全过程动态仿真技术及其在大型工程施工管理中的应用

梁开明

摘 要：通过将网络计划和数值仿真技术融于一体的全过程动态仿真技术，它的框架是CPM网络模型，并调用CYCLONE模型于框架中，使得整个模型结构有层次。CYCLONE模型只为CPM网络层提供接口而不面向用户，因为CPM对有循环特征的复杂工程的处理能力低且CYCLONE技术专业性太强，所以CYCLONE模型只为CPM网络层提供接口而不面向用户，通过两者互补从而达到更方便适用。该技术的可行性在实际工程中的应用中得到了很好的验证。

关键词：全过程动态仿真；循环网络仿真技术；关键路线法；施工管理

施工过程存在很多不确定因素，受气温、雨水等外界条件的限制，组织方式和施工水平等人为因素的影响，实际施工情况难以靠传统的解析方法和经验公式准确地分析，从而影响了施工机械的优化配置，施工进度高效安排，施工管理方案的经济合理。

仿真技术于20世纪70年代开始应用在工程施工的系统分析。CYCLONE是最早广泛应用在工程建设中仿真技术，至今已经比较成熟完善。网络计划技术中排队论和仿真技术的应用，通过仿真时间随机的循环施工过程，反映施工的运行过程。随后一系列添加图像建模功能，或者增加排队优先等级扩展功能的仿真软件发展起来。

通过对CYCLONE模型思想的借鉴，针对CPM网络在隧道洞开挖、高层建筑物施工等带有循环特征的工程项目时节点数量过多的问题，Senior等提出仿真模型PICASSO，PICASSO是面向工程计划的，它在CPM网络加入了资源节点，有效地减少了网络节点数。并且通过加入循环控制的方法，使得循环特征的工程项目表达更简化了。

PICASSO在大型工程项目应用中也发现了一些不足。在涉及执行步骤比较多时循环工作时，模型的建立十分复杂。此外，因为PICASSO借鉴了CYCLONE，建立PICASSO模型前需先掌握一定的CYCLONE建模经验和技巧，这影响了PICASSO技术的广泛使用。

针对以上问题出现了全过程动态仿真技术。融合数值仿真技术和网络计划分析于一体的全过程动态仿真技术，充分结合了CYCLONE对施工细节仿真的分析和CPM对工程总体分析的优势，对整个施工过程进行仿真计算和优化分析。

1 全过程动态仿真技术

1.1基本思想

通过将网络计划和数值仿真技术融于一体的全过程动态仿真技术，它的框架是CPM网络模型，并调用CYCLONE模型于框架中，使得整个模型结构有层次。CYCLONE模型只为CPM网络层提供接口而不面向用户，因为CPM对有循环特征的复杂工程的处理能力低且CYCLONE技术专业性太强，所以CYCLONE模型只为CPM网络层提供接口而不面向用户，通过两者互补从而达到更方便适用。该技术的可行性在实际工程中的应用中得到了很好的验证。

1.2仿真原理

系统分离散性系统和连续性系统，系统状态在时间点上跳跃的是连续性系统。研究施工过程的变化发展的工程施工系统，通常采用离散系统。

“仿真钟”用于体现“模拟时间”的运动轨迹，是离散系统仿真的基本概念。采用了两个层次的建模技术的全过程动态仿真技术，同时设置了“全程仿真钟”和“本地仿真钟”。

全过程仿真钟采用时间步长法推进又称为固定增量时间推进法。它设定一个单位时间△T作为增量，通过检验每推进一步是否有事件发生来确定系统状态是否改变。全过程动态仿真钟在仿真钟推进过程中，检测到有仿真事件发生，仿真钟会保持原有状态，并交由CYCLONE层启动本地仿真钟，设置模型初始状态。本地仿真钟也采用时间步长法推进。它的初始状态是该项活动准备施工时的状态，零点是开始施工的时刻作。从零点开始，向前推进一个△T，扫描模型中的所有节点，检测活动发生的条件是否满足，并且对各种资源的使用情况进行跟踪。D活动发生后，认定它们发生在△T的终止处。对应改变系统的状态，统计资源的使用和空闲时间。然后循环至该项活动结束后把控制权交回全过程仿真钟，并一同返回本地仿真钟的状态和资源利用情况等信息给当前事件，作为当前事件的仿真结果存储。全程仿真钟重复上述过程继续推进，直到工程结束。最后分析计算仿真结果并输出横道图、施工进度安排、关键路线、施工高峰期、施工强度和资源利用率等。

2仿真建模

2.1 CPM网络层仿真模型的组成

CPM网络模型由节点、矢线和属性组成。节点：节点表示不同的状态或功能分一般、仿真与滞后三种节点。一般节点：表示可以从经验或资料统计知道施工持续时间的简单工序。仿真节点：表示由仿真来确定施工持续时间的复杂工序。全过程仿真钟在到达仿真节点时，仿真计算转入CYCLONE层模型进行。滞后节点：表示某一工序必须在另一工序开始一段时间后才开始的工序间的时间限制关系，如砖砌开始一段时间才能开始灌浆。矢线：表示各节点与节点之间在时间和空间上的逻辑关系，即箭头节点必须发生在箭尾节点完成后，时间资源不消耗。属性：节点各自有不同的属性。一般节点的属性包括时间分布类型，施工量和持续时间等；仿真节点的属性包括地质参数、设备参数和施工条件等。

2.2 CYCLONE仿真模型的组成

CYCLONE仿真模型由流水单元、矢线和节点组成。CYCLONE模型节点有五种图示符号，按照施工作业，逻辑关系用矢线将它们连接起来，加入控制机制构造出图示模型来表达实际施工过程.

3工程實例

3.1工程概况

某输水工程，总长度86.8km，工程包含15条隧洞，根据进度要求以及施工组织设计，采用掘进机开挖其中两条地质比较好的隧洞A和隧洞B，两条隧洞合计长15.6km，采用钻爆法开挖剩下的13条隧洞，现在以同属于标段1的隧洞A和隧洞B为例说明全过程仿真技术的应用。隧洞A和隧洞B的具体工程资料详见表1，以隧洞入口处的范围坐标作为零点。

3.2仿真建模

本工程建模采用了CPM层网络模型（图三）和采用TBM法施工的CYCLONE层网络模型（图四）。

3.3仿真参数

本工程采用隧洞掘进机开挖隧洞A和隧洞B，其中掘进机的行程为1.0m，行走和重定位时间在5min-7min之间，服从均匀分布；装渣采用卸料小车移动装渣，后配套系统；CPM层模数参数与CYCLONE层模型参数详表一与表二。

3.4仿真结果和分析

工期和关键路线，工程从2010年12月20日开始，2012年8月15日结束，工期20个月，每个月实际施工天数30天。采用仿真进度安排横道图表示关键路线及各项工作的进度安排.全过程仿真软件可以在计算工期以及进度安排的同时得到掘进机开挖过程的详细仿真数据。全过程仿真软件分别针对两段隧洞地质的条件变化情况，从进口端开始将隧洞划分地质段，再按照不同的地质段计算掘进速度和掘进时间等参数。

4结语

通过全过程动态仿真技术可以科学有效地对工程特别是大型的复杂工程进行施工组织设计。全过程动态仿真技术将数值仿真技术和网络计划分析进行了很好的融合，做为框架的简单的CPM网络融合了能解决复杂工程的CYCLONE层模型，通过两者互补从而达到更方便适用。在大量的实际工程中的应用证明了全过程动态仿真技术能有效的进行进度安排和资源管理，从中取得良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 熊光愣，彭毅 先进仿真技术与仿真环境[M] 北京：国防工业出版社.

[2] 钟登华，郑家祥，刘东海等 可视化仿真技术及其应用 [M] 北京：中国水利水电出版社.