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高拱坝施工进度自适应仿真与实时控制理论及应用

关涛  
【摘要】:拱坝作为一种重要的坝型,由于其抗超载性能较好,同时又可以节省大量的施工材料,因此得到了广泛应用。目前已有拱坝最大坝高超过300m,同时一批300m级高拱坝也正在规划和建设中。然而在当前高拱坝施工进度现场管理中,面临着施工进度仿真与现场实际施工状态脱节、施工进度实时控制理论难以对现场施工进行全面分析控制、施工进度实时预警模型尚未对各坝段施工进度进行实时预警分析、施工方案实时优化未能全面考虑施工过程的随机性、施工过程及其仿真分析过程的实时直观表达匮乏管理平台等关键问题。如何解决这些问题,是当前高拱坝施工管理面临的巨大挑战。本文就上述问题展开深入研究和分析,并取得了如下创新性研究成果:(1)针对当前高拱坝施工进度仿真分析难以有效跟踪现场实时施工状态的现状,提出了高拱坝施工进度自适应仿真理论,实现了施工进度仿真分析对现场施工进度的实时跟踪与分析。当前高拱坝施工进度实时仿真主要是基于现场实时施工进度进行仿真初始条件实时更新,部分研究针对仿真施工参数的实时更新机制进行了研究。然而在施工进度实时仿真研究中,由于仿真模型本身结构中的仿真逻辑尚未随着现场实际施工状态实时更新,仿真施工参数更新方法也难以表达施工参数随着施工进度的推进而不断变化的过程,导致仿真分析系统难以实现对现场实时施工状态的有效跟踪。针对以上问题,本研究将自适应仿真理论引入高拱坝施工进度实时仿真分析中,提出了高拱坝施工进度自适应仿真理论。1通过综合分析高拱坝施工过程、实时施工状态、坝体混凝土温度场、施工导流要求、坝体结构形式、金属结构安装、施工进度仿真逻辑等因素对施工进度影响,将施工进度自适应仿真原理引入高拱坝施工进度仿真分析中,建立了高拱坝施工进度自适应仿真原理与数学模型;2基于证据理论,综合分析现场施工方案、实时仿真进度及施工过程随机性的影响,提出了基于证据折扣的坝块排序逻辑实时更新方法;3将模糊集理论与贝叶斯更新理论组合,综合考虑现场不确定性因素,实现模糊化仿真施工参数的实时更新,在仿真计算过程中,根据相应隶属度,实现模糊化仿真施工参数的取值,建立了基于模糊贝叶斯更新的仿真施工参数实时更新方法。以上理论模型和方法实现了根据现场实时施工状态的高拱坝施工进度仿真模型自适应更新,为施工进度自适应仿真与实时控制提供基础。(2)针对当前高拱坝施工进度实时控制尚未引入施工进度自适应仿真理论的现状,提出了基于自适应仿真的高拱坝施工进度实时控制理论。针对当前高拱坝施工进度实时控制研究尚未考虑根据现场实际施工状态进行仿真模型自适应更新,同时施工进度实时预警模型也尚未针对各坝段施工进度进行实时预警,在高拱坝施工方案实时优化过程中缺少完整考虑施工过程随机性的现状;本文基于自适应仿真理论及高拱坝施工进度实时控制原理,提出了基于自适应仿真的高拱坝施工进度实时控制理论。1建立了基于自适应仿真的高拱坝施工进度实时控制原理及数学模型,根据自适应仿真分析结果,对施工进度进行实时预警,进而实时调整施工方案;同时,基于施工方案实时优化方法,建立综合最优的施工方案,指导现场施工;2综合分析施工进度的随机性、整体施工进度、单坝段施工进度、关键节点工期,建立了高拱坝施工进度实时预警方法;3综合考虑施工指标随机特征,采用随机占优度定义,提出了基于随机占优度的高拱坝施工方案实时优化方法。基于以上理论模型和方法,实现了根据现场实际施工状态的高拱坝施工进度的实时控制。(3)针对当前施工进度控制手段难以实现施工过程及仿真计算过程的实时三维可视化分析及施工信息的实时交互式分析的现状,提出了高拱坝施工过程4D可视化分析方法。当前高拱坝施工进度现场控制大部分都是依赖二维图纸,而三维可视化方法主要是根据仿真结果建立三维模型,尚未将4D(三维模型+时间维度)可视化方法应用到高拱坝施工进度控制研究中,难以实现施工过程和仿真计算过程的实时三维可视化分析及施工信息实时交互式分析;针对上述现状,本研究提出了高拱坝施工过程4D可视化分析方法。将三维可视化技术与施工进度信息实时耦合分析,建立了高拱坝施工过程4D可视化模型;采用三维可视化建模技术,建立了高拱坝施工场区三维精细模型;采用时空数据库,建立了施工过程4D可视化数据库结构;结合Unity3D技术、射频拾取技术、面向对象技术等,实现了高拱坝施工过程的4D可视化分析及施工信息的实时交互式查询分析。(4)针对高拱坝施工进度自适应仿真与实时控制分析研究缺乏统一的施工进度自适应仿真与实时控制4D可视化分析平台的现状,研发了高拱坝施工进度自适应仿真与实时控制4D可视化分析系统。结合高拱坝实际施工需求、施工进度自适应仿真理论与方法、基于自适应仿真的高拱坝施工进度实时控制理论与方法,采用施工过程4D可视化分析方法,本研究自主研发了高拱坝施工进度自适应仿真与实时控制4D可视化分析系统,为工程管理人员提供了施工进度自适应仿真与实时控制分析平台。将以上成果的理论、方法、技术和系统应用到实际工程中,实践表明,采用本文的研究内容,可以有效保证高拱坝工程施工进度实时受控,对整个工程的工程效益起到了重要作用。


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