CN104143023A - 基于参数分析与实时监控的面板堆石坝施工进度仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于面板堆石坝施工技术领域，为实现仿真中施工参数的实时动态获取，提高仿真精度、增强仿真的实时性，使仿真成果用于指导实际施工。为此，本发明采取的技术方案是，基于参数分析与实时监控的面板堆石坝施工进度仿真方法，包括如下步骤：(1)建立面板堆石坝施工进度仿真程序(2)施工参数分析(3)关键施工参数监控数据统计分析(4)施工进度仿真计算(5)关键施工环节分析。本发明主要应用于面板堆石坝施工。

Description

基于参数分析与实时监控的面板堆石坝施工进度仿真方法

技术领域

本发明属于面板堆石坝施工技术领域，尤其涉及一种基于参数分析与实时监控的面板堆石坝施工进度仿真方法。

技术背景

面板堆石坝是坝工界的主流坝型。虽然面板堆石坝应用广泛，但是由于施工工艺复杂、施工工期紧、施工强度大，施工进度管理一直是面板堆石坝建设中的核心问题。

目前，施工进度仿真方法与技术已广泛应用于面板堆石坝工程的可研阶段和设计阶段中，是科学开展工程规划设计和施工进度管理的重要技术支撑手段。然而，目前面板堆石坝施工仿真中，仿真参数的确定多采用专家经验法和工程类比法，仿真参数难以根据实际施工实时动态确定。这一方面忽略了面板堆石坝实际施工中很强的随机性和不确性，影响了仿真结果的精度；另一方面，无法在当前的施工面貌及施工条件下，实时预测未来的施工进度，仿真缺乏实时性。因此，施工参数的实时动态确定问题制约了面向施工阶段的、指导实际施工的面板堆石坝施工进度仿真的实现。

目前，针对水利工程施工的实时监控技术得到了推广应用。实时监控技术的应用解决了传统手工采集数据难度大、效率低的问题，实现了施工过程中的施工数据的实时采集。但实时监控技术领域的研究尚是针对某一特定的工程问题，如过程监控、质量控制、安全控制、生产率评价等，。实时监控技术未与施工进度仿真有效结合起来，难以运用实时监控技术动态获取仿真中所需的施工参数，尚未实现基于实时监控的仿真。天津大学(2010年)提出的基于实时监控的高心墙堆石坝施工全过程仿真方法，仅直接利用实时的工程进度信息、机械配置信息更新仿真边界条件，未全面考虑多种施工参数对仿真进度的影响，缺乏对实时监控数据的统计分析。尹习双(2012年)提出了高拱坝施工的仿真方法，通过数据挖掘进行高拱坝施工仿真。但该方法针对高拱坝施工特点提出，而高拱坝在施工工艺与面板堆石坝有着本质的区别；此外，该方法中施工数据获取未运用实时监控技术，方法缺乏实时动态性，所以该方法不适用于实现指导实际施工的面板堆石坝施工进度仿真。

发明内容

为了克服现有技术的不足，提出一种面板堆石坝施工进度仿真方法，实现仿真中施工参数的实时动态获取，提高仿真精度、增强仿真的实时性，使仿真成果用于指导实际施工。为此，本发明采取的技术方案是，基于参数分析与实时监控的面板堆石坝施工进度仿真方法，包括如下步骤：

(1)建立面板堆石坝施工进度仿真程序

结合面板堆石坝施工特点，运用离散系统仿真方法和循环网络技术建立面板堆石坝施工进度仿真模型，对工程对象的施工过程建立循环网络模型并在计算机上进行仿真计算，模拟出在不同的资源配置和施工计划下的工期进度指标；

综合考虑面板堆石坝施工进度仿真中的参数，使用专家经验法和工程类比法对仿真中的施工参数进行初始赋值，形成初始仿真方案；

以得到的仿真模型和施工参数为基础，运用C++程序语言进行编程，建立面板堆石坝施工进度仿真程序；

(2)施工参数分析

考虑面板堆石坝施工进度仿真中涉及到的各类施工参数，从中选择影响进度的施工参数。运用正交试验设计方法对选择出的多个施工参数进行组合，得到若干个正交仿真方案；

运用已建立的仿真程序对设计的正交方案分别进行仿真计算；

再运用极差法分析仿真计算结果，通过确定仿真进度对施工参数的敏感性，来确定施工参数对仿真进度的影响程度；将敏感性大的施工参数确定为关键施工参数，相应的施工环节作为关键施工环节；

(3)关键施工参数监控数据统计分析

基于面板堆石坝实时监控系统，分析、处理实时监控数据，提取关键施工参数实时数据；

运用统计产品与服务解决方案SPSS(Statistical Product and Service Solutions)中的单样本K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验和P-P概率图对实时数据进行分布检验，得到关键施工参数的特征分布值；实现仿真中施工参数的动态获取；

(4)施工进度仿真计算

面板堆石坝分期施工，用上一期的关键施工参数的特征分布值动态更新本期关键施工参数初始赋值，动态形成新的仿真方案；对新的进行仿真计算，得到的仿真进度，用于指导实际施工进度安排；

(5)关键施工环节分析

运用正交试验法对关键施工参数下的不同实体参数进行组合，设计方案，进行仿真计算；运用极差法分析仿真结果，确定仿真进度对不同实体参数的敏感性；其中，将敏感性大的实体参数对应实体作为关键施工环节应重点关注的实体，针对该实体向关键施工环节提出施工指导意见。

施工参数包括：综合参数，包括开工日期、大坝分期和分区等综合性参数；机械参数，包括各类机械设备的型号和性能参数；时间参数，包括各月有效工作日、日有效工作小时；坝料开采参数，包括装载机装料时间；坝料运输参数，包括自卸汽车重运速度、自卸汽车空返速度；坝块参数，包括坝块碾压层厚度和体积、相邻高差约束、日上升约束；坝面施工参数，包括坝面综合施工效率。

步骤(2)具体为：对于某个确定工程而言，大坝分区和分期、坝块碾压层厚度和体积、相邻高差约束、日上升约束等在设计阶段已经确定，在施工阶段可视为定值；机械设备的性能可按型号视为定值；各月有效工作日、日有效工作小时对施工进度影响的方向性是一定的，选择装料时间T、自卸汽车重运速度V_Z、自卸汽车空返速度V_K、仓面综合施工效率Q四个影响进度的施工参数做参数分析，按专家经验法和工程类比法对它们进行初始赋值；以参数初始赋值为中间取值水平，中间水平增、减20％作为参数值的上、下取值水平，得到每个参数的三个取值水平；按正交试验法对上述施工参数进行组合，得到9组正交试验方案，并对各个方法分别用仿真程序进行施工进度仿真计算；用极差法分析仿真计算结果，进度对极差明显大于参数的极差最敏感。

步骤(3)进一步具体为：实时提取自卸汽车行驶速度、卸料时间、装载机装料时间、施工机械配置、道路编号、运输路径信息；选择相应运输机械，由卸料时间、装料时间确定重运状态，再随机按道路编号和运输路径提取重运速度，即可获得分期各道路的重运速度数据；使用SPSS软件对分期各道路重运速度数据做单样本K-S检验和P-P概率图检验；将检验分布类型选为正态：确定分期各道路重运速度的特征分布值，从而实现关键施工参数的动态确定。

运用离散系统仿真方法和循环网络技术建立面板堆石坝施工进度仿真模型具体步骤为：

①运输上坝子系统建模：

i)装料或岔口：

在装料或岔口系统中，各服务台相互独立的工作，任意空闲服务台空闲可按最小子时钟的原则对自卸汽车进行服务，自卸汽车装料或过岔口时间T服从以μ为均值，σ²为方差的正态分布，即T～(μ，σ²)，另外，对于装车方量，也认为其服从正态分布，其参数依据自卸汽车性能参数而定；

ii)重运和空返：

在重运及空返中作如下的假定：对单个装、卸料闭合回路，仅有一种类型的自卸汽车，以保证同回路各汽车具有相同的重运、空返速度；汽车在行驶过程总不超车，道路节点为无服务台的服务机构；根据此假定，推算出自卸汽车重行及空返时间：

重运时间：t_z＝60×s/v_z(分钟)    (1-1)

空返时间：t_k＝60×s/v_k(分钟)    (1-2)

其中，

s为上坝道路的长度，km；v_z，v_k：特定型号自卸汽车平均重运、空返速度，km/h；

iii)卸车：

卸车属于一个服务台机构，对于转料场的卸点，其服务台数U可以根据实际情况人为给定，而对于坝面上的卸料点数却是一个随坝面填筑高程增高时而变化的值，通过坝面的前沿长度与汽车的回转半径之比得到：

U＝L_dam/R_car    (1-3)

其中，L_dam是在某一高程处坝面的前沿长度，R_car为汽车的回转半径，单位均以米记；

运输上坝系统中的所有车辆依次接受上面的各级服务，接受完所有服务后返回到装料系统等待队伍的末尾，如此循环进行；

②坝面填筑子系统建模：

i)层填筑历时

面板堆石坝填筑施工以层为单位进行，确定层填筑历时是施工进度仿真计算基础：

当坝面填筑采用分段流水作业组织方式时，坝料铺筑是主导工序，碾压等工序不占直线工期，层施工历时仅与坝料上坝生产率有关，设当前层的坝料方量为V，当前坝料运输上坝生产率为P，则当前层的施工历时t为

t＝V/P    (1-4)

当坝面填筑采用顺序作业组织方式时，可认为平土、洒水工序已在坝料填铺过程穿插进行，这时层施工历时包括层坝料填铺时间和层坝料碾压时间，设当前层体积为V，面积为S，土石上坝生产率为P，坝面碾压综合施工效率为Q，则当前层的施工历时t为

t＝V/P+S/Q    (1-5)

同时，面板堆石坝坝层的上升主要受以下三个条件的约束：

ii)相邻区的高差约束。高差约束有两类，一类是最小高差约束，另一类是最大高差约束；将这两种情况统一为一个模型：设I_A、I_B、I_C为面板堆石坝中依次相邻的三个分区，当前高程为H(I_A)，H(I_B)，H(I_C)，设要求的填筑面貌为：

H(I_A)≤H(I_B)≤H(I_C)    (1-6)

当相邻区的高程约束为H时有：

$\left.\begin{array}{c}H\left(I_B\right)-H\left(I_A\right)\≤H\\ H\left(I_C\right)-H\left(I_B\right)\≤H\end{array}\right\}---(1-7)$

对于上述约束条件，通用模型中的I_B区的左邻区为I_A，右邻区为I_C；I_B区与左邻区的高差为+H，与右邻区的高差为-H，于是上式可变为：

$\left.\begin{array}{c}H\left(I_B\right)-H\left(I_A\right)\≤H\\ H\left(I_B\right)-H\left(I_C\right)\≥-H\end{array}\right\}---(1-8)$

iii)日上升高度约束。设日上升高度分别为△H₁、△H₂、△H₃，I_A、I_B、I_C区的日上升高度分别不大于HD₁、HD₂、HD₃，则有

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{H}_1\≤{\mathrm{HD}}_1\\ \mathrm{\Δ}{H}_1\≤{\mathrm{HD}}_2\\ \mathrm{\Δ}{H}_1\≤{\mathrm{HD}}_3\end{array}\right\}---(1-9)$

iv)完工约束

1≤N(i)≤L       (1-10)

N(i)为可填筑的层号，L为此回路的最大层号。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

在建立施工进度仿真模型和综合考虑施工参数的基础上，建立了面板堆石坝施工进度仿真程序。通过参数敏感性分析，确定了面板堆石坝施工中对施工进度影响大的关键施工参数和关键施工环节；针对关键施工参数，统计分析其实时监控数据，得到了关键施工参数的特征分布值。二者结合起来，解决了面板堆石坝施工进度仿真中施工参数的动态确定问题。用关键施工参数特征分布值动态更新参数初始赋值，形成的仿真方案真实反映了当前的实际施工情况；在此基础上进行的仿真与目前基于专家经验法和工程类比法的仿真相比，仿真的精度和实时性得到显著增强，对实际施工具有指导作用。通过对关键施工环节的进一步分析，为实际施工提供了合理的施工指导建议。上述方法的提出，使得面板堆石坝施工进度仿真动态反映实际施工情况，仿真结果指导实际施工的作用得到显著增强。

附图说明

图1为基于参数分析与实时监控的面板堆石坝施工进度仿真方法的流程图；

图2为仿真程序框架图。

具体实施方式

包括面板堆石坝施工进度仿真建模、仿真中施工参数的敏感性分析、基于实时监控的施工进度仿真，以上三部分共同组成了基于参数分析与实时监控的面板堆石坝施工进度仿真方法。

针对施工进度仿真的问题，本发明提出了一种基于施工参数分析与实时监控的面板堆石坝施工进度仿真方法。在全面考虑施工参数对仿真进度的影响的基础上，通过施工参数分析和实时监控数据统计分析，实现仿真中施工参数的实时动态获取，提高仿真精度、增强仿真的实时性，使仿真成果用于指导实际施工。

本发明的技术方案是：一种综合采用施工参数分析与实时监控数据统计分析的面板堆石坝施工进度仿真方法。该方法包括5个步骤，分别是：

(1)建立面板堆石坝施工进度仿真程序

结合面板堆石坝施工特点，运用离散系统仿真方法和循环网络技术建立面板堆石坝施工进度仿真模型。系统仿真方法按照系统状态变化与时间的关系，可以分为连续系统仿真和离散系统仿真。在面板堆石坝施工系统中，装载机、自卸汽车、坝面填筑单元等实体的状态变化都是发生在离散的时间点上，在时间上呈非连续的特点，因而采用离散事件仿真方法。循环网络技术(CYCLONE)是建立在排队论、网络计划技术和计算机仿真技术基础上的仿真建模方法。它将施工过程中涉及到的资源视为流水单元，并依据排队论将流水单元划分为工作和排队等待状态，同时将整个施工视为流水单元的动态流动过程。对工程对象的施工过程建立循环网络模型并在计算机上进行仿真计算，模拟出在不同的资源配置和施工计划下的工期进度指标。

综合考虑面板堆石坝施工进度仿真中的参数，使用专家经验法和工程类比法对仿真中的施工参数进行初始赋值，形成初始仿真方案。

以得到的仿真模型和施工参数为基础，运用C++程序语言进行编程，建立面板堆石坝施工进度仿真程序。

以某在建面板堆石坝工程为例，对初始方案进行仿真计算。

上述仿真程序的建立为后续进行施工参数分析、实现基于实时监控的仿真奠定的程序基础。对初始方案的仿真计算是目前基于专家经验法和工程类比法的施工进度仿真，计算结果用于与实际进度及后续仿真结果对比，验证本方法的有效性。

(2)施工参数分析

考虑面板堆石坝施工进度仿真中涉及到的各类施工参数，从中选择影响进度的施工参数。运用正交试验设计方法对选择出的多个施工参数进行组合，得到若干个正交仿真方案。正交试验设计法以数理统计、专业知识和实践经验为基础，通过构造具有“均衡分散性”和“整齐可比性”的正交表来设计试验方案，是针对如何安排多因素试验并寻求最优水平组合的问题，提出的一种科学、高效的试验设计方法。

运用已建立的仿真程序对设计的正交方案分别进行仿真计算。

再运用极差法分析仿真计算结果，通过确定仿真进度对施工参数的敏感性，来确定施工参数对仿真进度的影响程度。将敏感性大的施工参数确定为关键施工参数，相应的施工环节作为关键施工环节。

通过上述施工参数分析，确定了仿真中的关键施工参数，是后续有针对性地统计分析实时监控数据、更新仿真参数的前提。

(3)关键施工参数监控数据统计分析

基于面板堆石坝实时监控系统，分析、处理实时监控数据，提取关键施工参数实时数据。面板堆石坝实时监控系统包括施工质量实时监控子系统和运输上坝实时监控子系统两部分，可实时监控面板堆石坝坝面碾压和运输上坝过程，实现对施工数据的实时采集、传输和储存。

运用SPSS(Statistical Product and Service Solutions，统计产品与服务解决方案)软件中的单样本K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验和P-P概率图对实时数据进行分布检验，得到关键施工参数的特征分布值。SPSS软件是IBM公司推出的一系列用于统计学分析运算、数据挖掘、预测分析和决策支持任务的软件产品及相关服务的总称，是目前常用的三大综合性统计软件之一。其中，单样本K-S检验是检验单一样本是否来自某一特定分布的方法，它的检验方法是以样本数据的累计频数分布与特定理论分布比较，若两者间的差距很小，则推论该样本取自某特定分布族。P-P图是根据变量的累积比例与指定分布的累积比例之间的关系所绘制的图形，通过P-P图可以检验数据是否符合指定的分布：当数据符合指定分布时，P-P图中各点近似呈一条直线。

通过对实时监控数据的统计分析，确定了关键施工参数的特征分布值，从而实现了仿真中施工参数的动态获取。

(4)施工进度仿真计算

面板堆石坝分期施工，用上一期的关键施工参数的特征分布值动态更新本期关键施工参数初始赋值，动态形成新的仿真方案。对新的进行仿真计算，得到的仿真进度，用于指导实际施工进度安排。

(5)关键施工环节分析

由于面板堆石坝施工中，涉及包括机械、道路、人员在内的实体众多，单个关键施工参数可细分为对应于不同实体的参数。运用正交试验法对关键施工参数下的不同实体参数进行组合，设计方案，进行仿真计算。运用极差法分析仿真结果，确定仿真进度对不同实体参数的敏感性。其中，将敏感性大的实体参数对应实体作为关键施工环节应重点关注的实体，针对该实体向关键施工环节提出施工指导意见。

下面结合实施例来具体说明本发明。

(1)将面板堆石坝施工系统分解为上坝运输系统和坝面填筑系统，按离散时间仿真方法和循环网络技术建立仿真数学模型。

①运输上坝子系统建模：

i)装料(或岔口)：

在装料(或岔口)系统中，各服务台相互独立的工作，任意空闲服务台空闲可按最小子时钟的原则对自卸汽车进行服务，自卸汽车装料(过岔口)时间T服从以μ为均值，σ²为方差的正态分布，即T～(μ，σ²)。另外，对于装车方量，也认为其服从正态分布，其参数依据自卸汽车性能参数而定。

ii)重运和空返：

在重运及空返中作如下的假定：对单个装、卸料闭合回路，仅有一种类型的自卸汽车，以保证同回路各汽车具有相同的重运、空返速度；汽车在行驶过程总不超车，道路节点为无服务台的服务机构。根据此假定，可以推算出自卸汽车重行及空返时间：

重运时间：t_z＝60×s/v_z(分钟)    (1-1)

空返时间：t_k＝60×s/v_k(分钟)    (1-2)

其中，

s为上坝道路的长度，km。受坝面施工的影响，实际施工中上坝道路长度不是一个定值，这里取上坝道路长度的平均值。

v_z，v_k：特定型号自卸汽车平均重运、空返速度，km/h。

为了体现上坝运输过程的随机性，对于自卸汽车重运和空返，认为其历时服从正态分布。

iii)卸车：

卸车属于一个服务台机构，对于转料场的卸点，其服务台数U可以根据实际情况人为给定，而对于坝面上的卸料点数却是一个随坝面填筑高程增高时而变化的值，可通过坝面的前沿长度与汽车的回转半径之比得到：

U＝L_dam/R_car    (1-3)

其中，L_dam是在某一高程处坝面的前沿长度，R_car为汽车的回转半径，单位均以米记。在本文中，卸点的个数在某一高程范围内按上式计算得出，其前沿长度取这一高程范围内的平均值。据资料统计结果显示，卸车时间按负指数分布考虑进行计算。

运输上坝系统中的所有车辆依次接受上面的各级服务，接受完所有服务后返回到装料系统等待队伍的末尾，如此循环进行。

②坝面填筑子系统建模：

i)层填筑历时

面板堆石坝填筑施工以层为单位进行，确定层填筑历时是施工进度仿真计算基础。面板堆石坝层填筑时间主要与坝面作业组织方式、坝面作业机械生产率及坝料上坝生产率有关。

当坝面填筑采用分段流水作业组织方式时，坝料铺筑是主导工序，碾压等工序不占直线工期，层施工历时仅与坝料上坝生产率有关。设当前层的坝料方量为V，当前坝料运输上坝生产率为P，则当前层的施工历时t为

t＝V/P    (1-4)

当坝面填筑采用顺序作业组织方式时，可认为平土、洒水工序已在坝料填铺过程穿插进行，这时层施工历时包括层坝料填铺时间和层坝料碾压时间。设当前层体积为V，面积为S，土石上坝生产率为P，坝面碾压综合施工效率为Q，则当前层的施工历时t为

t＝V/P+S/Q    (1-5)

同时，面板堆石坝坝层的上升主要受以下三个条件的约束：

ii)相邻区的高差约束。高差约束有两类，一类是最小高差约束，另一类是最大高差约束。将这两种情况统一为一个模型。设I_A、I_B、I_C为面板堆石坝中依次相邻的三个分区，当前高程为H(I_A)，H(I_B)，H(I_C)，设要求的填筑面貌为：

H(I_A)≤H(I_B)≤H(I_C)    (1-6)

当相邻区的高程约束为H时有：

$\left.\begin{array}{c}H\left(I_B\right)-H\left(I_A\right)\≤H\\ H\left(I_C\right)-H\left(I_B\right)\≤H\end{array}\right\}---(1-7)$

对于上述约束条件，通用模型中的I_B区的左邻区为I_A，右邻区为I_C；I_B区与左邻区的高差为+H，与右邻区的高差为-H，于是上式可变为：

$\left.\begin{array}{c}H\left(I_B\right)-H\left(I_A\right)\≤H\\ H\left(I_B\right)-H\left(I_C\right)\≥-H\end{array}\right\}---(1-8)$

iii)日上升高度约束。设日上升高度分别为△H₁、△H₂、△H₃，I_A、I_B、I_C区的日上升高度分别不大于HD₁、HD₂、HD₃，则有

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{H}_1\≤{\mathrm{HD}}_1\\ \mathrm{\Δ}{H}_1\≤{\mathrm{HD}}_2\\ \mathrm{\Δ}{H}_1\≤{\mathrm{HD}}_3\end{array}\right\}---(1-9)$

iv)完工约束

1≤N(i)≤L    (1-10)

N(i)为可填筑的层号，L为此回路的最大层号。

综合考虑面板堆石坝施工过程中的施工参数，在设计仿真程序时按性质和相应施工过程将它们分为：综合参数，包括开工日期、大坝分期和分区等综合性参数；机械参数，包括各类机械设备的型号和性能参数；时间参数，包括各月有效工作日、日有效工作小时；坝料开采参数，包括装载机装料时间；坝料运输参数，包括自卸汽车重运速度、自卸汽车空返速度；坝块参数，包括坝块碾压层厚度和体积、相邻高差约束、日上升约束；坝面施工参数，包括坝面综合施工效率。按照图2所示的框架，在仿真模型和仿真参数的基础上用C++程序语言建立仿真程序。

根据填筑料性质的不同以及对坝料强度、渗透性、压缩性、施工方便和经济合理等要求的不同，对面板堆石坝坝体进行分区，并相应确定填筑标准。从上游向下游宜分为垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区；在周边缝下游侧设置特殊垫层区；100m以上高坝，宜在面板上游面低部位设置上游铺盖区及盖重区。在面板堆石坝填筑中，填筑工作面的尺寸随着高程的变化而变化，不同高程的坝体有对应不同供料点和运输路线的坝体填筑强度。根据坝体填筑强度的不同，同时结合坝址的地形、施工进度、导流及度汛、水库蓄水等要求，通常对面板堆石坝坝体填筑进行分期施工规划。

(2)以某在建面板堆石坝工程为例，进行参数分析，后续方法步骤的实施均以该工程为例。对于某个确定工程而言，大坝分区和分期、坝块碾压层厚度和体积、相邻高差约束、日上升约束等在设计阶段已经确定，在施工阶段可视为定值；机械设备的性能可按型号视为定值；各月有效工作日、日有效工作小时对施工进度影响的方向性是一定的，即有效工作时间越长施工进度越快。选择装料时间T、自卸汽车重运速度V_Z、自卸汽车空返速度V_K、仓面综合施工效率Q四个影响进度的施工参数做参数分析，按专家经验法和工程类比法对它们进行初始赋值：T＝6min，V_Z＝20km/h，V_K＝20km/h，Q＝520m³/h。以参数初始赋值为中间取值水平，中间水平增、减20％作为参数值的上、下取值水平，得到每个参数的三个取值水平，T：4.8min、6min、7.2min，V_Z：16km/h、20km/h、24km/h，V_K：24km/h、30km/h、36km/h，Q：416m³/h、520m³/h、624m³/h。按正交试验法对上述施工参数进行组合，得到9组正交试验方案，并对各个方法分别用仿真程序进行施工进度仿真计算。用极差法分析仿真计算结果，得到T、V_Z、V_K、Q对施工进度的极差分别为38.667、119.000、65.000、8.667，V_Z的极差明显大于其它三个参数的极差，进度对V_Z最敏感。说明V_Z对进度影响最大且影响程度明显大于其它三个参数，将V_Z作为仿真中的关键施工参数，将自卸汽车重运作为关键施工环节。

正交试验法的步骤在现有文献中已有记载，步骤如下：

①根据试验目的，确定试验中考虑的因素；

在正交试验中把所考察的结果称为响应，把对试验响应可能有影响的参数称为因素。

②确定每个因素变化的范围，即因素的水平；

把每个因素在试验中的考察范围称为试验范围，因素在试验范围内的被考察的值称为水平。

③根据因素数和水平数，同时结合试验要求，选择正交表，记为L_n(q^m)；

正交表是用于安排多因素试验的一类特别的表格，每个正交表用符号L_n(q^m)表示，其含义如下：

L：表示正交表；n：试验次数；q：因素的水平数；m：为正交表列数，即最多能容纳的因素个数。

正交表是正交试验设计的关键，它必须满足以下两个条件：每一列(因素)的不同水平在试验中出现的次数相同，以保证其均匀性；任意两列(因素)的不同水平组合组成的数对在试验中出现的次数相同，以保证试验点分布的均匀性。只有满足这两个条件，才能方便、全面的反映试验结果。正交表L₉(3⁴)如表3-5所示。

(1)表3-5正交表L₉(3⁴)

④将试验因素和水平安排到正交表的列中，完成正交表设计；

⑤依次进行正交表中的的试验，记录试验结果并进行综合分析。

(3)从实时监控系统数据库中实时提取自卸汽车行驶速度、卸料时间、装载机装料时间、施工机械配置、道路编号、运输路径信息。由机械配置选择相应运输机械，由卸料时间、装料时间确定重运状态，再随机按道路编号和运输路径提取重运速度，即可从数据库中获得分期各道路的重运速度数据。使用SPSS软件对分期各道路重运速度数据做单样本K-S检验和P-P概率图检验。以一期道路L11重运速度为例，将检验分布类型选为正态：单样本K-S检验中，双尾检验系数P＝0.551>0.1，接受道路L11重运速度服从正态分布的假设；P-P概率图中，道路L101重运速度的正态P-P图的点近似呈一条直线，表明道路L11重运速度服从正态分布。综合二者，认为道路L11重运速度服从均值是16.57km/h、标准差是7.51km/h的正态分布。按上述方法确定分期各道路重运速度的特征分布值，从而实现关键施工参数的动态确定。

(4)面板堆石坝分期施工，用统计分析获得的前一期道路重运速度特征分布值更新本期的初始道路参数赋值，形成了新的仿真方案。此时的方案是基于施工参数分析和实时监控数据统计分析得到的，相比于基于专家经验法和工程类比法的方案，更接近于实际施工情况。使用仿真程序对新方案进行仿真计算，得到仿真进度，其中完工部分进度与实际施工完成部分进度相比，偏差率在3％左右；而初始仿真计算得到的仿真进度与实际施工完成部分进度偏差率在10％左右。这说明仿真的精度得到了显著提高，仿真结果对后续实际施工具有指导作用。

(5)对关键施工参数重运速度，不同道路有着不同的参数取值。运用极差分析法对分期道路重运速度进行组合，设计正交方案。其中，道路重运速度以实时统计的速度均值为中间取值水平，中间水平增、减20％作为上、下取值。对正交方案进行仿真计算，运用极差法分析道路重运速度对分期进度的影响程度。以二期道路重运速度为例，道路L₂₁、道路L₂₂、道路L₂₃、道路L₂₄重运速度对分期进度的极差分别为4.000，0.334，1.000，6.667，说明道路L₂₁、道路L₂₄重运速度对进度影响程度大。同时由实时数据统计分析值，道路L₂₁、道路L₂₂、道路L₂₃、道路L₂₄重运速度分别为16.57km/h，24.15km/h，34.77km/h，26.18km/h。结合以上分析，提出施工指导建议：二期施工中要重点保障道路L₂₁、道路L₂₄的重运通畅；二期施工期间要注意道路L₂₃坝料运输安全，防止较大车速带来的交通事故。

Claims (5)

1.一种基于参数分析与实时监控的面板堆石坝施工进度仿真方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)建立面板堆石坝施工进度仿真程序

结合面板堆石坝施工特点，运用离散系统仿真方法和循环网络技术建立面板堆石坝施工进度仿真模型，对工程对象的施工过程建立循环网络模型并在计算机上进行仿真计算，模拟出在不同的资源配置和施工计划下的工期进度指标；

综合考虑面板堆石坝施工进度仿真中的参数，使用专家经验法和工程类比法对仿真中的施工参数进行初始赋值，形成初始仿真方案；

以得到的仿真模型和施工参数为基础，运用C++程序语言进行编程，建立面板堆石坝施工进度仿真程序；

(2)施工参数分析

考虑面板堆石坝施工进度仿真中涉及到的各类施工参数，从中选择影响进度的施工参数。运用正交试验设计方法对选择出的多个施工参数进行组合，得到若干个正交仿真方案；

运用已建立的仿真程序对设计的正交方案分别进行仿真计算；

再运用极差法分析仿真计算结果，通过确定仿真进度对施工参数的敏感性，来确定施工参数对仿真进度的影响程度；将敏感性大的施工参数确定为关键施工参数，相应的施工环节作为关键施工环节；

(3)关键施工参数监控数据统计分析

基于面板堆石坝实时监控系统，分析、处理实时监控数据，提取关键施工参数实时数据；

运用统计产品与服务解决方案SPSS(Statistical Product and Service Solutions)中的单样本K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验和P-P概率图对实时数据进行分布检验，得到关键施工参数的特征分布值；实现仿真中施工参数的动态获取；

(4)施工进度仿真计算

面板堆石坝分期施工，用上一期的关键施工参数的特征分布值动态更新本期关键施工参数初始赋值，动态形成新的仿真方案；对新的进行仿真计算，得到的仿真进度，用于指导实际施工进度安排；

(5)关键施工环节分析

运用正交试验法对关键施工参数下的不同实体参数进行组合，设计方案，进行仿真计算；运用极差法分析仿真结果，确定仿真进度对不同实体参数的敏感性；其中，将敏感性大的实体参数对应实体作为关键施工环节应重点关注的实体，针对该实体向关键施工环节提出施工指导意见。

2.如权利要求1所述的基于参数分析与实时监控的面板堆石坝施工进度仿真方法，其特征是，施工参数包括：综合参数，包括开工日期、大坝分期和分区等综合性参数；机械参数，包括各类机械设备的型号和性能参数；时间参数，包括各月有效工作日、日有效工作小时；坝料开采参数，包括装载机装料时间；坝料运输参数，包括自卸汽车重运速度、自卸汽车空返速度；坝块参数，包括坝块碾压层厚度和体积、相邻高差约束、日上升约束；坝面施工参数，包括坝面综合施工效率。

3.如权利要求1所述的基于参数分析与实时监控的面板堆石坝施工进度仿真方法，其特征是，步骤(2)具体为：对于某个确定工程而言，大坝分区和分期、坝块碾压层厚度和体积、相邻高差约束、日上升约束等在设计阶段已经确定，在施工阶段可视为定值；机械设备的性能可按型号视为定值；各月有效工作日、日有效工作小时对施工进度影响的方向性是一定的，选择装料时间T、自卸汽车重运速度V_Z、自卸汽车空返速度V_K、仓面综合施工效率Q四个影响进度的施工参数做参数分析，按专家经验法和工程类比法对它们进行初始赋值；以参数初始赋值为中间取值水平，中间水平增、减20％作为参数值的上、下取值水平，得到每个参数的三个取值水平；按正交试验法对上述施工参数进行组合，得到9组正交试验方案，并对各个方法分别用仿真程序进行施工进度仿真计算；用极差法分析仿真计算结果，进度对极差明显大于参数的极差最敏感。

4.如权利要求1所述的基于参数分析与实时监控的面板堆石坝施工进度仿真方法，其特征是，步骤(3)进一步具体为：实时提取自卸汽车行驶速度、卸料时间、装载机装料时间、施工机械配置、道路编号、运输路径信息；选择相应运输机械，由卸料时间、装料时间确定重运状态，再随机按道路编号和运输路径提取重运速度，即可获得分期各道路的重运速度数据；使用SPSS软件对分期各道路重运速度数据做单样本K-S检验和P-P概率图检验；将检验分布类型选为正态：确定分期各道路重运速度的特征分布值，从而实现关键施工参数的动态确定。

5.如权利要求1所述的基于参数分析与实时监控的面板堆石坝施工进度仿真方法，其特征是，运用离散系统仿真方法和循环网络技术建立面板堆石坝施工进度仿真模型具体步骤为：

①运输上坝子系统建模：

i)装料或岔口：

在装料或岔口系统中，各服务台相互独立的工作，任意空闲服务台空闲可按最小子时钟的原则对自卸汽车进行服务，自卸汽车装料或过岔口时间T服从以μ为均值，σ²为方差的正态分布，即T～(μ，σ²)，另外，对于装车方量，也认为其服从正态分布，其参数依据自卸汽车性能参数而定；

ii)重运和空返：

在重运及空返中作如下的假定：对单个装、卸料闭合回路，仅有一种类型的自卸汽车，以保证同回路各汽车具有相同的重运、空返速度；汽车在行驶过程总不超车，道路节点为无服务台的服务机构；根据此假定，推算出自卸汽车重行及空返时间：

重运时间：t_z＝60×s/v_z(分钟)    (1-1)

空返时间：t_k＝60×s/v_k(分钟)    (1-2)

其中，

s为上坝道路的长度，km；v_z，v_k：特定型号自卸汽车平均重运、空返速度，km/h；

iii)卸车：

卸车属于一个服务台机构，对于转料场的卸点，其服务台数U可以根据实际情况人为给定，而对于坝面上的卸料点数却是一个随坝面填筑高程增高时而变化的值，通过坝面的前沿长度与汽车的回转半径之比得到：

U＝L_dam/R_car    (1-3)

其中，L_dam是在某一高程处坝面的前沿长度，R_car为汽车的回转半径，单位均以米记；

运输上坝系统中的所有车辆依次接受上面的各级服务，接受完所有服务后返回到装料系统等待队伍的末尾，如此循环进行；

②坝面填筑子系统建模：

i)层填筑历时

面板堆石坝填筑施工以层为单位进行，确定层填筑历时是施工进度仿真计算基础：

当坝面填筑采用分段流水作业组织方式时，坝料铺筑是主导工序，碾压等工序不占直线工期，层施工历时仅与坝料上坝生产率有关，设当前层的坝料方量为V，当前坝料运输上坝生产率为P，则当前层的施工历时t为

t＝V/P    (1-4)

当坝面填筑采用顺序作业组织方式时，可认为平土、洒水工序已在坝料填铺过程穿插进行，这时层施工历时包括层坝料填铺时间和层坝料碾压时间，设当前层体积为V，面积为S，土石上坝生产率为P，坝面碾压综合施工效率为Q，则当前层的施工历时t为

t＝V/P+S/Q    (1-5)

同时，面板堆石坝坝层的上升主要受以下三个条件的约束：

ii)相邻区的高差约束。高差约束有两类，一类是最小高差约束，另一类是最大高差约束；将这两种情况统一为一个模型：设I_A、I_B、I_C为面板堆石坝中依次相邻的三个分区，当前高程为H(I_A)，H(I_B)，H(I_C)，设要求的填筑面貌为：

H(I_A)≤H(I_B)≤H(I_C)    (1-6)

当相邻区的高程约束为H时有：

$\left.\begin{array}{c}H\left(I_B\right)-H\left(I_A\right)\≤H\\ H\left(I_C\right)-H\left(I_B\right)\≤H\end{array}\right\}---(1-7)$

对于上述约束条件，通用模型中的I_B区的左邻区为I_A，右邻区为I_C；I_B区与左邻区的高差为+H，与右邻区的高差为-H，于是上式可变为：

$\left.\begin{array}{c}H\left(I_B\right)-H\left(I_A\right)\≤H\\ H\left(I_B\right)-H\left(I_C\right)\≥-H\end{array}\right\}---(1-8)$

iii)日上升高度约束。设日上升高度分别为△H₁、△H₂、△H₃，I_A、I_B、I_C区的日上升高度分别不大于HD₁、HD₂、HD₃，则有

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{H}_1\≤{\mathrm{HD}}_1\\ \mathrm{\Δ}{H}_1\≤{\mathrm{HD}}_2\\ \mathrm{\Δ}{H}_1\≤{\mathrm{HD}}_3\end{array}\right\}---(1-9)$

iv)完工约束

1≤N(i)≤L    (1-10)

N(i)为可填筑的层号，L为此回路的最大层号。