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鐘登華等: 水利水電工程施工水流控制過程的仿真與優(yōu)化方法

可視化方法、施工導流過程三維圖形仿真方法以及基于系統(tǒng)仿真的施工導流不確定性分析方法等理論方法與技術(shù), 并成功應用于溪洛渡、錦屏一級、糯扎渡、向家壩等多項國家重點工程中. 本文在上述工作的基礎(chǔ)上, 針對目前存在的仿真建模復雜, 通用性差, 仿真數(shù)據(jù)、仿真計算與可視化分析難以耦合等技術(shù)難題, 提出了面向結(jié)構(gòu)圖的施工水流控制過程仿真與優(yōu)化方法, 通過分析施工導流系統(tǒng)動態(tài)、非線性的時空狀態(tài), 建立了復雜施工導流過程的結(jié)構(gòu)圖仿真通用模型, 并實現(xiàn)了集仿真建模、仿真計算和仿真可視化于一體的施工水流控制過程仿真與優(yōu)化系統(tǒng)環(huán)境, 為全面描述和分析水利水電工程施工水流控制過程提供了技術(shù)平臺.

圖1 復雜施工導流系統(tǒng)時空關(guān)系模型

現(xiàn)對整個施工過程的統(tǒng)一控制, 直觀地了解任一時刻的導流信息.

1 施工水流控制系統(tǒng)分析

水利水電工程施工水流控制是一項復雜的動態(tài)系統(tǒng)工程, 根據(jù)其動態(tài)特征和內(nèi)部各個環(huán)節(jié)的性質(zhì), 整體系統(tǒng)可分為主體建筑物子系統(tǒng)、導流建筑物子系統(tǒng)和不斷變化的水流子系統(tǒng). 這三者間相互制約又相互聯(lián)系: 一方面, 各時段導流標準對應的來流情況確定了導流建筑物和主體建筑物的施工進度; 另一方面, 導流建筑物和主體建筑物的施工進度又影響著導流各時段導流建筑物的規(guī)劃及導流標準的確定. 一旦上述這種制約關(guān)系被破壞, 則勢必會導致導流風險的產(chǎn)生, 甚至可能會引起施工導流的失敗.

整個施工水流控制過程中來流、導流建筑物規(guī)劃、大壩及圍堰施工進度等各環(huán)節(jié)不斷動態(tài)變化, 邏輯關(guān)系極為復雜. 為簡化施工導流系統(tǒng)建模, 根據(jù)復雜系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)理論, 綜合考慮主體建筑物、導流建筑物與水流控制三者間的復雜約束關(guān)系, 建立復雜條件下施工導流系統(tǒng)的時空關(guān)系模型, 如圖1所示. 該模型各部分有其特定功能與對應的屬性信息, 同時以信息為中介, 通過全過程導流規(guī)劃、施工進度計劃與水流控制等特定關(guān)系實現(xiàn)整個系統(tǒng)的耦合. 通過分解與耦合, 使一個紛繁復雜的系統(tǒng)變成了一個相互聯(lián)系的協(xié)調(diào)一致的系統(tǒng). 在整個施工水流控制系統(tǒng)中, 既能抽取各個子系統(tǒng)從局部細節(jié)上把握其特有的規(guī)律和運動變化過程, 又能將各子系統(tǒng)置于整個施工導流全過程中來考察其相互關(guān)系, 從而實

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2 面向結(jié)構(gòu)圖的施工導流過程仿真建模

2.1 結(jié)構(gòu)圖仿真方法

針對某類系統(tǒng)中各種可能出現(xiàn)的線性或非線性環(huán)節(jié), 由環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)參數(shù)來確定結(jié)構(gòu)圖的輸入與輸出, 并根據(jù)環(huán)節(jié)的數(shù)學模型編寫相應的仿真計算程序, 再以這些仿真結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ), 通過輸入、輸出相連接構(gòu)造各個系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型, 通過人機交互輸入各環(huán)節(jié)的類型、參數(shù)等信息進行數(shù)字仿真, 稱為面向結(jié)構(gòu)圖的仿真方法[13,14].

對于一個動態(tài)系統(tǒng)中的任何環(huán)節(jié)或子系統(tǒng), 都可以用一個結(jié)構(gòu)圖來表示[14]. 在狀態(tài)空間模型中, 各環(huán)節(jié)一般由三個基本元素組成: 輸入變量、狀態(tài)變量和輸出變量, 如圖2所示. 其中輸出變量又是輸入變

量、采樣時間以及狀態(tài)變量的函數(shù), 它們之間的數(shù)學關(guān)系式如下:

y=f0(t,x,u), (1)

c=fc(t,x,u), (2) x

xd=fd(t,x,u), (3)

c+xd. (4) x=x

圖2 結(jié)構(gòu)圖的基本元素

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