复杂地下洞室群的施工交通运输系统设计

复杂地下洞室群的施工交通运输系统设计

白军平

中国水利水电第五工程局有限公司 四川成都 610093

摘要：复杂地下洞室群的施工交通运输作为一项，既庞大又复杂的系统工程。如果不能够对施工车辆进行合理有效的调度，就会导致出渣率降低以及施工工程的进度受到影响。而地下洞室群交通运输系统结构的复杂、随机，和诸多不确定因素，率属于典型的离散事件复杂系统。因此，文章通过对仿真技术的应用，对地下洞室群的施工交通运输系统进行研究，结合系统分析的理论方法，基于Petri网进行建模理论给出了交通运输系统额仿真流程，同时也提出了系统的框架结构，设计了系统的数据库。

关键词：复杂地下洞室群；施工；交通运输系统；设计；地下施工

前言：复杂地下洞室群的交通运输系统不仅结构复杂、随机性强，还具备大量的不确定性因素。比如说，在复杂地下洞室群的施工交通运输当过程中，车辆的行驶速度、装载机械装载完成所需时间等等不固定的随机问题，以及运输过程中车辆的爆胎、地下水位过高因素等等都会影响地下交通运输。而当前的研究均是通过借助计算机仿真技术，对地下洞室群的各类交通运输主体进行建模，利用程序实现对交通运输系统的模拟仿真。并且，均是采用Petri网建模法，进行建立复杂地下洞室群的施工交通运输系统模型。结合先进的技术方式，对交通运输线路、运输形式以及车辆的形式情况进行分析，从而实现了地下洞室群的交通运输系统设计及管理。

1. 复杂地下洞室群的施工交通运输系统概述

首先，复杂地下洞室群的施工交通运输系统是由一系列特定的运输环节所构成的循环过程。比如说，位于大渡河干流之上的硬梁包水电站，整个水电站地下洞室群的施工工程的地理位置，位于高地震区，具有复杂的结构。同时，整个水电站地下洞室群的工程规模跨度大、断面大，对施工交通运输带来了极大的困难。因此，硬梁包水电站地下洞室群交通运输系统的设计，需要满足2条引水隧洞、调压室、主厂房、主变室、尾闸室和2条尾水洞，还要在系统设计中融入加压送风洞、进场交通洞、交通联系洞、进风洞、排风洞、开关站等相应的工程。

所以，在地下洞室群的多个工作面实施同时开挖，每个得到开挖工作面得到汽车装载后。运输经过的沿途道路交叉口，汇合了其他开挖工作面出来的运输车辆，直到各自的卸料场，在返回原工作面等待装车。该运输过程是一个循环往复的过程，只有等到出渣工作完成后才结束。其次，如果将施工运输车辆当作交通运输系统中的流动性实体，那么在整个运输过程当中所经过的每一个环节中，所停留的时间当作符合某种规律的随机变量。其服务机构就是将运输过程当中的各个不同环节。因此，施工交通运输系统就是一个有限源多级随机服务系统。所以，可以结合地下洞室群施工交通运输系统的特征，对该系统进行假定：第一，该系统中的运输车辆在依次接受各级的服务后，会立刻进入下一级的服务系统，直到完成闭合循环为止。第二，运输车辆在循环过程中能够所经过的服务机构的数量和次序是由施工工程运输条件来定的，并且在某种情况下是不变的。第三，该系统中的不同层级的服务系统的服务规制为等待制，遵循先到先得原则^[1]。

二、施工交通运输系统设计

（一）Petri网建模法

Petri网是由德国科学家Carl Adam Petri于1962年所提出的一种可以利用网状图形进行表示是的系统模型。该模型从理论的提出到现阶段，逐渐已经形成了一门系统的、独立的学科学科分支。并且该系统模型已经在其他的领域中得到了应用，甚至包括操作系统、网络计算以及离散结构等等多个不同的领域之中。同时，该系统建模在离散事件系统的仿真研究过程中已经取得了重要成果。此外，该系统模型通常用圆圈“○”来表示事件发生的环境或者状态，即指库所；用方框“□”表示事件的发生，即指变迁；以及用有向弧来表示前两者的映射关系，即指流关系，可以图1表示。

图1 Petri 网的图形表示

（二）系统原理及特点

首先，复杂地下洞室群的施工交通运输系统仿真设计是以随机产线为基础，通过构建地下洞室群的不同施工方法，工艺流程以及施工交通等方面的仿真模型，完成对其施工交通运输系统的仿真。其次，该系统的设计具有较强的实践性与扩展性。

（三）交通运输系统仿真建模及系统设计

1.系统模型

复杂地下洞室群的施工交通运输系统可以利用一个仿真模型来进行表示。并且，该仿真模式包括资源实体、节点以及矢线组成。而整个系统仿真模型的模拟过程就是资源实体的动态运动过程。其中，资源实体是指系统中不断进行的状态交换和流动的实体，比如说机械设备、施工材料及空间等；矢线是指资源实体的流动方向以及活动的顺序逻辑关系；节点则表示不同的功能与状态，见图2。

图2 节点符号

一般节点代表道路系统，资源实体可以无需等待就可以接受服务，并持续一定的时间。服务节点，代表装车系统、卸车系统以及地下交叉路口系统等部分，当资源实体在该节点前排队等待时，只有满足一定的条件之后，才可以接受服务并持续一定的时间。同时，需要注意的是，服务节点是在排队节点之后。排队节点代表了资源实体的等待状态，并且具备相应分解功能，也就是说将资源实体，分解成N个部分。从而将N个实体投入使用，而且该部分也被成为产生节点。最后的合并节点是指将N个资源实体统一合并成一个资源实体的功能。多数情况下与排队节点配合应用。

同时，为了实现计算机仿真技术，可以将复杂地下洞室群的施工交通运输网络图，抽象为计算机数据结构，并将其数据存储在数据库当中。此外，考虑到复杂地下洞室群地下交通通道相对较多，为了方面计算机模拟地下洞室群的交通运输网络，可以接口结构分析法，将交通运输网络抽象图分解为交叉口和路段两个模型来表示，具体结合实际情况而定^[2]。

2.系统设计

Petri系统仿真流程不仅可以将复杂地下洞室群的施工交通运输系统结构分解成多个具备独立功能的子模块，并且各个子模块均是由主程序结合系统仿真的逻辑进行统一调度。通过对叉口、交通路段以及装载设备的Petri网模型的分析，可以结合不同模型的动态运行过程状态，来确定各交通运输事件之间的逻辑关系。而出渣运输过程中所触发的交通运输事件序列基础上所构建的交通运输事件表，则代表仿真算法的核心驱动系统的运行。最后，在结合实际地地下洞室群施工图中标识的交通通道坐标，可以对交通运输挽留过中的叉口与路段位置信息进行确定，并将其数据写入到数据库当中^[3]。

3. 系统仿真流程以及结构框架

结合Petri网模型根据仿真技术对复杂地下洞室群的施工交通运输系统设计，通过材料事件步长法对仿真时钟系统进行推动。当系统处于初始阶段是，可以直接读取相应的仿真日期，再经过对数据库中的施工进度数据进行读取，则能够进一步确定各个路段中的交通通行条件以及工作面信息，并结合实际情况建立初始化模型。

当仿真系统在运行过程当中，交通运输事件表会有系统从中调度以及出发当前阶段系统所时刻发生的交通运输情况。并对各个路段以及车辆、装载设备以及交叉口的情况给予相应的调整。并在事件表完成与更新之后，仿真时钟会通过交通运输事件表中所发生的先后事件顺序进行依次推进，并对再次出发的事件进行处理，一直到交通运输事件中的事件记录为零。实际工程施工过程当中，可能会受到石方挖掘进度的影响，导致复杂地下洞室群的交通通道未全部贯通。可能会受混凝土的特性影响，在施工过程中，混凝土路的形成需要一定的时间等。不同施工时间，地下洞室群的通行路况信息方面同样会存在一定的差异等，该些问题需要系统有针对性的进行施工交通运输情景进行仿真。例如，该系统结合地下隧洞施工进度的数据，对仿真日期中交通运输路况以及通行条件、开挖工作等位置信息，以及出渣运渣的进出路线、每次触发交通运输事件等在系统中均有数据记录^[4]。当仿真系统完成后，系统会进一步统计出复杂地下洞室群的施工交通运输数据。并以图表的形式展现在输出界面，且系统数据流程见图3。

图3 系统数据流程和层次结构图

以硬梁包水电站地下洞室群为例，结合该地下洞室群上述中所描述的情况来看，在施工过程中，工序类型繁多且交通运输网络复杂对样。并且施工工作面的运输路线还存在重叠。因此想要实现施工交通运输路线的可视化，就需要在交通运输系统设计中融入绘制交通运输路线图的有效功能。但由于交通运输系统率属于相对复杂且随机的系统，在时间、参数方面需要服从某种分布的随机变量。所以，在系统仿真过程中对随机现象的模拟，需要系统融入相应的随机化处理功能^[5]。同时，由此可见交通运输运输系统设计的系统结构框架如图4，且系统设计中各项功能模块的具体说明如下：

图4 交通运输系统结构框架设计图

1.主程序

该部分内容作为交通运输系统的入口，能够对系统的运行的进行有效控制。在通过对系统初始化的调整、仿真运行以及输入输出等各子模块的应用，可以有效实现系统仿真过程的控制。

2.初始化与数据库操作

首先，当交通运输系统处于初始化阶段时，系统会从数据库中读取所需的施工进度数据。并对地下洞室群的施工交通运输系统的可通行结构，初始化叉口、交通路段、车辆以及装载设备等运输模型的状态进行确认。最后建立初始的交通运输事件表，并结合仿真时钟，对即将发生的第一个事件时刻进行推进。其次，地下洞室群的施工方案以及进度计划均在相应的数据库中进行数据文件的形式进行保存。当系统处于仿真起步阶段，需要系统从相应的数据库中对施工进度数据进行读取。并在仿真运行结束之后，由系统将所统计的交通路况数据 写入到数据当中。而数据库操作部分主要是为了实现数据集的读写操作^[6]。

3.交通数据输入

在系统运行过程当中，通过对相应的可视化数据输入接口进行设置。结合将要运行的实验，由相关工作人员将数据输入相应的路段封闭信息以及仿真日期。以此来表示某些原因路段封闭的原因。同时，系统也可以结合输入的数据信息，对地下洞室群的各个交通路段通行条件进行更新，并对附加的新路段约束条件下的交通运输系统进行仿真。

4. 仿真运行及其事件的调度处理

首先，仿真系统作为交通运输系统中的主要部分，以及仿真时钟、交通运输事件的调度和处理等等，其核心部分都是交通运输事件表。因此，在仿真运行过程当中，随着对交通运输事件的更新与迭代。如果，交通运输事件表出现零时，则代表仿真工作完成。而车辆在运渣过程之中所经历的所有事件，如装载工作完成、分叉路口排队等会随着事件的发展状态来改变，比如说从交通统计数据的车辆流量和排队情况。其次，仿真时钟的推进，该部分不仅是仿真心系统中的时间控制部分，也是交通运输事件的有序调度的一种保障。当现阶段时刻事件完成处理后，系统会及时的更新交通运输事件表，并通过对交通运输事件表的扫描，结合后期所需要发生的时间进行推进。最后，交通事件的调度处理，是指在仿真时钟推进交通运输事件开始，结合系统的记录，对交通运输事件进行更新与迭代

^[7]。

5.输出结果

系统多是通过图表的形式，对地下洞室群的交通运输统计数据，比如说车辆流量、繁忙阶段的百分比，以及分叉路口的脾排队情况等等，利用图形的方式将其显示在各个工作面的运渣路线之中。最后，通过文件操作的方式，将输出的结果进行保存。

三、复杂地下洞室群的施工交通运输系统设计的仿真实现

结合系统数据流程和层次结构，可以将所设计的交通运输系统分解为，交通信息、交通运输、交通路线优化、施工数据、仿真运行以及可视化设计和交通数据统计等多个模块。同时，每个模块之间的关系见图5。该系统的设计采用了面向对象的程序设计方法，结合Visual C#程序设计语言，将复杂地下洞室群的施工交通运输系统中的各个模型的数据结构，利用封装的形式，进行单独分类，从而设计出相应的交通运输系统，并且还实现了每个模块的功能^[8]。

图5 地下洞室群的施工交通运输系统模块层次图

结语：

综上所述，仿真技术在复杂地下洞室群的施工管理中带来了便捷。同时，基于Petri网络建模法构建的交通运输系统，在模拟下真实有效的反映了地下洞室群实际工程施工过程中交通运输系统的运行情况，还解决了不同运输机械配套情况下不同机械的利率，和运输车辆配对的情况。为施工组织人员更好地设计施工交通运输系统提供了相应的支撑，提升了施工组织设计的水平。

参考文献：

[1]许勇,王健. 地下工程中洞室群开挖顺序优化研究[J]. 价值工程,2021,40(29):137-139.

[2]朱家林,李长青,李培丰. 水电站地下洞室群辅助施工通道规划布置[J]. 水利建设与管理,2021,41(10):59-62.

[3]解迎夏,李博. 永泰抽水蓄能电站地下洞室群施工难点及应对措施[J]. 广东水利水电,2020(10):9-12.

[4]马小强. 水电工程地下洞室群施工测量技术应用研究[J]. 百科论坛电子杂志,2020(17):1885-1886.

[5]谭忠元. 高海拔、高地应力环境地下洞室群施工技术研究[J]. 建筑工程技术与设计,2020(16):1586.

[6]孙会想,汪海平. 特大型地下洞室群施工期通风技术研究及应用[J]. 现代隧道技术,2019,56(6):187-195.

[7]曾继坤,彭强,陈熠,等. 复杂地质条件下的地下洞室群施工期围岩稳定分析[J]. 水力发电,2019,45(11):62-66,88.

[8]钟登华,林瀚文,吴赋平,等. 基于M5P-SVR故障预测的地下洞室施工仿真[J]. 水力发电学报,2019,38(4):199-212.