本發(fā)明屬于高拱壩施工進(jìn)度仿真領(lǐng)域，具體的說(shuō)，是涉及耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真方法；涉及高拱壩施工期施工進(jìn)度信息和混凝土溫度信息采集、施工期溫度場(chǎng)分析以及耦合溫度場(chǎng)的施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真方法。

背景技術(shù)：

由于拱壩具有抗超載性能強(qiáng)，抗震性能好，節(jié)省施工材料等優(yōu)點(diǎn)，因此拱壩是高壩建設(shè)中選用最多的壩型之一。高拱壩通常位于地質(zhì)條件復(fù)雜、地形陡峻的高山峽谷地區(qū)，由于高拱壩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地應(yīng)力高，施工時(shí)間跨度大，混凝土澆筑方量大，且空間資源有限，因此高拱壩的施工進(jìn)度和施工質(zhì)量直接影響整個(gè)工程的安全與效益。由于壩體混凝土體積大，導(dǎo)熱系數(shù)低以及水化熱存在，導(dǎo)致早期混凝土的內(nèi)外溫度存在差異，當(dāng)溫度差異達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生溫度誘發(fā)裂縫，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)的完整性、滲透性和抗壓強(qiáng)度，對(duì)高拱壩混凝土施工質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。為了防止溫度誘發(fā)裂縫形成，保證高拱壩混凝土施工質(zhì)量，當(dāng)壩體溫度場(chǎng)不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，需要采取相應(yīng)溫控措施或調(diào)整施工方案對(duì)混凝土溫度進(jìn)行控制，從而直接影響高拱壩施工進(jìn)度；同時(shí)，在進(jìn)行接縫灌漿前，橫縫各溫控分區(qū)溫度場(chǎng)及橫縫開(kāi)度必須滿足相應(yīng)的技術(shù)要求。因此，在進(jìn)行高拱壩施工進(jìn)度仿真分析過(guò)程中，必須綜合考慮壩體混凝土溫度場(chǎng)的影響，同時(shí)還需考慮其他約束條件及隨機(jī)因素影響，如自然環(huán)境、結(jié)構(gòu)形式、澆筑機(jī)械、供料能力等。

目前針對(duì)高拱壩施工進(jìn)度仿真研究中，主要有：吳康新(2008)研究了高拱壩施工全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真建模的理論與方法，將面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多Agent技術(shù)和實(shí)時(shí)控制理論方法在高拱壩施工仿真中進(jìn)行綜合應(yīng)用，開(kāi)展了復(fù)雜約束條件下的混凝土高拱壩施工動(dòng)態(tài)仿真與實(shí)時(shí)控制研究。鐘登華(2010)等人通過(guò)對(duì)高拱壩施工系統(tǒng)進(jìn)行分解-協(xié)調(diào)耦聯(lián)分析，綜合考慮各種復(fù)雜的施工約束條件，提出基于動(dòng)態(tài)仿真的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)控制方法。任炳昱(2010)等人提出基于施工動(dòng)態(tài)信息監(jiān)控方法的高拱壩施工實(shí)時(shí)控制理論與方法，并對(duì)高拱壩混凝土跳倉(cāng)澆筑施工動(dòng)態(tài)仿真進(jìn)行了研究，研制開(kāi)發(fā)了施工進(jìn)度實(shí)時(shí)控制分析軟件。宋鳳蓮(2012)等人系統(tǒng)分析施工機(jī)械系統(tǒng)中混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸和澆筑的運(yùn)行特性，構(gòu)建混凝土施工機(jī)械的有限源多級(jí)服務(wù)系統(tǒng)和施工作業(yè)過(guò)程中機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)參數(shù)方法，提出基于機(jī)械設(shè)備效率的施工進(jìn)度方案優(yōu)選與系統(tǒng)模擬方法。劉超(2012)在研究拱壩混凝土施工和纜機(jī)澆筑行為的基礎(chǔ)上，考慮纜機(jī)運(yùn)行中平面與垂直干擾等施工約束，采用排隊(duì)論和負(fù)均衡技術(shù)，建立以纜機(jī)為基本決策單元、料罐為基本計(jì)算單元的纜機(jī)施工仿真模型。王仁超(2005)等人針對(duì)高拱壩的工程特點(diǎn)，基于C++高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了高拱壩澆筑施工仿真及可視化系統(tǒng)，考慮了纜機(jī)之間運(yùn)行的空間沖突問(wèn)題和纜機(jī)生產(chǎn)效率的利用問(wèn)題。鐘登華(2008)等人將智能化仿真與混凝土壩施工仿真相結(jié)合，采用多策略建模方法構(gòu)建不同智能層次的Agent模型，建立混凝土壩施工仿真系統(tǒng)Agent分類的整體模型結(jié)構(gòu)?；诙郃gent的混凝土壩施工仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，增強(qiáng)了施工仿真的可信度和適用范圍。尹習(xí)雙(2014)等人將施工仿真技術(shù)與數(shù)字大壩綜合信息平臺(tái)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工進(jìn)度的動(dòng)態(tài)跟蹤分析，并與施工期應(yīng)力和溫控動(dòng)態(tài)研究緊密結(jié)合，為質(zhì)量和進(jìn)度的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)提供有效的手段。吳斌平(2010)考慮溫度控制與施工進(jìn)度控制的相互影響，建立大壩澆筑單元溫度控制和施工進(jìn)度的綜合量化模型，為施工決策人員直觀的展現(xiàn)出溫控與進(jìn)度之間的復(fù)雜關(guān)系。

目前針對(duì)高拱壩施工期溫度場(chǎng)計(jì)算研究中，主要有：張銳(2005)等人采用有限元方法計(jì)算分析拱壩施工期非穩(wěn)定溫度場(chǎng)，考慮了拱壩混凝土施工澆筑、養(yǎng)護(hù)、環(huán)境氣候變化、人工降溫保溫措施以及接縫灌漿和混凝土材料熱力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間變化。紀(jì)新帥(2012)基于ANSYS平臺(tái)計(jì)算碾壓混凝土拱壩施工期溫度場(chǎng)變化，模擬從大壩開(kāi)始澆筑到蓄水運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程。Jaafar M S(2007)等人采用三維有限元方法計(jì)算混凝土壩施工期溫度場(chǎng)，研究施工期倉(cāng)面澆筑順序?qū)误w溫度場(chǎng)的影響，并提出調(diào)整倉(cāng)面澆筑順序措施以降低壩體混凝土最高溫度。

目前高拱壩施工進(jìn)度仿真研究中，對(duì)于施工期溫度場(chǎng)，通常都是根據(jù)混凝土理論溫度曲線，將壩體混凝土溫度變化過(guò)程轉(zhuǎn)化為混凝土齡期進(jìn)行分析。然而，大體積混凝土溫度場(chǎng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性函數(shù)，其空間分布和時(shí)間演變受到多因素的影響，如混凝土材料屬性，周圍環(huán)境條件，澆筑溫度，水化熱，澆筑塊厚度，倉(cāng)面澆筑順序，以及分期通水冷卻和表面保溫等溫控措施，因此壩體混凝土溫度場(chǎng)難以完全符合理論溫度曲線。在施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)研究中，目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)采用有限元方法計(jì)算施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)的空間分布和時(shí)間演變。然而，采用有限元方法進(jìn)行壩體混凝土溫度場(chǎng)分析時(shí)，往往需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，不能滿足高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真分析的需要。

綜上所述，目前針對(duì)高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真研究中主要存在以下缺陷：

(1)高拱壩施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性函數(shù)，壩體混凝土溫度場(chǎng)難以完全按照理論溫度曲線變化。因此，在高拱壩施工進(jìn)度仿真中，根據(jù)混凝土理論溫度曲線，將壩體混凝土溫度場(chǎng)變化過(guò)程轉(zhuǎn)化為混凝土齡期進(jìn)行分析，得到的施工進(jìn)度仿真分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況出現(xiàn)偏差。

(2)盡管有限元分析方法是施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)研究的有效方法，但是采用有限元方法計(jì)算高拱壩施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)時(shí)，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，無(wú)法滿足高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真分析的需求。

因此，在當(dāng)前高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)控制過(guò)程中，如何采取科學(xué)高效的方法研究施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)的空間分布和時(shí)間演變規(guī)律，分析施工期混凝土溫度場(chǎng)對(duì)高拱壩施工進(jìn)度的影響，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供指導(dǎo)，是高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真研究的重要內(nèi)容。

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，將數(shù)據(jù)挖掘方法引入高拱壩施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)分析研究中，建立施工期溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型，求解施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)；然后將溫度場(chǎng)分析與高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真分析系統(tǒng)進(jìn)行耦合，建立耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真數(shù)學(xué)模型，提出耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真分析方法。該方法以現(xiàn)場(chǎng)采集的壩體混凝土溫度信息和施工進(jìn)度信息為基礎(chǔ)，采用統(tǒng)計(jì)分析方法，分析高拱壩施工期壩體混凝土澆筑溫度概率分布；采用支持向量機(jī)方法(Support Vector Machine,SVM)，建立施工期溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型，計(jì)算高拱壩施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)；基于耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真數(shù)學(xué)模型，將溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)分析結(jié)果與施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)耦合，進(jìn)行施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真分析，得到施工方案。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真方法，包括以下步驟：

(1)建立耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真數(shù)學(xué)模型；

(2)實(shí)時(shí)采集高拱壩施工期施工進(jìn)度信息和混凝土溫度信息；

(3)分析施工期高拱壩壩體混凝土溫度場(chǎng)影響因素；

(4)基于數(shù)據(jù)挖掘方法建立高拱壩施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型；

(5)根據(jù)步驟(2)所述施工進(jìn)度信息實(shí)時(shí)更新高拱壩施工進(jìn)度仿真初始條件；

(6)根據(jù)步驟(4)所述混凝土溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型和步驟(5)實(shí)時(shí)更新的仿真初始條件，進(jìn)行施工期溫度場(chǎng)分析，并進(jìn)行施工進(jìn)度仿真計(jì)算，得到高拱壩施工進(jìn)度方案，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

步驟(1)所述耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真數(shù)學(xué)模型如下：

仿真初始條件：

式中，i為壩段編號(hào)，I為壩段總數(shù)，H(i,0)為第i壩段在0時(shí)刻澆筑高程，H_r(i)為第i壩段實(shí)時(shí)澆筑高程，l為灌縫編號(hào)，G(l,0)為第l灌縫在0時(shí)刻接縫灌漿高程，G_r(l)為第l灌縫實(shí)時(shí)接縫灌漿高程；

狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程：

H(i,t)＝H(i,t-1)+ΔH(i,t),t＝t₀,t₀+1,...,T

G(l,t)＝G(l,t-1)+ΔG(l,t),t＝t₀,t₀+1,...,T

T(i,j,t)＝T(i,j,t-1)+ΔT(i,j,t),j＝1,2,...,J,t＝t₀,t₀+1,...,T

式中H(i,t)為第i壩段在t時(shí)刻的澆筑高程，ΔH(i,t)為第i壩段在t-1時(shí)刻與t時(shí)刻之間澆筑高程差，G(l,t)為第l灌縫在t時(shí)刻的接縫灌漿高程，ΔG(l,t)為第l灌縫在t-1時(shí)刻與t時(shí)刻之間接縫灌漿高程差，T(i,j,t)為第i壩段、第j澆筑塊在t時(shí)刻的溫度值，ΔT(i,j,t)為第i壩段、第j澆筑塊在t-1時(shí)刻與t時(shí)刻之間溫度變化值；

仿真約束條件：

其中

式中，S(i,j,t)為壩塊澆筑約束條件矩陣，G(l,t)為接縫灌漿約束矩陣，TF_a(n)為第n分區(qū)的溫度場(chǎng)，TC_a(n)為第n分區(qū)的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)；H_max為高拱壩最高高程，m為施工機(jī)械編號(hào)，M為施工機(jī)械總數(shù)；D(i,m,t)為壩塊澆筑歷時(shí)，T(i,j,t)為第i壩段、第j澆筑塊在t時(shí)刻的溫度值，q(n,t)為考慮隨機(jī)性情況下，第n工序的歷時(shí)，N為施工工序總數(shù)，p(Φ)為概率密度函數(shù)；i為壩段編號(hào)，I為壩段總數(shù)，j為某壩段的壩塊編號(hào)，J為該壩段的壩塊總數(shù)，T(i,j,0)為第i壩段第j壩塊在0時(shí)刻的溫度值，TP_ij為第i壩段第j壩塊的澆筑溫度；T_air為氣溫對(duì)壩體混凝土溫度場(chǎng)的影響，g₁(t)為氣溫變化函數(shù)，T_cool為分期通水冷卻對(duì)壩體混凝土溫度場(chǎng)的影響，g₂(TW_k,TQ_k)為分期通水冷卻效果函數(shù)，TW_k為分期通水冷卻的通水溫度，TQ_k為分期通水冷卻的通水流量，k為分期通水冷卻的通水階段，T_θ為水化熱對(duì)壩體混凝土溫度場(chǎng)的影響，g₃(τ,t)為水化熱函數(shù)，T_ijn為第i壩段第j壩塊的上下壩塊傳熱對(duì)內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響；g₄(T_j+1,T_j-1,T_j)為上下層壩塊熱傳導(dǎo)函數(shù)，T_j+1,T_j-1,T_j分別表示第j-1,j,j+1壩塊的溫度值；V(i,t)為第i壩段施工導(dǎo)流形象面貌要求，為施工導(dǎo)流函數(shù)，γ為施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)；T(l,n,t)為第l灌縫第n溫控分區(qū)的混凝土溫度場(chǎng)，A(l,n,t)為第l灌縫第n溫控分區(qū)的混凝土齡期，J(l,n,t)為第l灌縫各溫控分區(qū)的橫縫寬度。

步驟(2)中所述施工進(jìn)度信息包括混凝土澆筑進(jìn)度信息、接縫灌漿進(jìn)度信息、壩塊分塊和接縫灌漿分區(qū)。

所述混凝土澆筑進(jìn)度信息包括壩塊編號(hào)、壩塊起始高程、壩塊終止高程、壩塊厚度、混凝土方量、開(kāi)倉(cāng)時(shí)間、收倉(cāng)時(shí)間、澆筑歷時(shí)、平均澆筑強(qiáng)度、機(jī)械配置和金屬結(jié)構(gòu)安裝量信息。

所述接縫灌漿進(jìn)度信息包括灌縫編號(hào)、灌縫起始高程、灌漿終止高程、灌漿面積、開(kāi)灌時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和灌漿歷時(shí)施工信息。

所述壩體分塊指尚未進(jìn)行澆筑的壩塊起止高程信息；所述接縫灌漿分區(qū)是指各接縫灌漿的溫控分區(qū)范圍和相應(yīng)接縫灌漿溫控要求。

步驟(2)中所述混凝土溫度信息包括：混凝土澆筑溫度信息、氣溫信息、水化熱信息、混凝土內(nèi)部通水冷卻信息及混凝土內(nèi)部溫度計(jì)信息。

所述混凝土澆筑溫度信息包括壩塊編號(hào)、溫度計(jì)編號(hào)、溫度計(jì)坐標(biāo)、測(cè)量時(shí)間及溫度測(cè)量值；所述氣溫信息包括年平均氣溫變化和日平均氣溫變化及相應(yīng)的濕度和風(fēng)速；所述混凝土內(nèi)部通水冷卻信息包括冷卻水管的編號(hào)、冷卻水管類型、直徑、水平間距、長(zhǎng)度及通水冷卻的水溫和流量；所述混凝土內(nèi)部溫度計(jì)信息包括溫度計(jì)編號(hào)、溫度計(jì)類型、溫度計(jì)坐標(biāo)及溫度測(cè)量值。

步驟(2)中所述混凝土溫度場(chǎng)影響因素包括：混凝土澆筑溫度、水泥水化熱、周圍環(huán)境熱對(duì)流、通水冷卻降溫與控溫及上下層混凝土間的熱傳導(dǎo)因素。

步驟(4)中建立高拱壩施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型的步驟如下；

c)對(duì)施工期高拱壩體混凝土澆筑溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；

d)基于支持向量機(jī)方法建立溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來(lái)的有益效果是：

(1)本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)了高拱壩施工期壩體混凝土的質(zhì)量控制和施工進(jìn)度控制的耦合，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供指導(dǎo)。

(2)現(xiàn)有技術(shù)高拱壩施工進(jìn)度仿真研究中，對(duì)于施工期溫度場(chǎng)，通常都是根據(jù)混凝土理論溫度曲線，將壩體混凝土溫度變化過(guò)程轉(zhuǎn)化為混凝土齡期進(jìn)行分析。而在施工過(guò)程中，壩體混凝土溫度場(chǎng)難以完全符合理論溫度曲線，導(dǎo)致施工進(jìn)度仿真結(jié)果與實(shí)際情況出現(xiàn)偏差。而基于本發(fā)明提出的耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真，提高了仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3)現(xiàn)有技術(shù)高拱壩施工期溫度場(chǎng)研究中，大多是采用有限元方法進(jìn)行計(jì)算，然而，采用有限元方法計(jì)算施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)的分布，需要耗費(fèi)大量時(shí)間，難以滿足高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真的需求。基于本發(fā)明提出的基于數(shù)據(jù)挖掘理論建立高拱壩施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型，提高了施工期溫度場(chǎng)的計(jì)算效率，為耦合溫度場(chǎng)的施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真提供了基礎(chǔ)。

(4)本發(fā)明方法進(jìn)一步完善了高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真理論，促進(jìn)了高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真理論的發(fā)展。

附圖說(shuō)明

圖1是耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真框架結(jié)構(gòu)圖。

圖2是實(shí)時(shí)采集高拱壩施工期施工進(jìn)度信息和混凝土溫度信息的示意圖。

圖3是基于SVM方法建立施工期溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型的流程框圖。

圖4是耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真的流程框圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明基于統(tǒng)計(jì)分析方法，實(shí)現(xiàn)高拱壩施工壩體混凝土澆筑溫度分析；基于支持向量機(jī)方法，建立高拱壩施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)施工期溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)計(jì)算分析；基于耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真分析。根據(jù)以上方法及理論，提出耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真方法，實(shí)現(xiàn)高拱壩施工期壩體混凝土施工質(zhì)量控制和進(jìn)度控制的耦合，進(jìn)一步完善了施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真理論。

首先建立耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真數(shù)學(xué)模型，具體如下：

仿真初始條件：

式中，i為壩段編號(hào)，I為壩段總數(shù)，H(i,0)為第i壩段在0時(shí)刻澆筑高程，H_r(i)為第i壩段實(shí)時(shí)澆筑高程，l為灌縫編號(hào)，G(l,0)為第l灌縫在0時(shí)刻接縫灌漿高程，G_r(l)為第l灌縫實(shí)時(shí)接縫灌漿高程。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程：

H(i,t)＝H(i,t-1)+ΔH(i,t),t＝t₀,t₀+1,...,T

G(l,t)＝G(l,t-1)+ΔG(l,t),t＝t₀,t₀+1,...,T

T(i,j,t)＝T(i,j,t-1)+ΔT(i,j,t),j＝1,2,...,J,t＝t₀,t₀+1,...,T

式中H(i,t)為第i壩段在t時(shí)刻的澆筑高程，ΔH(i,t)為第i壩段在t-1時(shí)刻與t時(shí)刻之間澆筑高程差，G(l,t)為第l灌縫在t時(shí)刻的接縫灌漿高程，ΔG(l,t)為第l灌縫在t-1時(shí)刻與t時(shí)刻之間接縫灌漿高程差，T(i,j,t)為第i壩段、第j澆筑塊在t時(shí)刻的溫度值，ΔT(i,j,t)為第i壩段、第j澆筑塊在t-1時(shí)刻與t時(shí)刻之間溫度變化值。

仿真約束條件：

其中

式中，S(i,j,t)為壩塊澆筑約束條件矩陣，G(l,t)為接縫灌漿約束矩陣，TF_a(n)為第n分區(qū)的溫度場(chǎng)，TC_a(n)為第n分區(qū)的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)；H_max為高拱壩最高高程，m為施工機(jī)械編號(hào)，M為施工機(jī)械總數(shù)；D(i,m,t)為壩塊澆筑歷時(shí)，T(i,j,t)為第i壩段、第j澆筑塊在t時(shí)刻的溫度值，q(n,t)為考慮隨機(jī)性情況下，第n工序的歷時(shí)，N為施工工序總數(shù)，p(Φ)為概率密度函數(shù)；i為壩段編號(hào)，I為壩段總數(shù)，j為某壩段的壩塊編號(hào)，J為該壩段的壩塊總數(shù)，T(i,j,0)為第i壩段第j壩塊在0時(shí)刻的溫度值，TP_ij為第i壩段第j壩塊的澆筑溫度；T_air為氣溫對(duì)壩體混凝土溫度場(chǎng)的影響，g₁(t)為氣溫變化函數(shù)，T_cool為分期通水冷卻對(duì)壩體混凝土溫度場(chǎng)的影響，g₂(TW_k,TQ_k)為分期通水冷卻效果函數(shù)，TW_k為分期通水冷卻的通水溫度，TQ_k為分期通水冷卻的通水流量，k為分期通水冷卻的通水階段，T_θ為水化熱對(duì)壩體混凝土溫度場(chǎng)的影響，g₃(τ,t)為水化熱函數(shù)，T_ijn為第i壩段第j壩塊的上下壩塊傳熱對(duì)內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響；g₄(T_j+1,T_j-1,T_j)為上下層壩塊熱傳導(dǎo)函數(shù)，T_j+1,T_j-1,T_j分別表示第j-1,j,j+1壩塊的溫度值；V(i,t)為第i壩段施工導(dǎo)流形象面貌要求，為施工導(dǎo)流函數(shù)，γ為施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)；T(l,n,t)為第l灌縫第n溫控分區(qū)的混凝土溫度場(chǎng)，A(l,n,t)為第l灌縫第n溫控分區(qū)的混凝土齡期，J(l,n,t)為第l灌縫各溫控分區(qū)的橫縫寬度。

基于建立的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真數(shù)學(xué)模型，提出耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真方法，其總體框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該方法主要包括以下四部分：

一、高拱壩施工期施工進(jìn)度信息和混凝土溫度信息實(shí)時(shí)采集；

二、高拱壩施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)分析；

三、基于數(shù)據(jù)挖掘方法建立高拱壩施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型；

四、耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真計(jì)算分析。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：

一、高拱壩施工期施工進(jìn)度信息和混凝土溫度信息實(shí)時(shí)采集

高拱壩壩體混凝土澆筑量大，澆筑塊數(shù)以千計(jì)，各澆筑塊的澆筑信息和溫度數(shù)據(jù)信息，以及施工條件和施工機(jī)械配置等信息繁多，這些數(shù)據(jù)信息是耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真的基礎(chǔ)。采用各類信息采集技術(shù)手段，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工進(jìn)度信息和混凝土溫度信息。如圖2所示，包括以下步驟：

a)高拱壩施工進(jìn)度信息實(shí)時(shí)采集。本實(shí)施例中，涉及的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)施工信息包括：混凝土澆筑進(jìn)度信息、接縫灌漿進(jìn)度信息、壩塊分塊和接縫灌漿分區(qū)。其中，壩體混凝土澆筑進(jìn)度信息，主要包括壩塊編號(hào)、壩塊起始高程、壩塊終止高程、壩塊厚度、混凝土方量、開(kāi)倉(cāng)時(shí)間、收倉(cāng)時(shí)間、澆筑歷時(shí)、平均澆筑強(qiáng)度、機(jī)械配置、金屬結(jié)構(gòu)安裝量信息；接縫灌漿進(jìn)度信息，主要包括灌縫編號(hào)、灌縫起始高程、灌漿終止高程、灌漿面積、開(kāi)灌時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、灌漿歷時(shí)施工信息；壩體分塊，是指尚未進(jìn)行澆筑的壩塊起止高程信息；接縫灌漿分區(qū)是指各接縫灌漿的溫控分區(qū)范圍和相應(yīng)接縫灌漿溫控要求。

b)高拱壩施工期混凝土溫度信息實(shí)時(shí)采集。本實(shí)施例中，涉及的混凝土溫度信息包括：混凝土澆筑溫度信息、氣溫信息、水化熱信息、混凝土內(nèi)部通水冷卻信息及混凝土內(nèi)部溫度計(jì)信息。其中，澆筑溫度信息，主要包括壩塊編號(hào)，溫度計(jì)編號(hào)，溫度計(jì)坐標(biāo)，測(cè)量時(shí)間以及溫度測(cè)量值；氣溫?cái)?shù)據(jù)包括年平均氣溫變化和日平均氣溫變化以及相應(yīng)的濕度和風(fēng)速；水化熱信息包括水泥的絕熱最大溫升和絕熱溫升曲線以及相應(yīng)的參數(shù)；混凝土內(nèi)部通水冷卻信息包括冷卻水管的編號(hào)、冷卻水管類型、直徑、水平間距、長(zhǎng)度以及通水冷卻的水溫和流量；混凝土內(nèi)部溫度計(jì)信息包括溫度計(jì)編號(hào)、類型、溫度計(jì)坐標(biāo)以及溫度測(cè)量值。

二、高拱壩施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)分析

高拱壩施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)是復(fù)雜的不穩(wěn)定溫度場(chǎng)，是與時(shí)間和空間相關(guān)的非線性函數(shù)?；跍囟葓?chǎng)理論解，確定施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)影響因素，包括以下步驟：

c)施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)影響因素分析。高拱壩施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)是與時(shí)間和空間相關(guān)的不穩(wěn)定溫度場(chǎng)。通過(guò)溫度場(chǎng)理論解分析，可知在高拱壩施工過(guò)程中，施工期溫度場(chǎng)受混凝土澆筑溫度、水泥水化熱、周圍環(huán)境熱對(duì)流、通水冷卻降溫與控溫以及上下層混凝土之間熱傳導(dǎo)影響，其中，混凝土澆筑溫度是內(nèi)部溫度場(chǎng)變化的初始條件。然而，各影響因素具有不確定性，且與混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)之間并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。因此，基于溫度場(chǎng)理論解，分解溫度場(chǎng)各影響因子，分離出溫度監(jiān)測(cè)值中的隨機(jī)因素，降低不確定性因素對(duì)溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型的影響。

高拱壩施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)分析具體如下：

在高拱壩施工過(guò)程中，施工期混凝土實(shí)時(shí)溫度T主要受到混凝土初始溫度T_ini，水泥水化熱溫升T_θ，通水冷卻降溫T_cool，周圍環(huán)境氣溫?zé)崃總鲗?dǎo)T_air以及上下層混凝土之間熱量傳導(dǎo)T_int等的影響，各因素對(duì)混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)影響各不相同，因此高拱壩施工期溫度場(chǎng)可以表示為：

T(t)＝T_ini⊕T_θ⊕T_cool⊕T_air⊕T_int

式中，⊕表示溫度場(chǎng)影響因素之間的耦合。

(1)混凝土初始溫度T_ini

在混凝土控制溫度過(guò)程中，一般是把混凝土在平倉(cāng)、振搗之后的澆筑溫度為混凝土的初始溫度?；炷翝仓囟扔沙鰴C(jī)口溫度、運(yùn)輸過(guò)程溫度回升以及澆筑過(guò)程溫度回升生成?？捎孟率酱_定：

T_p＝T_I+(T_air+R/β-T_I)(φ₁+φ₂)

T_I＝T₀+(T_air+R/β-T₀)(δ₁+δ₂+...+δ_n)

式中，T_p為澆筑溫度，T_I為入倉(cāng)溫度，T_air為氣溫，R為太陽(yáng)輻射熱，β為混凝土表面放熱系數(shù)，φ₁為混凝土平倉(cāng)前的溫度系數(shù)，與混凝土入倉(cāng)到平倉(cāng)前的歷時(shí)相關(guān)，φ₂為混凝土平倉(cāng)以后的溫度系數(shù)，δ₁,δ₂,...,δ_n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與混凝土運(yùn)輸過(guò)程的裝卸和轉(zhuǎn)運(yùn)歷時(shí)相關(guān)，T₀為混凝土出機(jī)口溫度，與混凝土各骨料級(jí)配相關(guān)。

(2)水泥水化熱溫升T_θ

水泥水化熱是混凝土內(nèi)部溫度升高的最主要因素。水泥水化熱一般采用絕熱溫升表示，但是水泥水化熱的絕熱溫升過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的非線性過(guò)程。本實(shí)施例中，采用組合指數(shù)型表示水泥水化熱溫升，其表達(dá)方式為：

式中為最大絕熱溫升，m₁,m₂,s為系數(shù)，通常m₂＝0.1m₁。

(3)通水冷卻降溫T_cool

在大體積混凝土施工過(guò)程中，為了保證混凝土溫度處于受控狀態(tài)，一般采用分期通水冷卻方式降低混凝土溫度。根據(jù)混凝土溫控情況，將混凝土通水冷卻主要分為一期冷卻與二期冷卻。壩體混凝土平均溫度如下：

T_m＝T_w+(T₀-T_w)e^-pτ

式中，T₀為混凝土的通水前的溫度，T_w為通水冷卻水管內(nèi)水的溫度，p為與混凝土導(dǎo)熱系數(shù)a、導(dǎo)熱系數(shù)λ、水管長(zhǎng)度L、通水流量q_w及水管等效直徑D相關(guān)的系數(shù)。

(4)周圍環(huán)境氣溫?zé)崃總鲗?dǎo)T_air

由于高拱壩混凝土溫度與周圍環(huán)境之間存在溫度差，不可避免的與周圍環(huán)境溫度之間產(chǎn)生熱量交換。環(huán)境溫度變化隨時(shí)間變化波動(dòng)，一般采用以下公式表示：

式中，T_a(t)為t時(shí)刻周圍環(huán)境溫度，T_am為年平均氣溫，A₀為周圍環(huán)境溫度年變化幅度，P為周圍環(huán)境溫度變化周期，一般為一年，t₀為年最高溫度時(shí)間。

然而環(huán)境氣溫隨時(shí)間變化波動(dòng)，因此，基于實(shí)時(shí)氣溫?cái)?shù)據(jù)，對(duì)上式進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

采用一維熱傳導(dǎo)方程，由疊加原理，得到周圍環(huán)境對(duì)混凝土造成的溫度影響為：

式中a_i為系數(shù)，A_i為常數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)A₁＝0.3，A₂＝0.03，A₃＝0.003。i＝1為年周期，i＝2為半年周期，…，一般m₂取1或2。

(5)上下層混凝土之間熱量傳導(dǎo)T_int

在混凝土施工過(guò)程中，一般將橫縫作為絕熱條件進(jìn)行分析，因此壩塊之間的溫度傳導(dǎo)主要是上下層之間溫度影響。由于上下層壩塊之間存在溫度差異，壩塊之間會(huì)存在熱量傳導(dǎo)。同時(shí)，上層混凝土澆筑之后，會(huì)改變下層混凝土與環(huán)境氣溫之間的的熱量傳導(dǎo)條件。因此，上下層壩塊之間熱量傳導(dǎo)會(huì)對(duì)壩塊溫度產(chǎn)生一定程度影響。因此，壩塊之間溫度傳導(dǎo)與上下層之間的溫度相關(guān)，表示為：

T_int,N＝f(T_N-1,T_N,T_N+1)

式中，T_N-1為第N-1壩塊的溫度值，T_N+1為第N+1壩塊的溫度值。

三、基于數(shù)據(jù)挖掘方法建立高拱壩施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型

高拱壩施工期溫度場(chǎng)受到澆筑溫度、水化熱升溫、通水冷卻、氣溫條件和上下層壩塊傳熱5個(gè)因素影響。其中，澆筑溫度為混凝土內(nèi)部溫度的初始溫度，其他因素與混凝土內(nèi)部溫度之間為復(fù)雜的非線性關(guān)系。因此，基于數(shù)據(jù)挖掘方法，建立施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型，其中，采用統(tǒng)計(jì)分析方法，分析混凝土澆筑溫度的概率密度分布；采用支持向量機(jī)方法確定各影響因素與壩體混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)之間的關(guān)系，建立施工期溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型。包括以下步驟：

d)基于統(tǒng)計(jì)分析的施工期壩體混凝土澆筑溫度分析。壩體混凝土澆筑溫度既受到混凝土原材料溫度、含水率、混凝土級(jí)配、混凝土運(yùn)輸方式影響，也受到混凝土運(yùn)輸時(shí)間、攤鋪歷時(shí)以及振搗歷時(shí)等隨機(jī)因素影響，因此，混凝土澆筑溫度是多隨機(jī)因素影響的變量。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土溫度的預(yù)測(cè)，需要對(duì)已有的混凝土澆筑溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到澆筑溫度的概率分布，然后根據(jù)澆筑溫度的概率密度函數(shù)，采用蒙特卡洛方法模擬個(gè)壩塊澆筑溫度。

基于統(tǒng)計(jì)分析的施工期壩體混凝土澆筑溫度分析具體如下：

對(duì)于通過(guò)觀測(cè)得到若干組澆筑溫度數(shù)據(jù){x_i}，其概率密度函數(shù)可表示為：

根據(jù)實(shí)時(shí)采集的混凝土澆筑溫度，得到各溫度區(qū)間概率，采用非線性最小二乘法對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析。最小二乘法問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是：從集合θ^*中找出變量使得函數(shù)：

其中，θ^*為所有θ的集合，每個(gè)θ均為相互獨(dú)立的參數(shù)。由于函數(shù)f(x_i,θ)是非線性函數(shù)，不能采用線性最小二乘法的方法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，需要采用其他的優(yōu)化算法進(jìn)行求解。本實(shí)施例中，采用牛頓迭代法計(jì)算參數(shù)。

設(shè)的極小值θ^*的一個(gè)近似解為θ^k，在θ^k附近將R(θ^k)展開(kāi)為泰勒級(jí)數(shù)，為了加快收斂速度及效率，通常只取至二次項(xiàng)，得到：

其中，

G_k為θ^k處的Hessian矩陣。從而得到θ^k的迭代公式為：

終止迭代條件為：R(θ^k)＝R(θ^k+1)或者g^k＝0。

通過(guò)該方法，計(jì)算得到施工期澆筑溫度的概率密度函數(shù)。然后采用蒙特卡洛方法進(jìn)行各壩段澆筑溫度模擬。

e)基于支持向量機(jī)方法建立溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型?；诓襟Eb)實(shí)時(shí)采集施工期壩體混凝土溫度信息和步驟d)蒙特卡洛方法模擬產(chǎn)生的澆筑溫度，采用支持向量機(jī)方法，建立施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型，如圖3所示。

基于支持向量機(jī)方法(Support Vector Machine,SVM)建立溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型具體如下：

假定一組訓(xùn)練樣本為表示維度為d的輸入向量，y_i表示輸出值。輸入變量和輸出值之間的非線性關(guān)系可以表示為：

式中，表示預(yù)測(cè)值，φ(x)是非線性映射函數(shù)，w和b是回歸系數(shù)。

SVM回歸模型如下所示：

約束條件：

式中，C表示最小化訓(xùn)練誤差的懲罰系數(shù)，ζ是松弛變量，ε代表訓(xùn)練樣本被分錯(cuò)的程度。

該優(yōu)化問(wèn)題可以通過(guò)拉格朗日乘子法求解，該優(yōu)化問(wèn)題的對(duì)偶問(wèn)題是：

約束條件：

式中，α_i和表示拉格朗日乘數(shù)，K(x_i,x_j)表示核函數(shù)，RBF核函數(shù)是最常用的核函數(shù)，表示為

K(x_i,x_j)＝exp(-γ||x_i-x_j||²)

式中γ表示核函數(shù)的參數(shù)。

通過(guò)拉格朗日乘子法求解出上述優(yōu)化問(wèn)題的參數(shù)后，SVM回歸模型可以表示為：

通過(guò)上式，采用試算法選取合適的參數(shù)和核函數(shù)，即可建立澆筑溫度、水化熱升溫、通水冷卻、氣溫條件和上下層壩塊傳熱與溫度場(chǎng)之間的回歸預(yù)測(cè)模型。

四、耦合溫度場(chǎng)的高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時(shí)仿真計(jì)算分析

基于以上實(shí)時(shí)采集的施工進(jìn)度信息和施工期溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)分析結(jié)果，采用離散事件仿真方法，進(jìn)行仿真分析計(jì)算，建立高拱壩施工進(jìn)度方案。包括以下步驟：

f)高拱壩施工進(jìn)度仿真初始條件實(shí)時(shí)更新。根據(jù)步驟a)的實(shí)時(shí)采集的高拱壩施工進(jìn)度信息實(shí)時(shí)更新仿真初始條件。實(shí)時(shí)更新的仿真初始條件，主要包括當(dāng)前壩塊澆筑進(jìn)度信息和接縫灌漿進(jìn)度信息和實(shí)時(shí)溫度信息。

g)根據(jù)步驟f)實(shí)時(shí)更新的施工進(jìn)度仿真初始條件，步驟e)建立的施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行施工期溫度場(chǎng)分析，并進(jìn)行施工進(jìn)度仿真計(jì)算，得到高拱壩施工進(jìn)度方案。

如圖4所示。在進(jìn)行仿真計(jì)算開(kāi)始前，對(duì)所有仿真初始條件進(jìn)行初始化，主要涉及高拱壩壩塊澆筑進(jìn)度、接縫灌漿進(jìn)度及各壩塊實(shí)時(shí)溫度等。在各臺(tái)空閑纜機(jī)中，選擇間歇時(shí)間最長(zhǎng)的纜機(jī)作為施工機(jī)械。對(duì)所有壩段的施工約束進(jìn)行判斷，如果所有壩段均不滿足約束條件，則進(jìn)行強(qiáng)制間歇。對(duì)于滿足所有約束條件的壩段，根據(jù)當(dāng)前各壩段施工狀態(tài)，建立各壩段澆筑概率，并產(chǎn)生澆筑壩塊。根據(jù)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)得到的澆筑溫度分布，建立此壩塊澆筑溫度，并進(jìn)行壩塊澆筑。壩塊澆筑完畢之后，采用支持向量機(jī)方法，建立高拱壩實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)回歸預(yù)測(cè)模型，分析計(jì)算各灌縫溫控分區(qū)溫度場(chǎng)，判斷各灌縫溫控分區(qū)狀態(tài)，當(dāng)溫控分區(qū)均滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，進(jìn)行接縫灌漿施工。施工完畢后，實(shí)時(shí)更新仿真計(jì)算初始條件，準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)壩塊的選擇及澆筑，當(dāng)完成所有壩塊澆筑時(shí)，完成所有施工。

本發(fā)明并不限于上文描述的實(shí)施方式。以上對(duì)具體實(shí)施方式的描述旨在描述和說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。