关键词： 高拱坝施工   时空冲突   碰撞概率  

摘要： 【目的】缆机是高拱坝建设中的主要施工机械之一,然而复杂的交叉作业和大风等不利环境为缆机的安全运行带来了巨大挑战。针对上述问题,基于实时采集的缆机定位监测数据,预测吊罐未来的运行轨迹,以吊罐与其他施工实体之间的距离以及距离变化速率定义碰撞概率,并以此实时分析吊罐的未来运行轨迹,为缆机防撞控制以及避障方案选择提供数据基础。【方法】首先,根据缆机的实时监测数据分析缆机的运行趋势,预测小车在未来一段时间内的运行轨迹,并综合考虑缆机速度变化和大风环境对吊罐的影响,进而计算吊罐的预测运行轨迹;其次,计算吊罐在预测运行轨迹上与其他施工实体之间的最小距离以及最小距离变化速率,据此计算吊罐在预测运行轨迹上与其他施工实体发生碰撞的概率;最后,取两段白鹤滩水电站吊罐的实测运行轨迹计算其预测运行轨迹,分别计算碰撞概率并进行对比分析,以验证该碰撞概率分析模型的有效性。【结果】结果显示,预测运行轨迹碰撞概率与实际运行轨迹碰撞概率的平均绝对误差为0.36%,均方误差为0.0010%。【结论】结果表明,可以使用该模型实时分析缆机的碰撞概率,为缆机防撞控制和路径优化提供数据支持。

关键词： 高拱坝   混凝土振捣   振捣机器人系统   机器视觉   改进ResNet   表面图像分类  

摘要： 常态混凝土浇筑人工振捣施工存在工作强度高、作业主观性强等不足,现有振捣监控方法主要进行振捣位置、振捣时间等参数监控,且均依靠人工经验评估振捣是否密实,难以实现混凝土振捣质量的精确评估。针对上述问题,研发了融合表面图像机器视觉识别的混凝土振捣机器人系统,该系统包括振捣机器人本体、云端监控平台以及通讯子系统。基于工业机器人、自动化控制、机器视觉等技术研制振捣机器人本体,实现高拱坝仓面混凝土无人振捣作业;同时,建立基于改进残差网络(Residual Network,ResNet)的混凝土振捣表面图像的分类模型,实现振捣密实性的科学分析。此外,基于B/S架构研发云端监控平台,并通过无线通讯子系统实现与振捣机器人本体之间信息的传输与交互,实现振捣作业信息的可视化与远程控制。现场试验验证了振捣机器人系统的可靠性和可行性。研究成果为高拱坝混凝土振捣实现无人化作业、精细化质量控制提供了新的思路和技术手段,也可用于其它大体积混凝土施工中,具有十分重要的应用和推广价值。

关键词： 特高拱坝   空间关联性   变形性态   机器学习   风险率分析  

摘要： 结构健康监测是大坝安全管理的重要途径之一,为评估特高拱坝的真实工作性态,从参数反演、监控模型和风险率分析三个角度对其进行研究,进而为大坝安全管理部门的科学决策提供技术支持。首先在充分考虑坝体多测点空间关联性的基础上,提出了基于增量距离层次聚类法的拱坝实测位移场分区方法。针对锦屏一级拱坝在水位稳定段位移仍持续增长的异常变形性态,在HST模型的基础上引入滞后水压分量,构建HEST模型用于分离粘弹性总水压位移分量,基于ELM-IPSO实现坝体混凝土粘弹性参数的多测点分区反演。随后以反演所得的最优粘弹性参数为依据,通过有限元法计算混凝土拱坝在水压荷载下的径向位移,并利用SVM和RVM两种机器学习建立HHST模型,同时为解决传统优化建模时仅以拟合均方误差（MSE）最小为单一目标而造成的过拟合问题,构建使拟合MSE尽可能小而形状相似度（SSI）尽可能大的双目标函数,以此优化模型参数。为进一步提升模型的性能,以MLR、NN、ELM、SVM和RVM为子模型构建双目标优化的机器学习组合模型,并在此基础上分析预测位移与监测位移的残差分布规律,根据结构健康监控领域中的3S控制准则,定义单测点的实时风险率,最后利用考虑多测点关联性的Copula函数构建大坝整体的实时风险率模型。研究结果表明:（1）多测点分区反演结果兼顾了拱坝变形性态的空间整体性和边界约束条件的差异性,更能全面反映高拱坝的真实工作性态,锦屏一级拱坝4个分区的瞬时弹性模量反演值分别为44.8、48.8、30.8和41.0 GPa。（2）拟合MSE和SSI两个目标的组合权重对机器学习模型的性能有显著影响,使用双目标优化后基于HST和HHST因子的SVM模型平均预测精度提高了50.8%和47.4%,平均过拟合指标分别降低了44.3%和70.9%;RVM模型的RMSE和MAE平均降幅分别为31.2%和24.8%,采用多核函数可进一步提升模型预测性能,且RVM模型的预测置信带宽明显小于MLR模型,平均降幅为75.1%。（3）拱坝联合风险率与所用测点数量呈负指数函数相关关系,对于本文研究的锦屏一级拱坝,当测点数超过10时,联合风险率趋于稳定;基于位移监测数据的拱坝高风险期主要出现在上游库水位变化速率急剧改变的阶段,因此水库兴利调度的起始或终了阶段,应尽可能减缓库水位的变化速率。

关键词： 高拱坝   施工仿真   坝块排序   施工仿真参数更新   敏感性分析   混沌差分进化支持向量机  

摘要： 由于具备良好的抗超载能力、自适应调节能力以及经济性,高拱坝已成为目前水利水电工程建设的主要坝型之一。高拱坝施工过程由于受地形地质条件、施工工艺、浇筑机械及施工材料等诸多因素影响,导致其施工工期长,工程量巨大。施工进度仿真为高拱坝施工进度控制提供理论与方法。然而,当前高拱坝坝块排序原则存在决策不合理和计算复杂的情况、高拱坝施工仿真参数更新方法存在无法有效追踪现场实际的情况、高拱坝施工工期存在与计划工期不相符的情况,因此,如何根据现场实际施工情况优化高拱坝坝块排序原则以达成缩短工期和均衡施工强度的目标,如何优化施工仿真参数更新过程以实现对实际施工参数演变过程的精准描述,如何通过工期敏感性分析优化选取施工参数及参数组合以实现对工程进度的管理控制,这些问题是目前高拱坝施工进度仿真研究的重点。本文就上述问题开展深入研究分析,并取得了如下研究成果:(1)针对当前高拱坝坝块排序研究存在的决策不合理及计算复杂等问题,提出了基于区间层次分析法及相对优势关系的高拱坝坝块排序方法。现有高拱坝坝块排序研究存在以下缺陷:1)部分决策方法未考虑现场施工情况和现场决策者的主观意见;2)部分决策方法中决策矩阵规范化和属性权重计算步骤的合理性需要进一步研究;3)部分决策方法计算过于复杂难以实现,如搜索算法的计算深度过大时,难以在短时间内寻求到最优解。针对这些问题,本文首先详细分析了高拱坝坝块排序原理,以坝块原始属性值为基础,同时,依托高拱坝施工进度仿真模型,融合现场实际施工方案、实时仿真进度及决策者偏好,构建了高拱坝坝块排序决策模型;其次,通过定量主观判断的模糊性,规避属性矩阵规范化可能对排序方法合理性造成的不良影响;最后,比较坝块间相对优势关系,建立了既能综合考虑现场实际施工方案和实时仿真进度,又能客观描述和反映坝块间差异,同时亦降低计算复杂度的动态评价体系,实现了更加合理的坝块排序评价。(2)针对当前施工仿真参数更新方法无法有效追踪现场实际情况的问题,将混沌理论与支持向量机理论结合,提出基于混沌差分进化支持向量机的高拱坝施工仿真参数实时更新方法。传统的高拱坝施工仿真参数取值多基于类似工程经验或者施工规范进行确定。由于大型工程的特殊性,不同工程间差异明显,传统方法无法满足施工仿真要求,因此,具有较低的可借鉴性。目前,相关研究采用的贝叶斯更新方法能够利用现场信息和先验信息对仿真模型进行自适应更新,从而提高施工仿真结果的准确性;然而,已有的贝叶斯更新方法均假设施工仿真参数取值符合正态分布,其参数更新频率低,结果难以精确描述施工仿真参数的变化过程。针对这些问题,本文以现场施工参数取值时间序列为基础,将混沌理论和差分进化支持向量机理论引入高拱坝施工仿真参数更新过程,建立高拱坝施工仿真参数实时更新模型,通过求解模型实现对施工仿真参数的预测更新。基于混沌差分进化支持向量机的高拱坝施工仿真参数实时更新方法能够较为精准地描述施工仿真参数非线性变化过程,同时其较强的泛化能力和能够实时更新的特性弥补了传统方法和贝叶斯更新方法的缺陷,有机结合了大尺度全过程仿真与小尺度精细化仿真,实现了对施工仿真参数的动态追踪。(3)针对施工参数及参数组合对施工工期敏感性的影响问题,提出基于正交试验设计的高拱坝施工仿真参数全局综合敏感性分析方法。当前高拱坝施工工期敏感性研究大多基于单参数敏感性分析,参数选择未考虑整个施工过程,少数研究仅提出了参数组合敏感性分析框架,无法对高拱坝施工工期敏感性进行有效分析,对施工进度管控的指导作用有限。针对这些问题,本文基于正交试验法,综合考虑影响施工工期敏感性的施工参数,对高拱坝施工全过程进行全局综合敏感性分析。通过计算施工参数主效应,得到对工期敏感性影响显著的关键参数,为优化施工参数选取提供科学指导;其次,在主效应分析的基础上进行参数组合交互效应分析,并总结参数组合交互效应的一般规律,识别可降低机械调整复杂度的交互效应组合,进而与关键参数控制相结合,使施工参数组合更加合理化,为高拱坝现场施工进度控制提供参考。将以上研究方法和成果应用到实际工程中,实践表明,采用本文的研究内容,可有效优化高拱坝施工仿真过程,对高拱坝施工进度控制提供科学指导。

关键词： 缆机防碰   组合定位   吊罐摆动   碰撞检测   避障调控  

摘要： 高拱坝施工缆机架设在河谷两岸边坡上,其缆索和缆绳均为柔性结构,在外部荷载作用下易发生变形和摇晃;缆机吊运混凝土吊罐往返于入料点与卸料点之间,运动过程复杂,速度改变会造成吊罐摆动;高拱坝施工仓面机械和人员密集、交叉作业多,易造成缆机与其他设备和人员发生时空冲突;同时,缆机操作平台远离仓面,操作员无法直观地获取仓面障碍物的信息,其操作信息来源于信号工的观测和判断。因此,结合高拱坝施工缆机的运行特点,从实时监测缆机的运动状态入手,考虑吊罐摆动的影响制定合理的碰撞检测和预警机制,才能达到缆机安全避障的目标。本文着眼整个高拱坝缆机浇筑系统,分析施工缆机运行特点并提出了能够对缆机进行实时定位监测的GPS、UWB组合定位系统,采用动态仿真和大风模拟试验分析了吊罐摆动特性,并设计了考虑吊罐摆动的缆机碰撞检测方法,结合实际缆机操作方式,制定距离和时间预警模式及加、减档位的避障调控措施,最终形成了缆机安全防碰模型,从而保证缆机在过程中及时预测潜在碰撞情况,并提前做好避障调控准备,确保运行安全。本文主要针对以下问题展开研究:(1)从缆机组成结构、运动特点和施工环境等方面深入分析高拱坝施工缆机运行特点,从而阐明掌握缆机实时运动信息和了解吊罐摆动特性对缆机防碰的重要性。(2)利用GPS和UWB定位技术各自的优势,将两者结合,采用粒子滤波器和定位数据坐标转化方法建立了组合定位系统,并进行定位精度试验,其结果表明该组合定位系统可实现对缆机运动过程无缝隙的高精度定位监测。(3)考虑缆机吊罐受速度改变和大风作用发生摆动的现象,分别采用SIMULINK动态仿真手段研究吊罐对速度骤变的动态响应,并设计大风模拟试验分析吊罐风致摆动的规律,两者合成,得到吊罐的摆角预测模型。(4)以实时定位数据为基础,并考察缆机吊罐摆幅的影响范围,建立缆机碰撞检测方法,并根据检测结果对不同类型障碍物设计了实际可操作的安全预警及加减档调整机制。(5)采用系统仿真手段,结合Unity 3D三维动态可视化及C#编程技术建立缆机防碰模型,通过缆机施工模拟试验对该模型的可靠性、实用性进行验证,试验结果表明该防碰模型能在缆机运行过程中检测出潜在的碰撞情况,并及时作出调整指示。

关键词： 缆机   双仓联合浇筑   富余浇筑能力   模拟   优化模型  

摘要： 缆机作为高拱坝混凝土浇筑的主要机械,提高其利用率对于加快工程进度、缩短工期、降低成本、保证工程质量具有重要实际意义。通过探入分析缆机双仓联合浇筑条件及干扰,充分发掘缆机的富余浇筑能力,建立了以缆机为基本决策单元的高拱坝缆机双仓联合浇筑模拟优化模型。优化模型以均衡施工强度、提高缆机利用率、加快施工进度为目标,通过对缆机的优化调度来比选方案。研究成果应用于某大坝混凝土浇筑施工中,对于指导高拱坝混凝土施工、优选浇筑方案具有重要理论意义。

关键词： 高拱坝   仓面施工   缆机安全空间   施工机械   时空冲突预测  

摘要： 随着我国水电工程建设的重心向西南高山峡谷地区转移，一批具有超载能力强、体积小、抗震性能好、坝体混凝土工程较省等特点的高拱坝正在或即将建设，而某些高拱坝如溪洛渡大坝已经建成进入运行期。高拱坝在我国未来的坝工建设中将占据重要的地位。高拱坝仓面施工活动种类繁多，施工工艺要求严格，施工机械种类繁杂，并且常会有交叉作业的情况发生。而每一项施工活动在其持续时间内都需要占有一定的空间，这对于高拱坝仓面十分有限的空间资源而言，形成了空间资源供需方面的矛盾，若施工现场组织管理不当，这种矛盾极易引起时空冲突并引发安全事故。这就需要对可能发生的时空冲突进行预测，并建立相应的冲突解决机制来防止冲突的发生以保证仓面施工活动的安全进行。\n 本文以高拱坝施工中的主要浇筑机械—缆机以及主要的仓面施工机械—平仓机和振捣车为研究对象，以缆机安全空间的划分为基础，建立虚拟场景下缆机与仓面施工机械时空冲突检测与解决机制。本文所进行的研究及成果如下：\n 1）深入分析高拱坝仓面施工工艺和特点，可以看出高拱坝施工的工艺复杂，工序衔接紧密，对于十分有限的仓面施工空间资源而言，在各类空间冲突可能存在的前提下，易发生时空冲突甚至引起安全事故。对高拱坝仓面施工实体及其分层空间进行分类，并分析如何将空间分析理论应用于本文的研究。\n 2）深入研究了缆机、平仓机和振捣车的运动规律，针对缆机在仓面进行施工活动的主体—吊罐具有体积小、运行速度快、易采取避让措施等特点，确定吊罐的避让优先等级低于仓面施工机械的避让优先等级，即在可能发生空间冲突时采取缆机避让仓面施工机械的措施来防止空间冲突的发生，并依据空间分析理论和最小安全距离模型，结合缆机及仓面施工机械的即时运动情况，以动态的观点划分出缆机的安全空间。\n 3）利用三维建模技术建立研究对象的三维模型并在Unity3D中构建出虚拟施工场景，在虚拟施工场景中模拟施工过程，利用碰撞检测技术检测出发生空间冲突的情形。建立冲突解决机制，及时避免空间冲突的发生，为高拱坝仓面安全施工提供指导。\n 本文对高拱坝缆机和仓面施工机械（平仓机和振捣车）运行规律进行研究，并将车辆最小安全距离模型所研究的一维问题拓展到二维甚至是三维层面，提出缆机安全空间的动态划分方法，并基于缆机安全空间的划分进行空间冲突检测及冲突解决模拟，以期为高拱坝仓面安全施工提供指导与参考。