基于多Agent仿真的移動(dòng)防洪系統(tǒng)應(yīng)急安裝研究

汪倫焰 翟嘯東 李慧敏 張嬋 呂樂(lè)琳

摘要：移動(dòng)式防洪系統(tǒng)是一種具備高安全性的標(biāo)準(zhǔn)化防洪方法，但在中國(guó)城市防洪系統(tǒng)中應(yīng)用還不多，對(duì)其應(yīng)急安裝管理研究不足是制約因素之一。依托某市的移動(dòng)式防洪墻工程，對(duì)其安裝過(guò)程進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)，構(gòu)建了移動(dòng)式防洪系統(tǒng)應(yīng)急安裝數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，利用Anylogic軟件對(duì)移動(dòng)式防洪墻構(gòu)件的裝載、運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行仿真，利用仿真結(jié)果對(duì)該數(shù)學(xué)規(guī)劃模型進(jìn)行求解，并給出最優(yōu)方案。研究表明：通過(guò)資源的合理調(diào)配，改進(jìn)施工步驟，可以縮短移動(dòng)式防洪墻的應(yīng)急安裝時(shí)間，為防洪搶險(xiǎn)贏得寶貴時(shí)間。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)式防洪系統(tǒng);整數(shù)規(guī)劃;應(yīng)急安裝;建模仿真

中圖分類號(hào)：F224;TV87 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

城市是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的標(biāo)志，氣候變化導(dǎo)致城市受自然災(zāi)害侵襲的風(fēng)險(xiǎn)增大，城市防洪減災(zāi)能力能否提高直接關(guān)系著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展[1-2]。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，1991-2008年我國(guó)自然災(zāi)害總損失為44503億元，年均2472億元，其中洪水災(zāi)害造成的損失占48%。近年來(lái)，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，城市洪澇災(zāi)害的防治任務(wù)越來(lái)越重，我國(guó)城市大多依山傍水而建，是流域防洪的重點(diǎn)，建立完善的城市防洪應(yīng)急機(jī)制至關(guān)重要[3-4]。

改革開(kāi)放以來(lái)，城市較快發(fā)展，一些臨河城市更是在河道兩岸大興土木。城市防洪工程建設(shè)既要滿足基本防洪要求，還要與城市建設(shè)相契合，兼顧城市生態(tài)美觀功能，滿足人們對(duì)水的觀賞要求及親水要求，移動(dòng)式防洪系統(tǒng)（Mobile Flood Control System）正好解決了這一問(wèn)題。

移動(dòng)式防洪系統(tǒng)作為一種安裝便捷、美觀的防洪設(shè)施在國(guó)外已有多個(gè)成功案例，但在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。段亞娟[5]對(duì)移動(dòng)式防洪墻各部分構(gòu)件的材料性能、預(yù)埋件的安裝方式等進(jìn)行了研究，陳守開(kāi)等[6]對(duì)移動(dòng)式防洪系統(tǒng)力學(xué)性能及滲漏特性進(jìn)行了研究。筆者就移動(dòng)式防洪系統(tǒng)應(yīng)急安裝進(jìn)行研究，旨在為實(shí)際工程提供技術(shù)支撐。

1 移動(dòng)式防洪系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 移動(dòng)式防洪系統(tǒng)及構(gòu)件

移動(dòng)式防洪系統(tǒng)通常由立柱（邊柱）、擋板、止水、螺栓、壓緊裝置、預(yù)埋件等構(gòu)件組成[7]，見(jiàn)圖1。其工作原理如下：在預(yù)設(shè)防洪的位置事先建成埋置有預(yù)埋件的鋼筋混凝土基座，洪水來(lái)臨前，在預(yù)埋件上安裝立柱、在立柱間安裝擋板及止水條，形成封閉墻體抵擋洪水;洪水來(lái)臨時(shí)，水通過(guò)擋板與立柱接觸部位進(jìn)入中空的擋板，增加防洪墻自重，提高穩(wěn)定性;洪水退去后逆序拆除各部件，并按標(biāo)記有序存于倉(cāng)庫(kù)。

1.2 移動(dòng)式防洪墻倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)計(jì)

移動(dòng)式防洪墻在洪水預(yù)報(bào)之后才開(kāi)始安裝，在抗洪應(yīng)急搶險(xiǎn)的環(huán)境下，時(shí)間非常緊迫，安裝過(guò)程如果組織不當(dāng)，那么就可能延誤抗洪搶險(xiǎn)的最佳時(shí)機(jī)。由于倉(cāng)庫(kù)不可能是開(kāi)敞式的，且在不同堤段因高程不同而需要安裝不同高度的立柱，因此構(gòu)件在倉(cāng)庫(kù)中的位置和抗洪堤岸的位置相對(duì)應(yīng)非常重要，在設(shè)計(jì)構(gòu)件存儲(chǔ)位置時(shí)，必須考慮其在堤岸上的安裝位置。倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)要根據(jù)立柱和擋板的數(shù)量來(lái)確定，倉(cāng)庫(kù)的布局必須考慮應(yīng)急運(yùn)輸，需要在最短的時(shí)間內(nèi)把不同高度的立柱運(yùn)輸至相應(yīng)的堤段。在移動(dòng)式防洪墻倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)采用構(gòu)件分區(qū)存儲(chǔ)和精準(zhǔn)存儲(chǔ)相結(jié)合的方式：①分區(qū)存儲(chǔ)。不同的構(gòu)件存儲(chǔ)在不同的區(qū)域，且這個(gè)區(qū)域是固定的。②精準(zhǔn)存儲(chǔ)。在每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域都要標(biāo)明構(gòu)件的信息，且貼有標(biāo)識(shí)。每一根立柱上都貼有專屬銘牌，抗洪堤岸同樣貼有銘牌，且與倉(cāng)庫(kù)中的銘牌是一一對(duì)應(yīng)的。

通過(guò)對(duì)儲(chǔ)存位置的設(shè)計(jì)和應(yīng)急系統(tǒng)的構(gòu)建，做到防洪墻的各個(gè)構(gòu)件準(zhǔn)確無(wú)誤地運(yùn)輸至堤岸，并組織快速安裝。倉(cāng)儲(chǔ)分區(qū)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2、圖3。

2 應(yīng)急安裝施工組織設(shè)計(jì)

2.1 安裝流程

移動(dòng)式防洪墻安裝流程見(jiàn)圖4。

（1）清理表面雜物。安裝之前，預(yù)埋件表面裸露在自然環(huán)境中，故需要將預(yù)埋件表面雜物清除干凈，清理過(guò)程中注意不要破壞預(yù)埋件表面。首先清除預(yù)埋件表面大塊雜物，然后清除殘留碎渣，確保預(yù)埋件表面干凈，其周圍無(wú)雜物，以免對(duì)立柱的安裝造成影響。

（2）拆卸保護(hù)螺栓。用扭矩扳手拆卸保護(hù)螺栓，收集拆卸下來(lái)的保護(hù)螺栓。

（3）清理螺孔內(nèi)部雜物。用手持式鼓風(fēng)機(jī)清除螺孔內(nèi)殘留雜物。

（4）安裝立柱。兩個(gè)安裝人員將運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢玫牧⒅У桨惭b處，將立柱螺孔與預(yù)埋件螺孔對(duì)準(zhǔn)，然后安裝，并對(duì)角擰緊螺栓。搬抬過(guò)程中可手握立柱兩側(cè)把手。

（5）安裝地面密封。將擋板沿程分散放置以提高安裝效率，身高相近的兩人將擋板從放置處抬至安裝處，然后可將擋板從立柱中部插入，先插入一側(cè)立柱凹槽內(nèi)，再插入另一側(cè)，待兩側(cè)全部插入凹槽，兩人同時(shí)將擋板向下壓直至接地。安裝過(guò)程中注意距離兩端立柱應(yīng)相近，并避免劃傷構(gòu)件。

（6）安裝擋板。將分散到指定位置的擋板兩人一組進(jìn)行安裝。安裝中下部的擋板可從立柱中部插入，先插入一側(cè)立柱凹槽內(nèi)，再插入另一側(cè);安裝頂部擋板時(shí)，從立柱頂部同時(shí)將擋板插入。待兩側(cè)全部插入凹槽兩人同時(shí)將擋板向下壓直至接地，安裝過(guò)程中注意與兩端立柱的距離應(yīng)相近，并避免劃傷構(gòu)件。

（7）安裝壓緊裝置。提前清理端柱卡槽部位表面混凝土，將壓緊裝置放入立柱卡槽中并下移至擋板頂部，其后兩人同步擰緊壓緊裝置，直至下部地面密封壓縮至25～30mm為止。

2.2 工序功效測(cè)定

通過(guò)對(duì)移動(dòng)式防洪墻安裝工序進(jìn)行分析，提煉出工序的基本動(dòng)作，采用現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)秒表測(cè)試分析及定額測(cè)定的方法對(duì)工序工時(shí)進(jìn)行測(cè)定，得出工序的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間。根據(jù)工序的連貫性及工時(shí)測(cè)定結(jié)果，將部分工序進(jìn)行聯(lián)合作業(yè)分析。

表1為現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的工序工時(shí)測(cè)定結(jié)果。

2.3 施工組織設(shè)計(jì)

在進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到定額時(shí)間中的休息時(shí)間和不可避免的中斷時(shí)間，并且結(jié)合工程實(shí)際情況，將安裝擋板的時(shí)間統(tǒng)一記為3min，移動(dòng)式防洪墻各段情況相同。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出施工組織方案：每8跨（相鄰兩根中心立柱的距離為1跨）為一個(gè)單元工程，每個(gè)施工隊(duì)為8人。一個(gè)施工隊(duì)完成一個(gè)單元工程需要的時(shí)間為20min。

施工示意圖及單代號(hào)網(wǎng)絡(luò)圖見(jiàn)圖5。圖5（a）中，Ⅰ～Ⅷ表示立柱，1～8表示預(yù)埋件，a～h表示擋板，a～h表示壓緊裝置。圖5（b）中，①～⑩表示單代號(hào)網(wǎng)絡(luò)圖中的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。施工過(guò)程如下：①作業(yè)A，8人拆卸保護(hù)螺栓，用時(shí)4min;②作業(yè)B，8人安裝立柱Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，用時(shí)3min;③作業(yè)C，2人安裝立柱Ⅴ，作業(yè)D，6人安裝擋板a、b、c，用時(shí)3min;④作業(yè)E，2人安裝擋板d，作業(yè)F，6人安裝立柱Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ，用時(shí)3min;⑤作業(yè)G，8人安裝擋板e(cuò)、f、g、h，用時(shí)3min;⑥作業(yè)H，8人安裝壓緊裝置a、b、c、d、e、f、g、h用時(shí)4min。

建立以施工隊(duì)數(shù)量x為自變量，安裝時(shí)間y為因變量的函數(shù)關(guān)系。函數(shù)為（x取正整數(shù)），結(jié)果見(jiàn)圖6。

3 基于AnyLogic的移動(dòng)式防洪系統(tǒng)應(yīng)急運(yùn)輸安裝仿真

3.1 移動(dòng)式防洪系統(tǒng)應(yīng)急安裝數(shù)學(xué)規(guī)劃模型

整數(shù)規(guī)劃是研究部分或全部決策變量必須取整數(shù)值的規(guī)劃問(wèn)題。不考慮整數(shù)條件，由余下的目標(biāo)函數(shù)和約束條件構(gòu)成的規(guī)劃問(wèn)題稱為該整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題的松弛問(wèn)題。若松弛問(wèn)題是一個(gè)線性規(guī)劃，則稱該整數(shù)規(guī)劃為整數(shù)線性規(guī)劃[8]。

根據(jù)本研究?jī)?nèi)容，假設(shè)應(yīng)急運(yùn)輸安裝總時(shí)間為T，叉車數(shù)量為x₁，單位叉車成本為c₁，裝載時(shí)間為t₁;卡車數(shù)量為x₂，單位卡車成本為c₂，運(yùn)輸時(shí)間為t₂;施工隊(duì)數(shù)量為x₃，單位施工隊(duì)成本為c₃，安裝時(shí)間為t₃。為保證在n小時(shí)內(nèi)完成移動(dòng)式防洪墻應(yīng)急安裝，目標(biāo)函數(shù)和約束條件分別為式（1）和式（2）。

min z=c₁x₁+c₂x₂+c₃x₃（x₁，x₂，x₃取正整數(shù)）（1）

3.2 移動(dòng)式防洪墻應(yīng)急運(yùn)輸安裝仿真流程

運(yùn)輸過(guò)程包括構(gòu)件從倉(cāng)庫(kù)裝車和構(gòu)件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)兩部分。在構(gòu)件裝車這一過(guò)程中，需要按照立柱類型、立柱和擋板的數(shù)量比例來(lái)裝車。

移動(dòng)式防洪墻應(yīng)急運(yùn)輸安裝仿真流程見(jiàn)圖7。裝載卡車到達(dá)倉(cāng)庫(kù)指定裝載點(diǎn)，由防洪應(yīng)急管理人員向卡車司機(jī)明確運(yùn)輸目標(biāo)堤段，倉(cāng)庫(kù)管理人員指揮叉車按照堤段對(duì)應(yīng)的立柱類型將相應(yīng)數(shù)量的立柱和擋板裝載至卡車中。裝載完成后，向指定堤段進(jìn)行運(yùn)輸?？ㄜ噷?gòu)件運(yùn)輸至目標(biāo)堤段后，由現(xiàn)場(chǎng)管理人員指揮叉車卸載。卸載完成后，工人開(kāi)始安裝。

3.3 應(yīng)急仿真參數(shù)設(shè)計(jì)

AnyLogic主要對(duì)不同類型的事件進(jìn)行仿真，如離散事件、連續(xù)事件及混合事件（離散事件加連續(xù)事件），以實(shí)現(xiàn)不同維度的事件仿真，如宏觀、中觀、微觀。AnyLogic具有建模速度相對(duì)較快、支持多類型模型開(kāi)發(fā)、視覺(jué)沖擊感強(qiáng)、可隨處運(yùn)行等優(yōu)勢(shì)[9]。

3.3.1 裝載流程建模

移動(dòng)式防洪墻構(gòu)件裝載流程見(jiàn)圖8。整個(gè)流程分為兩個(gè)子流程：第一個(gè)子流程為叉車搬運(yùn)裝有指定構(gòu)件的托盤到卡車裝載點(diǎn);第二個(gè)子流程為卡車的運(yùn)動(dòng)過(guò)程即卡車從排隊(duì)等待位置移動(dòng)到指定裝載點(diǎn)，裝載完成后，卡車離開(kāi)。

第一個(gè)子流程如下。

（1）第一個(gè)模塊為Source模塊，因?yàn)楸灸Ｐ偷馁Y源為托盤，因此將該模塊命名為Source Pallets。

（2）第二個(gè)模塊為rack Store模塊，rack Store模塊會(huì)將托盤放入指定的托盤貨架單元，并將該模塊命名為store Component。

（3）第三個(gè)模塊為Delay模塊，Delay模塊模擬構(gòu)件在貨架中等待，并將該模塊命名為Component InStorage。

（4）第四個(gè)模塊為rack Pick模塊，這個(gè)模塊的目的是將托盤從貨架上的一個(gè)單元中移動(dòng)到指定的目的地，將其命名為pick Component。

（5）第五個(gè)模塊為Sink模塊，Sink模塊處理智能體，通常為流程圖的終點(diǎn)。

（6）第六個(gè)模塊為resource Pool模塊，resourcePool模塊與Source模塊不同，resource Pool模塊定義了資源池或集合。資源單元可以有個(gè)體屬性，每個(gè)資源都帶一個(gè)圖形化圖標(biāo)、參數(shù)、函數(shù)等元素。該案例模型的資源是叉車，它們將托盤從托盤貨架移動(dòng)到裝載區(qū)，因此將其命名為forklifts。

第二個(gè)子流程為Source-Move To-Delay-MoveTo-Sink。

（1）Source模塊生成卡車。該模塊命名為SourceDelivery Trucks。

（2）Move To模塊將智能體移動(dòng)到網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)新位置。若智能體中綁定了資源，資源與智能體一起移動(dòng)。第一個(gè)Move To模塊驅(qū)動(dòng)卡車到達(dá)裝載點(diǎn)，命名為driving To Dock。第二個(gè)Move To模塊驅(qū)動(dòng)卡車離開(kāi)，命名為driving To Exit。

（3）延遲Delay模塊模擬托盤裝載，命名為unloading。

（4）Sink模塊將卡車從模型中移除，命名為sink1，以區(qū)別第一個(gè)sink。

3.3.2 建模相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

參數(shù)設(shè)計(jì)包括智能體參數(shù)設(shè)計(jì)和模塊參數(shù)設(shè)計(jì)。智能體參數(shù)包括智能體類型、名稱、智能體行為、流程中的智能體、運(yùn)動(dòng)、空間和網(wǎng)絡(luò)等。建模過(guò)程中需要建立3個(gè)智能體，分別為托盤、叉車和卡車。模塊參數(shù)設(shè)計(jì)中需要對(duì)托盤資源模塊、構(gòu)件儲(chǔ)存、延遲模塊、構(gòu)件提取、叉車資源池模塊、卡車資源模塊、移動(dòng)模塊、裝載模塊等進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。

建模仿真中相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

3.4 案例分析

3.4.1 案例介紹

某江沿岸一個(gè)美麗的濱江旅游城市，沿江風(fēng)景優(yōu)美，為滿足防洪要求和市民的親水要求，沿江安裝移動(dòng)式防洪墻。移動(dòng)式防洪墻基礎(chǔ)全長(zhǎng)3.2km，分為A～Q共16個(gè)堤段。根據(jù)當(dāng)?shù)胤篮橐?guī)劃，各個(gè)堤段的高程不同，為保證整體的防洪效果相同，安裝完畢的防洪墻頂高程須一致，故安裝0.8、1.0、1.2、1.6、1.8m五種不同高度的防洪墻，不同高度的防洪墻對(duì)應(yīng)不同高度的立柱。根據(jù)防洪堤段長(zhǎng)度、走勢(shì)和移動(dòng)式防洪墻的跨度，計(jì)算出立柱數(shù)量，詳細(xì)安裝布置情況見(jiàn)表3。

移動(dòng)式防洪系統(tǒng)構(gòu)件存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)位于距離防洪墻終點(diǎn)9.4km的市郊，考慮所需數(shù)量的立柱及擋板存儲(chǔ)和構(gòu)件運(yùn)輸?shù)目臻g，倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)為長(zhǎng)30.2m、寬29.4m，中心高度9.4m，邊緣高度7.1m，占地面積約888m²。在模型的路線選擇優(yōu)化中，有兩條路長(zhǎng)度大致相同，且紅綠燈數(shù)量一致，故路程按照9.4km計(jì)算。

3.4.2 仿真結(jié)果分析

仿真過(guò)程及仿真結(jié)果見(jiàn)圖9。

改變叉車數(shù)量，進(jìn)行多次仿真，仿真結(jié)果見(jiàn)圖10。計(jì)算不同工況下的裝車時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表4。

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束條件，給出4個(gè)方案見(jiàn)表5。在不考慮成本的情況下，方案1為時(shí)間最短方案，在考慮成本的情況下方案2、3、4為可行方案。

因此，目標(biāo)函數(shù)值分別為。目標(biāo)函數(shù)分別作差，可得到差值函數(shù)，差值函數(shù)見(jiàn)圖11。

當(dāng)013時(shí)，z₂34，即在區(qū)域Ⅰ方案2為最優(yōu)方案;當(dāng)c₃1<1.5c₃時(shí)，z₂43，即在區(qū)域Ⅱ方案2為最優(yōu)方案;當(dāng)1.5c₃1<2c₃時(shí)，z₄23，即在區(qū)域Ⅲ方案4為最優(yōu)方案：當(dāng)0<2c₃1時(shí)，z₄32，即在區(qū)域Ⅳ方案4為最優(yōu)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

首先對(duì)移動(dòng)式防洪墻構(gòu)件的倉(cāng)儲(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了構(gòu)件分區(qū)儲(chǔ)存和精準(zhǔn)儲(chǔ)存相結(jié)合的方式，并給出實(shí)施方案和設(shè)計(jì)圖。其次對(duì)移動(dòng)式防洪墻應(yīng)急安裝進(jìn)行了施工組織設(shè)計(jì)，通過(guò)工序分解、時(shí)間測(cè)定和流水節(jié)拍的方法給出了科學(xué)合理的“8人8跨”優(yōu)化安裝方法。最后運(yùn)用基于智能體的離散事件建模的方法，對(duì)移動(dòng)式防洪系統(tǒng)應(yīng)急管理中的構(gòu)件運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行了仿真，該模型可以通過(guò)改變智能體和資源的參數(shù)，來(lái)仿真不同情況下的運(yùn)輸過(guò)程。這對(duì)防洪應(yīng)急時(shí)移動(dòng)式防洪墻的安裝可以進(jìn)行有效的時(shí)間預(yù)測(cè)，同時(shí)可以看出哪一個(gè)過(guò)程可以通過(guò)科學(xué)的管理、合理的資源利用而節(jié)約資源、提高效率。因此，運(yùn)用仿真的方法進(jìn)行過(guò)程管理是一種有效的途徑，這也為應(yīng)急管理研究提供了新思路。

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