基于Arena仿真的高拱坝混凝土施工系统设备运行效率

1、基于Arena仿真的高拱坝混凝土施工系统设备运行效率拱坝作为一种具有良好经济性和安全性的坝型在水电工程建设中占有重要地位（我国拱坝建设规模占全世界的40%1），特别是高拱坝，在我国西南地区具有良好的适应性。自20世纪中叶以来，我国拱坝建设发展迅速。随着白山、东江、龙羊峡、隔河岩等一批100200 m高拱坝的建设，我国拱坝的设计和施工水平得到了较快发展。进入21世纪，随着我国西部大开发战略和西电东送战略的实施，大岗山、构皮滩、拉西瓦、溪洛渡、小湾、锦屏一级等一批超过200 m、甚至达到300 m的特高拱坝成功建成；目前在建或拟建的还有叶巴滩（217 m）、乌东德（265 m）、龙盘（277 m）

2、、白鹤滩（289 m）、怒江桥（291 m）、马吉（300 m）、松塔（313 m）等一大批高拱坝2，3。高拱坝大多集中在高山峡谷地区，施工环境恶劣、仓面狭窄、坝体体形单薄、结构复杂、机械设备布置困难、施工干扰大4，这些因素严重影响了施工设备运行效率，制约了高拱坝的快速高效施工，导致施工进度控制困难。因此，开展高拱坝混凝土施工系统设备运行效率研究，对优化施工系统设备配置、降低混凝土施工成本、加快高拱坝施工进度具有重要的意义。近年来，一批国内外学者对施工设备配套及设备运行效率相关问题进行了广泛研究，并在各个领域取得了较大发展。20世纪6070年代日本学者佐用泰司在施工设备的经济选型及合理组合、施

3、工效益等方面开展了研究，并提出了相关结论性意见，为后面的学者开展机械化施工研究提供了基础5。Halpin6根据施工活动中存在的非连续性循环特点，提出了施工作业仿真循环作业网络模型（cyclic operations network，CYCLONE），解决了对施工机械的数量、类型及作业参数优选的问题。Ease7以机械配置对成本的影响程度为视角，建立了以单位土方量成本最低为目标的数学模型，并成功应用到土方调配问题中。孙锡衡等8通过计算机模拟技术实现了土石坝施工过程仿真，在假定土石料供应满足任意运输子系统及填筑子系统效率的前提下，确定了合理的施工设备配置方案，并反馈调节土石料生产与上坝效率。Skib

4、niewski等9利用线性规划法（linear programming method， LP）对机械设备配置与劳动力资源分配问题进行了研究。钟登华、任炳昱等10-12建立了混凝土坝施工交通运输系统，提出了基于动态仿真的高拱坝施工进度实时控制方法；Bozena等13利用人工神经网络进行了土方作业中设备使用率的预测，并确定时间及成本选择下的最优设备组合。刘全等14采用基于熵权的多目标决策理论，解决了最优施工方案问题；罗伟等15、王军周等16运用Petri网对混凝土坝施工系统耦合及施工机械配套优化仿真问题进行了研究，构建了混凝土生产、运输、仓面作业系统耦合动态仿真模型，优化了施工机械配套方案，能真实

5、反映施工机械状态的动态变化。宋凤莲等17针对锦屏一级高拱坝建立了混凝土施工机械配置优化模型，解决了机械配置方案的优选问题；黄建文等18根据高拱坝混凝土施工工艺流程等特性，建立了单队、并列的多服务台排队模型M/M/C（第1个M表示到达时间服从负指数分布，第2个M表示服务时间服从负指数分布，C表示服务台的数量），解决了高拱坝混凝土施工缆机组优化配置问题。以上学者在机械化施工、施工设备配置优化及仿真方面取得了丰硕的成果，并成功应用于各类工程领域。然而，高拱坝施工是一个极其重要而又复杂的过程，其施工工期长、混凝土浇筑量大、高峰期浇筑强度高、施工干扰大、机械设备布置困难，而且施工机械复杂多样，贯穿于大坝

6、施工全过程（混凝土的生产、运输、入仓、下料、平仓、振捣、养护等过程），因此，有必要针对高拱坝混凝土施工系统的特点，对其施工设备运行效率开展研究，充分挖掘混凝土施工设备的协同作业能力，优化设备运行参数，提高设备运行效率，加快工程施工进度17-19。高拱坝混凝土施工系统是一个动态的离散系统17，其混凝土生产、运输及浇筑各子系统之间存在着彼此衔接和制约的关系，排队论是解决这类问题的主要方法之一，Arena软件在模拟仿真方面也具有较强的适应性20-23。本文拟通过系统分析高拱坝混凝土施工系统构成，考虑混凝土的生产、运输和浇筑各子系统之间的前后衔接和逻辑制约关系，构建多服务台施工设备排队模型，结合大坝施

7、工参数，利用Arena软件模拟不同设备配置方案下的设备运行效率，为现场施工管理提供决策支持。1 混凝土施工设备系统模型建立1.1系统分析高拱坝混凝土施工工艺流程较为复杂，通常将高拱坝混凝土施工系统分为混凝土生产子系统、运输子系统和浇筑子系统15，16。生产子系统中，如果拌合楼的生产能力大于运输子系统的运输能力，混凝土就会出现滞留现象，导致混凝土温度回升，施工质量受到影响；同理，如果拌合楼的生产能力小于运输子系统的运输能力，就会造成运输和浇筑设备闲置，影响大坝施工进度。运输子系统中，按照运输设备的作业方式不同，可分为水平运输方式和垂直运输方式，自卸汽车担任从拌合楼到供料平台的水平运输，缆机承担从

8、供料平台到浇筑仓的垂直运输，缆机在运输子系统中起关键性作用，也是整个混凝土施工中的瓶颈段所在。浇筑子系统中，通常需要根据缆机的浇筑强度，匹配平仓机、振捣机等施工设备的数量，充分利用各设备的利用效率24。高拱坝混凝土施工各子系统之间的逻辑关系如图1所示。图1高拱坝混凝土施工系统设备运行流程图Fig.1Equipment operation flowchart of high arch dam concrete construction system由图1可知，高拱坝混凝土施工各子系统之间相互影响，自卸汽车在拌合楼处的服务具有一定的随机性，缆机在供料平台处的服务受多种因素影响也具有不确定性。因此，

9、在构建多服务台施工设备排队模型时，可以把拌合楼定义为1级服务台，缆机组定义为2级服务台，自卸汽车定义为系统中流动的实体，服务于两级服务台之间，实体在服务台之间遵循先到先服务（first come first service，FCFS）规则，服务模型如图2所示。图2X/Y/Z/A/B/C多服务台排队模型Fig.2X/Y/Z/A/B/C multi-server queuing modelX/Y/Z/A/B/C多服务台排队模型中：X表示系统中顾客到达时间间隔的分布；Y表示服务台服务时间的分布；Z表示系统中并列服务台的个数；A表示系统容量上限；B表示顾客源的个数；C表示系统的服务规则。当系统中服务台

10、个数Z=1时，即表示此时只能1次为1个顾客提供服务；当Z1（取整数）时，即表示系统能为多个顾客同时提供服务。由于混凝土水平运输的工作量较大，并且自卸汽车到达拌合楼的时间以及其装料时间具有一定的随机性，参考类似工程的设备运行规律和数值模拟分析后认为，单位时间内自卸汽车到达数量服从泊松分布，装料时间服从三角分布，自卸汽车和缆机的运行时间服从正态分布。1.2边界条件为得到可靠的模型计算结果，选取经典浇筑坝块，其边界条件有缆机数量、拌合楼个数、自卸汽车数量以及各种配置设备的运行参数。1)缆机数量限制根据高拱坝混凝土实际浇筑情况，设单仓配备缆机数量为Ni台，每台缆机都有一定的辐射区域，且工作时应保证留有

11、足够的安全距离，单台缆机的工作范围以它的移动上限Lmax（i）及下限Lmin（i）（x=1，2，N）来限定，那么缆机浇筑范围应满足如下要求18：s.t.|y(ni)L(ni)/2|Lmax(i)y(ni)+L(ni)/2Lmin(i)|y(ni)L(ni)/2y(nj)L(nj)/2|SL|y(ni)+L(ni)/2y(nj)+L(nj)/2|SL（1）若缆机总数量为NX台，则2台相邻缆机同时移动时需要满足最小安全距离为L(ni)/NXSLL(ni)/NXSL（2）式中：y（ni）、y（nj）分别为浇筑块ni、nj中心点y坐标；Lmax（i）、Lmin（i）分别为缆机辐射区域的上限和下限；L（

12、ni）、L（nj）为第I号缆机在浇筑块ni、nj中顺水流方向上的有效行程长度；SL为相邻缆机间最小安全距离，根据施工经验一般取SL=12 m。2)拌合楼和自卸汽车数量限制设拌合楼数量为Ci座，单台缆机配备的自卸汽车为Ri辆，则应满足：RiNi(i1且为正整数)RiRX(i1且为正整数)CiNX(i1且为正整数)（3）式中：Ni为单仓配备的缆机数量；Ci为拌合楼数量；RX为自卸汽车总数；NX为缆机总台数。3)平仓机和振捣机数量限制1台缆机应保证最少配备1台平仓机和1台振捣机，故平仓机和振捣机的数量应根据每仓配备的缆机数来定，设平仓机的数量为Ai台和振捣机数量为Aj台，即AiNi(i1且为正整数)

13、AjNi(j1且为正整数)（4）式中：Ai、Aj为平仓机和振捣机的数量。1.3模型建立在高拱坝混凝土水平运输系统中，假设正在启用的拌合楼数量为c，自卸汽车的总数量为n，可投入的缆机台数为m，并且在施工现场，1座拌合楼只有1个自卸汽车入口和1个自卸汽车出口，拌合楼和供料平台之间的距离为S，自卸汽车的速度为V。一方面，将拌合楼看作是服务台，设单位时间自卸汽车到达拌合楼的数量为a辆（根据类似工程经验，一般可采用泊松分布进行模拟），单辆自卸汽车装料时间为a（即拌合楼被占用时间，通常服从三角分布），则拌合楼的服务强度可以表示为=aca（5）则该系统的状态概率P0为P0=k=0c11k!(aa)k+1c!

14、(1)(aa)c1（6）系统中正在进行排队的自卸汽车数量Lq1为Lq1=(c)cc!(1)2P0（7）系统中的自卸汽车总数量Ls1为Ls1=Lq1+aa（8）自卸汽车平均排队时间Wq1为Wq1=Lq1a（9）自卸汽车在系统内的平均逗留时间Ws1为Ws1=Ls1a（10）故拌合楼的运行效率P1为P1=1P0（11）另一方面，将缆机组看作是服务台，设单位时间自卸汽车到达缆机供料平台的数量为b辆，单台缆机服务时间为b（通常需要根据现场实测数据进行统计分析），缆机的服务强度可以表示为=bmb（12）则该系统的状态概率P0为P0=k=0m11k!(bb)k+1m!(1)(bb)m1（13）系统中正在进行

15、排队的自卸汽车数量Lq2为Lq2=(m)mm!(1)2P0（14）系统中的自卸汽车数量Ls2为Ls2=Lq2+bb（15）自卸汽车平均排队时间Wq2为Wq2=Lq2b（16）自卸汽车在该系统内的平均逗留时间Ws2为Ws2=Ls2b（17）故缆机的运行效率P2为P2=1P0（18）设拌合楼和供料平台之间的自卸汽车的平均耗时为Ws3（自卸汽车的运行状态一般有加速、匀速和减速3种，参照类似工程经验，通常可采用正态分布进行模拟）：Ws3=SV（19）则自卸汽车的运行效率为P3=1Wq1+Wq2Ws1+Ws2+Ws3（20）考虑到系统中设备种类较多，这里可以采用设备综合运行效率来衡量整个混凝土施工系统中

16、的设备运行效率，根据设备在系统中的重要性，可以采用下式计算施工设备综合运行效率：=1P1+2P2+3P3（21）式中：为混凝土施工系统设备综合运行效率；1、2、3分别为拌合楼、缆机和自卸汽车的效率权数。2 基于Arena的系统仿真2.1仿真系统分析在高拱坝混凝土施工过程中，混凝土生产系统、运输系统和浇筑系统按照一定的逻辑关系紧密相连，同时各个施工活动的状态也具有一定的随机性。将施工过程中的拌合楼和缆机看作“服务台”，其中承担水平运输作用的自卸汽车既要接受拌合楼的排队等待供料服务，又要接受供料平台处缆机的受料服务。自卸汽车到达拌合楼前，首先判断是否有拌合楼处于空闲状态，若有空闲，则直接进入装载混

17、凝土通道，准备装载。若没有空闲拌合设备，则进入停泊区排队等待，直到拌合楼释放可以进入装载的信号。装载混凝土后，自卸汽车通过公路运往供料平台，在大坝供料平台处重复判断等待过程。此后，自卸汽车卸料返回，由缆机承担水平及垂直运输功能，混凝土生产运输具体流程见图3。图3混凝土生产运输仿真模型流程图Fig.3Flowchart of concrete production and transportation simulation model2.2仿真模型构建在Arena软件中，空载自卸汽车通过Create模块被定义为“实体”进入系统，经Assign模块赋值，仿真时钟记录当前时间，再由Decide模块来

18、判断其能否立刻进入拌合站接受装载混凝土服务，若不能立刻接受服务，则进入Hold模块等待环节，接受服务后改变发出信号值。此后经由一系列的Progress模块将时间、道路等资源分配给自卸汽车，自卸汽车上坝后进入缆机运输的排队系统。此过程类似拌合楼处的判断等待过程，之后通过Separate模块自卸汽车与混凝土分离，自卸汽车返回，混凝土由缆机运输。最后，Record模块记录仿真数据，在Dispose模块中离开系统。具体仿真过程如图4所示。图4Arena仿真模型Fig.4Arena simulation model3 工程实例分析某大坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程1 885 m，建基面设计高程1 580

19、m，最大设计坝高305 m。大坝混凝土生产系统布置在右岸坝肩1 885 m高程附近，该混凝土生产系统每座拌合楼配备2台BHS公司生产的DKX 7.0强制式搅拌主机，其生产总量约为600万m，混凝土月浇筑高峰强度为20万m。设计安装有6台30 t平移式缆机，单台缆机每次可吊运约9.6 m3混凝土方量。缆机的覆盖范围如图5所示。图5缆机覆盖范围平面示意图（单位：m)Fig.5Plane diagram of cable-crane cover range(unit: m)在7号坝段高程1 700 m、水平运输距离447.5 m的大坝混凝土施工中（具体施工参数见表1），初步选择3台缆机进行施工，分别

20、为13号缆机。表1施工工况参数Table 1Construction condition parameters工程名称坝段起止高程/m仓容/m运输距离/m浇筑量/m调用缆机上限/台高长垂直水平混凝土工程71 7001 7033.052.2200.0447.55 10753.1仿真参数本次仿真计算中，拟定启用出机口数量为14，可调用缆机数量NA=3，自卸汽车数量为210。拌合楼占用时间根据DKX 7.0搅拌设备单次拌合周期认为拌合楼单次出料时间服从三角分布，拌合楼拌合能力如表2所示，计算得出拌合楼出料时间分布为（1.4，1.8，2.2）。根据现场试验统计得出自卸车从供料平台返回拌合楼前的时间服从

21、均值为2.3、标准差为0.9的正态分布，自卸汽车工作参数见表3。表2DKX 7.0拌合楼拌合能力Table 2Mixing capacity (time required, in second) of mixing plant DKX 7.0(s)进料时间搅拌时间出料时间搅拌周期223050 (常规混凝土)4580 (预冷混凝土)2880100 (常规混凝土)95130 (预冷混凝土)表3自卸汽车工作参数Table 3Operation parameters (time required, in se-cond) of the dump truck自卸汽车类型/ m装料时间/s卸料时间/s分布

22、类型服务时间/s均值标准差9.61218正态分布2.30.9根据现场数据统计，选取部分施工时段缆机组施工数据（具体见表4），分析缆机组单次从“受料运料卸料返回”的过程，计算得出缆机组服务率服从=7次/（0.5 h）的负指数分布。表4每0.5 h缆机到达数统计Table 4Statistics of arrival number per 0.5 h of the cable-crane历时/h缆机到达数/台054568987750510347689854210153565910676215202281098757720254599101287612530368101414787430353651

23、1597664354046891210667340457788131087444545.6623.2仿真结果仿真主要考虑了不同工况下的高拱坝混凝土施工设备运行效率，并进一步验证施工设备综合运行效率是否是决定施工设备配置方案的可信度。本次仿真时长设置为48 h，通过控制变量法，对多种施工设备配置方案进行模拟，施工设备配置方案如表5所示。按照实际工程经验，对于平仓而言，为了保证大坝在施工过程中的混凝土浇筑强度要求，往往1台缆机至少要保证对应有1台平仓机和1台振捣机配套施工，各方案计算结果如表6所示，同时运用Matlab编程可以绘制设备综合运行效率云图，如图6所示，绘制不同方案下各种不同设备的运行效

24、率变化曲线，如图7所示。表5施工设备配置方案Table 5Construction equipment allocation schemes配置组合最大调用自卸汽车/辆出机口/个缆机/台平仓机/台振捣机/台方案1101333方案2102333方案3103333方案4104333表6各方案设备运行效率计算结果Table 6Calculation results of equipment operation efficiency of each scheme汽车数量/辆设备运行效率/%方案1方案2方案3方案4汽车拌合楼缆机综合汽车拌合楼缆机综合汽车拌合楼缆机综合汽车拌合楼缆机综合282.068.1

25、65.867.495.061.873.371.4100.052.978.772.7100.040.985.473.8367.076.980.878.968.078.688.584.585.062.892.283.6100.046.795.582.1444.084.287.984.350.084.595.689.772.067.097.387.395.048.498.984.5537.089.090.386.738.086.598.591.557.067.799.287.980.048.399.684.0632.090.293.989.133.087.699.392.050.068.199.58

26、7.772.048.599.683.6728.091.395.390.129.087.899.592.045.068.299.687.567.048.799.683.4825.091.795.490.126.087.999.591.841.068.699.687.443.048.699.681.9922.091.695.489.923.088.799.591.933.068.899.687.035.049.199.681.61020.091.995.489.921.089.199.591.930.068.999.686.831.049.399.681.4图6施工设备综合运行效率云图Fig.6C

27、loud image of comprehensive operation efficiency for construction equipment图7不同方案下的施工设备运行效率变化曲线Fig.7Operation efficiency curve of construction equipment under different schemes分析以上图表可知：1）随着自卸汽车数量的增加，除自卸汽车自身的运行效率呈下降趋势之外，其他设备的运行效率（拌合楼运行效率、缆机运行效率）均呈上升趋势，因此，在实际施工过程中，在自卸汽车数量充足的条件下，可以通过适当增加自卸汽车数量的方式来提高拌合楼

28、和缆机的运行效率。2）随着出机口数量的增加，自卸汽车和拌合楼的运行效率呈下降趋势，而缆机的运行效率呈上升趋势；缆机运行效率曲线（图7（c）显示，自卸汽车超过5辆之后，除1个出机口方案之外，其他方案的缆机运行效率均达到95%以上，各方案之间的差异并不显著；而设备综合运行效率曲线（图7（d）显示，自卸汽车超过2辆之后，2个出机口方案下的设备综合运行效率一直优于其他方案。3）对照表6、图6、图7（d）可知，本工程混凝土施工系统设备配置的最优方案为方案2，即开启2个出机口（1座拌合楼），启用3台缆机，投入6台自卸汽车，该方案的施工系统设备综合运行效率达92%。3.3敏感性分析在实际工程施工中，缆机不仅

29、要负责吊运混凝土，同时还要参与其他的吊装运输作业（如吊运坝上设备、材料、构件等），这些吊装运输作业可能会与混凝土运输作业产生冲突，从而对混凝土拌和系统和运输系统产生一定影响，进而影响到混凝土施工系统设备的综合运行效率。为了探索缆机参与其他吊装运输作业对混凝土施工系统设备运行效率的影响，本文考虑缆机在一个循环（时长48 h）中分别有2 h和4 h参与其他吊运作业，对各方案（方案14）混凝土施工系统设备运行效率进行仿真模拟，模拟结果如表7、8所示。表7各方案设备运行效率计算结果(缆机参与其他吊运作业2 h)Table 7Calculation results of equipment operat

30、ion efficiency of each scheme (the cable-crane participates in other lifting operations for 2 hours)汽车数量/辆设备运行效率/%方案1方案2方案3方案4汽车拌合楼缆机综合汽车拌合楼缆机综合汽车拌合楼缆机综合汽车拌合楼缆机综合278.958.668.966.693.757.274.770.9100.050.778.972.3100.040.885.473.8366.674.784.080.367.073.589.083.380.060.992.783.0100.045.995.681.9440.7

31、82.192.986.848.380.195.688.465.066.797.687.089.046.299.283.8536.182.896.188.837.581.398.990.254.066.999.387.574.047.199.683.3631.486.796.489.832.183.499.390.845.067.199.687.268.047.399.883.2726.586.796.889.727.683.699.690.841.367.299.787.154.047.699.882.4824.186.796.889.624.783.999.690.739.767.499.7

32、87.140.147.299.881.5920.186.896.889.422.083.999.690.632.267.699.786.733.447.699.881.21019.086.896.889.319.184.599.690.529.667.899.786.630.648.099.881.1表8各方案设备运行效率计算结果(缆机参与其他吊运作业4h)Table 8Calculation results of equipment operation efficiency of each scheme (the cable-crane participates in other lifting operations for 4 hours)汽车数量/辆设备运行效率/%方案1方案2方案3方案4汽车拌合楼缆机综合汽车拌合楼缆机综合汽车拌合楼缆机综合汽车拌合楼缆机综合276.257.669.166.390.154.775.670.699.550.279.072.210038.886.173.7362.571.6