基于Agent仿真的施工電梯運(yùn)輸管理系統(tǒng)

高 欣，王 靜，陳漢南

（同濟(jì)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海200092）

自20世紀(jì)70年代末首次推出微處理器以來(lái)，為提高效率，電梯電子計(jì)算法則已變得非常復(fù)雜.現(xiàn)代電梯采用了復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，如人工智能法、模糊邏輯法、基因演算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，這些算法改進(jìn)了電梯使用中的等待時(shí)間.在可采用智能決策的復(fù)雜混合交通狀況下，復(fù)雜算法可以獲得非常好的效果［1］.

Siikonen Marja-Liisa首先通過(guò)模糊邏輯對(duì)人流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［2］，然后對(duì)電梯群往返過(guò)程中電梯需求和電梯分布進(jìn)行理論分析，建立TMS 9000（traffic master system 9000）系 統(tǒng)，再 用 ALTS（advanced lift traffic simulator）對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究［3］.Huhns等通過(guò)對(duì)多Agent強(qiáng)化學(xué)習(xí)的電梯群控制研究，處理在實(shí)際應(yīng)用中的大規(guī)模隨機(jī)動(dòng)態(tài)的優(yōu)化問(wèn)題［4］.

以上文獻(xiàn)主要針對(duì)客流具有較大隨機(jī)性的一般客運(yùn)電梯群在電梯類(lèi)型型號(hào)的選擇、電梯數(shù)量和方位的規(guī)劃、運(yùn)行控制的設(shè)定等方面進(jìn)行研究.但是施工電梯運(yùn)輸管理的研究重點(diǎn)不在于電梯群前期的配置和規(guī)劃上，而在施工階段運(yùn)輸流的資源配置和進(jìn)度計(jì)劃制定上.

在基于Agent仿真的建設(shè)工程管理方面，鐘登華等［5］學(xué)者們提出了基于多Agent的混凝土壩施工仿真與優(yōu)化方法，通過(guò)采用多策略建模方法來(lái)構(gòu)建具有不同智能層次的Agent模型.國(guó)外學(xué)者們分別從施工過(guò)程仿真和進(jìn)度管理仿真兩方面展開(kāi)研究.施工過(guò)程仿真以地下挖掘工程為例，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目特征建立反映施工過(guò)程的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)Agent，預(yù)測(cè)土壤結(jié)構(gòu)的挖掘機(jī)Agent等［6-7］.進(jìn)度管理仿真以建設(shè)工程裝配過(guò)程為例，提出多Agent資源配置的主體和資源之間的競(jìng)爭(zhēng)法則和計(jì)算模型，以及各個(gè)Agent之間的交流方式及資源釋放流程等［8］.

綜上所述，施工電梯運(yùn)輸易于預(yù)測(cè)和控制，屬于可以采用智能決策的復(fù)雜混合交通運(yùn)輸管理范疇.另一方面，施工電梯運(yùn)輸管理的運(yùn)輸活動(dòng)過(guò)程具有重復(fù)性且施工電梯和時(shí)間可視為有限資源等特點(diǎn)，適用于基于Agent資源配置的仿真方法.

1 基于拍賣(mài)協(xié)議的仿真模型

拍賣(mài)協(xié)議（auction protocol，AP）作為集中資源配置的一種模型［9］，通過(guò)定義資源、活動(dòng)、活動(dòng)偏好等因素，拍賣(mài)人以整體利益最優(yōu)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)有限資源配制，解決競(jìng)勝標(biāo)確定問(wèn)題（winner determination problem，WDP）.該方法適用于施工電梯管理仿真模型的建立.

將施工電梯和時(shí)間視為資源，將一系列重復(fù)不可間斷的運(yùn)輸任務(wù)視為運(yùn)輸活動(dòng)工作包，而執(zhí)行運(yùn)輸活動(dòng)工作包的過(guò)程視為活動(dòng)，反映運(yùn)輸活動(dòng)執(zhí)行效用的消耗成本視為活動(dòng)偏好，建立施工電梯運(yùn)輸活動(dòng)工作包總歷時(shí)的計(jì)算規(guī)則、消耗總成本的計(jì)算規(guī)則、拍賣(mài)協(xié)議的計(jì)算規(guī)則及其迭代流程.

1.1 運(yùn)輸活動(dòng)工作包總歷時(shí)的計(jì)算規(guī)則

電梯運(yùn)輸過(guò)程按運(yùn)輸狀態(tài)可以分為3段，一段是正常運(yùn)行時(shí)間，稱(chēng)為勻速運(yùn)動(dòng)；一段是從正常運(yùn)行狀態(tài)到停止?fàn)顟B(tài)的減速運(yùn)行時(shí)間，稱(chēng)為減速運(yùn)動(dòng)；一段是從停止?fàn)顟B(tài)到正常運(yùn)行狀態(tài)的加速運(yùn)行時(shí)間，稱(chēng)為加速運(yùn)動(dòng).在此假設(shè)電梯的整個(gè)運(yùn)輸時(shí)間均為正常運(yùn)行時(shí)間，并且由同一批次工人完成同一循環(huán)周期的運(yùn)輸活動(dòng).運(yùn)輸活動(dòng)工作包n-1完成后，電梯停在其需求層，運(yùn)輸活動(dòng)工作包n開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，電梯需要從上一個(gè)活動(dòng)工作包的需求層回到該活動(dòng)工作包的供應(yīng)層，便產(chǎn)生了初始時(shí)間值.因此，運(yùn)輸活動(dòng)工作包總歷時(shí)的計(jì)算規(guī)則如下：

式中：Hmn為電梯m完成活動(dòng)工作包n的歷時(shí)總時(shí)間；hin為電梯從活動(dòng)工作包n-1的需求層到活動(dòng)工作包n的供應(yīng)層的初始時(shí)間；N為完成一次活動(dòng)工作包需要運(yùn)輸?shù)拇螖?shù)；hl為單次運(yùn)輸物的裝載時(shí)間；hle為單次水平運(yùn)輸往返時(shí)間；hv為單次垂直運(yùn)輸往返時(shí)間；ho為單次運(yùn)輸物的卸載時(shí)間；Vj為電梯正常運(yùn)行速度；fs為需求層所在層的層數(shù)；df為單層的層高；fD為供應(yīng)層所在層的層數(shù)；f′D為活動(dòng)工作包n-1供應(yīng)層所在層的層數(shù)；VL為水平空載運(yùn)輸速度；V′L為水平滿(mǎn)載運(yùn)輸速度；lES為供應(yīng)點(diǎn)到電梯位置的水平距離；lED為需求點(diǎn)到電梯位置的水平距離；Ex和Ey為電梯的水平坐標(biāo)；Sx和Sy為供應(yīng)點(diǎn)的水平坐標(biāo)；Dx和Dy為需求點(diǎn)的水平坐標(biāo).

1.2 運(yùn)輸活動(dòng)工作包消耗總成本的計(jì)算規(guī)則

施工電梯執(zhí)行運(yùn)輸活動(dòng)工作包產(chǎn)生的運(yùn)行成本主要由裝載成本、卸載成本、水平運(yùn)輸成本（含滿(mǎn)載和空載）、電梯垂直運(yùn)輸成本（含滿(mǎn)載和空載）等組成，即

式中：Ca為施工電梯執(zhí)行活動(dòng)工作包的運(yùn)行成本；cl為單位時(shí)間裝載成本；co為單位時(shí)間卸載成本；cle為單位時(shí)間水平運(yùn)輸成本；cv為單位時(shí)間垂直運(yùn)輸成本.

假設(shè)施工電梯的單位運(yùn)行成本主要由機(jī)械單位成本和人工單位成本組成，其他部分的單位成本則主要是人工單位成本.并且在施工電梯運(yùn)輸活動(dòng)的全過(guò)程中使用的人工數(shù)量和工種均相同，即產(chǎn)生的人工成本相同，式（1）可以轉(zhuǎn)換為

式中：cp為單位時(shí)間人工成本；cm為單位時(shí)間電梯的機(jī)械成本，cm=ci+cop；ci為單位時(shí)間電梯的閑置成本，ci=cr或cam；cr為單位時(shí)間電梯的租賃成本；cam為單位時(shí)間電梯的折舊分?jǐn)偝杀荆籧op為單位時(shí)間電梯的運(yùn)行成本.

施工電梯運(yùn)輸?shù)南目偝杀緞t主要由活動(dòng)的運(yùn)行成本、活動(dòng)執(zhí)行前的運(yùn)輸物的儲(chǔ)存成本、施工電梯的閑置成本、活動(dòng)不能按時(shí)完成的逾期成本等組成，即

式中：Cmn為電梯m完成運(yùn)輸活動(dòng)工作包n所消耗的總成本；cs為單位時(shí)間運(yùn)輸物的儲(chǔ)存成本；cd為單位時(shí)間活動(dòng)工作包不能按時(shí)完成而產(chǎn)出延誤的懲罰性成本（即逾期成本）；Hs為運(yùn)輸物的儲(chǔ)存時(shí)間，Hs=TES-Tde；Hd為活動(dòng)工作包的延誤時(shí)間，Hd=TLFTDL；Hi為電梯的閑置時(shí)間，Hi=TESn-TLFn-1；TES為活動(dòng)工作包最早開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)；TESn為活動(dòng)工作包n最早開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)；Tde為運(yùn)輸物到達(dá)儲(chǔ)存位置的時(shí)間點(diǎn)；TLF為活動(dòng)工作包最晚完成時(shí)間點(diǎn)；TLFn-1為活動(dòng)工作包n-1最晚完成時(shí)間點(diǎn)；TDL為活動(dòng)工作包完成的最后期限.

1.3 拍賣(mài)協(xié)議的計(jì)算規(guī)則及迭代流程

求解競(jìng)勝標(biāo)確定問(wèn)題（WDP）的原則是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)盡可能完成計(jì)劃實(shí)施的活動(dòng)并實(shí)現(xiàn)總絕對(duì)競(jìng)拍成本（即消耗總成本）最低.那么

式中：Pmn為考慮時(shí)間資源的活動(dòng)相對(duì)競(jìng)拍成本；Fmn為浮動(dòng)時(shí)間.Pmn由多方面因數(shù)決定，包括資源的有效時(shí)間、活動(dòng)持續(xù)時(shí)間、活動(dòng)開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)、活動(dòng)產(chǎn)生的消耗成本等.如果活動(dòng)的完成超出最后期限，這個(gè)活動(dòng)則不可以參與競(jìng)爭(zhēng).而公式（2）中的1是為了使Pmn不為零而加入的.浮動(dòng)時(shí)間Fmn是任務(wù)完成時(shí)間點(diǎn)距離任務(wù)最后期限點(diǎn)的時(shí)間浮動(dòng)，那么

根據(jù)拍賣(mài)協(xié)議的仿真模型和計(jì)算規(guī)則，解決競(jìng)勝標(biāo)確定問(wèn)題的迭代計(jì)算流程（圖1）如下：

（1）首次計(jì)算時(shí)，所有活動(dòng)工作包的5個(gè)取值均相同，即hin=0，Cs=0，Cd=0，Ci=0，TES取值為電梯開(kāi)始工作時(shí)間點(diǎn)；

（2）求解Cmn和Hmn，將公式（3）代入公式（2）中，得Pmn=Cmn（1+（TDL-TES-Hmn））；

（3）求解各個(gè)活動(dòng)工作包的相對(duì)競(jìng)拍成本Pmn，按Pmn取值從小到大排序；

（4）計(jì)算排序后的各個(gè)活動(dòng)工作包的Cmn，并將各Cmn累加求和；

圖1 拍賣(mài)協(xié)議的迭代計(jì)算流程Fig.1 Iterative calculation process of auction protocol

（5）將排序后的Cmn代入式（2）中，按Pmn取值從小到大排序，以此類(lèi)推；

（6）直到上一次Cmn求和小于等于此次Cmn求和，取Cmn求和最小的值為最優(yōu)解.

2 施工電梯垂直運(yùn)輸管理系統(tǒng)的建立和應(yīng)用

2.1 施工電梯運(yùn)輸管理的仿真步驟

以進(jìn)度管理的拍賣(mài)協(xié)議仿真模型為基礎(chǔ)，結(jié)合施工電梯運(yùn)輸活動(dòng)全過(guò)程的離散事件仿真方法，施工電梯運(yùn)輸管理的仿真步驟具體分析如下：

（1）根據(jù)施工電梯群的組織設(shè)計(jì)，確定參與運(yùn)輸活動(dòng)的施工電梯、電梯位置、使用時(shí)間、使用區(qū)域、注意事項(xiàng)等.

（2）根據(jù)施工組織方案，確定運(yùn)輸物的存儲(chǔ)區(qū)、緩沖區(qū)（需求點(diǎn)）和放置區(qū)（供應(yīng)點(diǎn)），如果沒(méi)有緩沖區(qū)，則儲(chǔ)存區(qū)為需求點(diǎn).

（3）根據(jù)運(yùn)輸構(gòu)件對(duì)實(shí)施相關(guān)項(xiàng)目需求的輕重緩急、空間放置要求和工序要求等，確定運(yùn)輸活動(dòng)工作包完成的最后期限.

（4）根據(jù)對(duì)相關(guān)項(xiàng)目和工種負(fù)責(zé)人的問(wèn)卷調(diào)查，將屬于同一性質(zhì)不可間斷的重復(fù)性活動(dòng)進(jìn)行歸類(lèi).

（5）確定仿真時(shí)間周期，例如一周時(shí)間.運(yùn)輸活動(dòng)仿真流程見(jiàn)圖2.

（6）在當(dāng)前仿真時(shí)間周期下，確定滿(mǎn)足約束條件并需要完成的活動(dòng)工作包列表Ai=｛a1，a2，a3，…，an｝.

（7）確定在相應(yīng)仿真時(shí)間周期下，可以提供的有效資源施工電梯列表Rj=｛r1，r2，…，rm｝.

（8）掃描Ai=｛a1，a2，…，an｝，選取最后期限靠前ai.

（9）掃描Rj=｛r1，r2，…，rm｝，選取可行ri——① 當(dāng)前活動(dòng)工作包掃描到合適資源時(shí)，則獲得合適資源，執(zhí)行并完成該活動(dòng)工作包，從活動(dòng)工作包列表中刪除完成的活動(dòng)工作包，釋放使用過(guò)的資源，回歸資源塔吊列表；② 如果仿真累計(jì)時(shí)間沒(méi)有到達(dá)項(xiàng)目的完成時(shí)間，則仿真時(shí)間周期加一，返回第（7）步.

（10）獲得具有一定組合順序的資源配置活動(dòng)工作包的方案組.

（11）求解各方案的勝者決定問(wèn)題（WDP），并優(yōu)化各方案.

（12）根據(jù)總絕對(duì)競(jìng)拍成本最低選取方案組中的最優(yōu)方案.

圖2 施工電梯運(yùn)輸活動(dòng)的仿真流程圖Fig.2 Simulation process of transportation activities of construction elevators

通過(guò)建立垂直運(yùn)輸管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初步應(yīng)用及其界面顯示.項(xiàng)目管理有十個(gè)子目錄，分別為項(xiàng)目維護(hù)、區(qū)域維護(hù)、單體維護(hù)、存儲(chǔ)區(qū)域維護(hù)、供應(yīng)點(diǎn)維護(hù)、需求點(diǎn)維護(hù)、塔吊資源維護(hù)、電梯資源維護(hù)、塔吊工作包和電梯工作包.數(shù)字字典由塔吊型號(hào)維護(hù)、電梯型號(hào)維護(hù)和構(gòu)件維護(hù)組成.智能調(diào)度由塔吊智能調(diào)度、電梯智能調(diào)度、塔吊智能調(diào)度列表和電梯智能調(diào)度列表組成.系統(tǒng)管理由菜單管理和用戶(hù)管理組成.其中電梯智能調(diào)度主要是通過(guò)下拉菜單和拖拉選項(xiàng)的形式選擇運(yùn)輸活動(dòng)開(kāi)始時(shí)間、電梯資源、活動(dòng)工作包等項(xiàng)目.

2.2 仿真結(jié)果的對(duì)比與分析

將施工電梯在垂直運(yùn)輸管理系統(tǒng)中的有效輸出數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）和實(shí)例項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠從工期、消耗總成本以及垂直運(yùn)輸管理等多方面進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化.

表1 垂直運(yùn)輸管理系統(tǒng)中的施工電梯有效運(yùn)算數(shù)據(jù)Tab.1 Effective operation data of construction elevators in the vertical transportation management system

通過(guò)對(duì)實(shí)際操作數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比分析可以獲得如下信息：①施工電梯Y9和Y3運(yùn)輸工作包的排班順序不同，但執(zhí)行日期相同；② 施工電梯Y2和L7＃運(yùn)輸工作包的排班順序相同，但執(zhí)行日期不同；③ 在沒(méi)出現(xiàn)逾期運(yùn)輸?shù)那闆r下，僅通過(guò)減少電梯的閑置等待時(shí)間和運(yùn)輸活動(dòng)工作包的存儲(chǔ)時(shí)間，使得計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果比實(shí)際操作情況節(jié)約5%左右的運(yùn)輸消耗總成本.并且仿真結(jié)果顯示每個(gè)電梯的執(zhí)行日期平均可提前1d開(kāi)始.

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)基于Agent仿真的資源進(jìn)度管理，建立施工電梯運(yùn)輸管理仿真框架.將施工電梯和時(shí)間視為有限資源，運(yùn)輸活動(dòng)工作包視為活動(dòng)，采用多Agent集中資源配置的拍賣(mài)協(xié)議仿真模型，求解將哪些資源分配給哪些活動(dòng)以實(shí)現(xiàn)整體利益最大化的問(wèn)題，即處理競(jìng)勝標(biāo)確定問(wèn)題.

整合施工電梯運(yùn)輸管理仿真中的運(yùn)輸活動(dòng)總歷時(shí)計(jì)算規(guī)則、消耗總成本計(jì)算規(guī)則、拍賣(mài)協(xié)議計(jì)算規(guī)則及其迭代流程，建立包含項(xiàng)目管理、數(shù)字字典、智能調(diào)度和系統(tǒng)管理4個(gè)組成部分的基于Agent仿真的施工電梯運(yùn)輸管理系統(tǒng).通過(guò)該仿真系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果顯示，可以有效縮短工期、降低消耗總成本并且能夠從運(yùn)輸活動(dòng)工作包的存儲(chǔ)和逾期、電梯的閑置等多角度進(jìn)行垂直運(yùn)輸?shù)木C合管理.

希望通過(guò)今后的工作，能夠建立一套更完善、更符合實(shí)際情況的建設(shè)工程垂直運(yùn)輸管理系統(tǒng)，納入塔吊運(yùn)輸管理、天氣預(yù)測(cè)、輪班及休假、機(jī)械故障及保養(yǎng)、智能項(xiàng)目管理人等，并實(shí)現(xiàn)三維可視化動(dòng)畫(huà)界面.

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