仿真计算得到的；C(N,T)＝∑=miNCiNiT1)(为施工费用（此施工费用仅指施工机械设备的费用）。本文采用线性加权和法对目标函数进行求解，其求解模型为:MinY=K1C＇+K2T＇(3)其中：K10,K20,K1+K2=1（K1、K2为加权系数，其大小代表相应目标在模型中的重要程度）；C＇(N,T)=C(N,T)/Cmax，T＇(N)=T(N)/Tmax。优化计算过程中，在施工条件及机械设备数量限制条件下，将单项工程施工所用到的机械设备根据其类型及数量进行排列组合，列出所有的施工机械设备配置方案，即列出向量N＝{N1,N2,…Nm}的所有取值，再根据工期、费用目标在实际中的重要程度，确定K1、K2的值，再对所有方案进行计算。使评价函数值Y最小的方案即为最优机械设备配置方案。3．算例某水电站地下厂房洞室群位于以III、IV、V类为主的山体中，由进水塔、引水隧洞、主副厂房、主变洞和尾水闸门井、母线廊道、交通运输洞、通风疏散洞、尾水隧洞、灌浆排水廊道、高压电缆廊道以及出线场等组成。永久建筑物石方洞挖30.71万m3，临时建筑物石方洞挖3.46万m3。开工前，现场施工反馈信息数据库为空，调用全过程仿真子系统对该地下厂房施工全过程进行仿真计算，得到该地下厂房从开工到第一台机组发电共需3年零7个月，其中主变洞开工日期为2003年1月1日，完工日期为2003年7月7日。开工后，由实际施工过程中的现场反馈信息可知，主变洞实际开工日期为2003年1月15日，并且在第Ⅰ层中导洞开挖至50m时工作面上发生了塌方事故（当前时间是2003年2月13日，施工历时23天），根据塌方范围以及处理难度，估计事故处理时间大概为15天。将以上施工反馈信息输入到现场施工反馈信息数据库，运用本文建立的基于施工信息实时反馈的动态仿真系统，以当前时间和开挖进度为模拟起点，对主变洞以及整个地下洞室群的后续施工工序重新进行模拟计算，得到主变洞的完工日期为2003年8月13日，比初始模拟得到的日期推迟31天，第一台机组发电时间不变，这是由于主变洞处于非关键路线上，对总工期不起控制作用。动态仿真计算结果见表1，施工机械设备配置方案优化结果见表2（k1=0.4,k2=0.6）。表1主变洞施工进度动态仿真结果(注:25d/月)Table1Simulationresultsofconstructionofmaintransformertunnel工序名称开工日期(年月日)完工日期(年月日)施工历时洞长开挖方量汽车利用率装载机利用率主变洞Ⅰ层中导洞开挖03-02-1303-03-2634d43.79m2319.86m3100%47%主变洞Ⅰ层扩挖03-03-2603-04-2928d93.79m4258.75m3100%45%主变洞Ⅱ层开挖03-05-0103-05-2120d93.79m14472.96m399%91%主变洞Ⅲ层开挖03-05-2203-06-1922d93.79m16542.72m399%90%主变洞保护层开挖03-06-1903-08-1344d93.79m3504.06m3100%45%(万元)主变洞Ⅰ层中导洞开挖1/H1784/15t1/3m³38d104.424主变洞Ⅰ层扩挖1/H1785/15t1/3m³25d74.25主变洞Ⅱ层开挖2/ROC6/15t1/3m³20d38.64主变洞Ⅲ层开挖1/ROC6/15t1/3m³22d39.864主变洞保护层开挖7/7655手风钻3/15t1/3m³35d36.6454．结语地下洞室群的开挖施工过程工序繁琐复杂、不确定性因素多、施工组织难度大，本文在对其进行系统分析基础上，建立了基于现场施工信息实时反馈的地下洞室群施工仿真系统。运用该系统，根据施工信息的实时反馈可对地下洞室群的施工过程进行动态模拟，实现施工进度的动态预测，为现场的施工组织提供信息，提高模拟结果的可靠度，防止随机误差的积累及扩散，对施工机械设备配置进行优化，并可得到各时段较全面的工程施工信息，如施工强度、机械设备利用率等。参考文献[1]孙锡衡,齐东海.水利水电工程施工计算机模拟与程序设计[M].北京:中国水利水电出版社,1997.[2]钟登华,刘东海.大型地下洞室群施工系统仿真理论方法与应用[M].北京:中国水利水电出版社,2003.[3]刘珊珊,周宜红等.堆石坝施工的实时动态仿真系统研究[J].系统仿真学报,2004,(11):2525-2528.[4]钟立华,邱建安.地下洞室群施工进度实时控制系统研究[J].人民珠江,2001,(5):38-39.[5]王惠刚.计算机仿真原理及应用[M].长沙:国防科技大学出版社,1998.，ZhouYihong2，SunJinshan21ChangJiangInstituteofSurveyPlanningDesign&Research，Wuhan(430010)2StateKeyLaboratoryofWaterResourceandHydrop