面向公路集成化建設的人-工程互動模擬研究＊

譚石海 楊 華 胡 斌

(湖北省高路集團有限公司1) 武漢 430012) (華中科技大學管理學院1) 武漢 430074)

1 模型建模與系統開發

該模型涉及到兩類因素,一類是人,一類是工程,對他們分別選取不同的模擬方法.整個模型的框架如圖1所示.

1.1 參與者建模

施工過程中,施工單位的職責主要是負責工程的實施,監理單位要對施工進行日常的檢驗、抽檢和監督等工作,糾正不符合工程設計要求或標準的工程和施工行為,保證所負責的監理合同段的工程按計劃進行.二者關系可以用圖2所示.

圖1 模擬模型框架

圖2 施工、監理單位關系圖

基于以上對施工單位和監理單位的分析,多Agent模擬的方法,將施工單位和監理單位看作兩類Agent.

模型中通過狀態圖和事件的方式來描述監理單位Agent.模型中,分別建立了一般的管理模式與考慮參與者集成時集成化管理模式下的監理單位狀態圖.前者的業主、監理單位、設計單位和施工單位之間是多層次的縱向組織關系,解決問題時總的問題處理時間為其各自處理問題的時間之和再加上他們相互的溝通時間,監理單位的狀態圖如圖3所示.

集成化管理模式通過建立一個工程建設信息平臺促進項目各參與方之間的協作和信息共享效率.解決問題時總的處理問題時間為各參與者處理時間中的一個值,此時監理單位的狀態圖如圖4所示.

圖3 一般模式下監理單位狀態圖

圖4 集成化模式下監理 單位狀態圖

1.2 工程建模

本文使用離散模擬來模擬對工程進行模擬.假設可以將工程分為一定數量的工作包,工作包分為簡單和復雜工作包2種類型,前者需要較短的處理時間,具有較低的概率導致工程出現問題;后者需要較長的處理時間,具有較高的概率導致工程出現問題.另外,簡單和復雜工作包有不同的到達頻率,這些工作包在一些離散的時間點上到達,并在相應的時間點由參與單位進行處理.此處將工作包看作離散的到達事件,并根據工程情況設定一定的到達速度.將施工單位看作服務臺,對工作包進行處理.如果系統中存在多個任務,則排隊等待.工程的離散事件模型如圖5所示.

圖5 工程的離散事件模型

source和source1分別產生簡單工作包和復雜工作包,可以通過控制簡單工作包和復雜工作包的到達頻率來控制簡單工作包和復雜工作包的比例,即設定了工程的復雜性水平.工作包產生后,首先進入queue隊列排隊等待,當滿足相應的條件時進入相應的服務臺進行相應的處理.service服務臺表示處于正常施工狀態的施工單位實施工程,service1服務臺表示處于趕工狀態的施工單位實施工程.Agents和Agents1表示處于施工狀態和趕工狀態的施工單位的數目.

1.3 參與者-工程互動建模

參與單位和工程之間是相互作用的,一方面,工程的復雜度影響參與單位的工作效率,工程復雜度高,則意味著施工單位在施工過程中容易遇到的外界影響較多,如惡劣的氣候條件,復雜的地質等,容易導致低的工作效率;另一方面,參與單位的工作效率和工作狀態又會反過來對工程的進度、質量和成本產生影響.由上可知,對參與單位與工程之間需要進行參數的交互,規則如下.

在式(3)的基礎上引入加權矩陣Wf，用來設定不同殘差在模型修正過程中所占的權重；在優化目標中加入修正參數變化值，引入加權系數Wp，通過改變Wp的大小來限制修正參數的變化。則模型修正問題轉化為如下的優化問題：

1)工程中簡單工作包和復雜工作包的到達頻率對工程出現問題的頻率的影響規則

complexity=(arrivequantity2/arriveinter2)/(arrivequantity1/arriveinter1+arrivequantity2/arriveinter2);mean=(1-complexity)/2.5＊100;

problemtime=triangular(mean/2,mean,mean＊1.5)

其中：arrivequantity1為簡單工作包一次到達的數量;arrivequantity2為復雜工作包一次到達的數量;arriveinter1為簡單工作包到達的時間間隔;arriveinter2為復雜工作包到達的時間間隔;complexity為復雜工作包占全部工作的比例,即工程復雜度;problemtime為工程經過多少時間會出現問題,在此假設其服從參數為(mean/ 2,mean,mean＊1.5)的三角分布.

2)施工單位的狀態對不同類型工作包的時間、成本和質量的影響規則以及對工程的總成本和總質量的影響規則 模型中通過活動圖(action chart)描述如圖6所示.當工作包到達queue隊列或者服務臺處理完一個任務時,通過調用routinglogic()來確定在隊列首位的任務是否被處理以及由哪個服務臺處理.idleAgents和idle-Agents1分別用來統計離散模擬中的Service和Service1服務臺中空閑服務者的數目.下面是2個While循環,分別表示當施工單位處于正常施工狀態和趕工狀態時,進入相應的服務臺,在不同的服務臺上處理有不同的時間、成本和質量.

2 模擬結果分析

假設當施工單位處于正常施工狀態時,每完成一個工作包工作進度加1;完成一個簡單工作包的成本為1,復雜工作包為1.5;當施工單位處于趕工狀態時,每完成一個工作包工作進度加1;成本的高低取決于趕工速度的快慢,具體公式為：趕工成本 =exp(plantime/crashtime)×計劃成本/2.5(其中,plantime和crashtime分別表示完成一個工作包所需要的計劃時間和趕工時間).假設在停工狀態下,每天花費成本服從分布uniform(0.8,1.2).

通過上述基本參數設置后對四種情況進行模擬可實驗并對結果進行了分析.初始化參數(plantime1和plantime2分別表示簡單和復雜工作包的計劃完成時間)和模擬結果見表1.

表1 實驗參數和實驗結果數據表

2.1 按計劃執行

工程計劃是按照施工單位處于正常施工狀態而設定的,初始化參數和模擬結果見表1,其中plantime1=1,plantime2=2分別為每個簡單工作包和復雜工作包的計劃完成時間.模擬結果如圖6所示.

圖6 按計劃執行的模擬結果

2.2 工程施工實際情況

工程施工的實際情況中考慮了前面所述的參與者和工程之間的互動關系.假設在時間點60時檢查工程進度是否滯后,如果滯后,則根據工程實際進度和計劃進度的差額設定工程的趕工速度和趕工天數.此外,要求工程必須按期完成.

由圖7和圖8可知,工程復雜度越高,在趕工狀態下完成的任務數越多,所需成本也越高.這是因為,工程復雜度的提高,會影響施工單位施工的質量水平,進而影響施工狀態,施工狀態直接影響了工程的進度和成本,故造成了工程成本的增加.

圖7 工程施工實際情況一

圖8 工程施工實際情況二

2.3 考慮參與者的集成化

在情況2的基礎上,采用參與者集成化管理時,將監理單位Agent的行為作對應的修改,并且要求工程按期完成.圖9與圖7相比,工程總成本降低.可以看出,在相同的工程復雜度下,采用參與者集成化的管理模式,可以降低工程總成本.

2.4 考慮工程目標的集成化

在上面的3種情況中,目標都是工程按期完成,而沒有同時考慮工期和成本.在情況四中,期望工程的目標和成本均達到極好值,其他假設與情況2.3相同.此處,借助于掙值管理的原理,并進行一定的改進,來評價工程進度和成本的最優化.其中：PV=計劃成本;AC=實際成本;EV=實際工期×計劃成本/計劃工期;成本績效指標CPI=EV/AC,大于1成本節約,小于1成本超支;進度績效指標SPI=EV/PV,大于1進度超前,小于1進度滯后;綜合評價指標IPI=CPI× SPI,IPI＜1,實際執行情況比計劃差,IPI＞1,實際執行情況比計劃好.

圖9 考慮參與者集成化的模擬結果

考慮在時間點60時的趕工策略對時間點100時的綜合績效指標的影響,通過采取不同的趕工策略,可以得到表2.其中,crashday指趕工天數,crashrate指趕工時間與計劃時間的比值.

由表2可知,所有的策略均不能使IPI＞1,說明實際執行情況均比計劃差.其中,策略9指不采取趕工策略,讓工程按現在的狀態完成,這種策略會使得工期出現比較嚴重的滯后,但同時,由于沒有趕工,工程成本也比較低.策略1至8則采取了不同的趕工策略,對比可知,在當前的參數設置下,趕工速度越快,即crashrate越小,通過趕工使得完成單個工作包的時間越短,越容易實現工程工期目標,但同時,所需要的成本也越高.

表2 不同趕工策略下的模擬結果

在所有策略中,策略7中 IPI最大,說明趕工策略7能使得實際執行情況達到極好值.所以應該采取趕工策略7.

3 結束語

本文借助于仿真工具AnyLogic,綜合運用多Agent模擬和離散模擬方法,對公路建設中的參與者和工程的相互影響關系進行了研究,特別的,分析了集成化管理模式對公路建設工程的影響.從模擬結果可以看出,通過對參與方集成,減少了信息傳遞時間,減少了不必要的時間浪費,加快了工程進度并降低了成本;通過對多目標集成,成本和工期均達到極好值.所以在公路工程建設中,應該采用集成化的管理模式,借助于信息技術和虛擬建設來實現參與方的集成,同時綜合考慮工程的多個目標,如進度、成本、質量等,實現公路工程建設多目標集成.

[1]Bakens W.International trends in building and construction research[J].Journal of Construction Engineering and Management,1997,123(2)：102-104.

[2]Stumpf A,Ganeshan R.Object-oriented model for integrating construction product and process information[J].Journal of Computing in Civil Engineering, 1996,10(3)：204-212.

[3]何清華,陳發標.建設項目全壽命周期集成化管理模式的研究[J].重慶建筑大學學報,2001,23(4)：75-80.

[4]張勁文.基于掙值原理的高速公路項目管理要素集成應用研究[J].公路,2008(12)：145-148.

[5]劉建生,楊榮華.高速公路建設項目集成化管理模式研究[J].基建優化,2005,26(4)：4-7.

[6]王云鵬,趙韓濤,王俊喜.基于共用信息平臺的高速公路系統集成框架研究[J].公路交通科技,2006,23 (2)：128-132.

[7]Basu N,Pryor J,Quint T,Arnold T.Aspen：a micro simulation model of the economy[J].Sandia National Laboratories,1996,14(3)：12-34.

[8]Juan C N,Tzvi R.Structure and flexibility of project teams under turbulent environments：an application of Agent-based simulation[J].Project Management Journal,2006,37(2)：5-21.

[9]Tsimhoni D.Integrating Agent based modeling into a discrete event simulation[C].Winter Simulation Con-ference,2005 Proceedings of the 2005：1 029-1 037.

[10]宣慧玉,高寶俊.一個基于離散事件仿真的M ulti-Agent經濟仿真模型[J].信息與控制,2002,31(1)：84-88.