可视化动态仿真技术及其应用

2002年8月系统工程理论与实践第8期　文章编号:100026788(2002)0820114207可视化动态仿真技术及其应用钟登华1,段文泉1,张伟波1,郑家祥2(1.天津大学水利水电工程系,天津300072;2.国家电力公司成都勘测设计研究院,四川成都610072)摘要:　提出了集可视化面向资源建模技术、数字仿真技术、网络计划分析与优化技术、三维动态演示技术于一体的施工全过程可视化动态仿真思想,将施工系统作为一个整体,综合考虑施工工期、施工强度、交通运输以及各工序之间、各工作面之间的相互联系和制约,进行施工全过程的计算机仿真计算和施工方案的优化分析,获得合理的施工工期、机械设备配套方案、施工道路系统行车密度等重要参数,施工三维面貌在仿真计算中也可实时演示出来Λ它为选择合理的施工组织方式、制定最佳的机械设备配置方案、编制可行的施工进度计划以及直观掌握了解施工全过程提供了有力的分析方法Λ研究成果在实际地下洞室群施工组织设计中获得了成功的应用Λ关键词:　动态仿真;可视化;面向资源;网络计划分析与优化技术;三维动态演示中图分类号:　TU91 文献标识码:　A αV isual D ynam ic Si m u lati on T echn ique and Its A pp licati onZHON G D eng2hua1,DU AN W en2quan1,ZHAN G W ei2bo1,ZH EN G J ia2x iang2(1.D epartm en t of H ydrau lic and H ydroelectric Engineering,T ian jin U n iversity,T ian jin300072,Ch ina;2.Chengdu H y2 droelectric Investigati on D esign In stitu te,State Pow er Co rpo rati on of Ch ina,Chengdu610072,Ch ina)Abstract:　T he con structi on p rocess of hydrau lic and hydroelectric engineering is ex trem ely comp licat2ed.In th is paper,a new m ethod called the visual dynam ic si m u lati on techn ique fo r con structi on p rocessis p resen ted,w h ich com b ines visual resou rce2o rien ted modeling techn ique,digital si m u lati on techn ique,netw o rk p lan and op ti m um,and th ree2di m en si on real2ti m e an i m ati on demon strati on techn ique.It treatsthe con structi on system as a w ho le and si m u lates the w ho le con structi on p rocess and op ti m izes the con2structi on schedu ling w ith comp rehen sive con siderati on of the in teracti on of m any facto rs such as the con2structi on du rati on,the in ten sity of excavati on,the traffic of con structi on road,the in terference of dif2feren t w o rk ing faces and so on.T he param eters of reasonab le con structi on du rati on,the op ti m um e2qu i pm en t set and the in ten sity of traffic flow and so on are ob tained,and th ree2di m en si on structu re isdisp layed w ith the si m u lati on calcu lati on.T he app roach described in th is paper p rovides a pow erfu l ana2lyzing too l fo r choo sing reasonab le con structi on o rgan izati on,ob tain ing the op ti m um equ i pm en t setp lan,comp iling the con structi on schedu le,and grasp ing the con structi on p rocesses.T he researchach ievem en t is app lied successfu lly to the con structi on o rgan izati on and design of som e p ro jects.Key words:　dynam ic si m u lati on;visual;resou rce2o rien ted;netw o rk p lan and op ti m um techn ique;th ree2di m en si on demon strati on techn ique1　前言水利水电工程施工是一个极其复杂的过程Λ施工条件复杂,工序繁多;各工序配合与相互干扰错综复杂;施工受到各方面众多因素影响与限制Λ因此,有必要采用科学的理论方法和先进的技术手段,全面系统地分析研究施工中各方面因素,统筹各方面相互联系和制约关系,使各工序相互协调,使施工组织设计更加科学化,达到施工快速、经济、安全,施工顺序合理之目的Λ仿真技术在水利水电工程中的应用为水利水电工程施工系统分析提供了有效的工具,其中地下洞室群施工系统仿真研究已取得许多成果[1,2],但目前α收稿日期:2001203213资助项目:“九五”国家重点科技攻关项目(962221205203202(2));国家自然科学基金(50179023)作者简介:钟登华(1963-),男,江西章贡州人,教授,博士,研究方向:工程系统仿真与优化.只停留在“分段模拟阶段”Λ其主要步骤是:首先以各个单洞与三大洞室的分别施工为研究对象,进行单项洞室的施工仿真计算分析,寻求出各单项洞室经济合理的机械设备配套方案以及合理的施工工期;在得到各单项洞室施工工期的基础上,采用网络计划与优化技术,通过施工强度优化,合理地安排洞室群施工进度;在既定的施工进度基础上,从中找出施工强度较大的典型时段,进行多工作面同时施工的交通运输仿真计算分析,获取交通拥塞情况,对既定的施工进度给予论证Λ“分段模拟”将施工系统人为割裂开来,忽略了施工系统中各单项工程之间、各工作面之间的相互影响、相互制约Λ随着人们对建模方法学研究的不断深入及计算机技术的飞速发展,模拟技术在建模、优化、分析、应用等方面均取得了可喜的成绩Λ人们提出了一系列有意义的技术方案,归结起来有以下几点Λ1)可视化建模;2)一体化模拟环境的深入发展;3)模拟数据库;4)动画仿真;5)实现模拟结果分析到建模的自动反馈;6)基于信息处理的模拟Λ上述六点构成了90年代模拟技术发展的主要方向,同时也构成了先进模拟技术的主要内容[3]Λ基于先进模拟技术的发展方向,本文提出了施工全过程可视化动态仿真技术Λ该技术采用系统工程的理论思想,把整个施工过程作为一个整体,综合考虑施工进度、施工强度、机械设备配套、各工作面的干扰、交通运输以及各单项工程之间、各工作面之间的相互影响和相互制约Λ所进行的仿真计算是针对整个施工系统进行的,优化也是使整个系统达到最优,而不是局部达到最优Λ2　可视化动态仿真技术可视化动态仿真技术融合可视化面向资源建模技术、数字仿真技术、网络计划分析与优化技术、三维动态演示技术于一体,为复杂的系统施工提供了有力的计算与分析工具Λ2.1　可视化面向资源的施工系统仿真建模方法[4-7]施工仿真在施工系统分析研究中取得了较好的成果,但在实际施工过程中的应用受到限制,主要的障碍来自于使用仿真语言建模的复杂性Λ使用仿真语言进行施工系统仿真建模,不仅要求用户熟悉仿真语言,而且要求用户认真地分析要进行仿真的施工系统,搞清仿真的目的,将施工系统抽象成能用仿真语言描述的系统Λ建模复杂性影响了仿真技术作为有效管理工具的作用,如何能够实现简化而又灵活的建模过程是仿真研究的重要课题Λ虽然每个施工系统具有其独特性,但其活动总是与特定的资源实体如机械设备、劳动力、材料等相联系Λ同时,施工系统目标是通过其组成资源的优化而实现的Λ因此,资源在施工系统中处于主导地位Λ根据施工系统这一特点,根据面向进程[3]的仿真思想,可定义与特定资源相联系的进程为资源进程Λ资源进程的概念从资源的角度重新认识了施工系统建模过程,即施工系统可以由一组面向资源的进程加以描述Λ可视化面向资源的施工系统仿真建模方法(visual resou rce 2o rien ted m odeling ,V RM )就是实现了在计算机辅助可视化的基础上,以资源进程单元模型为基本组成单位,通过通信端口(包括流入和流出端口)联结各资源进程,将其拼合成系统仿真模型,使得各资源实体在仿真模型中动态流动的仿真建模方法Λ可视化面向资源的施工系统仿真模型由资源进程单元模型、矢线和活动属性(也即仿真所需的基本参数)组成Λ资源进程单元模型集合和矢线集合构成仿真模型库,活动属性集合则构成仿真数据库Λ图1　用循环网络节点描述的出渣资源进程单元模型1)资源进程单元模型描述了一个进程所包括的事件及活动间的逻辑、时序关系,它是循环网络模型[1]基本组成部分的概括性知识Λ以隧洞施工的出渣资源进程为例,将此进程用循环网络节点描述如图1所示Λ此进程共包括7个节点,流入端口和流出端口为与其它资源进程单元模型联接的信息端口Λ2)矢线表示各进程在空间或时间上的逻辑联系、资源实体的流动方向,不消耗时间资源Λ511第8期可视化动态仿真技术及其应用3)活动属性由诸多方面所组成,包括活动所占用的资源数量、资源特性、现场状况、活动的持续时间以及与该活动有关的其它参数等Λ可视化面向资源的施工系统仿真建模使用更加接近现实的图形来进行仿真建模,从而简化了建模过程Λ在计算机辅助可视化条件下,只需用鼠标器选取施工项目所需资源进程,确定其间的连接关系,并描述与各资源进程相关的资源特性、现场状况等,系统便可以自动生成施工系统仿真模型Λ图2为简化的某隧洞施工建模过程Λ图2　简化的某隧洞施工建模过程2.2　动态仿真原理及实现工程施工系统是复杂的带有随机因素的系统,用解析数学模型很难描述Ζ动态仿真技术的引入解决了这一问题Ζ施工系统仿真属于离散系统仿真,其引入“模拟钟”(或称为“仿真钟”)概念来体现“模拟时间”的运行轨迹Ζ通过“模拟钟”的不断推进,来得到施工系统的状态随着时间的不断改变而呈现出的动态变化过程Ζ其基本步骤是:首先选取施工系统施工前的状态作为系统的初始状态,并以开始施工的时刻作为模拟钟的零点Ζ从该起点开始,每推进一个时间步长∃t ,就对施工系统的所有工序、资源、施工强度、机械设备调配、各工作面相互干扰情况、施工道路系统交通运输情况等进行扫描,根据各工序时间、空间上的逻辑关系以及相互制约条件,通过分析评价,判断在该时段是否有事件发生Ζ如果有事件发生(指系统状态发生变化的瞬间事变,如机械设备的数量变化、忙闲状态的变化,以及某一活动的开始或结束等),则它们就被认为发生在∃t 的终止处,并相应地改变系统的状态Ζ如果在∃t 内无事件发生,则系统的状态不发生变化,只将模拟钟推进Ζ重复上述做法直至整个工程完工的状态为止Ζ2.3　三维动态演示原理及实现[8]水利水电工程施工工序繁多,各工序之间逻辑关系复杂,仅依靠静态的进度计划图表,要想快速、准确地把握施工过程的全貌是比较困难的,然而三维动态演示技术提供了协调、组织、展示信息的途径Λ将施工过程面貌三维实时动态演示引入仿真研究,使得仿真过程更加清晰、直观、逼真,为全面、准确、快速地掌握施工全过程提供了有力的分析工具Λ三维实时动态演示是在仿真计算的同时,从仿真中间成果库中读取有关描述当前施工面貌的数据,用程序或工具生成一系列的反映当前施工面貌的画面,然后通过画面的连续播放来反映施工面貌的变化过程Λ高速地显示一系列静止图像,当图像过渡连续时,由于视觉的暂留,便可产生动态演示效果Λ对于施工系统各建筑物,其各层及其具体细部的位置均由其关键点的坐标来控制Λ这些关键点的坐标是画三维图形函数的参数,三维图形的变化就是由关键点坐标值的变化引起的Λ每当仿真钟向前推进一个时间步长,各建筑物的各关键点坐标值根据仿真成果库中的数据做相应变化,而后向绘图程序发送消息,强制图形根据变化后的各关键点坐标值进行重绘Λ伴随着屏幕的更新,由于视觉的暂留,便产生了动态演示的效果Λ动态演示必须能够清晰地显示单洞施工、洞群施工等时间、空间上的逻辑关系,必须与通过网络计划分析得到的各个工序的开始时间、持续时间、完成时间等相一致Λ它的解决方法是:在程序设计过程中,在系统定时器中设置一个计数器,建立计数器与时间之间的对应关系(例如:计数器每增加1,就相当于时间增加5天)Λ这样,各工序的开始时间、持续时间、完成时间就相当于一个计数器数值Λ每当接受一个新消息时,就判断在当前计数器数值下,各洞室需要的各种动作(尚未开挖、开挖中、开挖完),强制重绘图形,实现了与网络计划逻辑、时间一致性Λ把三维动态演示技术引入到仿真中,以数据的直观可视化为出发点,将地下洞室群施工过程用运动着的画面形象地描绘出来,体现了地下洞室群施工过程中各工序的时间、空间和逻辑关系,揭示了系统的动态行为特征;三维动态演示技术能够使系统专家对工程有一个形象直观的了解,充分暴露设计中的漏洞与缺陷,有助于系统专家提出卓有成效的意见和建议,并进一步指导施工组织设计的调整Λ3　地下洞室群施工全过程可视化动态仿真计算实例611系统工程理论与实践2002年8月3.1　某工程地下洞室群简介某水电站位于四川省雷波县和云南省永善县境内的金沙江下游,其工程引水发电系统(简称地下厂房系统,下同)由进水口、引水洞、主、副厂房、母线洞、主变室、电缆出线井、通风洞、尾水管及连接洞、尾水调压室、尾水隧洞、厂房防渗设施及地面开关站等组成Λ各洞室均位于新鲜完整的岩体中,水平埋深350m 以上,竖向埋深450m 左右Λ左岸引水发电系统共计:石方明挖503.4万m 3,石方洞挖403.88万m 3,混凝土145.77万m 3;右岸引水发电系统共计:石方明挖299.27万m 3,石方洞挖398.55万m 3,混凝土148.80万m 3(均不含附加量)Λ地下厂房系统三大洞室上、下游端均布置有施工通道Λ地下厂房系统的开挖程序示意图参见图3Λ图3　某地下厂房系统的开挖示意图该工程地下洞室群纵横交错,布置密集,高差大,施工通道少,施工条件复杂Λ在施工过程中,不但各工序配合与相互干扰错综复杂,在安排各个洞室施工先后顺序及隧洞施工程序时,需要顾及对工程的总工期、围岩稳定、施工强度以及交通运输等问题的影响Λ该地下洞室群施工系统无论在规模上还是在复杂程度上都十分罕见,没有成熟的施工经验可供借鉴,仅依靠设计人员采用传统的方法分析计算,难以优化地选择施工机械设备及施工方案,难以定量地确定各施工工序之间的干扰程度,尤其是各施工通道的布置、断面尺寸在没有各通道的动态交通流量的情况下,要做到既经济又合理,这是很困难的Λ因此,有必要采用科学的系统分析方法和先进技术手段,全面系统地分析地下洞室群施工中的各方面因素以及各方面相互联系和制约关系,将各洞室做为一个整体进行合理地组织安排,使各洞室之间、各工序之间以及各种机械设备之间相互配合、相互协调,使设计与施工组织更加科学化,提高大型地下洞室群施工组织设计的现代化水平Λ3.2　全过程可视化动态仿真模型的建立根据可视化面向资源的施工系统仿真建模方法,可建立该地下洞室群的施工全过程可视化动态仿真模型Λ建立全过程可视化动态仿真模型时,首先应明确施工过程中有哪些活动,各活动的时间、空间、逻辑关系,模型中各活动应具有的属性等等;然后由模型的组成部分建立起初步模型Λ建模过程是一个反复修改的过程,当所建模型与实际基本相符时为最后的全过程可视化动态仿真模型Λ3.3　部分仿真成果分析通过地下洞室群施工全过程可视化动态仿真计算,不仅可以得到合理的施工进度计划、最优的机械设备配套方案,同时可以得到各时段较全面的工程施工信息,如哪些工程正在施工、施工强度如何、资源利用率、施工道路系统行车情况等Λ资源强度柱状图、带逻辑关系的横道图等成果能够自动统计输出,洞室的开挖过程面貌在仿真计算过程中也会实时显示出来Λ该地下洞室群施工有1条关键路线,依次为厂房上支洞、主厂房上1挖、厂顶支护、主厂房上2挖、主厂房中1挖、主厂吊车梁砼、主厂房中2挖、主厂房中3挖、主厂房下1挖、主厂房下2挖、主厂房下3挖、主厂房下4挖、一期砼1、二期砼埋件、一号机组安装发电Λ厂房上支洞施工开始于第二年7月,第十年1711第8期可视化动态仿真技术及其应用月第一台机组发电,总工期为88.6个月(7年5个月)Λ在初始计算成果中,开挖强度很不均衡Λ非关键线路上时差很大,因此,有必要进行工期不变的开挖强度均衡优化Λ通过软件优化后,得到均衡开挖强度柱状图、均衡施工进度横道图Λ单洞最大开挖强度为1.325万m 3 月,多工作面最大开挖强度总和为8.95万m 3月Λ从施工程序安排、施工进度和开挖强度上来说都是合理的Λ图4为2003年7月的地下洞室群施工面貌,图5为带有逻辑关系的初始横道图,图6为均衡后的资源强度柱状图Λ图4　2003年7月的某地下洞室群施工面貌图5　带有逻辑关系的初始横道图从行车情况的仿真计算结果来看,第2年11月的交通流量最大,其中第一交叉口尤为繁忙,行车密度811系统工程理论与实践2002年8月(单向)高峰达到35辆 h ,但车辆排队的机率小于1%Λ这表明在施工高峰期施工通道能满足交通运输要求,不会造成交通堵塞Λ图7为某工况下第一交叉路口的单向行车密度图Λ图6　均衡后的资源强度柱状图图7　某工况下第一交叉路口的单向行车密度图4　结束语水利水电工程施工过程是极其复杂的,采用可视化动态仿真技术,把整个施工过程作为一个大的系统,综合考虑各方面因素,统筹系统中各个单项工程之间、各个工作面之间的相互影响、相互制约,使各工911第8期可视化动态仿真技术及其应用021系统工程理论与实践2002年8月序及机械设备相互协调配合,详细分析了整体的施工进度、施工强度及交通运输等关键问题,获得更为真实的施工情况,对于加快施工进度,降低工程造价,保证工程顺利进行非常必要Λ将施工面貌三维实时动态演示引入仿真研究,使得仿真过程更加清晰、直观、逼真,它为全面掌握地下洞室群施工过程提供了快捷的途径Λ可视化动态仿真技术在水利水电工程施工组织设计与优化分析中具有广阔的应用前景Λ参考文献:[1]　钟登华,孙锡衡.循环网络模拟技术[J].系统工程理论与实践,1994,14(2):7-12.[2]　孙锡衡,钟登华,朱光熙.地下洞室群施工系统分析[J].天津大学学报,1991(增刊):9-14.[3]　熊光楞,等.先进仿真技术与仿真环境[M].北京:国防工业出版社,1997.[4]　钟登华,张伟波,宋令广.可视化面向资源的施工系统模拟建模方法[J],天津大学学报,1999,(6):682-686.[5]　Sh i J.R esou rce2based modeling fo r con structi on si m u lati on[J].Con str Eng and M gm t A SCE,1997,123(1):26-33.[6]　D enn is F,M cCah ill D F,et al.R esou rce2o rien ted modeling and si m u lati on in con structi on[J].Con str Eng andM gm t.A SCE,1993,119(3):590-606.[7]　T amo tsu kam igak i,et al.A n ob ject2o rien ted visual model2bu ilding and si m u lati on system fo r FM S con tro l[J].Si m2u lati on,1996,67(6):375-385.[8]　钟登华,张伟波.复杂地下洞室群施工动态演示系统研究[J].水力发电,2000,(12):28-30.(上接第113页)6　结束语钢卷入库问题有着广泛的工业背景Λ例如造纸工厂仓库的纸卷堆放问题,货运码头的集装箱的摆放问题,等等Λ研究这种问题,无疑是非常有意义的Λ本文中的算法A,就是专门为这个问题设计的一种离线的启发式算法Λ通过实际应用,认为算法A在解决钢卷入库问题上是可行的Λ并且通过大量的模拟数据测试,发现它在解决符合条件(3)的一维装箱问题中,比起FFD,B FD这两种最经典的离线装箱算法,效果上要好Λ这对于寻找更优的装箱算法的工作具有一定的推动作用Λ参考文献:[1]　刑文训,谢金星.现代优化计算方法[M].北京:清华大学出版社,1998.[2]　Galam bo s G,W oeginger G J.O n2line p in pack ing2A restricted su rvey[J].M athem aticalM ethods of Operati on s R e2search,1995,42:25-45.[3]　Guochuan Zhang,X iaoqiang Cai,W ong C K.L inear ti m e2app rox i m ati on algo rithm s fo r b in pack ing[J].Operati on sR esearch L etters,2000,26(5):217-222.[4]　A ndrew Ch i2Ch ih YAO.N ew algo rithm s fo r b in pack ing[J].Jou rnal of the A ssociati on fo r Compu ting M ach inery,1980,27(2):207-227.[5]　陆一江,邢文训.在线A形装箱问题:模型及算法研究[J].清华大学学报(自然科学版),2001,41,(12):1-4.。