基于机械故障精细分析的引水隧洞施工进度仿真

余 佳，钟登华，肖 尧，赵梦琦，林瀚文



基于机械故障精细分析的引水隧洞施工进度仿真

余 佳，钟登华，肖 尧，赵梦琦，林瀚文

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

现有考虑机械故障的施工进度仿真研究均采用机械的整个故障时长来反映故障影响，忽略了故障机械未能在原单元活动结束前完成维修，且剩余故障处理活动不影响施工进度的情况，因此难以保证施工机械故障分析的准确性．本研究对引水隧洞施工机械因故障退出工作、维修后重新投入使用的全过程进行精细模拟追踪，提出基于机械故障精细分析的引水隧洞施工进度仿真方法．首先，在仿真过程中追踪各施工机械的运行轨迹，并确定机械故障时刻；其次，通过分析故障处理时间与剩余单元活动的关系，确定机械故障类型；再者，推导不同机械故障类型下单元活动延误时间的计算公式，以精细分析机械故障的影响后果；最后，通过施工仿真方法获得机械故障影响下的隧洞开挖进度，并通过敏感性分析获得不同施工机械故障对进度影响的敏感指数．研究结果表明，相较于现有考虑机械故障的施工进度仿真方法，该方法可在精细分析施工机械故障的基础上，获得更符合工程实际的仿真进度．

引水隧洞；机械故障精细分析；施工进度仿真；敏感性分析

引水隧洞施工涉及钻机、自卸汽车、装载机等机械，各施工机械受部件磨损老化、地下施工环境等影响，在运行过程中难免发生故障．施工机械发生故障后存在两种不同的故障类型：①当故障机械维修完毕时，原单元活动尚未结束，则机械立即重新投入工作．此时故障机械的整个故障处理活动都将对施工进度产生影响．②直至原单元活动结束且后续单元活动开始，故障维修工作未完成，则剩余的故障处理活动对工程进度无影响．故而，当施工机械故障事件发生，即使故障处理时间相同，若故障机械所属的故障类型不同，其对施工进度的影响亦不相同．因此，有必要结合隧洞施工机械故障不同类型的特点，对施工机械因故障退出工作、维修后重新投入使用的全过程进行精细模拟追踪，并在此基础上开展隧洞施工进度仿真研究，以实现施工机械故障的精细分析，并有效提高仿真结果的准确性．

现有地下工程施工进度仿真研究已对施工机械故障加以考虑．Zhong等[1]通过设置钻机、自卸汽车及装载机的故障概率及平均故障时长，在仿真过程中分析施工机械故障对地下洞室群施工进度的影响．李明超等[2]认为施工机械故障对地下厂房施工工序的影响服从三角分布．Rostami等[3]基于历史工程数据，确定TBM施工中刀盘、后配套系统、运输系统、测量系统等子系统故障间隔时间及故障时长服从的概率分布，考虑各子系统故障对开挖过程的影响，以更好地模拟TBM在硬岩中的掘进速率．毕磊[4]考虑工程赶工程度对地下洞室群施工机械故障率的作用，在考虑机械故障率变化条件下分析施工机械故障对洞室群开挖进度的影响．洪坤[5]对施工机械发生故障后，在故障持续时间内由于施工机械数量减少而对隧洞开挖进度造成的影响进行分析．Rahm等[6]将机械化开挖隧洞的施工系统分解为掘进系统及供应链系统(包括后配套系统、物资通道、外部物流系统、地面供应系统)，通过确定各系统平均故障间隔时间及平均故障时长的概率分布，分析系统故障干扰对隧洞施工过程的影响，并考虑当干扰强度超过一定阈值时而引发其他干扰所带来的联级干扰问题．

综上所述，现有考虑施工机械故障的地下工程施工仿真研究多通过故障时长来反映施工机械故障的影响，认为整个故障处理活动都将对施工进度产生影响，忽略了故障机械未能在原单元活动结束前维修完毕，且剩余故障处理活动不对进度产生影响的情况，从而影响施工机械故障分析的准确性．因此，本文通过对不同故障类型影响下施工机械退出工作、维修后重新投入使用的全过程进行精细模拟追踪，提出基于机械故障精细分析的引水隧洞施工进度仿真方法，为隧洞施工机械运行过程的精细分析及仿真结果准确性的有效提高提供理论依据与技术支持．

1 研究框架

本文提出了基于机械故障精细分析的引水隧洞施工进度仿真方法，研究框架如图1所示．

参数层包含施工进度计划的仿真输入参数和施工机械故障参数．其中仿真输入参数包括工序类型(仿真/非仿真工序)、工序间逻辑关系、结构参数、循环进尺、爆破参数、机械参数及单元活动时间，施工机械故障参数包括故障间隔时间分布及故障处理时间分布．在模型层，在仿真过程中追踪各施工机械的运行情况，根据故障间隔时间确定机械故障时刻；通过分析故障处理时间与剩余单元活动的关系，判断故障机械能否在原单元活动结束前重新投入使用，确定机械故障类型；分别计算不同故障类型下施工机械故障导致单元活动的延误时间，以精细分析施工机械故障对隧洞施工进度的影响，且仿真系统状态相应改变．将本文建立的模型应用于实际工程，获得总工期分布、计划工期完工概率等施工进度仿真结果及施工机械运行轨迹；通过开展不同类型施工机械故障对完工概率的敏感性分析，获得钻机、自卸汽车及装载机故障对隧洞施工进度影响的敏感指数．

2 基于机械故障精细分析的引水隧洞施工进度仿真模型

引水隧洞施工仿真建模充分利用CPM(critical path method)网络计划模型及CYCLONE(cycle operation network)模型的优势，将CPM作为主体框架，并将其中的节点细化为CYCLONE模型，形成一个分层次的模型结构[7]．基于该分层模型架构，开展基于机械故障精细分析的引水隧洞施工进度仿真研究.

2.1 引水隧洞施工进度仿真数学模型

引水隧洞施工进度仿真方法由多个子方法组成，各方法包含一系列参数，且彼此间存在一定逻辑关系，其数学模型如图2所示．模型包括3个部分：①定义模型方法集，以确定模型的整体结构；②定义各方法参数集，明确各方法的输入参数和输出参数；③定义函数1、2，分别表示各方法之间的逻辑关系．其中，表示方法集，包括CPM建模方法CM、CYCLONE仿真建模方法CO、施工机械故障精细分析方法EF．CM为CM的参数集，包括输入参数如仿真工序SIM、非仿真工序O、工序间的逻辑关系R，输出参数如施工进度S、总工期T、资源强度R；CO为CO的参数集，包括输入参数如结构参数S、循环进尺L、爆破参数B、机械参数E、机械故障参数EF、单元活动时间D(其中循环进尺L与爆破参数B需根据地质条件确定)，输出参数如循环进尺持续时间D、循环次数I、施工机械效率E、施工机械运行轨迹EO；EF为EF的参数集，包括输入参数如机械故障间隔时间INT、机械故障处理时间FIX，输出参数如故障发生时刻T、施工机械故障类型TY、故障影响后果EF．

图2 引水隧洞施工进度仿真数学模型

2.2 引水隧洞施工机械故障精细分析方法

引水隧洞施工钻机、自卸汽车及装载机发生故障后，存在两种不同的故障类型：①当故障机械维修完毕时，原单元活动尚未结束，机械立即重新投入工作；②直至原单元活动结束且后续单元活动开始，维修工作未完成，剩余故障处理活动将不对施工进度产生影响．

机械故障发生时原单元活动剩余工作量与故障处理时间的关系直接决定了故障机械能否在原单元活动结束前完成维修，而原活动剩余工作量与机械故障时刻息息相关．因此，本文首先提出机械故障时刻确定方法，然后通过分析故障处理时间与剩余单元活动工作量的关系确定机械故障类型，最后推导不同故障类型影响下单元活动延误时间计算公式，以精细分析施工机械故障对隧洞施工进度的影响．

2.2.1 施工机械故障时刻确定方法

 (1)

在隧洞施工仿真中，为每台施工机械设置“统计钟”用以记录机械的累计工作时间．当施工机械投入使用，相应“统计钟”开启；当机械退出使用，“统计钟”关闭．当某施工机械累计工作时间达到故障间隔时间时，认为该机械发生故障．

通过对实际隧洞施工中机械故障事件分析可知，同一开挖工作面内两台及两台以上施工机械同时发生故障的概率极低．因此，本文假设在同一隧洞施工工作面内，任意时刻至多有一台施工机械处于故障状态[5]．若采用上述方法初步判断得到两台及以上施工机械将在同一单元活动中发生故障，则认为故障时刻最早的机械率先发生故障，且在该机械维修完毕重新投入工作之前，无其他机械发生故障．若某施工机械的故障时刻不满足此要求，则根据式(1)定义的概率分布，重新抽样确定其故障间隔时间，直至满足条件．当前一故障事件分析完毕，以该单元活动剩余的其他故障机械为对象，采用相同思路，从故障时刻最早的机械入手开展分析，并保证无其他施工机械在该故障机械维修期间内发生故障．重复上述过程直至该单元活动中无故障机械存在．

2.2.2 施工机械故障类型确定及影响后果精细分析方法

图3 引水隧洞施工机械故障分析示意

3 模型求解流程

分别设置“全程仿真钟”[16]与“本地仿真 钟”[16]，用以与建立的耦合CPM和CYCLONE的分层仿真模型对应，并采用下一事件推进法记录仿真时间的运行轨迹．在仿真过程中，为每台钻机、自卸汽车、装载机设置“统计钟”以记录各施工机械的累计工作时间，在每一仿真循环中分析施工机械故障影响．具体求解流程如图4所示．

(2) 仿真开始，设置全程仿真钟及各施工机械统计钟的初始状态．全程仿真钟采用下一事件法推进，当推至下一工序开始处，判断是否为仿真工序．若为仿真工序，则启动本地仿真钟；否则直接产生非仿真工序时间．

(4) 本地仿真钟持续向前推进直至本地仿真结束，并将其状态反馈给全程仿真系统．全程仿真钟继续向前推进直至整个工程结束，获得本次仿真工期及施工机械运行轨迹．

(5) 重复仿真次，输出各次仿真工期、完工概率、施工机械运行轨迹等结果．

4 工程应用

某水电站引水隧洞后布置两条压力管道，用以将隧洞内的水引入水轮机发电．压力管道采用钻爆法施工，由上平洞段、下平洞段及竖井段组成．压力管道能否按期完工直接影响电站能否如期发电．采用本文提出的方法，在精细分析钻机、自卸汽车及装载机故障的基础上，开展引水隧洞压力管道施工进度仿真，获得总工期分布、计划工期完工概率等进度仿真结果及施工机械运行轨迹，并通过敏感性分析方法获得不同类型施工机械故障对施工进度影响的敏感 指数．

4.1 模型建立与参数确定

根据施工组织设计，以及各洞段施工的衔接关系及相互制约条件，建立压力管道施工CPM网络模型，如图5所示．

本部分着重研究在制度资本参与下回归式产业推动落后欠发达地区经济发展的逻辑和机理。李国平 （2016）［30］指出由于家乡经济发展水平较低，大多数人为生计所迫去发达地区打工，打工也并不是单纯的打工，在打工的过程中逐渐成长为技术骨干，实现了一定的技术和资金积累，其回归的动力除了具有普通出于成本因素考虑的 “有形”成本节约外，也包括亲情、乡情、非正式制度等制度资本构成的无形成本节约。正是由于制度资本的介入，这些回归企业的目标函数和生产方式可能会发生改变，因此在大量数据的基础上采用回归模型进行实证分析具有重大的理论价值和现实意义。

通过收集压力管道已完工段施工数据，并采用Bestfit软件拟合，可得测量时间、爆破时间、通风时间、安检时间、喷锚时间及钻机、自卸汽车、装载机效率服从的概率分布，分布类型见文献[17]．衬砌、灌浆、封堵、钢衬安装等非仿真工序[18]持续时间服从正态分布[17]．

压力管道围岩类型包括II类、III类、IV类及V类围岩．根据工程施工组织设计，II～V类围岩对应的循环进尺分别取2.9m、2.4m、1.9m、1.2m．各类围岩条件下的单位耗药量、炮孔装药系数等爆破参数取值根据文献[19]确定．

压力管道施工配置5台手风钻、3台自卸汽车及1台装载机，施工机械故障参数如表1所示．由于施工中仅配置1台装载机，若装载机故障将造成施工中断，故其故障系数为无穷大．

图4 模型求解流程

表1 施工机械故障参数

Tab.1. Failure parameters of construction machines

注：Expon()表示负指数分布；Tri(，，)表示三角分布．

4.2 仿真结果分析

分别进行不考虑施工机械故障、基于施工机械故障精细分析、基于传统施工机械故障分析(即认为整个故障处理活动都将影响施工进度)的压力管道施工进度仿真10000次．其中，本文提出的基于机械故障精细分析的隧洞施工进度仿真模型在Intel®CoreTMi7-4790CPU @ 3.60GHz处理器及12.0GB内存环境下运行10000次所需的CPU时间为484.244s．

仿真结果对比如图6所示．由图6可知，不考虑施工机械故障、基于施工机械故障精细分析、基于传统施工机械故障分析的仿真工期均值分别为1165d、1174d、1179d，平均仿真工期依次增加；计划工期(1176d)完工概率分别为0.841、0.601、0.412，完工概率明显下降；工期标准差分别为11.34、11.48、11.42，标准差变化不明显．这是由于仿真过程中已考虑了测量、爆破、通风、安检等单元活动时间、施工机械工作效率、以及非仿真工序持续时间的不确定性．当考虑施工机械故障影响时，不论是精细分析不同施工机械故障类型，或是认为整个故障处理活动都将影响施工进度，故障间隔时间及故障处理时间的不确定性对仿真工期分布的离散程度影响不大．

将2#上平洞150～300m开挖段以25m为单位平均分成6个子开挖段，将不考虑施工机械故障、基于施工机械故障精细分析、基于传统施工机械故障分析的每个子开挖段的平均仿真工期与实际工期对比，对比结果如图7所示．由图可知，基于施工机械故障精细分析的仿真进度更贴近实际施工进度，可更好地描述隧洞施工过程．不考虑施工机械故障的仿真工期、基于传统施工机械故障分析的仿真工期均与实际工期偏差较大．前者由于未考虑施工机械故障对开挖进度的影响而导致仿真进度小于实际进度，后者由于认为故障机械的整个故障处理活动都将影响施工进度，忽略了故障机械未能在原单元活动结束前维修完毕，剩余故障处理活动不对进度产生影响的情况，导致仿真进度大于实际进度且偏差较大．

图6 工期分布直方图及完工概率曲线

图7 对比分析结果

除了获得仿真工期结果，提出的施工机械故障精细分析方法可对不同类型施工机械运行轨迹，包括因故障退出工作、维修结束重新投入使用的全过程，进行精细模拟追踪．图8为某钻机部分运行轨迹图．在仿真时间11000min前，随着仿真钟推进，该钻机在每一循环钻孔活动开始时投入使用，在钻孔活动结束时退出工作，累计工作时间增加，但未达到其故障间隔时间2269min．考虑文章篇幅，仿真时间9000min前该钻机的运行轨迹未在图中绘出．当仿真时间达到11042min，新的钻孔活动开始，钻机投入工作．然而，当其工作93min后，累计工作时间达到故障间隔时间，此时该钻机发生故障退出工作，此次故障处理的持续时间为187min．对比故障处理时间与剩余钻孔活动可得，直至当前循环钻孔活动结束，故障处理工作未结束，故该钻机退出该剩余钻孔活动，在下一循环钻孔活动开始时，即仿真时间达到12036min时，重新投入工作．

图8 某钻机部分运行轨迹

4.3 施工机械故障对完工概率影响的敏感性分析

表2 施工机械故障对完工概率影响的敏感性分析极差表

Tab.2 Sensitivity analysis of the impact of construction machinery failure on completion probability

图9 施工机械故障对完工概率影响的敏感性分析

5 结 论

针对现有考虑施工机械故障的施工进度仿真认为故障机械的整个故障处理活动都将影响施工进度，忽略了故障机械未能在原单元活动结束前维修完毕，且剩余故障处理活动对进度无影响的不足，本研究通过对不同故障类型影响下施工机械退出工作、维修后重新投入使用全过程的精细模拟追踪，提出基于机械故障精细分析的引水隧洞施工进度仿真方法，取得了以下成果．

(1)基于耦合CPM和CYCLONE模型的隧洞施工分层仿真架构，通过在仿真过程中对施工机械运行情况的模拟追踪，提出了施工机械故障时刻确定 方法．

(2)基于确定的故障发生时刻，通过分析故障机械处理时间与剩余单元活动的关系，判断机械能否在剩余单元活动结束前完成维修，进而确定施工机械故障类型．

(3)分别推导不同施工机械故障类型下机械故障发生导致单元活动延误时间的计算公式，以精细分析施工机械故障对隧洞施工进度的影响．

(4)将本文提出的方法应用于某引水隧洞压力管道施工进度分析中，获得了总工期分布、计划工期完工概率等仿真结果，以及各施工机械运行轨迹；开展不同施工机械故障对完工概率影响的敏感性分析，获得了钻机、自卸汽车及装载机故障对施工进度影响的敏感指数．

(5)以压力管道2#上平洞150～300m开挖段为例，将不考虑施工机械故障、基于施工机械故障精细分析、基于传统施工机械故障分析的进度仿真结果与实际进度对比．结果表明，本文方法所得的仿真进度与实际进度吻合度更高，证明了该方法的可行性与有效性．

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Construction Schedule Simulation of Diversion Tunnel Based on Fine Analysis of Machine Breakdowns

Yu Jia，Zhong Denghua，Xiao Yao，Zhao Mengqi，Lin Hanwen

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The existing construction schedule simulation，which considered machine failure，utilized the whole troubleshooting time to reflect the impact of the machine failure. These studies ignore the situation of failure to complete maintenance work before the end of the original unit operation，and the remaining fault handling activities do not affect schedule；this consequently affects the accuracy of machine breakdown analysis. In this study，fine simulation and tracking of the whole process of machine withdrawal from work due to failure and reinstallment after repair are performed，and an approach for simulating the construction schedule of diversion tunnel based on fine analysis of machine breakdowns is proposed. First，the working trajectory of each machine was tracked during simulation，and the failure moment could be determined. The machine failure type could be determined by analyzing the relationship between troubleshooting duration and the remaining original operation. In addition，formulas for calculating the operation delay caused by two types of machine breakdown were derived to realize the fine analysis of failure consequences. Finally，construction schedule considering machine breakdowns was obtained with the construction simulation method，and the sensitivity index of diverse machine failures on construction schedule was obtained through sensitivity analysis. Compared with current construction schedule simulation methods，the proposed approach can realize fine analysis of machine failure and obtain a simulation schedule that is more in line with actual schedule.

diversion tunnel；fine analysis of machine breakdowns；construction schedule simulation；sensitivity analysis

10.11784/tdxbz201807015

TV512

A

0493-2137(2019)06-0638-11

2018-07-08；

2018-09-20.

余 佳（1992—），女，博士研究生，yj1592533724@126.com.

钟登华，dzhong@tju.edu.cn.

国家重点研发计划资助项目(2016YFC0401806)；国家自然科学基金资助项目(51679165)；国家自然科学基金创新研究群体项目(51621092).

the National Key R&D Program of China(No.2016YFC0401806)，the National Natural Science Foundation of China (No.51679165)，the Innovative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China(No.51621092).

(责任编辑：王晓燕)