一、前言 計(jì)算機(jī)仿真也稱計(jì)算機(jī)模擬，是借助高速、大存貯量數(shù)字計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)，對(duì)復(fù)雜的真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程或狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字化模仿的技術(shù)，所以也稱為數(shù)字仿真。 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于水電工程施工近30年，最早于70年代初，修建奧地利施立格混凝土壩時(shí)采用了確定性數(shù)字模擬技術(shù)對(duì)纜機(jī)澆筑混凝土方案進(jìn)行優(yōu)選，實(shí)踐表明，模擬的澆筑速度和進(jìn)程與實(shí)際施工情況非常吻和。80年代初，我國(guó)首先在二灘工程大壩施工組織設(shè)計(jì)中采用該技術(shù)，進(jìn)行了類似的研究，效果較好。此后越來(lái)越多的水電工程開(kāi)始應(yīng)用，應(yīng)用范圍從輔助施工組織設(shè)計(jì)擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維動(dòng)態(tài)顯示等；從仿真單一的混凝土壩澆筑到仿真土石壩施工、截流施工、地下工程施工等；應(yīng)用目標(biāo)從靜態(tài)的方案優(yōu)選發(fā)展到動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)控制等；從最初把仿真成果僅僅作為一種不重要的決策參考，逐漸發(fā)展成水電工程、尤其是大型水電工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工管理中不可缺少的技術(shù)手段。如水口水電站大壩施工采用了計(jì)算機(jī)仿真實(shí)時(shí)控制技術(shù)；三峽工程二期混凝土大壩澆筑已開(kāi)發(fā)了功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，可以快速評(píng)價(jià)承包商提交的施工總進(jìn)度計(jì)劃，能夠?qū)夹g(shù)措施進(jìn)行定量分析，快速比較多種澆筑方案，對(duì)混凝土施工進(jìn)行各種因素的敏感性分析，對(duì)工程進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，還可對(duì)澆筑過(guò)程進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)顯示等。另外，三峽工程大江截流及二期圍堰工程施工過(guò)程的仿真研究，基于可視化技術(shù)及計(jì)算機(jī)圖形、圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)等，將大江截流、二期圍堰填筑施工全過(guò)程以二維動(dòng)態(tài)方式生動(dòng)逼真地展示了出來(lái)。目前該研究已擴(kuò)展到對(duì)整個(gè)三峽工程施工全過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)顯示。 除此之外，從結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的角度出發(fā)，大壩施工過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)計(jì)算機(jī)仿真研究也悄然興起，并在一些工程的設(shè)計(jì)階段得到應(yīng)用，效果很好，如大連理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的沙牌高碾壓混凝土拱壩施工過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。可以預(yù)計(jì)，將施工過(guò)程的應(yīng)力仿真和施工措施仿真相結(jié)合同時(shí)輔以三維動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)的日子即將來(lái)臨，這必然為計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在水電工程施工中的應(yīng)用開(kāi)辟了更廣闊的空間。 二、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)簡(jiǎn)介 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的核心是按系統(tǒng)工程原理建立真實(shí)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真數(shù)學(xué)模型，然后利用模型代替真實(shí)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究。 按照數(shù)學(xué)模型的分類，水電工程施工過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真模型屬于離散時(shí)間模型，即仿真過(guò)程中用某一時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)表示該系統(tǒng)某一時(shí)段內(nèi)的狀態(tài)，系統(tǒng)狀態(tài)變化是非連續(xù)的，而是在離散時(shí)刻發(fā)生突變，如此一來(lái)，只需按時(shí)間順序描述各時(shí)間點(diǎn)上的系統(tǒng)狀態(tài)就算掌握了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。為反映離散時(shí)間模型的“時(shí)間軌跡”，需要采用“仿真鐘”。仿真鐘的推進(jìn)有兩種方法：時(shí)間步長(zhǎng)法和事件步長(zhǎng)法。時(shí)間步長(zhǎng)法以某一固定單位時(shí)間為增量，按時(shí)間順序仿真出各時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，最終一步步地刻劃出整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程；事件步長(zhǎng)法則以各個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間為增量，同樣按時(shí)間順序?qū)⒏魇录钠鹗紶顟B(tài)“串聯(lián)”起來(lái)，最終一步步仿真出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。 最早建立的水電工程施工過(guò)程仿真模型多是確定性的，這與水電工程施工過(guò)程中充斥著隨機(jī)和模糊事件的實(shí)際情況明顯不符。為此，不少科研、技術(shù)人員引入了隨機(jī)理論和模糊理論，從而使建立的模型能夠更接近真實(shí)系統(tǒng)，同時(shí)賦予仿真研究成果更多的意義。如從工期角度評(píng)價(jià)某一施工方案的合理性時(shí)，通過(guò)計(jì)算不僅可以得出該方案最有可能的工期，還可得出按期完工的概率，從而作出方案的風(fēng)險(xiǎn)分析等。 此外，按研究目的不同，模型又分為靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型。這里“靜態(tài)”模型的仿真過(guò)程并非狀態(tài)仿真，事實(shí)上仍是過(guò)程仿真，不過(guò)仿真進(jìn)程必須一氣呵成，不能中斷，主要用于方案的評(píng)價(jià)和比較。而動(dòng)態(tài)仿真可以任意中斷，或?qū)⒎抡孢M(jìn)程按需要分成若干階段，因此可以在方案實(shí)施當(dāng)中，按照實(shí)際達(dá)到的進(jìn)程水平修改施工參數(shù)，以便求出下階段施工的最佳調(diào)整方案和進(jìn)度計(jì)劃，從而達(dá)到對(duì)大壩施工進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的目的。 三、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在不同施工過(guò)程中的應(yīng)用 1．在混凝土壩澆筑施工中的應(yīng)用 大型水電工程混凝土壩澆筑過(guò)程仿真研究的主要目的是解決兩個(gè)問(wèn)題：一是合理配置機(jī)械設(shè)備、妥善安排壩體混凝土注塊的澆筑順序，正確預(yù)測(cè)澆筑工期；二是在施工期間的實(shí)時(shí)控制。 澆筑過(guò)程仿真的基本思路是，首先對(duì)注塊、投入使用的澆筑、運(yùn)輸設(shè)備分別進(jìn)行編號(hào)。然后，按照給定的澆筑方案所要求的各種約束條件安排注塊的澆筑順序并算出各注塊澆筑施工進(jìn)程，從而算出該方案下的大壩施工工期。重復(fù)計(jì)算多個(gè)方案，得出不同結(jié)果，最后經(jīng)過(guò)綜合比較，即可選出最優(yōu)方案。 仿真遵循的目標(biāo)是：在滿足各種約束條件的前提下，安排的全體注塊的澆筑順序和澆筑設(shè)備使大壩澆筑工期最緊湊，設(shè)備閑置時(shí)間最少。而所謂的約束條件有：某注塊能否澆筑的時(shí)間約束；相鄰注塊的允許高差限制；相鄰注塊拆摸條件限制；起重機(jī)工作范圍限制；相鄰起重機(jī)工作干擾限制；氣溫條件對(duì)澆筑的影響；其他約束條件，如灌漿等。 大壩澆筑系統(tǒng)本質(zhì)上可以看作是一個(gè)由起重機(jī)為主導(dǎo)的澆筑吊運(yùn)系統(tǒng)按特定規(guī)則分別為各個(gè)注塊服務(wù)的一種特殊的排隊(duì)服務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)中不僅要考慮由起重機(jī)組成的服務(wù)系統(tǒng)中存在的排隊(duì)現(xiàn)象，還要考慮與之聯(lián)系并相互制約與影響的拌和、供料、運(yùn)輸系統(tǒng)之間的配合與相互影響等隨機(jī)因素引起的等待和排隊(duì)現(xiàn)象，這就需要將拌和樓、運(yùn)輸車(chē)輛和起重機(jī)全部考慮為一個(gè)完整系統(tǒng)，用蒙特卡羅方法對(duì)之進(jìn)行仿真。 2．在土石壩施工中的應(yīng)用 土石壩施工組織設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)解決三個(gè)問(wèn)題，即：土石料場(chǎng)規(guī)劃與調(diào)度；運(yùn)輸?shù)缆芬?guī)劃及運(yùn)輸機(jī)械的組織和管理；土石壩填筑過(guò)程中各作業(yè)環(huán)節(jié)之間的組織協(xié)調(diào)及施工進(jìn)度計(jì)劃的制定與實(shí)施。針對(duì)上述三大問(wèn)題可分別建立土石優(yōu)化調(diào)運(yùn)仿真模型、施工運(yùn)輸仿真模型和土石壩填筑過(guò)程仿真模型，再按照三者的制約關(guān)系集成一個(gè)完整的土石壩施工仿真系統(tǒng)。 建立土石優(yōu)化調(diào)運(yùn)模型的思路是：根據(jù)內(nèi)、外影響因素將大壩施工工期劃分為若干時(shí)段，在每個(gè)時(shí)段內(nèi)確定供料源和受料源，先根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)初步方案建立各時(shí)段土石線性規(guī)劃模型，然后對(duì)施工期各時(shí)段內(nèi)的料場(chǎng)綜合編號(hào)，再結(jié)合施工中的實(shí)際要求，最終形成總的土石優(yōu)化調(diào)運(yùn)數(shù)學(xué)模型。其目標(biāo)為總調(diào)運(yùn)費(fèi)用最省，而約束條件有：①最大可供應(yīng)量；②最大可接受量；③堆料場(chǎng)進(jìn)出料量平衡等。 土石壩施工運(yùn)輸系統(tǒng)也屬于隨機(jī)排隊(duì)服務(wù)系統(tǒng)。對(duì)這類系統(tǒng)而言，一般建立排隊(duì)仿真網(wǎng)絡(luò)模型（Q-GERT），這是一種在美國(guó)出現(xiàn)的專門(mén)研究排隊(duì)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真模型。利用運(yùn)輸系統(tǒng)排隊(duì)仿真網(wǎng)絡(luò)模型可以解決的問(wèn)題有：①計(jì)算不同運(yùn)輸機(jī)械配套情況下，多種機(jī)械的利用率或忙期概率，通過(guò)綜合評(píng)價(jià)確定最佳機(jī)械配套及其相應(yīng)的運(yùn)輸生產(chǎn)能力；②運(yùn)輸過(guò)程中，道路上的行車(chē)密度及相應(yīng)的概率分布規(guī)律，據(jù)此可決策多種道路的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)；③交叉錯(cuò)車(chē)情況及排隊(duì)等待情況等。 建立土石壩填筑壩面作業(yè)子系統(tǒng)仿真模型的思路是，把一個(gè)土石壩的施工過(guò)程離散成若干層，每一層的填筑看成一項(xiàng)活動(dòng)，每一個(gè)區(qū)看作一個(gè)實(shí)體，而填鋪過(guò)程看作對(duì)實(shí)體進(jìn)行服務(wù)，從而將土石壩的填筑施工過(guò)程抽象為一個(gè)離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，同樣可以建立排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型或循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型，仿真過(guò)程實(shí)際上就是確定每一填筑層的開(kāi)始填筑時(shí)間和填筑完成時(shí)間，通過(guò)仿真，可以解決以下問(wèn)題：①降雨等環(huán)境因素對(duì)土石壩施工進(jìn)度的綜合影響程度；②在不同的運(yùn)輸機(jī)械配套及料場(chǎng)調(diào)運(yùn)方案情況下，大壩的上升過(guò)程；③壩面作業(yè)機(jī)械的配套及其利用情況；④不同上升規(guī)劃制約下的大壩填筑過(guò)程及進(jìn)度。 根據(jù)上述研究成果，經(jīng)過(guò)綜合比較，可以選擇出以總費(fèi)用最低為原則的最優(yōu)施工方案并制定總進(jìn)度計(jì)劃。 3．在隧洞施工中的應(yīng)用 隧洞施工過(guò)程是一個(gè)由鉆孔、爆破、出渣等多種工序反復(fù)循環(huán)的過(guò)程，由于每道工序的作業(yè)時(shí)間多是隨機(jī)的，每個(gè)工作循環(huán)都可以產(chǎn)生隨機(jī)排隊(duì)現(xiàn)象，很可能在某一個(gè)循環(huán)作業(yè)中出現(xiàn)“擁塞”現(xiàn)象而影響其他的作業(yè)，對(duì)于這類工程的施工，若采用一般網(wǎng)絡(luò)模型（CPM/PERT）來(lái)表達(dá)整個(gè)工程的循環(huán)施工過(guò)程是極其復(fù)雜的，同時(shí)難以反映施工過(guò)程中某些隨機(jī)時(shí)間因素及其影響。針對(duì)這一問(wèn)題，70年代美國(guó)出現(xiàn)了“循環(huán)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)”（Cyclic oPErationNetwork）技術(shù)，是解決此類問(wèn)題的最佳選擇，該技術(shù)通過(guò)模擬工程對(duì)象的循環(huán)過(guò)程和隨機(jī)時(shí)間、可算出不同資源水平和施工組織情況下循環(huán)過(guò)程的工期和成本，并找出擁塞點(diǎn)，通過(guò)靈敏度分析可以得到合理的機(jī)械配套組合及理想的工期成本最優(yōu)方案。 建立隧洞施工循環(huán)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)模型的基本思路是：首先明確施工過(guò)程中有哪些活動(dòng)以及各活動(dòng)之間的邏輯關(guān)系、活動(dòng)需哪些初始資源及其數(shù)目；然后由模型的組成部分按照節(jié)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系建立起循環(huán)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)模型。 利用該模型進(jìn)行隧洞施工過(guò)程仿真可得出施工工期、機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)率、資源閑置等待時(shí)間、資源利用率、施工費(fèi)用以及找出擁塞點(diǎn)等，從而為決策提供所需的多種信息。 4．在截流施工中的應(yīng)用 截流是施工總進(jìn)度計(jì)劃的控制性工期，一向倍受重視。與傳統(tǒng)方法相比，借助計(jì)算機(jī)仿真方法可以更方便、更細(xì)致、定量程度更高地研究截流中存在的問(wèn)題，以更高的效率比較更多的截流施工方案，更有效地指揮現(xiàn)場(chǎng)施工，從而降低施工成本和風(fēng)險(xiǎn)，提高截流的成功率。 截流方法中最常用的是平堵和立堵兩種方法。這兩種方法，尤其是立堵法的施工過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真在料場(chǎng)規(guī)劃與調(diào)度、交通運(yùn)輸組織方面與土石壩施工十分類似。與土石壩施工不同的是戧堤填筑。以立堵法為例，其工程量更加集中，施工強(qiáng)度更大，對(duì)施工組織的要求更加嚴(yán)格，而且，戧堤填筑基本上是水下施工，截流過(guò)程中的填筑方量和拋投材料的粒徑受流速變化的制約，一方面填筑方量受截流流量影響，另一方面，需隨著龍口寬度變化進(jìn)行所謂“流速分區(qū)”，因此，截流施工的計(jì)算機(jī)仿真較多地依賴于截流水力計(jì)算與河道水文、地形、地質(zhì)條件，除此之外，可借鑒土石壩填筑施工過(guò)程的仿真方法。 四、結(jié)語(yǔ) 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在水電工程施工中得到了比較成功的應(yīng)用，收到了較好的經(jīng)濟(jì)效益，并逐漸流行為一種趨勢(shì)。目前，該技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的方案優(yōu)選方面應(yīng)用效果較為理想，但在施工期間的實(shí)時(shí)控制方面，應(yīng)用效果則不盡如人意。究其原因，“瓶頸”主要是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的收集、整理、應(yīng)用存在較大的困難，仿真中對(duì)輔助作業(yè)考慮的欠缺，限制了仿真系統(tǒng)充分發(fā)揮這方面的功能。但我們有理由相信，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)工程理論的不斷完善、以及信息技術(shù)的推廣應(yīng)用，此項(xiàng)潛力巨大的技術(shù)必將為水電工程建設(shè)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工帶來(lái)革命性的進(jìn)步。