工程施工管理中計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的運(yùn)用

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摘要：建筑業(yè)在我國社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)中占有十分重要的地位，也較大程度上影響著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.但是，就目前而言，我國建筑業(yè)的整體管理水平較低，不少項(xiàng)目存在較多不合理現(xiàn)象，例如預(yù)算超出、工期延誤等，導(dǎo)致資源損耗未能得到有效控制，也經(jīng)常出現(xiàn)重大的質(zhì)量及安全事故.大型建設(shè)項(xiàng)目施工程序的復(fù)雜性是普通建設(shè)項(xiàng)目所不能比的，工程項(xiàng)目施工也受各方面因素的影響，為保證工程能夠得到有效的實(shí)施，有必要進(jìn)行施工進(jìn)度及資源管理方面的計(jì)劃，確保計(jì)劃的科學(xué)合理性.傳統(tǒng)計(jì)劃編制方法比較死板，存在較多的缺陷，而仿真技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)κ┕み^程進(jìn)行模擬，為計(jì)劃編制提供有效的方法和手段.對此，本文就計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工程項(xiàng)目施工管理中的運(yùn)用進(jìn)行分析.

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)；工程項(xiàng)目；施工管理；運(yùn)用

建筑業(yè)在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到十分重要的作用，隨著國家對建筑業(yè)發(fā)展的重視，建筑業(yè)在將來具有良好的發(fā)展前景.但我國目前的建筑技術(shù)水平整體依舊還處于較低位置，其管理水平也是如此，并且存在諸多不合理的現(xiàn)象，同時(shí)經(jīng)常發(fā)生一些安全事故以及質(zhì)量事故，也存在較為嚴(yán)重的資源損耗.尤其是大型工程項(xiàng)目，其具有極其復(fù)雜的施工程序，也存在較多因素對施工的順利進(jìn)行產(chǎn)生影響，施工的環(huán)境條件也有諸多不確定性，導(dǎo)致施工難度增加，也承受更大的風(fēng)險(xiǎn).為確保施工更加順利，必須進(jìn)行施工計(jì)劃與指導(dǎo)的編制，使施工的各個(gè)環(huán)節(jié)得到指導(dǎo).工程設(shè)計(jì)文件中，施工進(jìn)度以及資源使用計(jì)劃十分重要，在工程實(shí)施的各個(gè)階段均起到十分關(guān)鍵的影響.所以，施工進(jìn)度以及資源計(jì)劃的合理安排，對參建方而言，都需要得到足夠的重視.傳統(tǒng)項(xiàng)目計(jì)劃的編制主要采用CPM和PERT，兩者的使用也存在一定的局限性.其中，后者的缺點(diǎn)在于精度缺乏保障，存在較大的誤差，不能使實(shí)際工程的要求得到滿足.對此，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的出現(xiàn)，為項(xiàng)目計(jì)劃的制定帶來了極大的幫助.在我國社會與科學(xué)不斷發(fā)展的背景下，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)同樣發(fā)展顯著，在我國工程施工管理領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用，也形成較多趨于完善的施工仿真系統(tǒng)，其中包括GIS以及CY-CLONE等.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)憑借其風(fēng)險(xiǎn)小、成本低的優(yōu)勢，其在工程項(xiàng)目施工管理中的應(yīng)用，將更好地解決實(shí)際問題，對建筑業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義.

1計(jì)算機(jī)仿真的相關(guān)概念及基本步驟分析

1.1概念

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)建模技術(shù)，是一種新型技術(shù)，目前已經(jīng)得到較大的發(fā)展，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究中占據(jù)重要的地位.該技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，能夠有效幫助解決復(fù)雜系統(tǒng)的問題.在計(jì)算機(jī)仿真中，計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)以及系統(tǒng)模型是其主要的三大要素.其中，系統(tǒng)指的是事物及其規(guī)律的一種總稱；系統(tǒng)模型是指關(guān)于系統(tǒng)特性及關(guān)系的描述，用于系統(tǒng)功能及部件間規(guī)律的研究.目前，系統(tǒng)模型類型更多，其中的數(shù)學(xué)模型也已經(jīng)得到更加廣泛的應(yīng)用.目前，仿真的概念也逐漸得到完善，雖然各學(xué)者對仿真的定義存在一些區(qū)別，但是根據(jù)這些定義，可對計(jì)算機(jī)仿真的定義作出以下概括：計(jì)算機(jī)仿真是針對實(shí)物進(jìn)行模擬，建立于豐富的技術(shù)理論層面，借助計(jì)算機(jī)等工具，通過系統(tǒng)模型對系統(tǒng)實(shí)施動態(tài)研究，屬于一種新型技術(shù)，涉及較多的專業(yè)與學(xué)科，具有較強(qiáng)的綜合性.換句話說，計(jì)算機(jī)仿真是不改變實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)構(gòu)建系統(tǒng)模型進(jìn)行系統(tǒng)性能研究及系統(tǒng)構(gòu)造的一種技術(shù).計(jì)算機(jī)仿真類型各種各樣，按照不同的分類依據(jù)可得到不同的種類劃分.例如以模型的種類為依據(jù)，可將計(jì)算機(jī)仿真分為半實(shí)物仿真、物理仿真以及數(shù)學(xué)仿真.根據(jù)仿真時(shí)鐘和實(shí)際時(shí)鐘之間的比例進(jìn)行相關(guān)劃分可得出，計(jì)算機(jī)仿真可以分為三種仿真，即超實(shí)時(shí)、亞實(shí)時(shí)以及實(shí)時(shí).若依據(jù)系統(tǒng)模型的特征進(jìn)行相關(guān)分化可得出兩種仿真，即離散系統(tǒng)以及連續(xù)系統(tǒng).

1.2基本步驟

（1）建立問題及目標(biāo).首選需對仿真系統(tǒng)的相關(guān)處理對象進(jìn)行確認(rèn)，并且明確仿真的目標(biāo)，也就是通常所說的促使某一問題得到有效的解決.（2）進(jìn)行建模.仿真模型可以實(shí)現(xiàn)對研究對象的抽象描述，能使研究系統(tǒng)的屬性特征得到體現(xiàn).仿真建模特點(diǎn)顯著，通常采用針對問題進(jìn)行建模以及針對運(yùn)行過程進(jìn)行建模的方式.（3）數(shù)據(jù)采集.若仿真模型已經(jīng)開始進(jìn)行相關(guān)基本框架的建設(shè).那么其所輸入的數(shù)據(jù)必須是準(zhǔn)確無誤的，以此才能使仿真運(yùn)行中模型的數(shù)學(xué)及邏輯關(guān)系得到有效利用，從而通過計(jì)算與分析得出可信的仿真結(jié)果.而離散系統(tǒng)仿真中，數(shù)據(jù)分布通常存在某種概率，所以，實(shí)際系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)和調(diào)查的實(shí)施必不可少.（4）驗(yàn)證模型.需要驗(yàn)證仿真模型，判斷其是否具有代表性，從而確保模型能夠有效體現(xiàn)真實(shí)系統(tǒng)的特征及性能，促使仿真得到成功.（5）運(yùn)用模型，分析結(jié)果.完成模型驗(yàn)證后，接下來就是仿真模型的運(yùn)用.在運(yùn)用仿真模型的過程中，需要確保初始條件和數(shù)據(jù)輸入一致，進(jìn)行多次仿真運(yùn)行，才能通過仿真得到真實(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果.建筑工程中仿真模型的運(yùn)用，需要對某事件的概率和隨機(jī)變量的期望值進(jìn)行分析，也需要進(jìn)行敏感性分析.

2計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在施工管理領(lǐng)域中的應(yīng)用分析

2.1蒙特卡洛模擬（Monte-Carlo）在施工仿真中的應(yīng)用

該模式方法是根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論，對風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率或者風(fēng)險(xiǎn)損失數(shù)值進(jìn)行研究和計(jì)算機(jī)計(jì)算.該方法的基本原理是使用數(shù)學(xué)模型（模擬模型）將研究對象進(jìn)行代替，在模型中盡可能將所有的影響因素包含其中.模擬模型中使用具體的概率分布來描述各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)變量的風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果和其有關(guān)的概率值.然后采用隨機(jī)的方式給出某個(gè)數(shù)值，然后根據(jù)該數(shù)值在各風(fēng)險(xiǎn)變量中的概率分布進(jìn)行取值，完成各風(fēng)險(xiǎn)變量的取值后，可以模擬模型為依據(jù)得出風(fēng)險(xiǎn)總體效果.對這一程序進(jìn)行重復(fù)，以產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)為依據(jù)，得出風(fēng)險(xiǎn)總體效果確切值.計(jì)算機(jī)仿真的概念是在20世紀(jì)40年代馮•諾依曼最先提出，而計(jì)算機(jī)仿真中最早應(yīng)用的方法就是蒙特卡洛模擬，起初該方法的應(yīng)用只能對隨機(jī)過程問題進(jìn)行解決.現(xiàn)階段，蒙特卡洛模擬在工程施工領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，主要體現(xiàn)在對成本以及進(jìn)度的仿真方面.應(yīng)用蒙特卡洛模擬于工程網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃中，憑此對工程進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行仿真分析，能夠通過概率計(jì)算得出合理的工程工期以及明確工作中的重點(diǎn)，有助于施工管理人員工作的進(jìn)行.而施工項(xiàng)目成本風(fēng)險(xiǎn)管理中蒙特卡洛模擬技術(shù)的應(yīng)用，則能有效分析以及空時(shí)施工項(xiàng)目成本中的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，對施工成本風(fēng)險(xiǎn)分析與管控具有十分積極的作用.

2.2循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（CYCLONE）在施工仿真中的應(yīng)用

就循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而言，該技術(shù)能夠在仿真系統(tǒng)和建筑建模中體現(xiàn)價(jià)值，是最先專門為建筑施工仿真而研發(fā)的仿真系統(tǒng).其有效結(jié)合多項(xiàng)理論與技術(shù)，包括排隊(duì)理論、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)以及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬，可對各施工組織的工期和費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，也能對各項(xiàng)資源的利用率進(jìn)行計(jì)算.CYCLONE模型的組成元素主要包括流水單元、節(jié)點(diǎn)以及矢線.其中，流水單元也就是模型中能夠流動的部分，包括各方面的資源，例如人力、物力、財(cái)力以及控制信息等；矢線則表示的是各節(jié)點(diǎn)之間存在的關(guān)聯(lián)以及流水單元的相關(guān)位置走向；節(jié)點(diǎn)通常可以劃分為五種節(jié)點(diǎn)：第一種是一般節(jié)點(diǎn).其主要表示非限制性工作和其主動狀態(tài)，當(dāng)流水單元經(jīng)過此節(jié)點(diǎn)時(shí)能夠稍作的停留，但工作仍然是在進(jìn)行中.第二種是復(fù)合節(jié)點(diǎn).表示工作的開始受控，只有確保所有要求得到滿足后才能開始工作，所以，復(fù)合節(jié)點(diǎn)往往處于排隊(duì)節(jié)點(diǎn)之后，而兩者又同屬于活動節(jié)點(diǎn).第三種是控制節(jié)點(diǎn).能夠?qū)α魉畣卧獙?shí)行監(jiān)測以及控制.第四是排隊(duì)節(jié)點(diǎn).該節(jié)點(diǎn)主要對流水單元的被動狀態(tài)進(jìn)行描述.流水單元進(jìn)入該節(jié)點(diǎn)后進(jìn)入暫停狀態(tài)，等其他排隊(duì)節(jié)點(diǎn)滿足要求后同時(shí)進(jìn)入復(fù)合節(jié)點(diǎn).排隊(duì)節(jié)點(diǎn)是流水單元等待的停留場所.最后是職能節(jié)點(diǎn).其功能在于合成模型中的各個(gè)流水單元，使其成為一個(gè)流水單元，并且該節(jié)點(diǎn)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算.CYCLONE具有以下優(yōu)勢，例如簡單、操作方便、建模容易等，目前其應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛.有學(xué)者結(jié)合水電站導(dǎo)流隧洞循環(huán)施工的特點(diǎn)，將CYCLONE應(yīng)用于施工仿真中，取得的效果比較顯著.也有學(xué)者在土石方工程施工模擬中對循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，能夠得出一些對于管理人員決策而言、具有重要參考意義的參數(shù).此外，CYCLONE模擬同樣也在隧道工程施工以及高層建筑施工仿真中得到應(yīng)用，也取得一定的應(yīng)用效果.

2.3地理信息系統(tǒng)（GIS）在施工仿真中的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)，即GIS，是一門新型學(xué)科技術(shù)，其介于地球科學(xué)和信息科學(xué)之間，能夠有效結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)以及地學(xué)空間數(shù)據(jù)，屬于空間信息技術(shù)的范疇.該項(xiàng)技術(shù)是對地理空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行利用，進(jìn)行集空間數(shù)據(jù)的采集，然后對其進(jìn)行分析、操作、管理，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，且通過地理模型分析，得出各種空間及動態(tài)地理信息.GIS使用屬性數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)對空間數(shù)據(jù)對象進(jìn)行描述，并通過用戶標(biāo)識碼和內(nèi)部代碼連接兩者成為公共數(shù)據(jù)項(xiàng)，促使兩者相互對應(yīng).施工仿真系統(tǒng)是通過計(jì)算機(jī)采集、管理、操作以及分析施工過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并且給出各種空間及動態(tài)信息.因此，GIS系統(tǒng)與施工仿真系統(tǒng)能夠在多方面實(shí)現(xiàn)結(jié)合，GIS的屬性、位置雙向查詢技術(shù)以及空間處理技術(shù)等，均可在施工仿真中得到應(yīng)用.其中，天津大學(xué)對該技術(shù)的研究更為廣泛，然而目前該項(xiàng)技術(shù)僅僅在水利水電工程施工中得到一定程度上應(yīng)用.GIS技術(shù)應(yīng)用于水利水電工程施工中，主要是在水利工程的施工導(dǎo)流動態(tài)可視化仿真中得到應(yīng)用，建立導(dǎo)流三維可視化模型并采用三維動態(tài)演示方法，對三維動態(tài)模型進(jìn)行演示.復(fù)雜地下洞室施工仿真系統(tǒng)中GIS技術(shù)的應(yīng)用，使用可視化圖像形象地表示大壩施工具體過程，從而使工程人員能夠清楚地、及時(shí)地了解大壩施工的情況，促使施工組織水平得到有效提高.也有不少學(xué)者對施工仿真中GIS技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，例如在隧道施工的可視化仿真中應(yīng)用GIS技術(shù)，使GIS有效結(jié)合工程動態(tài)仿真系統(tǒng)，對施工過程中進(jìn)行模擬，從而得到施工組織管理的一些數(shù)據(jù)信息.

2.4Petri網(wǎng)在施工仿真中的應(yīng)用

1962年德國CarlAdamPetrified最先提及Petri網(wǎng)，現(xiàn)階段，Petri網(wǎng)在自動化科學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等相關(guān)仿真領(lǐng)域已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用.Petri網(wǎng)屬于一種網(wǎng)狀的信息流，其節(jié)點(diǎn)通常分為兩類，即條件、事件，基于節(jié)點(diǎn)的有向二分圖進(jìn)行token分布的添加，這些token分布能夠表示狀態(tài)信息.并且，根據(jù)引發(fā)規(guī)則改變事件驅(qū)動狀態(tài)，從而使系統(tǒng)動態(tài)運(yùn)行過程得到體現(xiàn).Petri網(wǎng)憑借其具備的系統(tǒng)分析及驗(yàn)證方法，能夠有效進(jìn)行不確定性、資源共享性、并發(fā)性系統(tǒng)的分析.而建筑工程施工的復(fù)雜性，也正是在資源共享、并發(fā)性以及不確定性問題上得到體現(xiàn)，因此，建筑工程施工系統(tǒng)仿真中Petri網(wǎng)能夠得到有效的應(yīng)用.在20世紀(jì)90年代末，Wakefield等人最先提出在模擬施工系統(tǒng)中應(yīng)用Petri網(wǎng)，改變了人們認(rèn)為Petri網(wǎng)只適用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及自動化制造技術(shù)的觀點(diǎn)，并且完成有關(guān)仿真模型的建立.隨著時(shí)代的發(fā)展，相繼有學(xué)者將Petri網(wǎng)應(yīng)用于工程項(xiàng)目的計(jì)劃管理、攪拌站混凝土的生產(chǎn)過程的模擬、鋼結(jié)構(gòu)的施工仿真建模、公路工程的施工過程仿真、隧洞工程的施工仿真等，同時(shí)建立起相應(yīng)的模型.

2.5施工仿真中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的有效應(yīng)用

20世紀(jì)末虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被提出，并且很快得到有關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注.該項(xiàng)技術(shù)集成了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，這些技術(shù)主要有計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人體交互理論、人體工程學(xué)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中計(jì)算機(jī)占據(jù)十分重要的地位，通過計(jì)算機(jī)及有關(guān)輸出、輸入設(shè)備進(jìn)行逼真、多感官三維虛擬世界的構(gòu)建.有學(xué)者提出這樣的觀點(diǎn)：21世紀(jì)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將成為信息技術(shù)的典型.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相比于其他信息技術(shù)，其具備三維空間表現(xiàn)能力、人機(jī)交互式操作環(huán)境具有實(shí)時(shí)交互性，能給人帶來逼真的感受，使人機(jī)交互接口的研究領(lǐng)域更加廣闊，也有利于各類工程海量資料描述的形象具體化.并且，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)㈦y以觀察到的場景進(jìn)行有效創(chuàng)建和再現(xiàn)，促使人們更好地了解和掌握所描述對象的運(yùn)動變化規(guī)律.系統(tǒng)仿真技術(shù)可以抽象的形式，客觀展示真實(shí)復(fù)雜的世界，并且展現(xiàn)客觀世界的運(yùn)動形式，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠促使系統(tǒng)仿真模型的驗(yàn)證更加合理有效，并且能夠?qū)⒎抡娼Y(jié)果更好地進(jìn)行展示.就目前而言，在軍事、航天以及航空領(lǐng)域.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相對廣泛.并且，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程建模及仿真領(lǐng)域也將得到較好的發(fā)展.工程建模及仿真領(lǐng)域，由于工程規(guī)模較大、施工環(huán)境條件比較復(fù)雜，并且在建模及仿真過程中需要考慮全面，根據(jù)系統(tǒng)仿真的要求，選擇適用的仿真技術(shù)，動畫演示虛擬世界的造型，并且進(jìn)行有效的交互設(shè)計(jì)，可使以上問題得到有效的處理.

3結(jié)語

總而言之，建筑工程施工程序具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，其涉及到的不確定性因素也多種多樣，施工方案是否合理、資源類別及數(shù)量是否滿足要求，等等諸多因素均對施工進(jìn)度產(chǎn)生較大的影響.如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)施工計(jì)劃編制方法，將始終無法取得令人滿意的效果.在此背景下，施工仿真技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，能夠促使這些問題得到有效的解決.目前，我國計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工程項(xiàng)目施工管理中的應(yīng)用已經(jīng)取得較大的發(fā)展，例如蒙特卡洛模擬、循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、Petri網(wǎng)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等均在施工仿真中得到一定的應(yīng)用，并且取得較好的應(yīng)用成效.隨著社會的發(fā)展以及我國科技技術(shù)的提升，三維立體的可視化技術(shù)終將會實(shí)現(xiàn)，不僅能夠進(jìn)行一般仿真數(shù)據(jù)的提供，也能對施工具體過程進(jìn)行展示，從而為建筑工程項(xiàng)目施工管理提供更有效的幫助，促使我國建筑行業(yè)得到更好的發(fā)展。

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作者：林振文 單位：廈門軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院