基于Agent的水利水電工程施工場內交通運輸仿真研究

蘇 貝，宋 亮，王 帥

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350;2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300202)

0 引言

隨著系統仿真技術在復雜系統運行中的推廣應用［1-3］，采用計算機仿真技術模擬施工運輸過程成為工程設計人員驗證場內施工交通布置可行性的重要方法之一。Agent是具有感知能力、問題求解能力和能夠與外界通信能力的智能化實體，對于描述復雜多變的道路狀況和交通特征十分有效［4］，水利工程施工場內交通運輸系統需要充分考慮車輛與車輛、車輛與道路以及車輛與供/卸料點之間的相互作用與影響，Agent技術給水利水電工程交通運輸仿真提供了新的思路和方法。

本文通過對水利工程施工場內交通運輸系統進行分析，確定各影響因素之間的相互制約關系，運用Visual C#平臺開發了水利工程施工場內交通運輸仿真系統，對CAD進行二次開發獲取道路的三維體形數據、交叉口數據、料源料場數據等，根據土石方流需求完成土石方運輸，實現土石方運輸的場景的動態可視化仿真，將系統中的道路、車輛、裝/卸料點等建立Agent實體，結合改進的車輛跟馳策略，使整個交通運輸仿真系統在各個智能體的交互工作中順利進行。

1 水利工程施工場內交通運輸系統分析與Agent技術

1.1 水利工程施工場內交通運輸系統

水利工程施工系統通常劃分為多個子系統，子系統之間通過交通運輸相互聯系，例如堆石壩施工系統中的土石方開挖子系統和壩面填筑子系統，需要通過料物運輸實現土石方的挖填。水利工程交通運輸系統是工程施工的動脈，承擔著料物運輸的重要任務，對保證工程進度、降低工程造價等具有重要意義。不同于城市交通運輸系統，水利工程施工場內交通運輸主要組成元素可以劃分為道路、車輛、裝料點和卸料點四類，各元素之間的聯系為車輛選擇供料點進行裝載后進入道路，行駛至卸料點卸料后空車返回的循環，如圖1所示。

圖1 各元素關系示意

在系統中車輛與車輛、車輛與道路、車輛與供料點或卸料點、道路與供料點或卸料點之間都存在各種直接或間接的聯系與影響。在實際的施工場內交通運輸中，人的智能性對系統的影響不容忽視，例如，車輛的行駛是由駕駛員和車輛共同作用，駕駛員在道路行駛中可以根據道路提供的車流狀況(與前后車速與車距)、道路狀況(坡道、轉彎)等信息自動調節行駛的速度，在道路交叉口需要根據情況選擇排隊等待或繼續行進，在供料點可以根據供料點的排隊情況選擇等待時間最少的供料點排隊等。工作人員的主觀能動和相互協作在施工運輸系統的各個部位都有體現，因此將仿真系統中的元素緊密地聯系起來，賦予組成元素智能性，可以更加真實地模擬施工場地內的交通運輸情況。

1.2 Agent的結構與特性

Agent是具有交互性和智能性實體，一個完整的Agent是由自治的Agent實體和其所在環境組成，它可以接收外界環境的刺激，做出相應的動作，通過不斷交互實現總體目標，結構如圖2所示。

圖2 Agent系統及其構成

Agent的結構特點使得Agent具有如下5個基本特征［5］:①自治性。除根據外界信息變化產生調整外，還可以自動對自身行為狀態進行調整。②主動性。Agent對外界環境的改變，自己主動采取行動的能力。③反應性。對外界的刺激做出相應反應的能力。④社會性。在多個Agent共存的環境中，Agent具有與其他Agent協作的能力。

每一個Agent的行為結構均包含環境信息、感知模塊、決策模塊及執行模塊4個部分。決策模塊通過感知模塊獲取環境信息，進行分析后做出相應的決策并執行，同時，每個Agent的行為在實施時又會對環境產生一定的影響，Agent的完整行為結構如圖3所示。

圖3 Agent行為結構

分析Agent的結構與特性可以發現，基于Agent技術建立模型符合交通運輸系統中各參與者的特性。Agent技術著眼于實體模型的建立，通過模擬各實體的具體特點及相互作用關系實現系統的仿真，MAS是由多個Agent組成的系統，各Agent之間通過通信實現相互協調。根據水利工程施工場內交通運輸系統中各個元素特點，搭建出多個特性和功能各不相同Agent結構，Agent之間相互影響，互相協作，可以更好地描述水利工程施工場內運輸的動態過程。

2 基于Agent施工場內交通運輸仿真模型

通過對水利水電工程施工場內交通運輸系統具有的特點及仿真系統的需求進行分析，探討交通運輸仿真中道路、車輛、供/卸料點等要素之間的相互關系，本文建立了基于Agent的水利水電工程施工場內交通運輸仿真系統的結構如圖4所示。

道路是交通仿真系統中的最基礎元素，道路Agent結構體的基本屬性包括道路編碼(名稱)、道路類型(瀝青混凝土路面/泥結碎石路面)、單向/雙向、車道數量、道路三維形體、道路方向、連接的目的地以及車速限制，感應器可以感知所有在該道路上行駛的車輛的位置信息，分析道路的行車密度以及交叉口排隊情況，在可視化平臺上動態的顯示道路的車流狀況。

車輛Agent兼有車輛和駕駛員二者的共同屬性，其基本屬性包括車輛類型、運載能力車輛狀態(重行或空返、正在裝卸或等待)、駕駛員特性及土石方流路線。車輛Agent可以感知道路Agent提供的路況信息，通過分析前車速度及距離、轉彎或直行、上坡或下坡等因素，決定行駛方式，在行駛至目的地后(供/卸料點)，可以獲得各供/卸料點的工作狀態或排隊情況信息，通過分析等待時間選擇供/卸料點進行料物的裝卸。

供/卸料點Agent的基本屬性為該點的料物供應/需求量、當前的工作狀態及排隊情況。供料點Agent在感應該點在無車輛等待時將進行料堆維護，以減少下次裝載料物的時間。

3 水利工程施工場內交通中的車輛跟馳策略

水利施工場地往往在高山峽谷當中，場內交通狀況無法與城市道路相媲美，道路的線形組合與銜接很難做到“圓滑”連接，陡坡、急彎路段隨處可見。運輸車輛在行駛過程中，大約80%以上的信息都是通過視覺獲取，因此，視野范圍的大小對車輛信息的獲取具有十分重要的影響。視野范圍受到車輛行駛速度和道路彎曲程度的影響，車速越大或道路彎曲程度越大，駕駛員的視野范圍都會變小，當前車減速行駛時在彎道上的跟馳車比在直線上車輛反映更為強烈;當前車加速行駛時，跟馳車的反映變弱，因此車輛在進入彎道前要對車速進行控制，減速通過彎道。在上坡行駛時，為防止前車倒滑，跟馳車會緊隨前車車速，受到的刺激時反應更加靈敏，車輛之間的安全間距會需要增大［6］。

圖4 交通運輸仿真系統基本框架

道路的幾何線形對車輛的行駛狀態有很大影響，且水利工程施工道路一般都是彎度和坡度相結合，車輛Agent的決策模塊中應包含車輛在該種道路上的行駛策略。平縱組合跟馳策略計算公式如下。

式中:l、m、p均為待定參數，根據模型試驗進行確定;β為常數，與前車的行駛狀態有關，當前車減速時，β＞0，當前車加速時，β＜0;R為道路曲率半徑;R0為滿足行駛要求的最小安全半徑;vi(t)、vi+1(t)為t時刻前車和跟馳車的速度;Si(t)、Si+1(t)為t時刻前車和跟馳車的位置;λ1與司機的反映時間有關;λ2為坡度對跟馳模型的影響參數，當汽車上坡時，sign()=1，λ2為負，sign()=－1，λ2為正;汽車下坡時，λ2均為正;g為重力加速度;i為道路的坡度。

4 工程實例

某水利樞紐工程位于我國新疆地區，水庫總庫容17.49億m3，電站總裝機容量670 MW，多年平均年發電量18.74億kW·h，為一等大(1)型工程。壩址區為典型的V形河谷，場區內大部分山勢陡峭、場地狹窄，可供施工布置的場地很少，施工布置條件較差。工程總工期安排為108個月，但由于地處冬季低溫、嚴寒地區，每年的11月到次年的3月為施工停工時間，有效工期約67.5個月，土石方運輸總量779.9萬m3。

將仿真系統應用于該水利樞紐的水利工程施工場內交通研究中，仿真結果可以獲得滿足土石流計劃的配置裝載機械數量及運輸車輛數量、各時段內的行車密度及交叉口排隊情況。最大行車密度包絡線如圖5所示，最大小時行車密度為83.3輛/h，根據《廠礦道路設計規范》，小時行車密度均滿足最大85輛/h的要求，交叉口最多排隊車輛為3輛，動態仿真可視化如圖6所示。

5 結論

本文對水利水電工程中的交通運輸特點進行了分析，利用MAS技術建立水利水電工程施工場內交通運輸模型，給出了道路Agent、車輛Agent、供料點Agent及卸料點Agent的行為結構，實現了水利工程各元素之間的相互聯系與作用關系。改進后的車輛跟馳策略能夠充分利用道路的三維信息，更加符合工程實際。水利水電工程施工場內交通仿真系統可以實現動態的交通可視化，仿真結果合理有效，可為施工組織設計提供參考，對工程建設具有指導意義。

圖5 最大小時行車密度包絡線

圖6 交通仿真可視化

［1］HEILALA J， VATANEN S， TONTERI H， et al．Simulation-based sustainable manufacturing system design［C］∥Proceedings of the 2008 Winter Simulation Conference，2008:1922-1930．

［2］WILFRIED J．Computational modeling and control system of continuous casting process［J］．The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2007，33(1-2):1-6．

［3］HONG W C，DONG Y，ZHENG F，et al．Forecasting urban traffic flow by SVR with continuous ACO［J］．Applied Mathematical Modelling，2011，35(3):1282-1291．

［4］GAN N T， CHEN L S．Research on fuzzy control rule of anti-vehicle rear-end collision by Matlab and Simulink［J］．Advanced Materials Research，2011(308-310):2247-2249．

［5］薛霄．面向AGENT的軟件設計開發方法［M］．北京:電子工業出版社，2009．

［6］王仁超，朱穎．水利交通運輸系統仿真中車輛速度問題的研究［J］．昆明理工大學學報:自然科學版，2007，32(2):95-98．