（水工结构工程专业论文）高土石坝施工系统仿真与优化研究.pdf

中文摘要 高土石坝施工过程复杂，影响施工的随机因素众多，传统设计方法很难准确 地得到施工组织设计中的一些重要参数，如上坝强度、机械设备利用率等，难以 进行多方案的比选。而系统仿真技术是分析研究这类阅题行之有效的方法。 本文首先对土石坝施工中两个子系统，即运输上坝子系统和坝面填筑子系统 的施工过程进行了系统描述，分析了各自的运行特点，阐明了它们之间的内在联 系，运输上坝子系统控制坝面填筑子系统的推进，反过来坝面填筑子系统又影响 运输上坝子系统的运行。以往对土石坝施工过程的计算机仿真将这两个子系统分 开进行，以小时段内的上坝生产率代替整个施工过程的上坝生产率来连接两个子 系统，其仿真结果难以反映实际施工过程。本文提出将运输上坝子系统和坝面填 筑子系统有机地结合起来进行一体化仿真，以仿真过程中得到的运输上坝方量控 制坝面填筑从而更加真实地反映土石坝的施工过程。 本文采用循环网络模拟技术建立了土石坝施工过程循环网络模型。针对土石 坝施工系统仿真的特点，本文拓展了循环网络模型的概念，增设了一种新的节点 类型即综合节点，精减了现有循环网络模型中的职能节点和控制节点，实现了面 向资源的施工系统仿真建模。 基于上述研究思想，本文利用v c + + 和g i s 技术编制了土石坝施工系统仿真 软件( e d a m s i m ) ，通过在某混凝士面板堆石坝工程中的实际应用，验证了研 究思想的正确性及软件的有效性和实用性。 关键词：土石坝，施工过程，系统仿真，仿真建模，一体化，循环网络 a b s t r a c t f o rt h e i r c o m p l e x i t i e s a n dr a n d o m i c i t i e s ，i t1 sh a r dt o a c c u r a t e l y o b t a i ns o m e i m p o r t a n tp a r a m e t e r s i n d e s i g n i n g o fc o n s t r u c t i o nf o r h i g h r o c k f i l ld a m sw i t h c o n v e n t i o n a lm e t h o d ，s u c ha st h ei n t e n s i t ya n dd e n s i t yo f h a u l a g e ，a n dt h e ns a yn o t h i n g o ft h ec o m p a r i s o no fm u l t i c a s e t h et e c h n i q u eo fs y s t e ms i m u l a t i o ni sa ne f f i c i e n t m e t h o dt od e a lw i t ht h i sk i n do f p r o b l e m t h i sp a p e rd e s c r i b e si nd e t a i lc o n s t r u c t i o np r o c e s s e so ft h et w os u b s y s t e m si n r o e k f i l l d a m s t h e y a r e h a u l a g ea n dp l a c e m e n to fr i p r a ps u b s y s t e m ，w h i c h a r e i n t e r a c t i o n a l t h eh a u l a g es u b s y s t e mi m p e l st h ep l a c e m e n to fr i p - r a po n e ，a n do nt h e o t h e rh a n d ，t h el a t t e ri n f l u e n c e st h ef t ) r m e ra l s o i nt h ep a s t ，t h et w os u b s y s t e m sw e r e d e t a c h e dd u r i n gt h es i m u l a t i o n i tw a st h ep r o d u c t i v i t yo fr i p r a pd u m p e di ns e v e r a l h o u r so ro n es h i f to t h e rt h a na l lt h et i m et h a t j o i n e d t h et w o s u b s y s t e m s c o n s e q u e n t i a l l y ，i t so u t c o m e o fs i m u l a t i o ni n c o m p l e t e l ym a t c h e dt h ep r o c e s sw i t ht h e f a c t b e c a u s eo ft h i sl i m i t a t i o n ，i n t e g r a t e ds i m u l a t i o ni sp r e s e n t e dt oc o m b i n et h et w o s u b s y s t e m s i nt h i sp a p e r ，a n dt h e ni ti m p e r s o n a l l yr e f l e c t st h ea c t u a lc o n s t r u c t i o n i nt h i sp a p e r ，t h et e c h n i q u eo fc y c l eo p e r a t i o nn e t w o r k ( c y c l o n e ) i su s e dt o b u i l dt h ec o n s t r u c t i o nm o d e li nr o c k f i l ld a m s w i t ht h es p e c i a l t yo ft h ec o n s t r u c t i o n ， t h ec o n c e p t i o no fc y c l o n em o d e li se x p a n d e d c o m p a r e dt ot h ee x i s t e dm o d e l n o d e s ，an e w n o d e t y p en a m e ds y n t h e s i sn o d e i sp r e s e n t e da n dt w on o d e t y p e s ，f u n c t i o n n o d ea n dc o n t r o lo n ea r ed e l e t e d b a s e do nt h ei d e a s ，as o f t w a r eo fs y s t e ms i m u l a t i o nn a m e de d a m s i mf o r c o n s t r u c t i o no fr o c k f i l ld a m si sp r o g r a m m e dw i t hv c + + a n dg i s t h ea p p l i c a t i o nt oa p r a c t i c a lr o c k f i l ld a m s h o w st h ev a l i d i t yo f t h ei d e aa n dt h ee f f i c i e n c ya n d p r a c t i c a b i l i t y o f t h es o f t w a r e k e y w o r d s ：r o c k f i l ld a m ，c o n s t r u c t i o np r o c e s s ，s y s t e ms i m u l a t i o n ，s i m u l a t i o n m o d e l i n g ，i n t e g r a t i o n ，c y c l eo p e r a t i o n n e t w o r k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘生或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 例灸签字胁厶一年，月节日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 索，并采用影印、缩印或扫掐等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权波明) 学位论文作者签名：翮彳沙灵 签字目期：砖一文年，月印同 导师签名： 签字同期：2 加工年歹月 日 l 儿卅 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 土石坝是一种分层振动压实、充分利用当地材料的坝型。这一坝型在世界 筑坝史上虽然出现较早，但由于受施工工艺及理论分析水平的限制，土石坝在运 行中易产生较大的沉降与水平位移，曾一度制约其发展。随着重型振动碾压机械 的出现及土力学理论与试验技术的发展，土石坝作为一种优先考虑的坝型逐渐为 广大工程设计人员所重视。究其原因，土石坝对地形地质的要求较低，在强度较 低的岩基上和具有一定深度砂砾石覆盖层的地基上均可建造，且其施工机械化程 度高，施工快速，并能充分利用当地材料，节约三材【2 j 。现代土石坝施工，趋向 使用大容量、高效率的配套机械，上坝强度大压实密度高，工程质量得到保证， 造价降低。至2 0 世纪9 0 年代初，混凝土坝的高度尚未突破3 0 0 m 大关，而前苏 联的努列克( n u r e k ) 和罗贡( r o g e n ) 土石坝，坝高分别已达3 0 0 m 和3 3 5 m 。 我国的天生桥一级和小浪底工程均采用了此种坝型，坝高1 8 0 m 左右，本论文所 依据的某土石坝工程坝高也达1 8 5 5 m 。目前j 下在研究更高的土石坝，如拟建的 伊兰谷坝，坝高3 6 9 4 m ，加拿大和美国为北水南调拟建4 6 4 m 和4 7 6 m 两座高土 石坝这充分说明土石坝在高度上遥遥领先于其它坝型。截至9 0 年代初，世界 上己建成的坝高大于2 0 0 m 的土石坝部分统计资料p j 见表l 一1 。 土石坝一般布置复杂，施工场地狭窄，道路布置密集，各道路间的龠口繁多： 因施工进度及防洪渡汛的要求，往往采取多工作面、多种作业交叉并行；在坝面 处，不同的工作面因料性不同使得料源的数量繁多，原本狭窄的施工场地布局就 更为紧凑；土石坝坝体比其它坝型庞大，高土石坝坝体填筑，少则几百万m 3 ， 甚至上亿m 3 ( 如巴基斯坦的塔贝拉主坝工程量达1 2 1 0 0 万一) ，且上坝强度高， 运输量大，运输机械( 主要指自卸汽车) 的数量众多。因此，在施工组织设计中 若不对施工交通运输系统进行合理规划或组织安排，极易造成运输车辆运行不 畅，特别是在交通要道或“瓶颈”部位往往形成车辆堵塞而影响施工的蚯常进行， 导致工期延误。 在研究土石坝麓工问题时，以往是根据已有的施工组织设计进度安排推算出 上坝生产率由上坝生产率来选择相应的机械设备，再由此得出各种相应的指标 如车辆的平均行车流量、机械设备利用率等。实际的施工过程是错综复杂的，各 种偶然的因素和随机事件都有可能发生，并且施工运输系统中各种车辆的运行循 环时间、装载机装料时间e l 、自卸汽车的卸料时州及装载方量，甚至坝面处的卸点 个数往往是非确定值，车辆在各道路交叉口、装料点及卸料点处均有可能发生排 第一章绪论 队等待现象，而采用常规方法难以全面考虑这些不确定因素。 正是由于土石坝施工系统的复杂性，每分析计算一个施工计划方案其上作量 都是相当繁重的。要想计算多个方案，从中得出一些规律和结论并进行优选，必 然花费大量的人力、物力和时间，利用计算机仿真技术进行优选，则是解决这类 问题的有效方法。 土石坝施工过程由运输上坝子系统和坝面填筑予系统组成，运输上坝子系统 是由装料、运料、卸料、空返等一系列活动组成的循环过程，而坝面填筑子系统 也是由铺土、平土、压实、质检等活动组成的循环过程。因此，土石坝施工可以 看成是两个循环过程周而复始运行的过程。而循环网络模拟技术( c y c l e o p e r a t i o n n e t w o r k ) 正是研究这类循环施工问题的行之有效的方法。 表1 1世界上2 0 0 r 以上高土石坝部分统计资料 号坝名国家坝高( m )建成年份 l 罗贡( r o g e n ) 前苏联3 3 51 9 8 5 2努列克( n u r e k )前苏联3 0 01 9 8 0 3博鲁卡( b o r u c a )哥斯达黎加2 6 71 9 9 0 4奇科森( c h i c o a s e n )墨西哥2 6 41 9 8 1 5特里( t e 哳) 印度2 6 01 9 9 0 6基沙( k i s h a u )印度2 5 31 9 8 5 7 格维奥( g u a v i o )哥伦比亚 2 5 01 9 8 6 8买加( m i c a )加拿大2 4 21 9 7 3 9密哈斯蒂( m i h a e s f i )罗马尼亚2 4 21 9 8 3 1 0帕提河( p a f i a )哥伦比垭2 4 0 1 1契伏( c h i v o r )哥伦比亚2 3 71 9 7 5 1 2奥洛维尔( o r o v i l l e )美囡2 3 51 9 6 8 1 3 科汤威尼( k o f a n g r e n i ) 南非2 1 3 31 9 7 7 1 4凯朋( k e b a n )士耳其2 l l1 9 7 4 霍洛溪一级 15美 酗2 0 21 9 7 7 ( h o g c r e e k s i f e l ) 1 6新美浓( n e wm e l o n e )美国2 0 l1 9 7 9 2 第一章绪论 1 2 循环网络模拟技术概述 循环网络技术【4 是一种网络技术，它把排队理论和计算机仿真技术应用到网 络计划技术中，通过计算机对工程对象的循环过程和随机时f b j 的仿真，可以计算 出不同资源水平和施工组织情况下循环施工过程的施工进度和成本，并找出有关 的拥塞点；通过灵敏度分析可以寻出最佳的机械设备配套组合及理想的工期成本 最优方案。 无论是水利工程还是土木工程，具有循环作业特征的施工项目是很常见的， 如隧洞的开挖、大坝的填筑、高层建筑的施工、交通运输等，因此循环网络技术 得到了很好的推广和应用。自本世纪七十年代以来，国内外科学研究工作者已将 循环网络仿真技术成功地应用于高层建筑工程、道路工程、土方工程、管道工程、 港口工程施工中，并发展形成了许多较成功的仿真软件，如c y c l o n e 【5 j ( h a l p i n a n dw o o d h e a d ，1 9 7 7 ) ，在此基础上发展而成的i n s i g h t l 6 】( k a l k 1 9 8 0 年) 、 u m c y c l o n e ! ( i o a n n o u 19 8 9 年) 和m i c r o c y c l o n e t ”( h a l p i n ，1 9 9 0 ) ， 随后又出现了r e s q u e 【9 】( c h a n g ，1 9 8 7 年) ，d i s c o 【lo j ( h u a n g 等，1 9 9 4 年) ， s t r o b o s c o p e 【io 】( m a r t i n e z 等，1 9 9 4 年) 等。在国内，天津大学与有关设计研 究院进行了二滩、龙滩、小浪底和溪洛渡等地下洞室群单项洞室仿真与进度分析 研究课题从单个洞室施工过程的仿真开始，成功地将循环网络仿真技术应用于 地下洞室群施工系统分析中，并编写了一系列仿真软件，如早期的c o n s 【l2 l ( 钟 登华，1 9 8 7 年) 是针对循环网络的一般方法设计的，但仅适用于单项洞室的仿 真计算。随后的e s a s i b l ( 钟登华等，2 0 0 1 年) 是将循环网络模拟技术应用到地 下洞室群的施工仿真中。具有一定的通用性。 1 3 土石坝施工系统仿真研究现状 传统思想认为，与其它坝型相比土石坝的施工工艺相对简单，其施工过程 大多依靠经验，而在理论上的研究相对较少，尤其是施工过程的仿真研究。实际 上，高土石坝施工因工程量大，上坝强度高，坝体断面的不规则等需要对高土石 坝的施工过程进行详尽的分析研究，以指导实际的设计与施工。 土石坝施工系统仿真的研究开始于美酬的j o h nw l e o n a r d ，他在1 9 7 3 年召 开的第十一届国际大坝会议上指出| l 不能单靠增加施工设备来加快坝体的施 工进度或降低造价，而应着眼于提高原有设备的利用率。他建议在不同的施工阶 段采用不同的设备配套，对坝体的分区做了定量研究。 在国内，天津大学在土石坝施工系统仿真研究方面走在了全国的前列。早在 1 9 8 7 年，天津大学的朱光熙、孙锡衡【l5 j 等首次采用系统仿真的方法对龙滩面板 3 第一章绪论 堆石坝施工过程( 可行性研究阶段) 进行了仿真研究，得出了坝体施工组织设计 中的上坝强度及行车密度等，并能找出既满足工期要求，又充分发挥各种机械设 备作用的机械设备配套方案，取得了一定的研究成果，为我国的土石坝仿真研究 走出了最关键的一步。随后，天津大学的孙锡衡、别社安等在已有研究成果 的基础上提出了变参数随机循环网络的方法，并成功应用于大柳树混凝土面板堆 石坝施工过程仿真。该方法在构造模型的各种节点中增设了函数功能，用来描述 工作砸、资源、时间参数等的变化。此外还增加了一种控制节点用来对局部网络 的运行进行控制。此外，天津大学的王仁超、成都勘测设计研究院的郑家祥 以及东北勘测设计研究院的程燕【l9 】等也应用系统仿真的方法对土石坝的施工过 程进行了仿真研究。 综观以上的研究成果可以发现，对土石坝施工过程的仿真分为两步：首先通 过对运输上坝子系统进行一个很小时段的仿真，得到此时段的近似上坝生产率， 然后依据此近似上坝生产率对坝面填筑子系统进行仿真。此种做法一方面是由于 运输上坝子系统的运行具有一定的重复性与周期性，因此可以用q i i d , 时段内的近 似上坝生产率来代替较长时段内的上坝生产率：另一方面是由于当时计算机硬件 水平的限制，一个土石坝工程工期往往要几年的时间，若是在几年的工期内对整 个工程进行以分钟为推进单位的仿真，其速度是让人无法忍受的。正因为如此， 以往的土石坝施工过程仿真均分成了两步，其缺点是不言而喻的，那就是未能真 实地反映出施工过程的随机性及客观性。 本文应用循环网络模拟技术首次将运输上坝和坝面填筑两个子系统有机地 结合起来进行一体化仿真，得到各时段的运输上坝方量，从而比较逼真地预演土 石坝的施工过程。 1 4 本文主要研究工作 本论文立足于继承与创新、理论与实践相结合的原则主要进行了以下的研 究工作： ( 1 ) 对循环网络模拟技术进行了研究分析根据实际工程的施工特点对现有模 型中的节点类型作了增减，删减了控制节点与职能节点，并增设了新的节 点类型即综合节点来控制坝块和转料场的运行： ( 2 ) 将循环网络模拟技术应用于土石坝施工过程仿真中，建立了土石坝施工过 程的循环网络模型； ( 3 ) 首次提出将土石坝施工过程的运输上坝与坝而填筑两个子系统有机地结 合起来进行一体化仿真，得到了更切合实际的上坝生产率； ( 4 ) 基于上述研究思想，采用功能强大的v c + + 语言和g i s 技术编制了土石坝 4 第一章结论 施工系统仿真软件e d a m s i m 。通过仿真计算与优化可以获取：工程的施 工进度计划：坝体的填筑进度计划：机械设备的合理配套；土石方流的动 态平衡；各施工时段的施工特性等： ( 5 ) 通过在某混凝土面板堆石坝工程中的实际应用，获得了工程应用研究成 果，验证了研究思想的正确性及软件的有效性和实用性。 5 第二章循环网络模拟技术及其改进 第二章循环网络模拟技术及其改进 2 1 循环网络模型及其改进 2 1 1 循环网络模拟技术的产生及其特点 在过去几十年中，工程项目管理研究的重点在工程项目的计划及宏观控制 上，其方法多借助于传统的的c p m 和p e r t 等方法1 2 。在图2 1 所示的工程项 目管理层次中，最上层是整个项目的管理，主要进行项目的技术论证、统筹计划 和协调多级关系、控制工期；第二层为建筑群的管理，主要是安排各建筑的前后 施工顺序，综合控制进度和资源平衡等；第三层是单位工程的管理，主要进行工 期、质量和成本的控制管理等工作。以上三个层次的管理方面过去研究较多并有 较大的发展。图中后四个层次均属于施工现场的决策管理及控制，其重点是合理 安排、使用各种资源( 人力、机械设备等) 、提高其利用率、并均衡有效地施工， 以实现预期的目标。这就需要对现场施工决策和管理控制以及施工过程的分析有 一套切实可行的定量方法。 水利、土建工程施工除了具有生产流动性、 综合协作性等特征外还具有以下特点：( 1 ) 整个生产过程的劳动力、设备、材料等资源是 流动的；( 2 ) 许多施工过程是由一系列反复循 环进行的作业或工序组成，其特征就是“循环”， 例如高层建筑物的标准层施工，隧道工程、管 道工程以及诸如运河、渠道等工程的施工等： ( 3 ) 受气候等不确定因素的影响构成随机的动 态因素；( 4 ) 某些施工过程存在排队等待、拥 塞或公用资源的冲突现象。这些都使工程建设 的计划、管理和控制工作更为复杂，难度更大。 若采用普通网络计划方法则不但极其繁杂，也 难于表达上述特点。对于循环施工系统的传统 分析方法只限于循环时间的简单计算，难以搞 图2 1 项目建设管理层次图 清资源的影响和生产率降低的原因，不能很好地为管理者提供实现预期目标的科 学方法和手段。 循环网络模拟技术( c y c l o n e ) 1 1 2 正是适应上述需要而发展起来的一种新 型网络技术。它是把排队理论、计算机仿真技术与网络计划技术结合起来的一种 6 第二章循环网络模拟技术及其改进 方法，适用于具有前述特征的建设生产过程。它把所涉及到的各种资源看作流水 单元在系统中流动，即将整个施工过程看作是流水单元的动态流动过程。同时， 基于排队理论将流水单元分为工作状态及排队等待状态，并定义了不同的图示符 号表示各种状态或功能，从而能形象地描绘出实际旌工过程的图示模型，并充分 表达为完成一项工程任务的各种资源是如何相互结合和相互作用的。此外通过计 算机对工程对象的循环施工过程及随机时问特性的仿真运算，不但可以使得所设 计的系统更接近于实际，而且能计算出在不同的资源水平和施工组织状态下的工 期、费用以及循环时问、闲置时间、生产率和资源利用率等指标，并洞察与预测 系统在不同条件下的反映、找出拥塞点。通过灵敏度分析及方案综合评价还可以 获得最佳的机械配套和各资源的合理配置以及理想的工期一费用方案，实现均衡 生产，最大限度地减少闲置时问，充分利用资源和提高生产率，从而可对管理策 略作出预先的估计，为设计与施工管理部门提供决策信息。 与c p m p e r t 以及流水网络和搭接网络等普通网络相比，普通网络的各活 动时间基本上是确定型的，通过普通网络分析所获信息可满足较高层次管理需 要，但对于现场施工的复杂情况及施工管理所涉及的资源分配、安排与调运以及 许多不断变化的环境因素，普通网络只能提供给管理者要求实现的目标，而难以 知道如何去实现，它不能找出问题所在和指出如何解决，而循环网络方法则弥补 了这一缺陷。此外c p m 等普通网络方法在解决具有大量重复性生产过程的项目 计划管理方面显得薄弱无力。例如，对于某一单条隧洞的丌挖由四个工序循环 2 0 次完成，如果用c p m 方法建立网络模型就将包括4 x 2 0 = 8 0 个节点，这种重 复性项目使普通网络变得复杂了。而循环网络则能以一个单体为网络主体，用控 制结点来控制循环次数，使网络模型得以简化。 循环网络与图示评审方法( g e r t ) x e i 比较，二者虽然都是含有不确定性因素 的决策工具，都是属于随机网络，但循环网络模型比较简单明了，易于分析与评 价，特别是在描述具有循环过程的实际问题时，循环网络要简单得多，使用手算 时也相对较为简单。 2 1 2 循环网络模型的组成部分 循环网络系统的运行过程是被视为各种资源的相互结合、相互作用的结果。 整个过程是资源实体的动念流动，即主动状态和被动状态的相互转换过程。因此， 在系统的模型中定义了几种特定的图示符号来描述各种状态并根据生产工艺及 逻辑关系，将它们用矢线连接起来，并加入控制机制构造出图示模型来表达实 际生产过程。循环网络模型中包括以下几个组成部分： 1 流水单元：也称实体流或简称为“流元”。所谓流元是指在系统中不断进 7 第二章循环网络模拟技术及其改进 行着状态变换和流动的资源实体，即进行作业所需的劳动力、机械设备、材料等 资源或所需的空间及其它信息。系统运行的全过程也就是流元的动态流动过程。 流元所处的状态有主动状态和被动状态两利- 。当流元到达一个节点而进入工作状 态及流元被利用或加工处理，则称之为主动状态。当流元处于闲置或排队等待的 状态时称为被动状态。在系统运行中应减少这种闲置状态，提高资源利用率和避 免窝工现象。 流元可以被分解，使一个变为多个：也可以进行组合或合并，使多个流元变 为一个。例如，在高层建筑施工中，用塔吊垂直运送混凝土，若以一料斗混凝土 为一个流元，在送到施工楼层后，它可分为若干份( 子单元) ，用若干手推车进 行水平运输散料。又如“货物”和“卡车”两个流水单元可以合并为一个流元“满 载卡车”，而当运到卸货地点后，“满载卡车”这个流元又可被分解为“货物”和 “卡车”两个流元。 2 矢线：表示流元的流动方向以及各节点或活动之间的逻辑关系。 3 节点：在本论文所建立的土石坝施工过程系统仿真模型中定义了四种图 示符号，以分别表示不同的状态或功能，如图2 2 所示。 卜k 卜 a 1 一般节点b ) 排队节点 叫二卜叫二 _ 一 c ) 服务台1 i 点d ) 综合节点 图2 2 仿真模型节点图示符号 ( i ) 一般节点 表示非限制性的工作即主动状态。当流元到达此节点的输入边时，就会- 1 1 自由地进入节点无需等待而处于工作状态，并在节点中持续一段工作时间( 历 时) 。如汽车重行及空返。 ( 2 ) 排队节点 通常描述处于被动状态的流元活动，即存放那些被i i i 或排队等待的流元。 当流元进入此节点后即处于排队等待状态。此节点不耗时，只是改变流元的状态。 如汽车在到达各道路的交叉口时就要进入此节点进行排队等待。在其紧后i i i i i 务 第二章循环网络模拟技术及其改进 台节点或综合节点处于空闲状态时流元进入到下一状态，接受下一级的服务。此 节点除了改变流元的运彳亍状态外还具有统计功能，即统计流元在此服务台前的等 待耽搁时间及不同排队队长的等待时间等。 ( 3 ) 服务台节点 表示限制性的工作。流元在到达此节点前必须经过前面的排队节点，以改变 状态后到达此节点。若此节点的服务台处于空闲状态，则流元开始接受此服务台 所提供的服务处于主动状态，并在节点中持续一段工作时间；若此节点的服务 台处于繁忙状态，则流元仍处于前面的排队节点处，排队等待一段时间，待服务 台空闲时再接受服务，并持续段时间；若此服务台前有多个流元同时处于排队 等待时，根据先到先服务的原则，待服务台处于空闲时依次对先后到达的流元提 供服务。如汽车在装载机前的装渣这个活动就可以看成是一个服务台节点。同样， 汽车在卸料点卸料和所经过的岔口等都可看成是服务台节点。 ( 4 ) 综合节点 综合节点的功能与服务台节点很相似，但是和服务台节点又不完全相同，它 是针对土石坝施工过程的特点而特别增设的一种节点类型。在土石坝施工过程 中，汽车运送的土石料有的是直接上坝，有的是通过渣场转料上坝，还有几个料 场同时对坝块进行供料。对于这种同时有几个料源的坝块或转料场，有的既是装 料点又是卸料点，有的都是装料点或都是卸料点，装料与卸料发生在同一地点( 却 是不同的装、卸服务台) ，却分别属于不同的闭合循环回路。当然我们也可以用 几个循环闭合回路，即用几个服务台节点来描述这个装、卸料的过程，但是这样 却不能在模型中体现出装料、卸料或同时装( 卸) 料这个过程，而且在统计此回 路的装、卸料时显得尤为不便。所以为了更好地描述坝块及转料场的堆存料随时 间变化的特性，增设了此节点，精简了模型。 2 1 3 模型改进 与现有循环网络模型相比，本论文所提出的循环网络模型中的节点类型有较 大改变，其主要目的是为了研究现实问题的需要。现有循环网络模型中的节点类 型有五种，分别是一般节点、排队节点、复合节点、职能节点及控制节点。前两 种节点类型与本文模型中的节点类型一致，复合节点与本文提出的服务台节点相 似，不同之处在于复合节点要求其前面的所有活动均满足后才可进行工作。针对 土石坝施工具体问题，本人认为只要服务台节点前有可工作的车辆，并且服务台 本身空闲时此服务台即可进行工作，所以其前面的条件约束永远只有两个。为此 将服务台空闲与否的判断纳入此节点内部进行，而将复合节点改称为服务台节 点。 9 第二章循环网络模拟技术及其改进 对于现有模型中的职能节点与控制节点，其主要作用在于统计节点的参数并 控制循环的结束。工程设计人员在构建循环网络模型时往往混淆这两种节点的使 用且其参数也不易让人理解。为了简化模型，使循环网络技术更易于被广大的 工程设计人员所接受，本人将这两种节点的功能编成函数纳入到程序中去，隐藏 了其工作过程，故此在本人所提出的模型节点中删减了这两种节点类型。 同样，与现有模型相似，由于各节点内在功能的要求。每种节点对其紧前或 紧后的节点类型都有严格的规定，这在进行循环网络系统建模和确定网络结构时 登须注意遵守。循环网络建模所要求的逻辑关系如表2 - 1 所示。 表2 1循环网络模型节点逻辑关系表 节点类型一般节点排队节点服务台节点综合节点说明 一般节点 4 ：允许 排队节点 x 、， 服务台节点 ：不允 综合节点 许 2 2 系统仿真理论 本文依据循环网络模拟技术的思想建立了土石坝施工过程的循环网络模型。 同时，涉及系统理论、随机服务系统及随机变量的生成等一些相关知识，下面分 别予以简要的介绍。 2 2 1 系统仿真 1 系统仿真基本概念 仿真( s i m u l a t i o n ) 是一种模仿行为，是将研究的对象用其他手段进行模仿 的一种技术。当采用这种方法研究问题时，并不直接研究对象本身，而是设 计一个与研究对象相似的模型，然后通过模型来间接的研究对象。 可咀从不同的角度对系统仿真加以分类。比较典型的分类方法【2 2 l 有：根据 模型的种类不同可分为：物理仿真、数学仿真和半实物仿真；根据仿真所采用的 计算机类型不同，可分为：模拟计算机仿真、数字计算机仿真和数字模拟计算机 仿真；根据仿真时钟与实时时钟的比例关系不同，可分为：实时仿真、亚实时仿 真和超实时仿真；根据系统模型的特性不同，可分为：连续系统仿真和离散系统 仿真。 系统仿真技术是二十世纪四十年代末以来随着计算机技术的发展逐步形成 0 第二章循环网络模拟技术及其改进 的一门新兴学科。仿真就是通过建立实际系统模型并利用所建模型对实际系统进 行试验研究的过程。自四十年代仿真技术与计算机技术结合以来，随着仿真技术 的发展，现代仿真技术已经成为任何复杂系统不可缺少的分析、研究、设计、评 价、决策和训练的重要手段。近年来，随着科学技术和生产力的发展，出现了全 生命周期的仿真技术( 全过程仿真技术) ，即对仿真对象的整个生命周期进行高 逼真度的仿真，从而达到做出正确决策、指导科学研究与生产实践的目的。 系统仿真是对系统进行试验研究的综合性技术，仿真试验的过程一般应包括 以下三个阶段的工作【2 3 】：( 1 ) 建立模型阶段。在这一阶段中，通常是先分块建立 子系统的模型。若为数学模型则需要进行模型变换，郎把数学模型变为可以在仿 真计算机上运行的模型，并对其进行初步的校验。若为物理模型，需在功能与性 能上覆盖系统的对应部分。然后根据系统的工作原理，将子系统的模型进一步集 成为全系统的仿真试验模型。此阶段为系统仿真的基础，模型建立的正确与否直 接影响仿真成果的对错。( 2 ) 模型试验阶段。在这一阶段中，首先根据试验目的 制定计划和大纲，设计一个好的流程，然后进行仿真试验并记录结果。( 3 ) 结果 分析阶段。在这一阶段中需要对实验数据进行科学的分析，并根据分析结果做出 正确的判断和决策。 以下对系统仿真的几个概念进行说明： ( 1 ) 系统模型：对一个现实存在的系统或计划建立的系统的某种形式的表 达称之为系统模型。建立和运用系统模型的目的在于明确系统的主要 组成部分和它们间的相互关系以及环境对系统的影响，以便于深入地 分析和研究系统的工作特点。由于仿真是以模型代替实际系统所进行 的试验，所以仿真的结果取决于模型是否符合实际，因此系统模型的 建立是仿真的基础。 ( 2 ) 离散事件：在一系列离散时刻标志系统状态变化的事件称为离散事件。 在离散系统仿真中，研究离散事件的变化过程即可描述系统运行的整 个过程。 ( 3 ) 仿真时钟：离散系统仿真一般是动态仿真，需要不断地记录各事件的 发生时问，并进行时间统计。仿真时钟就是随着仿真的进程而不断更 新的时钟机构，它给出系统运行中各事件状态变化的时间量度。 ( 4 ) 活动：导致系统状态发生变化的任何过程称为活动。 ( 5 ) 主导实体：一个系统边界内部的对象称为实体，而主导实体则是在系 统中起着关键和主导作用的实体。它不仅能承前启后，贯穿整个仿真 过程，而且能通过自身的活动将其它实体的活动衔接在一起。 ( 6 ) 参数：系统实体的特性或属性。 第二章循环网络模拟技术及其改进 ( 7 ) 状态：某时刻对系统所有的实体、参数和活动的描述构成系统的状态。 2 系统仿真基本方法 动态系统仿真是靠仿真时钟的推进来完成的。仿真时钟的推进并不和实际时 钟一样而是设置一变量r ( 称为仿真时钟) 来表示仿真时间，其值和实际时间 一致。系统仿真的基本方法有时间步长法和事件步长法【2 ，下面分别简单介绍。 ( 1 ) 时间步长法 时间步长法也叫固定增量时间推进法。它是以某一规定的单位时问为增量 址，按时间的推进，一步步地对系统活动进行仿真。仿真过程中，时间步长是 固定不变的。其基本步骤是：首先选取系统的初始状态，并以它作为仿真钟的零 点。从该起点开始，每次推进一个时间步长出，并对系统的活动进行考察分析， 判断这一个步长中是否有事件发生。如果有事件发生( 指系统状态发生变化的瞬 间事变，如仿真实体属性值的改变、产生和消失以及数量的变化，或者一次活动 的开始或结束等) ，则它们就被认为发生在，的终止处，并相应地改变系统的状 态。如果在f 内无事件发生，则系 统的状态不发生变化，只将仿真钟 推进。重复上述做法直至达到预定 的时间或状态为止。其仿真流程如 图2 3 所示。 用时间步长法对系统进行仿 真时，时间步长的选取是一个很重 要的问题。选取的时问步长愈小， 仿真的系统状态与真实的系统状 态就愈吻合，仿真的精度就高，但 仿真过程中要增加状态检查判断 的次数，从而增加运行时间。相反， 当时间步长取得过大时，虽然能减 少状态检查判断次数缩短运行时 间，但容易丢失系统行为的某些信 息或导致仿真状态的失真，降低仿 真精度。时间步长法一般适用于连 续型系统和系统状态变化为等问 距的系统。 开始 初始状态设置 仿真时钟推进一个时问步长 在当前时间步长内对系统的活动进 行考察分析当有事件发生时对 系统的状态进行修改 星 结束 图2 3 时间步长法仿真流程图 ( 2 ) 事件步长法 事件步长法是以各个事件发生的时间为增量，按照时间的推进，一步步地对 2 第二章循环网络模拟技术及其改进 系统的行为进行动态仿真。采用事件步长法构造仿真模型时，仿真钟不是按固定 的等长推进，而是以不等长的事件步长( 即以各事件所需要的时间作为步长) 向 前推进。 对比事件步长法与时间步长法，可以发现它们有很大的差异。首先，时蒯步 长法是以固定等长的时间作为每次的时间增量来考察系统状态的变化，而事件步 长法每次推进的时间增量大小取决于各事件所需的时问。其次，时间步长法认为 在一个步长内，系统中某一活动所处的状态是相同的，因而所选步长大小将影响 仿真的精度，而且往往容易丢失系统行为的某些信息。而事件步长法每个事件均 有确切的起止时间，故其仿真精度较高。此外，时间步长法在每个步长内都要对 整个系统进行扫描，即使状态不变化也要进行，因而许多检查判断是多余的，往 往要浪费大量机时，而事件步长法只在事件发生和结夷时刁。进行扫描，所以运行 效率较高。但对大而复杂的系统，因活动太多，使用时间步长法可能较为方便。 事件步长法在具体运用 中，一般是用最短时问的事 件步长来推进仿真钟的。对 于复杂的系统，其产生的事 件的性质多种多样，为了按 照时间的进程来考察系统的 动态变化，就必须对不同性 质的事件按其发生时间的先 后顺序逐个进行考察。对系 统的考察是在系统的状态发 生变化时进行的，因此事件 步长法将跟踪任何事件的发 生和终止。在所有的事件中， 事件的发生( 或终止) 时刻 距当前仿真钟最近，则称该 事件为最短时间的事件，仿 真钟下次推进的时刻，即为 该事件的发生( 或终止) 时 刻。这种以最短时间事件的 时间为步长推进仿真钟的方 图2 4 事件步长法仿真流程图 法，称为最短时间的事件步长法。 最短时间事件步长法仿真的基本步骤是：首先选取系统的一个初始状态，然 3 第二章循环网络模拟技术及其改进 后在一系列事件中选取一个最短时间的事件，将仿真钟推进到该事件的发生( 或 终止) 处，使系统的状态发生变化并进行考察、分析、计算和记录，然后再在一 系列的事件中选取另一个最短时间的事件，将仿真钟推进到该事件的发生( 或终 止) 处，使系统的状态再发生变化，重新进行考察、分析、计算和记录。如此反 复，直至仿真结束为止。其仿真过程如图2 4 所示。 2 2 2 随机服务系统基本概念 随机服务系统理论亦称排队论，它通过对排队系统研究找出排队系统的概率 统计规律，从而对系统进行优化设计或使系统达到最优运行【2 ”。它有三个基本 组成部分：输入输出过程、排队规则、服务规则。 研究随机服务系统的目的，就是要分析排队系统的运行效率，估计服务质量， 确定系统参数的最优值，以决定系统结构是否合理，并研究改进措施等。一般的 分析指标有： 1 ) 队长及排队长：队长指系统中的顾客总数：排队长指系统中排队等待服 务的顾客数，并且满足： 系统中 在队列中等待1 f 正被服务 i 顾客数尸l 服务的顾客数l 十i 的顾客数i 2 ) 逗留时间及等待时间：逗留时间指一个顾客在系统中的停留时间：等待 时间为一顾客在系统中排队等待的时问。研究后者更有实际意义。 i 逗留时间 l 等待时间卜卜旧务时间l 3 ) 忙期：指服务机构连续繁忙的时间。忙期时间之和与系统运行时间的比 为忙期概率，它反映了服务机构的工作强度。 本文所研究的是有限元多级循环服务系统，也就是说有限个顾客在系统中循 环运行依次接受多级服务。前一服务机构服务完的顾客作为下一服务机构输入的 顾客，前一服务机构的输出方式作为下一服务机构的输入方式。系统中各环节相 互依赖，相互制约。 1 4 第二章循环网络模拟技术及其改进 2 2 3 随机变量的生成嘶1 1 均匀分布 设均匀分布的概率密度函数为厂( 。) ：j i 笔，n s x 蚰 ( 2 1 ) 1 0其它 累积分布函数f ( x ) = 0 ， x b 产生均匀分布随机变量的方法是：产生【o ，l 】区间均匀分布随机数r ，令 r ，= f ( _ ) = 孚兰，日s x - b ，解上式得 d a 蕾= 口+ ( 6 一口) e ( 2 3 ) 2 正态分布 由概率积分变换定理知若“。( j = 1 , 2 ，) 是一( o ，1 ) 区间内均匀独立的随机 变量，而另一给定分布f ( 置) 的随机变量为x i ，则这一随机变量置可由其反分 布函数f 。1 ( m ) 求得其抽样值，即x = f “( 虬) 。基于这种方法可以求出服从正态 分布的随机变量。 正态分布的概率密度，( x ) 为： f ( x ) = 去e 一铲( 2 - - 4 ) 令z = “一) 盯，则将( ，仃2 ) 转换成为标准正态分布变量z n ( o ，1 ) 。取均匀分布随机变量，“：，利片j 二元函数变换得： ! z 1 = ( 一2 1 n u i ) 2c o s 2 m t 2 1 z 2 = ( 一2 1 n u l ) 2cos2nu2(2-5) z 。，z ：即为两个独立的标准正态分布随机变量。再由线性变换可以得到正态 第二章循环网络模拟技术及其改进 分布随机变量x ，x ： x i = z l - 口+ x 2 = z 2 盯+ 3 负指数分布 服从指数分布的概率密度函数为：，c 工，= ：! ： 其累积分布函数为：f c z ，= 器一p “：! ： ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 设置为均匀分布讲0 ，1 】上的随机数，令置= f ( ) = 1 一e ，因r 与1 一足具有 相同的u o ，1 】分布性质，故有l r t 1 p 岫。，r s = e 曲，l n r ，= 一砘，所以 t ：一 l n r 1 6 ( 2 9 ) 第三章高土石坝施工过程的一体化仿真建模与程序设计 第三章高土石坝施工过程的一体化仿真建模与程序设计 土石坝施工过程主要由两个子系统组成：运输上坝子系统和坝面填筑子系 统。运输上坝子系统指的是土石料的开采运输，即挖、运、