（水利水电工程专业论文）碾压混凝土坝施工的计算机仿真.pdf

西华大学硕士学位论文 碾压混凝土坝施工的计算机仿真 水利水电工程专业 研究生：邹林峰 指导教师：涂兴怀 碾压混凝土坝施工是一个复杂的系统工程问题，不仅工程量大、浇筑工期 长、仓面多、浇筑机械数量和型号多、坝体结构复杂、技术难度和施工强度高， 而且在施工的过程中还受到地形地质、气候条件、导流方式、分缝分块、碾压 混凝土初凝时间、施工手段等众多因素的影响。这些因素关系错综复杂，相互 联系和制约，使得碾压混凝土坝工程设计和施工组织设计成为一项任务繁重且 具有一定灵活性的工作。人为安排坝块浇筑顺序和施工进度处理工作量大，也 难以周全的考虑到影响大坝工程施工进度的各种影响因素；对于多个大坝浇筑 方案和机械组合方案的比较优选，更难以做出及时和有效的决策。为了保证大 坝的施工进度，提高设计质量和施工组织管理水平，减轻设计人员的工作强度， 缩短设计周期，提高旌工过程的综合效率，本文采用计算机系统仿真技术，对 碾压混凝土大坝浇筑施工过程进行动态仿真，研究碾压混凝土坝施工过程及存 在的问题，并提供各方面的数据和信息，为确定碾压混凝土坝施工方案提供了 科学的决策依据，以便提高施工组织设计与施工管理工作的深度和精度。 本论文主要研究内容及成果如下： ( 1 ) 对碾压混凝土坝整个浇筑系统进行全面分析，包括碾压混凝土坝施 工特点、施工过程中的影响因素以及各种约束条件等，并对施工过程的理论及 方法进行研究。 ( 2 ) 建立了能够反映碾压混凝土坝施工特点的仿真模型。不同的混凝土 入仓方式，施工系统真实运行过程的差异很大。本文讨论了主要的几种碾压混 西华大学硕士学位论文 凝土入仓方式，并认真分析各自的施工运行机理。 ( 3 ) 全面分析划分坝段仓面面积大小的影响因素，并提出动态分仓的思 想和方法，实现了对工程施工中各浇筑块体积、整个大坝工程量及施工工期的 计算。 ( 4 ) 实现了计算机自动跳仓选块。根据大坝混凝土浇筑跳仓选块的限制 条件，计算机自动选择浇筑块，并计算各浇筑块的开工时间和完工时间。 ( 5 ) 实现了该仿真系统程序的编制。该仿真系统以d e l p h i 作为开发语言， 并用结构化的程序设计思想来进行程序的编制，操作简单灵活，仿真结果表达 快速而直观。 关键词：碾压混凝土坝；d e l p h i ；仿真模型；计算机仿真 西华大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o no fr o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ed a m ( r c c d ) i sac o m p l i c a t e d s y s t e m se n g i n e e r i n gp r o b l e m ，w h i c hn o to n l yh a sg i g a n t i ce n g i n e e r i n gq u a n t i t y , l o n gw o r kt i m e ，al a r g en u m b e ro fw o r k i n gf a c e s ，n u m e r o u sc o n s t r u c t i o nm a c h i n e s a n dt y p e s ，c o m p l i c a t e ds t r u c t u r e so fd a m ，d i f f i c u l tc o n s t r u c t i o na n dh i g l lw o r k i n t e n s i t y , b u ta l s oi n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r s ，s u c ha st e r r a i na n dg e o l o g y , c l i m a t e c o n d i t i o n ，m e t h o d so fl e a d i n gc u r r e n t ，p a r t i n go fd a m ，s t a r tc o n c r e t i n gt i m eo f r o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t e 限c c ) ，c o n s t r u c t i o nm e a s u r e sa n ds oo n t h e s ef a c t o r s a r ev e r y c o m p l i c a t e d ，a f f i l i a t i n ga n dr e s t r i c t i n ge a c ho t h e r , w h i c hm a k e st h e e n g i n e e r i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o nd e s i g no ft h er c c db e c o m ea h e a v ya n df l e x i b l ej o b t h ew o r k l o a dt oa r r a n g et h ec o n s t r u c t i o no r d e ro fd a m w o r k i n gf a c e sa n dc o n s t r u c t i o ns c h e d u l ei sg r e a th e a v yf o rm a n m a d e ，a n di ti s d i f f i c u l tt oc o n s i d e r c o m p r e h e n s i v ev a r i o u sf a c t o r sw h i c ha r ei n f l u e n c et h e e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ns c h e d u l e ，a n dm o r ed i f f i c u l tt om a k eat i m e l ya n de f f e c t i v e d e c i s i o nf o rm u l t i - s c h e m e so fd a mc o n s t r u c t i o na n dm a c h i n ec o m b i n a t i o n i no r d e r t oa s s u r et h ec o n s t r u c t i o ns c h e d u l eo fd a m ，i m p r o v i n g d e s i g nq u a l i t y a n d c o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o nm a n a g e m e n tl e v e l ，a l l e v i a t i n gd e s i g n e r s w o r ki n t e n s i t y , s h o r t e n i n gd e s i g np e r i o d ，i m p r o v i n gi n t e g r a t i v ee f f i c i e n c yo fc o n s t r u c t i o np r o c e s s ， c o m p u t e r i z e d s y s t e ms i m u l a t i o nt e c h n o l o g yw a sa d o p t e dt os i m u l a t et h e c o n s t r u c t i o np r o c e s sa n dr e s e a r c he x i s t e dp r o b l e m so fr c c di n t h i sp a p e r , a n d a l l s i d e dd a t aa n di n f o r m a t i o na r e p r o v i d e d ，w h i c hw a su s e d a s as c i e n t i f i c d e c i s i o n - m a k i n gg i s tf o rc o n f i r m i n gt h ec o n s t r u c t i o ns c h e m eo fr c c d ，s ot h a t i m p r o v i n gc o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o nd e s i g n ，a n di m p r o v i n gt h ed e p t ha n dp r e c i s i o n o fc o n s t r u c t i o nm a n a g e m e n tw o r k t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t si nt h i sp a p e ra r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) f u l l ya n a l y s i st h ec o n s t r u c t i o ns y s t e mo fr c c d ，i n c l u d i n gt h ec o n s t r u c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，i n f l n e n c ef a c t o r sd u r i n gc o n s t r u c t i o na n da l lk i n d so fr e s t r i c t i o n c o n d i t i o n s ，a n ds t u d yt h et h e o r i e sa n dm e t h o d so ft h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s i n 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) e s t a b l i s ht h es i m u l a t i o nm o d e l w h i c hc a nr e f l e c tt h ec o n s t r u c t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fr c c d 。t h er e a lc i r c u l a t ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o np r o c e s si sv e r y d i f f e r e n tf o rd i v e r s et r a n s p o r tm a n n e r s ，a n ds o m em a i n t r a n s p o r tm a n n e r sa r e c o n s i d e r e di nt h i sp a p e r , w h i c hc i r c u l a t em e c h a n i s m sa r ea n a l y z e ds e r i o u s l y 0 ) f u l l ya n a l y z et h ei n f l u e n c ef a c t o r sa b o u tt h ep a r t i t i o no f d a m w o r k i n g f a c e s a r e a ，a n di n t r o d u c et h ei d e aa n dm e t h o d sf o rt h ep a r t i t i o no fd a m ，a n da c h i e v et o c a l c u l a t et h ev o l u m eo fd a m ，t h ew h o l ee n g i n e e r i n gq u a n t i t ya n dt h ec o n s t r u c t i o n p e r i o d ( 4 ) a c h i e v et oa u t o m a t i cc h o o s et h ed a mw o r k i n gf a c e sf r o mo n et oa n o t h e rb y c o m p u t e r a c c o r d i n gt o t h er e s t r i c t i o nc o n d i t i o n so fc o n c r e t ec o n s t r u c t i o n ， c o m p u t e ra u t o m a t i c a l l yc h o o s e st h ew o r k i n gf a c e s ，a n dc a l c u l a t e st h e i rs t a r ta n d f i n i s ht i m e ( 5 ) s i m u l a t i o na p p l i c a t i o ni sa c c o m p l i s h e d d e l p h ii su s e da st h ee x p l o i t a t i o n l a n g u a g ef o rt h es i m u l a t i o ns y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o ni sc o m p i l e db ys t r u c t u r e dd e s i g n i d e a ，w h i c hc a nb eo p e r a t e de a s i l y , t h es i m u l a t er e s u l t sa r ei n t u i t i o n i s t i ca n dr a p i d e x p r e s s e d k e yw o r d s ：r o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ed a m ( r c c d ) ；d e l p h i ；s i m u l a t i o nm o d e l ； c o m p u t e r i z e ds i m u l a t i o n i v 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景及意义 水利水电工程投资规模巨大、历时时间长、影响因素众多，给工程设计、 施工组织安排和管理带来相当大的难度。通过长期的工程实践，人们积累了丰 富的经验，为以后的工程开发和组织管理工作提供了宝贵的财富。但随着设计 技术的更新、施工工艺的改进、设备性能的提高，以及大规模复杂大型工程的 开发建设，再加上工程项目所处的地形地貌的差异、施工导流渡汛标准的不同 及施工布置方案的差别等，使现代工程设计仍面临许多困难。传统的设计方法 已经很难适应现代大型工程设计与施工安排以及管理的要求，阻碍了现代工程 建设的发展。计算机技术与仿真技术的发展与应用，特别是在水利水电工程上 的应用，己引发该领域技术的革命。尤其是最近二十年，仿真技术已应用于水 利工程建设的各个阶段( 如设计、投标与施工管理) 及项目的各个部分( 导流 渡汛、场地布置、地下洞室群的开挖及各种坝型的施工等) 。目前，仿真技术 已成为水利工程设计与施工组织安排强有力的决策辅助手段，而且在需求及相 关技术发展的带动下，向更高、更深层处不断发展。 大坝作为工程的重要组成部分，规模大、施工工序复杂、施工工期长、浇 筑强度高、影响和制约因素多，其施工工期不仅影响到整个工期及工程总体的 布置安排，同时，它还直接影响导流、渡汛及蓄水发电等关键性目标的组织与 控制。因此，做好大坝的施工安排是工程设计的关键工作之一。 大坝施工受地形地貌、气候、施工工艺、机械设备选型、施工布置方案以 及本身型体等因素的影响；而且，要做好大坝的施工组织设计与施工安排，应 当从系统角度全面、综合地考虑各种影响因素，使其成为有机整体来分析把握 施工系统的动、静态特性。传统手段获取信息方式不仅粗略，而且信息面窄， 灵活性差，很难进行多方案比较及综合因素分析，一个方案的拟订往往需要很 长的时间，决策效率低下。运用计算机仿真技术，能够综合考虑各种因素的影 响，从系统角度来研究和分析大坝施工系统，以便为进行大坝施工组织设计与 决策提供科学依据。 综上所述，影响大坝工期的因素错综复杂，难以综合考虑各种因素对大坝 西华大学硕士学位论文 施工进程的影响，用解析法推导其间的函数关系并建立描述这些问题的数学模 型是不现实的。混凝土大坝建设周期长、投资大，所以在工程开工前需要论证 各种施工方案，并对各种方案进行比较，选定最优方案，对混凝土浇筑进程进 行合理的安排，以期在合理工期内，尽量减少工程投资费用。在设计研究和工 程管理中，采用计算机仿真技术为工程的顺利实施提供了可靠的技术保证。过 去在制定和论证混凝土坝施工方案和施工进度时，常用类比的方法，即根据国 内外同等类型工程，按坝体月上升高度、混凝土浇筑高峰强度等指标来拟定施 工进度和总工期。在进行设备选型配套时，按其平均生产能力进行配备，对机 械设备和综合机械设备生产能力在旅工中出现的随机性作简化处理，按机械的 平均生产能力确定各施工机械的数量，再在此基础上增加一定的备用容量。实 践证明，这种简化处理，在一些中小型工程中和大型工程初步进度分析中有一 定的价值，但精度不高。而且一个合理的施工方案和机械配套方案，常常需要 通过众多方案的比较，参数的反复调整和修改才能产生，工作量大，特别是大 坝仓位很多的情况下，若采用传统的手工方法对大坝进行分仓、分层安排浇筑 计划，则更加烦琐，甚至无法做到。 用计算机来仿真实际系统，并按仿真的实际过程计算一些指标，以便对系 统的性能有所了解，作为控制系统、设计系统的参考数据。计算机能进行大量 输入信息的复杂仿真，又因其是通过软件进行总体控制的，因此变更参数、修 改方案比较容易，特别适合于动态过程研究。计算机仿真技术具有以下显著优 点：能够有效减轻技术人员的计算强度，缩短施工方案的制定时间，提高施工 方案和机械配套方案定量指标的精度，指导工程设计和施工管理。因此，在水 利水电施工中应用计算机仿真技术是十分必要的。 1 2 碾压混凝土坝工程 1 2 1 碾压混凝土坝的发展概况 碾压混凝土筑坝是近2 0 多年来广泛使用的新筑坝技术，该技术将碾压土 石坝的快速施工方法和混凝土的优良性能结合起来，使混凝土的浇筑速度大为 提升。由于碾压混凝土坝具有节约大量水泥、工艺相对简化、施工速度快、工 西华大学硕士学位论文 程造价低和及早发挥工程效益等优点，该筑坝技术得到迅速推广应用。 碾压混凝土坝从设想到成为现实历时1 0 年，1 9 8 0 年出现了世界上第一座 碾压混凝土坝日本岛地川重力坝。该坝高8 9 m ，上游面用3 m 厚的常态混 凝土起防渗作用。碾压混凝土压实层厚为5 0 c m 和7 0 c m ，每一压实层碾压完毕 后，停歇1 - 3 天再继续浇筑上升。工程采用切缝机形成坝体横缝。1 9 8 2 年美 国建成了世界上第一座全碾压混凝土重力坝柳溪坝。该坝高5 2 m ，坝轴线 长5 4 3 m ，不设纵横缝，压实层厚3 0 c m ，连续浇筑上升，3 3 1 万川3 碾压混凝 土在不到5 个月时间内完成，比常态混凝土缩短工期1 - 1 5 年，造价只有常态 混凝土重力坝的4 0 左右和堆石坝的6 0 左右，充分显示了碾压混凝土坝所具 有的快速和经济的巨大优势。柳溪坝的建成大大推动了碾压混凝土坝的迅速发 展。 我国对碾压混凝土筑坝技术的研究开始于1 9 7 8 年。经过大量室内研究和 大型实验块的野外碾压实验后，将取得的技术成果应用于混凝土坝中，选定了 福建省坑口重力坝作为碾压混凝土坝技术工业性实验工程，经过6 个多月碾压 施工，高5 6 8 m 的我国第一座碾压混凝土坝于1 9 8 6 年5 月建成。坑口坝实验 成功为我国快速建坝开辟了新途径。自坑口坝建成以后，碾压混凝土坝在我国 获得迅速发展。在建的龙滩碾压混凝土重力坝( 坝高2 1 7 m ) 和沙牌碾压混凝 土拱坝( 坝高1 3 2 m ) ，将是世界上最高的碾压混凝土重力坝和拱坝。截止2 0 0 3 年底，全国己建、在建3 0 m 以上碾压混凝土坝共6 4 座。 1 2 2 碾压混凝土筑坝优点 坝体作为大坝工程的主体部分，地位十分重要。碾压混凝土坝筑坝具有以 下两个显著的优点【4 8 】： 碾压混凝土坝综合了常态混凝土坝运行安全和土石坝施工快速的特点，具 有两个显著的优点： 1 、工期短：碾压混凝土筑坝改变了常态混凝土筑坝用振捣器振捣密实的 方法，代之以振动碾在层面振动碾压，将土石坝使用的大型施工机械用到混凝 土坝上，实现快速、大仓面碾压施工。碾压混凝土坝断面尺寸与常态混凝土坝 相似，但坝体结构简单、不设纵缝、不以模板形成横缝，所以浇筑速度比常态 西华大学硕士学位论文 混凝土坝大为加快。和土石坝相比，碾压混凝土断面小、工程量小，又采用与 土石坝相同的施工机械，所以碾压混凝土坝比土石坝工期短。 2 、造价低：碾压混凝土和常态混凝土相比，水泥用量少。此外，碾压混 凝土坝还节约模板工程量。根据日本玉川坝估算，节约水泥1 1 ，混凝土单价 降低1 0 左右，从而节约能源和投资；可节约模板费用3 0 ，同时节省了冷却、 接缝灌浆费用。坑口坝碾压混凝土单价为同强度常态混凝土单价的8 8 。天生 桥二级碾压混凝土单价为常态混凝土单价的7 7 。和土石坝相比，碾压混凝土 坝体积小、节省建筑材料；坝基宽度小，减少了开挖和基础处理范围；施工导 流及泄洪建筑物长度缩短；而且可把泄洪建筑物布置在河床内，不必在河床外 另设溢洪道。 1 2 3 大坝浇筑施工计算机仿真研究现状 计算机仿真为水利水电施工过程的研究开创了新的方法，使水电工程施工 与现代化的计算手段结合在一起，使水电工程施工参数分析和选择从凭经验和 模拟分析进入到施工过程仿真实验、施工参数数值分析、施工方案优化比较等 科学领域，从而大大地减少了技术人员的计算强度，缩短了施工方案的选择和 机械配套的计算时间，提高了计算精度。 在国外，计算机仿真技术应用于混凝土坝施工中，始于2 0 世纪7 0 年代。 1 9 7 3 年第十一届国际大坝会议上，d h b a s s g e n 首先结合混凝土坝提出了坝体 浇筑过程仿真，在满足施工浇筑系统实际存在的各项条件和施工准则的情况 下，利用计算机仿真技术针对缆机进行了浇筑仿真计算，并给出了缆机在仿真 中的效率、浇筑强度等特性，基本反映出缆机在坝体浇筑过程中的工作情况。 我国水利水电工程混凝土坝应用计算机仿真技术始于2 0 世纪8 0 年代。 1 9 8 4 年，二滩水电站双曲拱坝混凝土浇筑采用计算机仿真，通过对大坝1 5 个 方案的仿真计算检验，成果符合一般施工规律，初步证明计算机仿真在总体上 是成功的。在此基础上，三峡工程针对二期工程混凝土施工编制了混凝土浇筑 计算仿真程序，实现了与o f f i c e 系列、p 3 进度软件、三维图形软件的数据共享， 输出混凝土施工进度、施工强度与施工面貌表达形式形象、直观。施工计划仿 真结果与实际施工情况吻合较好，在工程进度控制中起了重要作用。 4 西华大学硕士学位论文 但就碾压混凝土坝而言，是近二十几年才发展起来的一种新型筑坝方式， 其本身发展还并不完善，存在许多问题需要解决。当前对碾压混凝土坝的研究， 主要是针对施工技术上的改进和提高，比如碾压混凝土的分缝分块、温度控制、 防渗措施等，而对于碾压混凝土坝的旌工过程的研究却相对较少。碾压混凝土 坝并非是常规混凝土坝与土石坝的简单结合，它具有独特的优点- 大仓面薄 层快速连续浇筑，故在施工过程中考虑的因数也有很大差别。对于碾压混凝土 坝施工的计算机仿真，其发展方向就在于如何找出更为合理的施工方案和施工 进度计划，充分发挥碾压混凝土大坝旌工特点，有效地缩短工期和减少工程投 资。 1 3 本文研究的主要内容 根据碾压混凝土坝的施工特点以及仿真技术的研究现状，本文开展了以下 几个方面的工作： 1 、对常规的仿真方法进行总结，并对各自的技术特点进行分析和研究； 2 、对碾压混凝土坝整个浇筑系统进行全面分析，如碾压混凝土坝施工特 点、施工过程中的影响因素以及各种约束条件等，并对施工过程的理论及方法 进行研究； 3 、在系统分析的基础上，建立能够反映碾压混凝土坝施工特点的仿真模 型； 4 、根据浇筑机械能力大小、碾压混凝土初凝时间、碾压层厚度以及选择 浇筑仓的各种约束条件，对大坝进行动态的、合理的分仓分块； 5 、建立参数数据库，包括大坝初始状态参数、机械运行参数、供料线路 参数等； 6 、以w i n d o w sx p 为开发环境、面向对象的d e l p h i 为开发语言，对该仿 真系统进行程序编制： 7 、调试程序，使之能基本满足工程实际的需要，并在使用中不断完善； 8 、运用作者所开发的碾压混凝土坝施工仿真系统，实现了对w d 碾压混 凝土坝施工过程的仿真。 西华大学硕士学位论文 2 计算机仿真理论基础 2 1 系统工程理论 2 1 1 系统及系统工程定义 通过长期的社会实践和生产实践活动，人们逐步形成了对客观世界的科学 认识，即认为客观世界都是系统，并形成了系统概念，它是系统理论的最基本 的概念。然而，不同的研究领域和不同的应用对象，系统概念的定义也不相同。 大多数学者认为：系统是指由两个或两个以上的相互区别、相互联系、相互制 约的要求所组成的一种具有确定功能的有机综合体。系统定义具有以下三个基 本特徂2 j ： 1 、系统内部具有可以分解的结构； 2 、这些结构部分之间是相互联系的： 3 、相互联系的结构部分构成一个整体。 系统工程是以系统为对象，合理地、创造性地采用系统所需的思想、理论、 技术、方法、工具和程序，进行研究分析，设计制造和服务，使系统整体尽量 达到最佳协调和最满意的优化。系统工程属于工程技术，主要是组织管理的技 术。但系统工程不是单一的工程技术，而是跨越各个学科的大工程技术门类。 其理论基础十分广泛，目前比较一致的观点，认为系统工程的理论基础涉及到 一般系统理论、大系统理论、信息论、控制论、运筹学等学科。 2 1 2 系统分析 系统分析是系统工程的重要组成部分，处在系统工程全过程的前期阶段， 它对系统工程起着至关重要的作用，是其它所有后续工作的基础。系统分析是 对系统工程的特定对象，即复杂的系统进行多方位的分析，通过对系统的目标、 环境、结构与功能等内容的分析，为系统工程的下一步工作提供基础。 由此可知，系统分析就是利用科学的分析方法和工具，对系统的目的、功 能、结构、环境等问题进行分析和确定。它是一个有目的有步骤的探索和分析 过程，为决策提供所需要的科学依据和信息。 西华大学硕士学位论文 2 。1 2 1 系统分析的特点 根据系统分析概念，可推导出系统分析的基本特点： 1 、以特定问题为对象。系统分析是处理复杂系统的一种分析方法，有很 强的针对性，其目的是寻求解决特定问题的最优方案。在进行系统分析时，弄 清问题中不确定因素及可能产生的结果是极其重要的； 2 、以整体优化为目标。系统中的各子系统，都具有各自特定的功能和目 标，只有相互协调，才能达到整体协调和实现系统总目标。如果只研究改善某 些局部问题，而忽视其它子系统及其相互关系，系统的整体功能和效益就可能 受到不利的影响。例如，在对碾压混凝土坝浇筑系统进行仿真研究时，不能仅 仅考虑工程所需的总工期，还要考虑浇筑机械的利用率、混凝土浇筑强度的合 理性等其他因素； 3 、运用定量和定性相结合的方法。系统分析在解决复杂系统问题中，不 仅要应用经验和直觉的判断与定性分析，而且必须要有相对可靠的定量分析。 因为只有定量分析才能明确系统的性质和运行规律。 2 1 2 2 系统分析的主要内容 系统分析的主要内容包括以下几个方面： 1 、分析和确定系统的目标。系统目标的分析与选择是系统分析的最初阶 段，也是系统分析的出发点，系统目标的分析与选择是系统分析至关重要的步 骤。目标分析的主要任务是分析和确定系统的目标及体系，分析和定义系统需 要的功能，研究系统目标实现的可能性，以及实现目标所能采取的途径等； 2 、调查分析系统环境。系统必须适应一定的环境，否则系统可能失去稳 定性而难以正常运行。因此，环境分析是系统分析的重要组成部分。在环境分 析中，重点解决好三方面的问题：一是划分好系统与环境的边界；二是分析确 定好与系统有物质、能量、信息交换有关的主要外部环境对象；三是分析好各 个具体环境对象对系统产生的影响及其后果； 3 、分析系统结构。系统是由很多要素组成的，这些要素根据系统的目的、 功能而形成一定的结构。结构分析的目的就是要研究各要素的特点、功能以及 它们之问的相互联系和作用方式，进而调整和优化系统的结构，使整个系统的 西华大学硕士学位论文 功能达到最优化； 4 、结果分析。系统分析的最终目的是根据结果分析提出系统方案。例如， 研究碾压混凝土坝施工仿真系统，需根据仿真结果所得出的总工期，浇筑机械 利用率，月浇筑强度的合理性等，提出最优的施工方案。 2 1 2 3 系统分析的步骤 系统分析是一个有目的、有步骤的探索和分析过程，在此过程中要按照系 统分析内容的逻辑关系有步骤地进行。系统分析由说明系统问题开始到给出系 统方案结束，其中包括目标确定、收集资料、建立模型、综合评价等步骤。系 统分析往往需要多次反复才能完成。其具体步骤如下： 1 、说明问题。通常的问题是在一定的外部环境作用和系统内部发展的需 要中产生的，它不可避免地带有一定的本质属性和存在范围。所以，在进行系 统分析时，首先是明确问题的性质，即问题的实质、特点和要求；然后根据问 题的性质和要求规划问题与环境的界限，即确定问题的研究范围，也就是系统 的环境分析； 2 、确定目标。系统分析的目的在于系统优劣的比较，其比较的标准就是 系统达到目标的程度。系统目标的确定是依据系统问题的要求进行的，这项分 析为目标分析； 3 、收集资料。资料是系统分析的基础和依据，根据系统目标收集必要的 资料和数据，为分析做好准备。资料收集通常多借助于调查、实验、观察记录、 引用现成资料等方式，资料应当准确可靠，丰富够用； 4 、建立模型。建立模型是便于对系统的各方案可能产生的后果进行预测 分析，并根据模型提供的结果来比较方案的优劣； 5 、综合评价。在上述分析的基础上，将反映系统方案优劣的有关信息， 包括定性和定量的因素，通过一定的评价方法将其综合起来，并用己定的评价 标准来衡量，比较各方案的目标的达到程度。 2 2 计算机仿真技术 8 西华大学硕士学位论文 2 2 i 相似理论与相似技术 相似性是客观世界的一种普遍现象，它反映了客观世界的特性和共性的规 律。目前相似性已经成为各个学科领域及人们日常生活中一个常见的概念。相 似的实质是系统间客观存在的属性和特征的相似，系统仿真的基本原理正是基 于客观世界中系统之间的相似性或同构性，基于这一系统属性去建立系统模型 并通过研究模型来研究系统，模型也是一个系统，它与原型系统之间具有相似 性或同构性。另外，相似理论是系统仿真的基础理论；系统仿真是建立在相似 理论、相似技术、控制理论、计算机技术上的- - f 综合性实验性学科。系统仿 真是根据实际系统的某些属性、关系或功能人为地建立一个与之相似的模型进 行实验，通过研究模型来描述原型系统( 实际系统) 的形态特征和本质，从而 达到认识实际系统的目的；依据相似理论，人们才有可能建立起一个实际系统 的相似模型。由此可见，相似理论在系统仿真中起着基础性的作用，而且这种 作用集中体现在建模这一核心过程中。相似理论作为仿真的基础理论由我国学 者首次提出，并已逐步被仿真界广泛认同，目前已被用于指导建模、相似系统 的度量、系统的可信度评估等。随着相似理论与相似技术的发展与完善，其在 指导仿真建模上的作用会更加明显，尤其是相似技术，对仿真模型的评价以及 信息的可视化表达方面将会起着越来越大的作用。 碾压混凝土坝施工系统仿真属于离散事件系统仿真，是依照相似理论知识 建立能够充分代表原型系统的仿真模型。由于建模是基于一定的仿真目的，同 时是通过对原型系统的简化和抽象完成的，因此模型只能在一定层面上表现或 反映原型系统的某些关键性的特征，并不能完全反映原型系统的所有特性。因 而，仿真系统作为一个系统，与原型系统只是个相似系统，系统间描述、表达 及评价都是建立在相似基础上进行的，因此，相似思想贯穿于整个建模、模型 评价及方案评价当中。 2 2 2 计算机仿真技术及其发展 仿真即模拟，是将研究的对象用某种手段( 人工借助某工具或计算机) 加 以模仿的技术。用仿真技术研究问题时，并不是干扰研究对象真实系统的运行， 去直接地研究对象本身，而是先设计一个与真实系统相类似的模型，再通过模 9 西华大学硕士学位论文 型间接地研究对象。简言之，系统仿真就是对系统模型的实验。 人们很早就利用模型来分析和研究真实世界，利用模型来分析和研究真实 世界就是“仿真”。但严格说来，只有在2 0 世纪4 0 年代末，伴随计算机的问 世，才为建立模型和对模型的实验提供了强有力的支持，仿真技术才得以迅速 发展，并逐步形成一门独立的科学。系统仿真最显著的优点就是：能够在一个 系统实际运行之前去了解、把握、评估它的运行性能；可在不干扰真实系统的 情况下比较各种方案的优劣，及时做出决策；运行安全灵活、可多次使用：并 可以用较小的投资换取风险上的大幅度降低。正是由于仿真技术在应用上的可 靠性、方便性与经济性，以及计算机技术的突飞猛进，仿真技术才被广泛应用 于医学、航天航空、战略防御，交通运输以及水利水电工程项目等。 仿真技术的广泛应用，大大促进了仿真技术本身的发展，仿真技术的发展。 大致经历了模拟计算机仿真、数字模拟混合计算机仿真及全数字计算机仿真三 个主要阶段。而全数字计算机仿真又可分为两个阶段。第一阶段：2 0 世纪6 0 年代末到8 0 年代初。在该阶段中，从方法论角度来看是队研究仿真实验为主， 从仿真工具的研究看来，则是以各种仿真语言为主。由于缺乏对建模的支持， 而仿真工具又有一定的缺陷，因此仿真效率不高。第二阶段：8 0 年代到9 0 年 代。该阶段也被称为现代仿真技术阶段，其主要特点是：按照仿真的基本概念 框架形成了一套先进的建模与仿真方法学，并通过建立一体化的仿真环境来支 持实现它。也即，从方法论角度来看，已经将研究扩展到建模及分析阶段，从 仿真工具的研究来看，则是以建立能支持仿真全过程的一体化仿真环境为主， 并充分采用了先进的计算机技术( 如图形技术、数据库技术等) 。 随着科学技术与生产力水平的不断发展，在仿真理论、方法的提出以及相 关科学发展的情况下，仿真技术主要向以下方向发展： ( 1 ) 向高水平的一体化、智能化仿真技术发展： ( 2 ) 向广阔时空发展； ( 3 ) 对大型复杂分布系统、综合系统进行实时仿真，由于信息量庞大，并 需进行快速、高效传输、变换处理，仿真技术向快速、高效与海量信息通道发 展； ( 4 ) 向规模化模型校核、验证、确认技术发展： 1 0 西华大学硕士学位论文 ( 5 ) 向虚拟现实技术发展，虚拟现实技术是将真实环境、模型化物理环境 和用户融为_ 二体，为用户提供各类感官，以逼真感觉的仿真系统，使人如同身 临其仿真环境中； ( 6 ) 由于仿真的对象越来越广阔和复杂，应用领域也越来越广泛，相关的 学科不断增多且日趋密切，仿真技术向广阔的应用领域扩展并与其他有关学科 相融合。 2 2 3 仿真技术的原理 计算机仿真是通过对所研究系统的认识和了解，抽样其中基本要素的关键 参数，建立与实际系统相对应的仿真模型，并借用计算机技术编制仿真程序， 经过模型的确认和仿真程序的验证，在仿真实验设计的基础上，对该模型进行 仿真实验，以模仿实际系统的运行过程，观察系统状态变量随时问变化的动态 规律性，并通过采集数据和统计分析，得到被仿真系统参数的统计特性，据此 估计和推断实际系统的真实运行参数，为辅助决策提供依据。 碾压混凝土坝施工过程仿真就是应用计算机仿真技术，通过对碾压混凝土 坝工程施工过程的全面分析和研究，明确仿真目的，确定约束条件、影响因素 和仿真参数，从而建立仿真模型，编制仿真程序，输入仿真参数和施工约束条 件，运行仿真程序，得出各种方案的仿真结果，结合实际工程，采用专家经验 分析方案或根据一定的评价标准方案，综合分析这些结果，选择出满意的方案 作为制定施工组织规划设计的依据，从而为施工组织决策提供一个快速有效的 参数，为组织和管理工程提供定量标准。 对一个系统进行计算机仿真，通常应按以下的基本步骤进行： 1 、明确认识问题 搞清被模拟系统的内容，判别问题的性质，明确系统仿真的目的和任务、 系统的环境、仿真条件、仿真实验参数等； 2 、系统分析 确定问题所要达到的目标和系统的变量，找出系统的实体、属性和活动， 以及子系统与总系统的关系等。系统的变量可以分为外生变量和内生变量，前 者是指输入模型的变量，表明外部因素对模型的影响；后者是模型内部生成的 1 1 西华大学硕士学位论文 变量，包括状态变量和输出变量。实体是构成系统的各种要素，如一个浇筑仓 的体积、高度等。系统的活动是指系统发生变化时的行为或过程，例如浇筑仓 体积的变化，时间的推进等： 3 、数据准备 有关数据是构造模型时，确定实体问数学或逻辑关系的参数和模型输入数 据等的依据。数据准备包括：数据的搜集与处理；数据的统计与检验；确定各 变量的概率分布以及随机数的产生方法等； 4 、建立模型 首先要选择仿真方法( 如时间步长法、事件步长法等) 。还需要确定系统 的初始状态：按照系统结构和实体间的逻辑关系，构造系统的数学模型；设计 子系统和予系统的框图；最后，设计出描述整个系统的仿真逻辑框图； 5 、编制和调试程序 选择适当的计算机语言，将系统的数学模型转换为由计算机程序组成的仿 真模型； 6 、仿真运行 首先应明确仿真输出结果与控制变量问的关系，确定不同的仿真运行控制 变量的组合及运行次数，设定仿真的初始条件，然后输入参数，按实验条件进 行足够数量的仿真运行，以便获取所需的运行结果； 7 、仿真结果分析和辅助决策 包括两方面的工作，一是通过计算置信区间等，判断仿真结果的统计特性； 二是依据既定的目标，选择较优的方案，做出仿真分析结论，向决策者提出建 议辅助决策。 2 2 4 系统仿真的基本方法 在水利水电工程施工过程中，根据被研究对象的特征，可将计算机仿真分 为连续系统仿真和离散事件系统仿真两大类。 对不同类型的仿真系统采用不同的仿真方法，也即采用不同的仿真推进机 制。在计算机仿真中所使用的方法主要有三种【3 8 1 ：时间步长法、事件步长法和 主导实体时钟扫描法。 1 2 西华大学硕士学位论文 1 、时间步长法 该方法也称为固定增量时间推进法。它是以某一规定的单位时间f 为增 量，按时间的进展，逐步地对系统活动进行仿真。在仿真过程中，时间步长是 固定不变的。 图2 1 时l 可步长法框图 该方法的基本步骤是：首先选取系统的初始状态，并以它作为仿真时钟的 零点。从该时刻开始，每次推进一个时间步长f ，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f 的终止处，并相应地改 变系统中相关实体的状态。如果在出内无事件发生，则系统的状态不发生变化， 只将仿真时钟推进。重复上述做法直至达到预定的时间或状态为止。时间步长 仿真框图见图2 1 所示。 用时问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。 西华大学硕士学位论文 选取的时间步长愈小，仿真的系统状态与实体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，就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。 2 、事件步长法 图2 2 事件步长法框图 1 4 西华大学硕士学位论文 它是以各个事件发生的时间为增量，按照时间的进展，逐步地对系统的行 为进行动态模拟。采用事件步长法构造仿真模型时，仿真时钟不是按固定的等 长推进，而是以不相等的事件步长( 即以各事件所需要的时间作为步长) 向前 推进。在仿真过程中是利用每一事件发生与结束来推进仿真时钟的，即某一事 件开始发生，时钟打开；当事件结束，时钟关闭，在下一次事件发生前( 即时 钟打开前) 系统处于等待状态，而每一次时钟的推进都将使系统的状态发生变 化。随着事件的不断发生，时钟的不断推进，使整个系统状态不断地改变，直 至系统运行结束，系统达到稳定。 事件推进法在具体运用中，一般是用最短时间的事件步长来推进仿真时钟 的。对于复杂的系统，其产生的事件的性质是多种多样的，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) 时刻距当前仿真时钟最近，则称该事件为最短时间的事件，仿真时钟下次推进 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 长推进仿真时钟的方法称为最短时间的时间步长法。 该方法仿真的基本步骤是：首先选取系统的一个初始状态，然后在一系列 事件中选取一个最短时间的事件，将仿真时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，将仿真时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。 如此继续下去，至仿真结束为止。事件步长法仿真框图见图2 2 所示。 3 、主导实体时钟值扫描法 该方法的思路在结构上比较简单。事件表法和主导实体时钟值扫描法一般 都是不等步长的仿真，不同的是，事件表法以事件( 活动) 作为扫描对象，从 事件延伸到实体上，主导实体时钟值扫描法以主导实体作为扫描对象，从实体 延伸到事件上。主导实体时钟值扫描法框图见图2 3 所示。 对于碾压