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基于Arena仿真的高拱坝混凝土施工系统设备运行效率.docx
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基于Arena仿真的高拱坝混凝土施工系统设备运行效率.docx
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摘要
高效的混凝土施工设备协同作业是高拱坝混凝土施工进度、质量和成本的有效保证。为了提高施工
系统设备运行效率,优化施工设备配置方案,节约施工成本,加快施工进度,确保施工质量和安全,
针对高拱坝混凝土施工设备系统协同作业的多样性及边界复杂性,构建了单队多服务台的施工设备
排队服务模型,并基于 Arena 软件对系统设备运行效率进行了仿真研究。结合具体工程实例进行
了模型参数设置和仿真模拟,分析了不同设备配置方案下的设备运行效率,为高拱坝混凝土施工管
理提供了决策借鉴。
Abstract
Efficient concrete construction equipment coordinated cooperation is an effective
guarantee for the schedule, quality and cost of high arch dam concrete construction.
In order to improve the equipment operation efficiency of construction system,
optimize the construction equipment configuration scheme, save the construction
cost, speed up the construction schedule, and ensure the construction quality and
safety, this paper builds a single team and multiple service stations queuing service
model of the construction equipment for the diversity and complexity of the
collaborative operation of the high arch dam concrete construction equipment
system, and simulates the equipment operation efficiency based on Arena software.
Combined with a practical engineering project, the model parameter setting and
simulation are carried out, and the equipment operation efficiencies of different
equipment configuration schemes are analyzed. The study provides a reference for
decision-making of high arch dam concrete construction management.
译
关键词
高拱坝; 混凝土施工; 设备运行效率; Arena; 仿真
Keywords
high arch dam; concrete construction; equipment operation
efficiency; Arena; simulation
译
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 100~200 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)、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 60—70 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
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]
。Halpin
[ 6]
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。Ease
[ 7]
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 。Skibniewski 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.1 Equipment operation flowchart of high arch dam concrete
construction system
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
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,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 2 X/Y/Z/A/B/C 多服务台排队模型
Fig.2 X/Y/Z/A/B/C multi-server queuing model
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
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