全过程动态仿真技术及其在大型工程施工管理中的应用X 钟登华，李景茹，刘奎建
(天津大学建筑工程学院，天津300072)
摘 要：全过程动态仿真技术将网络计划分析和数值仿真技术融于一体，以CPM 网络模型为框架，再以框架中的仿真节点调用CYC LONE 模型，形成一个分层次的模型结构.利用CYC LONE 模型仿真工序的随机施工工期和资源利用率等情况，采用CPM 网络层对整个工程项目的进度进行分析.其中CP M 网络层模型是面向用户的，而CYCLONE 模型属于底层，隐藏在CPM 网络层之下，只向CPM 网络层提供接口，从而解决了CPM 不适合处理具有循环特征的复杂工程和CYC LONE 技术过于专业的问题，取长补短，达到方便和实用的目的.通过在实际工程中的应用，验证了该技术的可行性. 关键词：全过程动态仿真；关键路线法；循环网络仿真技术；施工管理
中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:0493-2137(2003)03-0347-06
Dynamic Simulation Technique for Whole Construction Processes
and Its Application to Large -Scale Construction Project
ZHONG Deng -hua,LI Jing -ru,LI U Ku-i jian
(School of Civil Eng i neering,Tianjin Universi ty,Tianjin 300072,China)xlr连接器
Abstract :Integrating projec t scheduling technique with digital simulation technique,the dynamic simulation technique for whole construc tion proce sses takes critical path method(CP M)network model as a frame and then calls complex cyclic operation network(CYCLONE)model for its si mulation nodes,engende ring a hierarchical model.CYCLONE simula t ion model takes charge of si mulating stochastic dura tion of activity and efficie ncy of resources,while CP M mod -el performs project sc heduling.The CP M model is user -oriented and CYCLONE model is wrapped up in the CP M model,which connec ts CPM model node by inte rface.In this way the dynamic simulation technique can take the ad -vantage of CP M and CYCLONE a s well as avoid their shortc omings,na mely,CPM is unsuitable for c omplex projects with circulating proc esse s and CYCLONE is too professional to be understood.By applying to prac t ical project,feas-i bili ty of the technique is verified.
Keywords :dyna mic simulation for whole c onstruction processe s;critical path me thod;cyclic operation ne twork;c on -struction mana ge ment
工程项目受到外界条件(气温、降水和风力等)的
限制及人为因素(施工水平和组织方式等)的影响，导致施工过程呈现明显的随机性和不确定性，因而仅靠传统的经验公式或解析方法难以确切地描述和分析实际施工情况，优化地配置施工机械，高效的安排施工进度，制定经济合理的施工管理方案.
工程车辆仿真技术在建筑工程施工中的应用为建筑施工过
油页岩灰渣程分析提供了有效的工具.早在20世纪70年代仿真技术就已应用在工程施工系统分析中.Halpin [1]提出的CYC LONE 是在工程建设中应用的最早也是最广泛的仿真技术，至今已是一种比较成熟和完善的方法.它通过将排队论和仿真技术应用到网络计划技术中，对具有随机时间的循环施工过程进行仿真，从而反映循环施工的运行过程.随后发展起来的一系列仿真软件 X 收稿日期:2002-12-05.
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50179023)；高校优秀青年教师科研资助项目(200166)；天津市自然科学基金资助项目(97067). 作者简介：钟登华(1963) )，男，博士，教授.
第36卷 第3期2003年5月天 津 大 学 学 报Journal of Tianjin University Vol.36 No.3
May 2003
I NSIGHT[2]、RESQUE[3]、C ONS[4]、UM-CYCLONE[5]、COOPS[6]、DISCO[7]和STROB OSCOPE[8]都是在C Y-CLONE的基础上发展起来的，添加了图像建模或增加了排队优先级等扩展功能.
仿真建模智能化[9]和仿真结果可视化[10~12]是20世纪90年代以来的重要发展方向，但在仿真算法的改进方面研究成果较少.Senior等[13]针对C PM网络在分析带有循环特征的工程项目(如隧洞开挖和高层建筑物施工等)时需要节点数众多的问题，借鉴C YCLONE 模型思想，提出面向工程计划的仿真模型PIC ASSO (projec-t integrated cyclic analysis of serial system opera-tion).该模型通过在CP M网络中加入资源节点和循环控制的方法，简化了对循环特征的工程项目的表达，有效地减少了网络节点数. 但作者将该方法应用在大型工程项目中时也发现了该方法的一些不足.首先，当一项循环工作涉及的执行步骤比较多时，需要建立的模型就变得复杂.如采用钻爆法施工的隧洞开挖过程中，每个开挖循环的工作包括测量、钻孔、装药、撤退、爆破、通风散烟、安全检查、初期支护、集渣、出渣、二次喷锚和清理等十几项工作，而且不同的施工工艺中这些工作的完成顺序也有很大的不同.当大型的工程项目中包括几条按不同施工工艺进行施工的隧洞时，整个模型将变得十分复杂，难以用来指导施工.此外，由于PIC ASSO采用了C Y-CLONE建模思想，使用者必须对C YCLONE思想有深入的了解并且掌握一定的建模经验和技巧才能正确地建立PIC ASSO模型，这将给该技术的广泛使用造成障碍.
作者从实际出发，针对上述问题提出一种新的仿真技术)))全过程动态仿真技术.该技术融合网络计划分析和数值仿真技术于一体，充分利用C PM技术和CYC LONE技术的优点，既发挥了C PM对工程总体分析的优势又结合了CYC LONE对施工过程细节进行仿真和分析的特长，对整个施工过程进行仿真计算和优化分析.
1全过程动态仿真技术
1.1基本思想
全过程动态仿真技术充分利用了CPM技术和CYC LONE技术的优点，它以C PM网络模型作为框架，再把框架中的节点细化成C YCLONE模型，形成一个分层次的模型结构.利用C YCLONE层可以仿真分析工序的随机施工工期和资源利用率等情况，再利用CPM网络层对整个工程项目的进度计划分析.其中CPM网络层是面向用户的，由于C PM技术使用广泛，使大多数人可以很快地理解和操作CP M网络层的建模，而CYC LONE层属于底层技术，隐藏在C PM网络层之下，它向CPM网络层提供了接口,CP M网络层只需根据需要来调用，而不必关心模型的建立.这样就简化了循环网络仿真技术的复杂性，同时利用了CPM网络的进度分析功能，取长补短，达到了方便且实用的目的.
1.2仿真原理
系统可分为连续性系统和离散性系统.前者是指系统状态随时间呈连续性变化；后者是指系统状态仅在有限的时间点发生跳跃性变化.对于工程施工系统，研究施工过程的变化与发展，作为离散系统来进行已经足够了.所以施工系统仿真属于离散系统仿真.
离散系统仿真的基本概念就是使用/仿真钟0，用于体现/模拟时间0的运行轨迹.全过程动态仿真技术由于采用了两个层次的建模技术，在仿真过程中相应地设置了两种/仿真钟0)))/全程仿真钟0和/本地仿真钟0.
全程仿真钟用于仿真CPM网络层的仿真轨迹，它采用时间步长法推进.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间$T为增量，每推进一步检验是否有事件发生，如果有，则认为发生在$T的终止处，并相应的改变系统的状态，否则系统的状态不发生改变.在全过程动态仿真中，按照上述原则推进仿真钟，当检测到有事件发生，且该事件为仿真事件时，仿真钟保留当时的状态，然后将控制权交给C Y-CLONE层，启动本地仿真钟，设置模型初始状态.本地仿真钟也采用时间步长法推进.以该项活动准备施工的状态作为初始状态，以开始施工的时刻作为本地仿真钟的零点.从该点开始，向前推进一个时间步长$t，然后对模型中的所有节点进行扫描，检测是否有满足条件的活动发生，同时跟踪各种资源的使用情况.如果有活动发生，它们被认为发生在$t的终止处，相应地改变系统的状态，统计各种资源的使用时间或空闲时间.重复上述作法直到该项活动结束，然后把控制权返回给全程仿真钟，并把本地仿真钟的状态及资源利用率等信息一同返回给当前事件，作为当前事件的仿真结果保存
起来.然后，全程仿真钟继续推进，重复上述过程，直到整个工程结束.最后对仿真结果进行各种分析计算，并输出施工进度安排、横道图、关键路线、施工强度、施工高峰期和资源利用率等结果.其仿真流程图见图1.
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#天津大学学报第36卷第3期
图1 全过程动态仿真流程
Fig.1 Flow chart of dynamic sim ulation for
whole construction processes
2 仿真建模
2.1 CPM 网络层仿真模型的组成 该网络模型由节点、矢线和属性组成.
1)节点：节点有3种图示符号，分别表示不同的状态或功能.见图
2.
图2 C PM 网络层节点和矢线图示Fig.2 Nodes and link of CPM m odel
一般节点：表示简单的工序，其施工持续时间可以通过经验或过去的资料统计获得.
仿真节点：表示复杂的工序，其施工持续时间由仿真来确定.当全过程仿真钟到达该节点时将转入C Y -CLONE 层模型进行仿真计算.
滞后节点：表示工序间的时间限制关系，即某一工序必须在另一工序开始一段时间后才开始，如灌浆工作必须在衬砌开始一段时间后才能开始.
2)矢线：矢线表示各节点时间和空间的逻辑关系，即箭头节点必须在箭尾节点完成之后才能发生，但它本身不消耗时间资源.见图2.
3)属性：不同类的节点有不同的属性.一般节点包括持续时间、时间分布类型和施工量等属性；仿真节点的属性包括施工条件、设备参数和地质参数等.2.2 CYCLONE 仿真模型组成部分
CYC LONE 模型由流水单元、矢线和节点组成.C Y -CLONE 模型节点定义了五种特定的图示符号来描述各种状态，根据施工作业及逻辑关系，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施工过程.详细内容见参考文献[4].
3 工程实例
爬墙式
3.1 工程概况
某输水工程全线总长97.3km，输水线路中共有隧洞16条，根据施工组织设计和进度要求，其中两条地质情况好的隧洞A 和B 共21.5km 采用掘进机(tun -nel boring machine，简称TB M)开挖，其余的14条隧洞采用钻爆法开挖.作者仅以隧洞A 和B(属于标段1)为例说明全过程仿真技术的应用.隧洞的工程资料见表1，其中范围坐标的零点在隧洞入口处.
表1 隧洞的工程资料
Tab.1 Engineering information o f tunnels
隧洞名称
地质段洞径/m
地质条件范围/m 衬砌方式
施工方法
隧洞A
地质段1地质段2
地质段3地质段4 3.655Ó类Ô类/Õ类0~980Ò类Ó类/Ô类(硬)
980~4160Õ类
4160~4360Ò类Ó类/Ô类(硬)4360~7660管片衬砌
TB M
隧洞B
地质段1
地质段2cnc真空吸盘怎么做
3.655Ò类Ó类/Ô类(软)0~7000Ó类Ô类/Ò类
7000~13460
管片衬砌
TB M
注:Ó类Ô类/Õ类表示主要为Ó类Ô类围岩，含少量Õ类围岩
错位匹配#
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3.2 仿真建模
该工程的CP M 层网络模型见图3，采用TB M 法施工的CYCLONE 层网络模型见图4.3.3 仿真参数
1)CPM 层模型参数(见表2).
2)CYC LONE 层模型参数.本工程中隧洞A 和隧洞B 采用隧洞掘进机开挖，该掘进机行程1.0m，行走和重定位时间为5~7min，服从均匀分布；采用后配套系统上的卸料小车移动装渣；出渣采用15t 蓄电池机车
牵引5辆4m 3梭车出渣，速度服从正态分布，重行速度均值为8km/h，方差为0.5km/h；空行速度为12km/h，方差为0.8km/h.设每隔1000m 设一错车道，错车时间3min.卸车时间每辆梭车5~8min，服从指数分布；出渣通道长度按开挖完的洞长250m 计算.由于隧洞出渣距离较长，隧洞A 配备4列梭车，隧洞B 配备8列梭车.在不同的地质条件下，施工参数的选取是不同的.隧洞不同地质条件下施工参数见表
3.
图3 CPM 层网络模型Fig.3 CPM
model
图4 采用TBM 施工的C YCLONE 层网络模型Fig.4 CYCLONE model o f construction using TBM
#350#天 津 大 学 学 报 第36卷 第3期
表2 CPM 层模型参数(局部)Tab.2 Data of CPM model(part)
编号工序名称持续时间分布类型
持续时间分布参数/d
min max 均值
方差1滞后均匀分布4134272隧洞A 进口明挖
正态分布688175 1.2
7
TB M 组装
均匀分布
66
78
表3 各种地质条件下的施工参数
Tab.3 Construction parameter of each geologic feature
编号地质类型松散系数掘进一个行程时间/min 附加衬砌时间/mi n
1Ò类Ó类/Ô类(软) 1.6均匀分布7~92Ò类Ó类/Ô类(硬) 1.6均匀分布9~113Ó类Ô类/Ò类 1.6均匀分布10~
144Ó类Ô类/Õ类
1.6均匀分布13~175
Õ类
1.6
均匀分布
26~34
均匀分布
26~34
3.4 仿真结果和分析
1)工期和关键线路.工程从2001年12月1日开
工，到2004年11月10日完工，工期为35.4个月(每月实际施工天数25d).关键路线为隧洞B 进口明挖y 隧洞B 进口灌浆y 隧洞B 洞挖y TB M 拆迁y 隧洞A 洞挖.各项工作的工期安排见图5横道图(由软件自动生
成).
2)主要仿真结果分析.利用全过程仿真思想编制的软件不仅可计算工期和进度安排，还可以得到掘进机开挖过程的详细仿真数据.软件中可针对隧洞地质条件的变化，从进口端开始划分成不同的地质段，按地质条件计算掘进时间和速度等参数.
图5 仿真进度安排
Fig.5 Schedule of the simulated project
从表4可以看出掘进机总的来说开挖速度还是比较快的，同时应注意到隧洞A 的地质段2和地质段4地质条件相同，但掘进速度相差很大.这是因为随隧洞开挖的进行，出渣距离越来越长，出渣列车往返的时间也增加较多，这样会导致掘进机等待列车出渣时间增多.从表中可见隧洞A 地质段2的掘进机等待出渣时间比率为42%，而地质段4的掘进机等待出渣时间比
率上升到60.8%，同时掘进时间比率从40%下降到27%.隧洞A 地质段1的地质条件不如隧洞B 地质段1(掘进一个行程的时间长)，但前者总体的掘进速度却比后者快，这也是因为后者出渣平均距离长，掘进机等待出渣时间比率较大的原因.另外隧洞A 的地质段3是Õ类围岩，附加的衬砌时间较长，相应车辆有更充足的时间出渣，故等待出渣时间比率反而比地质段2
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