基于实时监控的面板堆石坝施工工期-质量-成本综合优化研究

摘要

面板堆石坝现已成为世界上公认的一种比较经济的坝型。随着我国抽水蓄能电站的快速发展，面板堆石坝也越来越多地被用于抽水蓄能电站。然而抽水蓄能电站面板堆石坝施工面临着施工工期紧、不确定性因素多、施工工艺复杂、碾压质量如何全面的评价以及工期-质量-成本三大目标如何均衡优化等关键性问题。如何解决这些问题，是目前面板堆石坝施工管理所面临的挑战。因此，就上述问题展开深入的研究分析，并取得了以下研究成果：
　　1、针对面板堆石坝复杂的施工过程以及其施工动态参数难以实时获取等问题，基于施工参数敏感性分析方法，提出了基于实时监控的面板堆石坝施工动态仿真模型和方法。
　　面板堆石坝施工过程具有很强的随机性和不确定性。目前面向施工阶段的面板堆石坝施工仿真参数的选取多采用专家经验法和工程类比法，影响了仿真结果的可靠性;仿真缺乏实时性，很难在当前的施工面貌及最新的机械配置基础上，实时预测未来的施工进度。针对上述问题，采用正交试验方法对施工参数进行了敏感性分析，确定了施工过程中的关键参数和关键施工环节；在此基础上提出基于实时监控的面板堆石坝施工动态仿真模型，依据实际的施工信息，实时获得并更新仿真参数，通过动态仿真来进行施工进度预测和分析，确保进度目标的实现。
　　2、综合考虑面板堆石坝坝体碾压质量的关键影响因素，在孔隙率-可靠性耦合分析的基础上，提出了耦合孔隙率-可靠性的面板堆石坝坝体填筑质量二元分析模型与方法。
　　以往面板堆石坝填筑质量的控制主要依靠施工现场随机取样试验，因此分析结果只能反映坝体仓面的试验测点本身的填筑质量，并且没有考虑质量影响因素变异性的影响。针对上述问题，结合面板堆石坝碾压实时监控技术，基于碾压参数对孔隙率的敏感性分析，建立了基于精英保留策略的遗传神经网络孔隙率预测模型。在考虑孔隙率影响参数变异性的条件下，提出了耦合孔隙率-可靠性的面板堆石坝坝体填筑质量二元分析方法。比较传统的现场随机取样试验评价方法，提出的坝体填筑质量分析模型与方法综合反映了整个坝体的质量情况，其评价结果更为全面合理，也为后续大坝施工提供了更为可靠的依据。
　　3、针对工期和质量的不确定性，建立了基于质量成本和决策偏好的工期-质量-成本均衡优化模型。
　　目前针对大坝工程施工工期、质量、成本多目标优化的研究忽略了工期-质量-成本三者之间的制约关系；同时，目前的研究忽略了实际施工参数对施工控制与管理决策的重要影响。因此，结合实时监控系统，在考虑质量和进度模糊性的基础上，建立了基于质量成本和决策偏好的工期-质量-成本均衡优化模型。比较目前的施工多目标优化模型，建立的模型综合考虑了实际施工参数对施工进度动态预测、质量控制水平和质量成本控制的影响，为解决施工优化问题提供了有效的途径。
　　4、采用数据敏感性分析方法、施工动态仿真方法、基于精英保留策略的遗传神经网络算法以及基于模糊工期和模糊质量的非支配排序遗传算法等分析求解算法，分别对面板堆石坝施工动态仿真、坝体填筑质量二元分析模型和工期-质量-成本均衡优化模型进行了分析。
　　目前的研究缺乏对实时监控数据重要性的分析，导致现场施工参数控制没有针对性；同时，利用传统数学方法对基于实时监控的施工动态仿真、质量分析、均衡优化等模型进行求解操作较为复杂，求解效率低。针对上述问题，采用正交试验的极差法和神经网络分别对施工仿真参数和碾压质量参数进行了敏感性分析，定量评价了实时监控数据的变动性对模型输出结果的变异性影响程度，确定了关键影响参数；结合排队论、计算机仿真技术、网络计划技术与实时监控技术，提出了CYCLONE(Cycle Operation Network)施工动态仿真方法，为全面快速地掌握面板堆石坝施工过程提供了有利的分析工具；同时，采用基于精英保留策略的遗传神经网络算法求解了孔隙率预测模型，克服了以往遗传算法丢失最优个体、计算收敛缓慢的问题；采用基于模糊工期和模糊质量的非支配排序遗传算法求解了工期-质量-成本均衡优化模型，考虑了工期和质量的不确定性，与传统的均衡优化求解方法相比，该方法提高了计算效率和鲁棒性，具有较好的收敛性。
　　5、依托某抽水蓄能电站面板堆石坝工程，进行应用研究，验证了上述理论和方法的可行性。
　　以我国某抽水蓄能面板堆石坝工程为例，将上述的研究成果的理论、方法、技术应用到实际工程中。
　　（1）采用正交试验方法对施工参数进行敏感性分析，确定关键参数和关键施工环节；采用单样本K-S（Kolmogorov-Smirnov）检验、P-P概率图检验，对关键参数的监控数据进行统计分析，并依此更新后期施工进度仿真参数，采用CYCLONE施工动态仿真方法实现了施工进度的动态仿真；对自卸汽车重运这一关键施工环节进行分期分析，有针对性的给出了分期重运环节的施工指导意见。
　　（2）采用神经网络敏感性分析方法确定坝体石料的不均匀系数、曲率系数、含水率、细粒料含量以及实时监控获取的碾压遍数、碾压厚度、激振力状态等特征参数对孔隙率重要程度；结合以上参数，采用精英保留策略遗传神经网络算法预测坝面孔隙率，确定坝面孔隙率分布；进一步地，考虑孔隙率影响参数变异性， 采用耦合孔隙率-可靠性质量二元分析方法对的面板堆石坝各区填筑质量进行了综合分析；为工期-质量-成本均衡优化以及现场施工质量控制提供了依据。
　　（3）结合工程背景，分别采用层次分析法、熵权法及组合赋权法计算工期-质量-成本三大目标的权重；在施工过程中，结合当前质量分析结果和施工动态仿真，考虑实时监控下的质量成本，提出后期施工方案，通过基于模糊工期和模糊质量非支配排序遗传算法对方案进行工期-质量-成本均衡优化，结合 TOPSIS法对优化方案进行进一步比选，为后期坝体填筑施工提供合理的施工方案。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3研究思路与主要内容

第二章 面板堆石坝上坝运输与坝面碾压实时监控系统研究

2.1面板堆石坝上坝运输实时监控系统理论

2.2面板堆石坝坝面碾压实时监控系统理论

2.3结论

第三章 基于实时监控与参数分析的面板堆石坝施工进度仿真方法

3.1面板堆石坝施工进度仿真

3.2基于正交试验的施工参数分析

3.3关键施工参数监控数据统计分析

3.4基于实时监控的施工进度仿真

3.5关键施工环节分析

3.6结论

第四章 基于实时监控的面板堆石坝碾压质量分析

4.1碾压质量的孔隙率—可靠性二元耦合模型

4.2孔隙率—可靠性二元分析流程

4.3坝体孔隙率预测分析

4.4坝体碾压的孔隙率参数敏感性分析

4.5孔隙率影响参数分布

4.6孔隙率参数变异性分析

4.7某抽水蓄能面板堆石坝坝体碾压质量分析

4.8结论

第五章 基于实时监控的工期-质量-成本均衡优化

5.1工期、质量、成本相关性分析

5.2基于非支配排序遗传算法的工期—成本—质量的均衡优化

5.3实例分析

5.4小结

第六章 结束语

6.1主要研究成果

6.2研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢