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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(dǎo)流過程三維圖形仿真方法以及基于系統(tǒng)仿真的施工導(dǎo)流不確定性分析方法等理論方法與技術(shù), 并成功應(yīng)用于溪洛渡、錦屏一級、糯扎渡、向家壩等多項(xiàng)國家重點(diǎn)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(fù)雜, 通用性差, 仿真數(shù)據(jù)、仿真計(jì)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(dǎo)流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、非線性的時(shí)空狀態(tài), 建立了復(fù)雜施工導(dǎo)流過程的結(jié)構(gòu)圖仿真通用模型, 并實(shí)現(xiàn)了集仿真建模、仿真計(jì)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(tái).

圖1 復(fù)雜施工導(dǎo)流系統(tǒng)時(shí)空關(guān)系模型

現(xiàn)對整個(gè)施工過程的統(tǒng)一控制, 直觀地了解任一時(shí)刻的導(dǎo)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(xiàng)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)工程, 根據(jù)其動(dòng)態(tài)特征和內(nèi)部各個(gè)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(dǎo)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(shí)段導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的來流情況確定了導(dǎo)流建筑物和主體建筑物的施工進(jìn)度; 另一方面, 導(dǎo)流建筑物和主體建筑物的施工進(jìn)度又影響著導(dǎo)流各時(shí)段導(dǎo)流建筑物的規(guī)劃及導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的確定. 一旦上述這種制約關(guān)系被破壞, 則勢必會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生, 甚至可能會(huì)引起施工導(dǎo)流的失敗.

整個(gè)施工水流控制過程中來流、導(dǎo)流建筑物規(guī)劃、大壩及圍堰施工進(jìn)度等各環(huán)節(jié)不斷動(dòng)態(tài)變化, 邏輯關(guān)系極為復(fù)雜. 為簡化施工導(dǎo)流系統(tǒng)建模, 根據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)理論, 綜合考慮主體建筑物、導(dǎo)流建筑物與水流控制三者間的復(fù)雜約束關(guān)系, 建立復(fù)雜條件下施工導(dǎo)流系統(tǒng)的時(shí)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(yīng)的屬性信息, 同時(shí)以信息為中介, 通過全過程導(dǎo)流規(guī)劃、施工進(jìn)度計(jì)劃與水流控制等特定關(guān)系實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的耦合. 通過分解與耦合, 使一個(gè)紛繁復(fù)雜的系統(tǒng)變成了一個(gè)相互聯(lián)系的協(xié)調(diào)一致的系統(tǒng). 在整個(gè)施工水流控制系統(tǒng)中, 既能抽取各個(gè)子系統(tǒng)從局部細(xì)節(jié)上把握其特有的規(guī)律和運(yùn)動(dòng)變化過程, 又能將各子系統(tǒng)置于整個(gè)施工導(dǎo)流全過程中來考察其相互關(guān)系, 從而實(shí)

1330

2 面向結(jié)構(gòu)圖的施工導(dǎo)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(xué)模型編寫相應(yīng)的仿真計(jì)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(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型, 通過人機(jī)交互輸入各環(huán)節(jié)的類型、參數(shù)等信息進(jìn)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(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的任何環(huán)節(jié)或子系統(tǒng), 都可以用一個(gè)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(gè)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(shí)間以及狀態(tài)變量的函數(shù), 它們之間的數(shù)學(xué)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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