一、前言 計算機仿真也稱計算機模擬，是借助高速、大存貯量數字計算機及相關技術，對復雜的真實系統的運行過程或狀態進行數字化模仿的技術，所以也稱為數字仿真。 計算機仿真技術應用于水電工程施工近30年，最早于70年代初，修建奧地利施立格混凝土壩時采用了確定性數字模擬技術對纜機澆筑混凝土方案進行優選，實踐表明，模擬的澆筑速度和進程與實際施工情況非常吻和。80年代初，我國首先在二灘工程大壩施工組織設計中采用該技術，進行了類似的研究，效果較好。此后越來越多的水電工程開始應用，應用范圍從輔助施工組織設計擴展到結構設計、三維動態顯示等；從仿真單一的混凝土壩澆筑到仿真土石壩施工、截流施工、地下工程施工等；應用目標從靜態的方案優選發展到動態的實時控制等；從最初把仿真成果僅僅作為一種不重要的決策參考，逐漸發展成水電工程、尤其是大型水電工程規劃、設計和施工管理中不可缺少的技術手段。如水口水電站大壩施工采用了計算機仿真實時控制技術；三峽工程二期混凝土大壩澆筑已開發了功能強大的計算機仿真系統，可以快速評價承包商提交的施工總進度計劃，能夠對技術措施進行定量分析，快速比較多種澆筑方案，對混凝土施工進行各種因素的敏感性分析，對工程進度進行實時控制，還可對澆筑過程進行三維動態顯示等。另外，三峽工程大江截流及二期圍堰工程施工過程的仿真研究，基于可視化技術及計算機圖形、圖像技術、多媒體技術等，將大江截流、二期圍堰填筑施工全過程以二維動態方式生動逼真地展示了出來。目前該研究已擴展到對整個三峽工程施工全過程的三維動態顯示。 除此之外，從結構應力分析的角度出發，大壩施工過程應力場、溫度場計算機仿真研究也悄然興起，并在一些工程的設計階段得到應用，效果很好，如大連理工大學開發的沙牌高碾壓混凝土拱壩施工過程計算機仿真系統。可以預計，將施工過程的應力仿真和施工措施仿真相結合同時輔以三維動態顯示技術的日子即將來臨，這必然為計算機仿真技術在水電工程施工中的應用開辟了更廣闊的空間。 二、計算機仿真技術簡介 計算機仿真技術的核心是按系統工程原理建立真實系統的計算機仿真數學模型，然后利用模型代替真實系統在計算機上進行實驗和研究。 按照數學模型的分類，水電工程施工過程計算機仿真模型屬于離散時間模型，即仿真過程中用某一時刻的系統狀態表示該系統某一時段內的狀態，系統狀態變化是非連續的，而是在離散時刻發生突變，如此一來，只需按時間順序描述各時間點上的系統狀態就算掌握了系統的動態變化過程。為反映離散時間模型的“時間軌跡”，需要采用“仿真鐘”。仿真鐘的推進有兩種方法：時間步長法和事件步長法。時間步長法以某一固定單位時間為增量，按時間順序仿真出各時刻的系統狀態，最終一步步地刻劃出整個系統的運行過程；事件步長法則以各個事件發生的時間為增量，同樣按時間順序將各事件的起始狀態“串聯”起來，最終一步步仿真出系統的動態變化過程。 最早建立的水電工程施工過程仿真模型多是確定性的，這與水電工程施工過程中充斥著隨機和模糊事件的實際情況明顯不符。為此，不少科研、技術人員引入了隨機理論和模糊理論，從而使建立的模型能夠更接近真實系統，同時賦予仿真研究成果更多的意義。如從工期角度評價某一施工方案的合理性時，通過計算不僅可以得出該方案最有可能的工期，還可得出按期完工的概率，從而作出方案的風險分析等。 此外，按研究目的不同，模型又分為靜態模型和動態模型。這里“靜態”模型的仿真過程并非狀態仿真，事實上仍是過程仿真，不過仿真進程必須一氣呵成，不能中斷，主要用于方案的評價和比較。而動態仿真可以任意中斷，或將仿真進程按需要分成若干階段，因此可以在方案實施當中，按照實際達到的進程水平修改施工參數，以便求出下階段施工的最佳調整方案和進度計劃，從而達到對大壩施工進行實時控制的目的。 三、計算機仿真技術在不同施工過程中的應用 1．在混凝土壩澆筑施工中的應用 大型水電工程混凝土壩澆筑過程仿真研究的主要目的是解決兩個問題：一是合理配置機械設備、妥善安排壩體混凝土注塊的澆筑順序，正確預測澆筑工期；二是在施工期間的實時控制。 澆筑過程仿真的基本思路是，首先對注塊、投入使用的澆筑、運輸設備分別進行編號。然后，按照給定的澆筑方案所要求的各種約束條件安排注塊的澆筑順序并算出各注塊澆筑施工進程，從而算出該方案下的大壩施工工期。重復計算多個方案，得出不同結果，最后經過綜合比較，即可選出最優方案。 仿真遵循的目標是：在滿足各種約束條件的前提下，安排的全體注塊的澆筑順序和澆筑設備使大壩澆筑工期最緊湊，設備閑置時間最少。而所謂的約束條件有：某注塊能否澆筑的時間約束；相鄰注塊的允許高差限制；相鄰注塊拆摸條件限制；起重機工作范圍限制；相鄰起重機工作干擾限制；氣溫條件對澆筑的影響；其他約束條件，如灌漿等。 大壩澆筑系統本質上可以看作是一個由起重機為主導的澆筑吊運系統按特定規則分別為各個注塊服務的一種特殊的排隊服務系統，系統中不僅要考慮由起重機組成的服務系統中存在的排隊現象，還要考慮與之聯系并相互制約與影響的拌和、供料、運輸系統之間的配合與相互影響等隨機因素引起的等待和排隊現象，這就需要將拌和樓、運輸車輛和起重機全部考慮為一個完整系統，用蒙特卡羅方法對之進行仿真。 2．在土石壩施工中的應用 土石壩施工組織設計中需重點解決三個問題，即：土石料場規劃與調度；運輸道路規劃及運輸機械的組織和管理；土石壩填筑過程中各作業環節之間的組織協調及施工進度計劃的制定與實施。針對上述三大問題可分別建立土石優化調運仿真模型、施工運輸仿真模型和土石壩填筑過程仿真模型，再按照三者的制約關系集成一個完整的土石壩施工仿真系統。 建立土石優化調運模型的思路是：根據內、外影響因素將大壩施工工期劃分為若干時段，在每個時段內確定供料源和受料源，先根據施工組織設計初步方案建立各時段土石線性規劃模型，然后對施工期各時段內的料場綜合編號，再結合施工中的實際要求，最終形成總的土石優化調運數學模型。其目標為總調運費用最省，而約束條件有：①最大可供應量；②最大可接受量；③堆料場進出料量平衡等。 土石壩施工運輸系統也屬于隨機排隊服務系統。對這類系統而言，一般建立排隊仿真網絡模型（Q-GERT），這是一種在美國出現的專門研究排隊系統的計算機仿真模型。利用運輸系統排隊仿真網絡模型可以解決的問題有：①計算不同運輸機械配套情況下，多種機械的利用率或忙期概率，通過綜合評價確定最佳機械配套及其相應的運輸生產能力；②運輸過程中，道路上的行車密度及相應的概率分布規律，據此可決策多種道路的建設標準；③交叉錯車情況及排隊等待情況等。 建立土石壩填筑壩面作業子系統仿真模型的思路是，把一個土石壩的施工過程離散成若干層，每一層的填筑看成一項活動，每一個區看作一個實體，而填鋪過程看作對實體進行服務，從而將土石壩的填筑施工過程抽象為一個離散事件動態系統，同樣可以建立排隊網絡模型或循環網絡模型，仿真過程實際上就是確定每一填筑層的開始填筑時間和填筑完成時間，通過仿真，可以解決以下問題：①降雨等環境因素對土石壩施工進度的綜合影響程度；②在不同的運輸機械配套及料場調運方案情況下，大壩的上升過程；③壩面作業機械的配套及其利用情況；④不同上升規劃制約下的大壩填筑過程及進度。 根據上述研究成果，經過綜合比較，可以選擇出以總費用最低為原則的最優施工方案并制定總進度計劃。 3．在隧洞施工中的應用 隧洞施工過程是一個由鉆孔、爆破、出渣等多種工序反復循環的過程，由于每道工序的作業時間多是隨機的，每個工作循環都可以產生隨機排隊現象，很可能在某一個循環作業中出現“擁塞”現象而影響其他的作業，對于這類工程的施工，若采用一般網絡模型（CPM/PERT）來表達整個工程的循環施工過程是極其復雜的，同時難以反映施工過程中某些隨機時間因素及其影響。針對這一問題，70年代美國出現了“循環運行網絡”（Cyclic oPErationNetwork）技術，是解決此類問題的最佳選擇，該技術通過模擬工程對象的循環過程和隨機時間、可算出不同資源水平和施工組織情況下循環過程的工期和成本，并找出擁塞點，通過靈敏度分析可以得到合理的機械配套組合及理想的工期成本最優方案。 建立隧洞施工循環運行網絡模型的基本思路是：首先明確施工過程中有哪些活動以及各活動之間的邏輯關系、活動需哪些初始資源及其數目；然后由模型的組成部分按照節點間的邏輯關系建立起循環運行網絡模型。 利用該模型進行隧洞施工過程仿真可得出施工工期、機械設備生產率、資源閑置等待時間、資源利用率、施工費用以及找出擁塞點等，從而為決策提供所需的多種信息。 4．在截流施工中的應用 截流是施工總進度計劃的控制性工期，一向倍受重視。與傳統方法相比，借助計算機仿真方法可以更方便、更細致、定量程度更高地研究截流中存在的問題，以更高的效率比較更多的截流施工方案，更有效地指揮現場施工，從而降低施工成本和風險，提高截流的成功率。 截流方法中最常用的是平堵和立堵兩種方法。這兩種方法，尤其是立堵法的施工過程計算機仿真在料場規劃與調度、交通運輸組織方面與土石壩施工十分類似。與土石壩施工不同的是戧堤填筑。以立堵法為例，其工程量更加集中，施工強度更大，對施工組織的要求更加嚴格，而且，戧堤填筑基本上是水下施工，截流過程中的填筑方量和拋投材料的粒徑受流速變化的制約，一方面填筑方量受截流流量影響，另一方面，需隨著龍口寬度變化進行所謂“流速分區”，因此，截流施工的計算機仿真較多地依賴于截流水力計算與河道水文、地形、地質條件，除此之外，可借鑒土石壩填筑施工過程的仿真方法。 四、結語 計算機仿真技術在水電工程施工中得到了比較成功的應用，收到了較好的經濟效益，并逐漸流行為一種趨勢。目前，該技術在設計階段的方案優選方面應用效果較為理想，但在施工期間的實時控制方面，應用效果則不盡如人意。究其原因，“瓶頸”主要是現場實時數據的收集、整理、應用存在較大的困難，仿真中對輔助作業考慮的欠缺，限制了仿真系統充分發揮這方面的功能。但我們有理由相信，隨著計算機技術的不斷發展，系統工程理論的不斷完善、以及信息技術的推廣應用，此項潛力巨大的技術必將為水電工程建設的規劃、設計、施工帶來革命性的進步。