第1期
2021年1月
广东水利水电
G U A N G D O N G WA T E R R E S O U R C E S A N D H Y D R O P OW E R
N o .1
J a n .2021
基于A n y l o g
i c 的面板堆石坝交通仿真系统研究赵 瑜1，王高伟1，孙 凯1，张建伟1，鲁显景2 (1.华北水利水电大学，河南郑州 450046;
2.河南新华五岳抽水蓄能发电有限公司，河南信阳 465450
)摘 要：面板堆石坝交通运输是堆石坝施工过程中最为关键的一个环节，同时也是土石方调配和坝面填筑
连接的纽带，该文通过对面板堆石坝交通运输模块系统分析，基于土石方调配成果，采用循环排队理论，利用A n y l o g i c 软件建立交通运输系统仿真模型，实现智能体仿真，并通过对运输机械移动状况㊁等待时间㊁排队情况㊁忙碌程度等综合分析，得到最佳机械配套，并结合实际工程验证其合理性和适用性㊂关键词：交通运输；循环排队理论；智能体仿真；机械配套 中图分类号:T V 641.4;U 491.2 文献标识码:A 文章编号:1008-0112(2021)01-0001-06
收稿日期:2020-11-08；修回日期:2020-11-24
基金项目：河南新华五岳抽水蓄能发电有限公司科研项目(编号:X H K Y 2018-03)㊂作者简介：赵瑜(1964-
)，男，博士，教授，主要从事水利及岩土工程研究㊂1 概述
面板堆石坝交通运输在施工过程中占据着重要的角，一方面为土石方调配提供理论基础，另一方面为坝面填筑提供重要保障，对于很多大型水利工程施工而言，交通运输问题是影响施工进度的重要因素之一㊂侯庆峰通过对抽水蓄能投资统计管理等方面深入研究，针对目前存在的问题，提出了有效的管理对策,
并为项目投资带来效益[
1]
㊂张建伟等采用数值仿真计算方法对输水管道多方面研究，实现岔管最优接入角
度[
2]
㊂张建伟等通过研究胶凝砂硕石坝应力和应变特征，建立的两种模型均证明了胶凝砂硕石坝超载能力
强和结构稳定的优点[
3]
㊂刘宁等全局考虑施工总过程建立高心墙堆石坝交通运输模型，实时统计行车密度
和排队情况，并基于运输机械利用率优化机械配套[
4]
㊂申明亮等将土石方调配与交通运输强度二者联系起来，多目标联合决策优化，实现土石方调配和机械配套优
化[
5]
㊂刘序将土石方调配和交通运输以及坝面作业三者结合起来，实时模拟整个交通运输全过程，并通过
仿真结果和监控成果相比较，进行综合分析[
6
]㊂胡超㊁董京艳基于调配成果，利用有效施工天数，建立交通
运输模型并实现交通运输机械优化[
7-8]
㊂曹驾云等对两河口水电工程交通布置分析，采用循环网络模拟技术建立交通运输模型，对运输方案和机械配套方案分
析[
9]
㊂马霄航等通过仿真技术模拟交通运输状况，获得道路运输排队情况㊁机械利用率等信息，验证了土
石方调配的合理性[
10
]㊂钟登华等通过数字监控理论建立交通仿真模型，能够获取实时施工信息[
11]
㊂张平通过交通运输系统实时监控，获取自卸汽车位置㊁速度 等信息[
12
]㊂李泽鑫通过对水工建筑物整体布局分析，采用道路㊁交通洞㊁桥梁相互结合的方法，实现工程
施工交通设计，并服务于施工现场[
13]
㊂顾兴宇通过计划工期和实际工期对比，得出了影响工期的因素，进
而管控施工进度[
14
]㊂钟登华等将系统仿真分为五大模块，提高了各模块的精准度和相关性，为施工进度和
管理提供技术支持[
15
]㊂目前，交通运输建模采用的是并联式服务台，顾客只能在固定的服务台完成服务，无法对服务台进行择优选取，具有一定的局限性㊂孙健通过a n y l o g i c 对M /M /c 和M /M /1排队方式进行仿真对比分析，结果证明两种排队系统整体相似，且低峰
期前者队长明显小于后者队长总和[
16
]㊂因此，排队循环系统中并联式服务台只能对特定的
顾客进行服务，无法动态合理的调整服务台的利用率,
㊃
1㊃
基于此情况，本文通过a n y l o g i c建立面板堆石坝交通运输仿真系统，采用单队列多服务台排队规则，能够有效规避并联式服务台不能共用的情况，从而达到最佳机械配套㊂A n y l o g i c中能够通过自带模块，实现 拖 拉式 建模，同时能够通过系统完全对j a v a开放并自动补全代码，快速完成建模，图表数据更为丰富㊂
2交通运输模型分析
面板堆石坝交通运输系统是由交通道路㊁岔口㊁装料点和卸料点等和运输机械组成，其运行机制为循环排队理论，运输机械在每个模拟工序都有延迟时间，在交通运输过程中运输机械循环往复的工作，直到任务结束㊂
2.1交通运输系统分析
面板堆石坝交通运输系统是由许多运输子系统构成，每个子系统都是1个循环排队服务㊂在a n y l o g i
c 模拟过程中，自卸汽车看做系统中的顾客，挖掘机和卸料点看做资源池，在资源池中可设置服务台的数量，同一资源池中由多台挖掘机提供服务时，顾客进入单队列排队系统，依次进入服务台完成服务㊂运输循环过程中，据统计汽车在系统中停留的时间可看做某种分布,1次循环周期为装车㊁重行㊁坝面排队㊁卸料㊁空返和装车等待㊂
2.2物料供应模块
模拟过程中，物料供应模块流程如图1所示，依据流程模块功能输入顾客㊁服务台的数量，采用时钟推进法，系统为每辆自卸汽车设有子时钟，并设置运行时间周期为1d的有效工作时间20h，当系统检测仿真总时钟达到运行时间周期，模型立即停止，统计上坝强度以及机械利用率等参数㊂本系统模拟未考虑道路岔口服务过程，为避免机械利用率误差较大，相应增加卸料服务时间，岔口服务虽占据部分时间，实际影响微乎其微㊂
2.3机械配置设计模块
机械配置设计模块流程如图2所示，该模块通过土石方调配优化方案，根据各时段各填筑区调配方量，以及各个时段内有效施工天数，可计算日平均上坝强度，再由初始机械配置参数调用物料供应模块，可得到模拟上坝强度，通过日平均上坝强度与模拟上坝强度比较，调整自卸汽车㊁挖掘机数量，使二者强度相等，由于挖掘机与自卸汽车相比，费用较大，故输出方案尽可能提高挖掘机利用率，这
样就可得到最佳配置，更符合工程实际
㊂
图1
物料供应模块示意
图2机械配置设计模块示意
㊃2㊃
2021年1月第1期赵瑜，等：基于A n y l o g i c的面板堆石坝交通仿真系统研究N o.1J a n.2021
在实际填筑过程中，受到的不仅仅是施工天数的影响，还受到相邻高差㊁最大高差的约束限制以及其它因素，因此一般情况可采用加权法扩大日平均上坝强度使模拟强度略高于日平均上坝强度，能够很好的解决此问题㊂
3 A n y l o g
i c 交通运输建模过程A n y L o g
i c 是一款独创的仿真软件，包含离散事件㊁系统动力学和基于智能体3种建模方式，能够根据情况在同一模型中使用3种方式完成建模㊂A n y L o g i c 中最独特之处是可以创建真实动态模型的可视化工具，即带有动态发展结构及组件间互相联络的动态模型㊂
面板堆石坝交通仿真模型搭建流程如图3所示
㊂图3 仿真模型搭建流程示意
3.1 构建循环排队模型
A n y l o g
i c 中独特的 拖-拉式 建模，为仿真系统的快速构建提供便捷，建立循环排队模型如图4所示
㊂
图4 循环排队模型
其中,S o u r c e 模块表示顾客到达,s e r v i c e ㊁s e r v i c e 1
模块表示顾客正在排队等待以及接受服务,m o v e t o
㊁m o v e t o 1模块表示由上1个流程模块进入下一个流程模块,r e s o u r c e P o o l ㊁r e s o u r c e P o o l 1模块表示资源池为顾客提供服务，资源池中可设置多服务台以及串并联式服务台㊂
3.2 面板堆石坝交通运输模型构建
面板堆石坝交通运输模型由一系列交通运输子系统构成，子系统之间既相互独立又相互联系，本文采
用单队列多服务台进行交通运输建模，利用a n y l o g i c 提供独特的空间标记建模，并与实际工程结合起来定义道路路径的属性(如：道路起止点，最大行车密度等)
，从而构成交通运输模型，其中二期空间标记模型如图5所示，将自卸汽车实时状况显现出来，本模型基于智能体建模，智能体定义为自卸汽车，该模型中自卸汽车是随机产生的，并限制自卸汽车数量，随机产生的自卸汽车到达供料源，经挖掘机对自卸汽车进行装料服务，未服务的自卸汽车排队等待，已完成装料的自卸汽车进入重行阶段，到达卸料点后进行排队等待，之后完成卸料，接着再空返
进入装车等待，直到循环在规定时间结束，利用j a v a 语言编程完成数据可视化，实现分别统计智能体自卸汽车等待总时间㊁
卸料等待时间㊁装料等待时间等相关参数，以及排队队长㊁平均队长㊁机械忙碌程度等，利用面板中的数据模块，构建直方图数据
㊂
图5 二期空间标记模型示意
4 工程实例
4.1 工程基本资料
某上水库混凝土面板堆石坝，坝顶高程为351.00m ，防浪墙顶高程为352.20m ，最大坝高为
㊃
3㊃2021年1月 第1期
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128.20m(坝轴线处)，坝顶宽为10.00m，库周总长度约为2084.12m，其中主副坝坝轴线总长度约为1354.22m，开挖库周总长度约为729.90m㊂上游面坝坡为1 1.40，下游面坝坡为1 1.35，下游坝坡每20m设一级2.00m宽马道㊂坝体从上游依次由面板㊁垫层料㊁过渡料㊁堆石区等结构组成㊂除此之外，
大坝填筑共分为两期填筑，以300m高程为界限，料源均采用开挖料，共设置1个中转场㊁1个弃渣场㊁1个砂石加工系统，物料供应路线和月有效施工天数见表1~2所示㊂
表1物料供应路线
编号时段供料源
经过
道路
路程
/k m受料源
挖掘机
/m3
自卸
汽车/t
1填筑一期上水库库岸5#6#7#1.0堆石区等320 2填筑一期上水库库岸5#6#7#1.0过渡料215 3填筑一期上水库库岸5#9#0.9砂石加工系统320 4填筑一期上水库库岸5#9#10#1.15上水库弃渣场320 5填筑一期副坝1#0.55堆石区等320 6填筑一期引水上平洞2#1#0.9堆石区等320 7填筑一期上水库转存场3#2#1#3.3堆石区等320 8填筑一期砂石加工系统10#11#12#1.65垫层料215 9填筑二期上水库库岸5#6#7#1.0堆石区等320 10填筑二期上水库库岸5#6#7#1.0过渡料215 11填筑二期上水库库岸5#9#0.9砂石加工系统320 12填筑二期上水库库岸5#9#10#1.15上水库弃渣场320 13填筑二期上水库进出水口8#7#1.3堆石区等320 14填筑二期上水库转存场3#2#1#3.05堆石区等320 15填筑二期砂石加工系统10#11#0.53垫层料215 16填筑二期砂石加工系统10#11#0.53碎石铺盖215
表2月有效施工天数d 月123456789101112
有效
天数312830293028292929303131 4.2仿真分析
根据土石方调配的计算结果，在a n y l o g i c中仿真机械配置设计模型，运行时间为20h，并统计系统中自卸汽车利用率㊁供料点处挖掘机的忙期㊁排队平均等待时间㊁排队总时间等参数，在模型运行期间可观察智能体中自卸汽车的移动状况，能够根据随意选定时间判断自卸汽车移动的位置，即自卸汽车在各工序的区域，空间标记模型中定义路径长度越大，则实际距离也就越大㊂以时段二期为例，该
模型运行期间仿真动态可视化如图6所示㊁等待时间统计如图7所示，自卸汽车在特定的路线上循环运行
㊂
图6
仿真动态可视化示意
图7等待时间统计示意
通过仿真交通运输系统，利用a n y l o g i c软件输出排队状况，为20h排队等待情况，由此可见模型运行刚开始时，自卸汽车在装料处较为拥挤,I-L装车排队如图8所示，其中智能体L中自卸汽车在装料等待处队列长度达到5辆，资源池中仅设置1个服务台，其主要原因是自卸汽车到达装料处具有随机性和不确定性，不过在随后运行中排队长度逐渐趋于稳定㊂M-P装车排队如图9所示，其中智能体N中自卸汽车，虽然在装料等待处高峰期排队5辆，但资源池中设置2个服务台，一旦其中1个服务台空闲，下一辆车立即开始装料，因此排队情况可根据服务台的数量判断拥挤程度㊂I-L㊁M-P卸料排队如图10~11所示，自卸汽车在卸料等待处排队反应了该卸料点的忙碌程度，由排队数据可知，且卸料点排队长度相对较少，更符合实际工程㊂
㊃4㊃
2021年1月第1期赵瑜，等：基于A n y l o g i c的面板堆石坝交通仿真系统研究N o.1J a n.2021
图8 I -L
装车排队示意
图9 M -P
装车排队示意
图10 I -L
卸料排队示意
图11 M -P 卸料排队示意
通过a n y l o g
i c 仿真面板堆石坝交通运输系统，统计机械利用率，得到最佳机械配套见表3所示，其中时段一期开挖区上水库库岸至堆石料，该处挖掘机和自卸汽车的效率分别为96.70%㊁85.06%，若增加1台挖掘机，则对应效率为74.30%㊁96.52%，虽然自
卸汽车效率提高，但由于挖掘机造价较高㊁效率降低明显，故不为最佳机械组合㊂供料源至过渡料㊁垫层料㊁砂石加工系统挖掘机和自卸汽车均为1，满足最低机械组合，自卸汽车效率为100%㊂时段二期，供料源上水库库岸至过渡料，该处挖掘机和自卸汽车的效率仅为35.50%㊁76.07%，由于过渡区仅1个卸料点，且已满足上坝强度要求㊂因此，机械配套是一个
综合性求解分析的过程㊂
表3 机械配套
时段供料源受料源挖掘机/台自卸汽车/辆日平均强度
/m
3
模拟上坝强度
/m
3
挖掘机效率/%自卸汽车效率/%
上水库库岸
堆石料2138257.57
8436.00
96.7085.06副坝堆石料121614.37
1900.00
44.8096.64引水上平洞堆石料11138.05820.8018.1099.08转存场
堆石料11189.17380.008.90
99.65
一期上水库库岸过渡料11154.95577.8016.30100.00砂石加工系统垫层料11126.83415.8011.40100.00上水库库岸砂石加工系统11574.05
805.60
19.50100.00上水库库岸
上水库弃渣场
13
2004.522074.8048.1096.58
上水库库岸堆石料2117220.007752.0089.291.13上水库进出水口
堆石料173730.34
4043.20
93.6084.23转存场堆石料12469.82760.0017.2099.32上水库库岸
过渡料131091.70
1263.60
35.5076.07二期砂石加工系统垫层料11613.59761.40
21.20100.00上水库库岸砂石加工系统12882.651573.2036.6098.31上水库库岸上水库弃渣场11336.23752.4017.00100.00砂石加工系统
碎石铺盖
1
1571.43
723.60
20.40100.00㊃
5㊃2021年1月 第1期
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