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，為提高效率，電梯電子計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首先通過模糊邏輯對人流統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［2］，然后對電梯群往返過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）對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究［3］.Huhns等通過對多Agent強(qiáng)化學(xué)習(xí)的電梯群控制研究，處理在實際應(yīng)用中的大規(guī)模隨機(jī)動態(tài)的優(yōu)化問題［4］.

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

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，通過采用多策略建模方法來構(gòu)建具有不同智能層次的Agent模型.國外學(xué)者們分別從施工過程仿真和進(jìn)度管理仿真兩方面展開研究.施工過程仿真以地下挖掘工程為例，根據(jù)實際項目特征建立反映施工過程的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)Agent，預(yù)測土壤結(jié)構(gòu)的挖掘機(jī)Agent等［6-7］.進(jìn)度管理仿真以建設(shè)工程裝配過程為例，提出多Agent資源配置的主體和資源之間的競爭法則和計算模型，以及各個Agent之間的交流方式及資源釋放流程等［8］.

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

1 基于拍賣協(xié)議的仿真模型

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

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

1.1 運輸活動工作包總歷時的計算規(guī)則

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

式中：Hmn為電梯m完成活動工作包n的歷時總時間；hin為電梯從活動工作包n-1的需求層到活動工作包n的供應(yīng)層的初始時間；N為完成一次活動工作包需要運輸?shù)拇螖?shù)；hl為單次運輸物的裝載時間；hle為單次水平運輸往返時間；hv為單次垂直運輸往返時間；ho為單次運輸物的卸載時間；Vj為電梯正常運行速度；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為活動工作包n-1供應(yīng)層所在層的層數(shù)；VL為水平空載運輸速度；V′L為水平滿載運輸速度；lES為供應(yīng)點到電梯位置的水平距離；lED為需求點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)點的水平坐標(biāo)；Dx和Dy為需求點的水平坐標(biāo).

1.2 運輸活動工作包消耗總成本的計算規(guī)則

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

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

假設(shè)施工電梯的單位運行成本主要由機(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.并且在施工電梯運輸活動的全過程中使用的人工數(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為單位時間人工成本；cm為單位時間電梯的機(jī)械成本，cm=ci+cop；ci為單位時間電梯的閑置成本，ci=cr或cam；cr為單位時間電梯的租賃成本；cam為單位時間電梯的折舊分?jǐn)偝杀荆籧op為單位時間電梯的運行成本.

施工電梯運輸?shù)南目偝杀緞t主要由活動的運行成本、活動執(zhí)行前的運輸物的儲存成本、施工電梯的閑置成本、活動不能按時完成的逾期成本等組成，即

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

1.3 拍賣協(xié)議的計算規(guī)則及迭代流程

求解競勝標(biāo)確定問題（WDP）的原則是在規(guī)定時間內(nèi)盡可能完成計劃實施的活動并實現(xiàn)總絕對競拍成本（即消耗總成本）最低.那么

式中：Pmn為考慮時間資源的活動相對競拍成本；Fmn為浮動時間.Pmn由多方面因數(shù)決定，包括資源的有效時間、活動持續(xù)時間、活動開始和結(jié)束的時間點、活動產(chǎn)生的消耗成本等.如果活動的完成超出最后期限，這個活動則不可以參與競爭.而公式（2）中的1是為了使Pmn不為零而加入的.浮動時間Fmn是任務(wù)完成時間點距離任務(wù)最后期限點的時間浮動，那么

根據(jù)拍賣協(xié)議的仿真模型和計算規(guī)則，解決競勝標(biāo)確定問題的迭代計算流程（圖1）如下：

（1）首次計算時，所有活動工作包的5個取值均相同，即hin=0，Cs=0，Cd=0，Ci=0，TES取值為電梯開始工作時間點；

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

（3）求解各個活動工作包的相對競拍成本Pmn，按Pmn取值從小到大排序；

（4）計算排序后的各個活動工作包的Cmn，并將各Cmn累加求和；

圖1 拍賣協(xié)議的迭代計算流程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 施工電梯垂直運輸管理系統(tǒng)的建立和應(yīng)用

2.1 施工電梯運輸管理的仿真步驟

以進(jìn)度管理的拍賣協(xié)議仿真模型為基礎(chǔ)，結(jié)合施工電梯運輸活動全過程的離散事件仿真方法，施工電梯運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，確定參與運輸活動的施工電梯、電梯位置、使用時間、使用區(qū)域、注意事項等.

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

（3）根據(jù)運輸構(gòu)件對實施相關(guān)項目需求的輕重緩急、空間放置要求和工序要求等，確定運輸活動工作包完成的最后期限.

（4）根據(jù)對相關(guān)項目和工種負(fù)責(zé)人的問卷調(diào)查，將屬于同一性質(zhì)不可間斷的重復(fù)性活動進(jìn)行歸類.

（5）確定仿真時間周期，例如一周時間.運輸活動仿真流程見圖2.

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

（7）確定在相應(yīng)仿真時間周期下，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)前活動工作包掃描到合適資源時，則獲得合適資源，執(zhí)行并完成該活動工作包，從活動工作包列表中刪除完成的活動工作包，釋放使用過的資源，回歸資源塔吊列表；② 如果仿真累計時間沒有到達(dá)項目的完成時間，則仿真時間周期加一，返回第（7）步.

（10）獲得具有一定組合順序的資源配置活動工作包的方案組.

（11）求解各方案的勝者決定問題（WDP），并優(yōu)化各方案.

（12）根據(jù)總絕對競拍成本最低選取方案組中的最優(yōu)方案.

圖2 施工電梯運輸活動的仿真流程圖Fig.2 Simulation process of transportation activities of construction elevators

通過建立垂直運輸管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)的初步應(yīng)用及其界面顯示.項目管理有十個子目錄，分別為項目維護(hù)、區(qū)域維護(hù)、單體維護(hù)、存儲區(qū)域維護(hù)、供應(yīng)點維護(hù)、需求點維護(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)字字典由塔吊型號維護(hù)、電梯型號維護(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管理組成.其中電梯智能調(diào)度主要是通過下拉菜單和拖拉選項的形式選擇運輸活動開始時間、電梯資源、活動工作包等項目.

2.2 仿真結(jié)果的對比與分析

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

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

通過對實際操作數(shù)據(jù)和計算機(jī)仿真數(shù)據(jù)的對比分析可以獲得如下信息：①施工電梯Y9和Y3運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＃運輸工作包的排班順序相同，但執(zhí)行日期不同；③ 在沒出現(xiàn)逾期運輸?shù)那闆r下，僅通過減少電梯的閑置等待時間和運輸活動工作包的存儲時間，使得計算機(jī)仿真結(jié)果比實際操作情況節(jié)約5%左右的運輸消耗總成本.并且仿真結(jié)果顯示每個電梯的執(zhí)行日期平均可提前1d開始.

3 結(jié)語

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

整合施工電梯運輸管理仿真中的運輸活動總歷時計算規(guī)則、消耗總成本計算規(guī)則、拍賣協(xié)議計算規(guī)則及其迭代流程，建立包含項目管理、數(shù)字字典、智能調(diào)度和系統(tǒng)管理4個組成部分的基于Agent仿真的施工電梯運輸管理系統(tǒng).通過該仿真系統(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輸活動工作包的存儲和逾期、電梯的閑置等多角度進(jìn)行垂直運輸?shù)木C合管理.

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

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