基于多Agent仿真的移動防洪系統應急安裝研究

汪倫焰 翟嘯東 李慧敏 張嬋 呂樂琳

摘要：移動式防洪系統是一種具備高安全性的標準化防洪方法，但在中國城市防洪系統中應用還不多，對其應急安裝管理研究不足是制約因素之一。依托某市的移動式防洪墻工程，對其安裝過程進行施工組織設計，構建了移動式防洪系統應急安裝數學規劃模型，利用Anylogic軟件對移動式防洪墻構件的裝載、運輸過程進行仿真，利用仿真結果對該數學規劃模型進行求解，并給出最優方案。研究表明：通過資源的合理調配，改進施工步驟，可以縮短移動式防洪墻的應急安裝時間，為防洪搶險贏得寶貴時間。

關鍵詞：移動式防洪系統;整數規劃;應急安裝;建模仿真

中圖分類號：F224;TV87 文獻標志碼：A

城市是一個國家經濟發展的標志，氣候變化導致城市受自然災害侵襲的風險增大，城市防洪減災能力能否提高直接關系著經濟社會的發展[1-2]。據國家統計局統計，1991-2008年我國自然災害總損失為44503億元，年均2472億元，其中洪水災害造成的損失占48%。近年來，隨著我國城鎮化水平的不斷提高，城市洪澇災害的防治任務越來越重，我國城市大多依山傍水而建，是流域防洪的重點，建立完善的城市防洪應急機制至關重要[3-4]。

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

移動式防洪系統作為一種安裝便捷、美觀的防洪設施在國外已有多個成功案例，但在國內應用較少。段亞娟[5]對移動式防洪墻各部分構件的材料性能、預埋件的安裝方式等進行了研究，陳守開等[6]對移動式防洪系統力學性能及滲漏特性進行了研究。筆者就移動式防洪系統應急安裝進行研究，旨在為實際工程提供技術支撐。

1 移動式防洪系統簡介

1.1 移動式防洪系統及構件

移動式防洪系統通常由立柱（邊柱）、擋板、止水、螺栓、壓緊裝置、預埋件等構件組成[7]，見圖1。其工作原理如下：在預設防洪的位置事先建成埋置有預埋件的鋼筋混凝土基座，洪水來臨前，在預埋件上安裝立柱、在立柱間安裝擋板及止水條，形成封閉墻體抵擋洪水;洪水來臨時，水通過擋板與立柱接觸部位進入中空的擋板，增加防洪墻自重，提高穩定性;洪水退去后逆序拆除各部件，并按標記有序存于倉庫。

1.2 移動式防洪墻倉儲設計

移動式防洪墻在洪水預報之后才開始安裝，在抗洪應急搶險的環境下，時間非常緊迫，安裝過程如果組織不當，那么就可能延誤抗洪搶險的最佳時機。由于倉庫不可能是開敞式的，且在不同堤段因高程不同而需要安裝不同高度的立柱，因此構件在倉庫中的位置和抗洪堤岸的位置相對應非常重要，在設計構件存儲位置時，必須考慮其在堤岸上的安裝位置。倉庫的設計要根據立柱和擋板的數量來確定，倉庫的布局必須考慮應急運輸，需要在最短的時間內把不同高度的立柱運輸至相應的堤段。在移動式防洪墻倉儲設計時采用構件分區存儲和精準存儲相結合的方式：①分區存儲。不同的構件存儲在不同的區域，且這個區域是固定的。②精準存儲。在每個存儲區域都要標明構件的信息，且貼有標識。每一根立柱上都貼有專屬銘牌，抗洪堤岸同樣貼有銘牌，且與倉庫中的銘牌是一一對應的。

通過對儲存位置的設計和應急系統的構建，做到防洪墻的各個構件準確無誤地運輸至堤岸，并組織快速安裝。倉儲分區設計見圖2、圖3。

2 應急安裝施工組織設計

2.1 安裝流程

移動式防洪墻安裝流程見圖4。

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

（2）拆卸保護螺栓。用扭矩扳手拆卸保護螺栓，收集拆卸下來的保護螺栓。

（3）清理螺孔內部雜物。用手持式鼓風機清除螺孔內殘留雜物。

（4）安裝立柱。兩個安裝人員將運輸到指定位置的立柱抬到安裝處，將立柱螺孔與預埋件螺孔對準，然后安裝，并對角擰緊螺栓。搬抬過程中可手握立柱兩側把手。

（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，先插入一側立柱凹槽內，再插入另一側，待兩側全部插入凹槽，兩人同時將擋板向下壓直至接地。安裝過程中注意距離兩端立柱應相近，并避免劃傷構件。

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

（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 工序功效測定

通過對移動式防洪墻安裝工序進行分析，提煉出工序的基本動作，采用現場作業秒表測試分析及定額測定的方法對工序工時進行測定，得出工序的標準作業時間。根據工序的連貫性及工時測定結果，將部分工序進行聯合作業分析。

表1為現場安裝時的工序工時測定結果。

2.3 施工組織設計

在進行施工組織設計時，考慮到定額時間中的休息時間和不可避免的中斷時間，并且結合工程實際情況，將安裝擋板的時間統一記為3min，移動式防洪墻各段情況相同。

經過計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）為一個單元工程，每個施工隊為8人。一個施工隊完成一個單元工程需要的時間為20min。

施工示意圖及單代號網絡圖見圖5。圖5（a）中，Ⅰ～Ⅷ表示立柱，1～8表示預埋件，a～h表示擋板，a～h表示壓緊裝置。圖5（b）中，①～⑩表示單代號網絡圖中的時間節點。施工過程如下：①作業A，8人拆卸保護螺栓，用時4min;②作業B，8人安裝立柱Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，用時3min;③作業C，2人安裝立柱Ⅴ，作業D，6人安裝擋板a、b、c，用時3min;④作業E，2人安裝擋板d，作業F，6人安裝立柱Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ，用時3min;⑤作業G，8人安裝擋板e、f、g、h，用時3min;⑥作業H，8人安裝壓緊裝置a、b、c、d、e、f、g、h用時4min。

建立以施工隊數量x為自變量，安裝時間y為因變量的函數關系。函數為（x取正整數），結果見圖6。

3 基于AnyLogic的移動式防洪系統應急運輸安裝仿真

3.1 移動式防洪系統應急安裝數學規劃模型

整數規劃是研究部分或全部決策變量必須取整數值的規劃問題。不考慮整數條件，由余下的目標函數和約束條件構成的規劃問題稱為該整數規劃問題的松弛問題。若松弛問題是一個線性規劃，則稱該整數規劃為整數線性規劃[8]。

根據本研究內容，假設應急運輸安裝總時間為T，叉車數量為x₁，單位叉車成本為c₁，裝載時間為t₁;卡車數量為x₂，單位卡車成本為c₂，運輸時間為t₂;施工隊數量為x₃，單位施工隊成本為c₃，安裝時間為t₃。為保證在n小時內完成移動式防洪墻應急安裝，目標函數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）（1）

3.2 移動式防洪墻應急運輸安裝仿真流程

運輸過程包括構件從倉庫裝車和構件運輸到現場兩部分。在構件裝車這一過程中，需要按照立柱類型、立柱和擋板的數量比例來裝車。

移動式防洪墻應急運輸安裝仿真流程見圖7。裝載卡車到達倉庫指定裝載點，由防洪應急管理人員向卡車司機明確運輸目標堤段，倉庫管理人員指揮叉車按照堤段對應的立柱類型將相應數量的立柱和擋板裝載至卡車中。裝載完成后，向指定堤段進行運輸。卡車將構件運輸至目標堤段后，由現場管理人員指揮叉車卸載。卸載完成后，工人開始安裝。

3.3 應急仿真參數設計

AnyLogic主要對不同類型的事件進行仿真，如離散事件、連續事件及混合事件（離散事件加連續事件），以實現不同維度的事件仿真，如宏觀、中觀、微觀。AnyLogic具有建模速度相對較快、支持多類型模型開發、視覺沖擊感強、可隨處運行等優勢[9]。

3.3.1 裝載流程建模

移動式防洪墻構件裝載流程見圖8。整個流程分為兩個子流程：第一個子流程為叉車搬運裝有指定構件的托盤到卡車裝載點;第二個子流程為卡車的運動過程即卡車從排隊等待位置移動到指定裝載點，裝載完成后，卡車離開。

第一個子流程如下。

（1）第一個模塊為Source模塊，因為本模型的資源為托盤，因此將該模塊命名為Source Pallets。

（2）第二個模塊為rack Store模塊，rack Store模塊會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）第三個模塊為Delay模塊，Delay模塊模擬構件在貨架中等待，并將該模塊命名為Component InStorage。

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

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

（6）第六個模塊為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。資源單元可以有個體屬性，每個資源都帶一個圖形化圖標、參數、函數等元素。該案例模型的資源是叉車，它們將托盤從托盤貨架移動到裝載區，因此將其命名為forklifts。

第二個子流程為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模塊將智能體移動到網絡中的一個新位置。若智能體中綁定了資源，資源與智能體一起移動。第一個Move To模塊驅動卡車到達裝載點，命名為driving To Dock。第二個Move To模塊驅動卡車離開，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，以區別第一個sink。

3.3.2 建模相關參數設計

參數設計包括智能體參數設計和模塊參數設計。智能體參數包括智能體類型、名稱、智能體行為、流程中的智能體、運動、空間和網絡等。建模過程中需要建立3個智能體，分別為托盤、叉車和卡車。模塊參數設計中需要對托盤資源模塊、構件儲存、延遲模塊、構件提取、叉車資源池模塊、卡車資源模塊、移動模塊、裝載模塊等進行參數設計。

建模仿真中相關參數的設計見表2。

3.4 案例分析

3.4.1 案例介紹

某江沿岸一個美麗的濱江旅游城市，沿江風景優美，為滿足防洪要求和市民的親水要求，沿江安裝移動式防洪墻。移動式防洪墻基礎全長3.2km，分為A～Q共16個堤段。根據當地防洪規劃，各個堤段的高程不同，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應不同高度的立柱。根據防洪堤段長度、走勢和移動式防洪墻的跨度，計算出立柱數量，詳細安裝布置情況見表3。

移動式防洪系統構件存儲倉庫位于距離防洪墻終點9.4km的市郊，考慮所需數量的立柱及擋板存儲和構件運輸的空間，倉庫設計為長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化中，有兩條路長度大致相同，且紅綠燈數量一致，故路程按照9.4km計算。

3.4.2 仿真結果分析

仿真過程及仿真結果見圖9。

改變叉車數量，進行多次仿真，仿真結果見圖10。計算不同工況下的裝車時間，結果見表4。

根據目標函數和約束條件，給出4個方案見表5。在不考慮成本的情況下，方案1為時間最短方案，在考慮成本的情況下方案2、3、4為可行方案。

因此，目標函數值分別為。目標函數分別作差，可得到差值函數，差值函數見圖11。

當013時，z₂34，即在區域Ⅰ方案2為最優方案;當c₃1<1.5c₃時，z₂43，即在區域Ⅱ方案2為最優方案;當1.5c₃1<2c₃時，z₄23，即在區域Ⅲ方案4為最優方案：當0<2c₃1時，z₄32，即在區域Ⅳ方案4為最優方案。

4 結語

首先對移動式防洪墻構件的倉儲進行設計，提出了構件分區儲存和精準儲存相結合的方式，并給出實施方案和設計圖。其次對移動式防洪墻應急安裝進行了施工組織設計，通過工序分解、時間測定和流水節拍的方法給出了科學合理的“8人8跨”優化安裝方法。最后運用基于智能體的離散事件建模的方法，對移動式防洪系統應急管理中的構件運輸過程進行了仿真，該模型可以通過改變智能體和資源的參數，來仿真不同情況下的運輸過程。這對防洪應急時移動式防洪墻的安裝可以進行有效的時間預測，同時可以看出哪一個過程可以通過科學的管理、合理的資源利用而節約資源、提高效率。因此，運用仿真的方法進行過程管理是一種有效的途徑，這也為應急管理研究提供了新思路。

參考文獻：

[1]劉俊，陸劍峰，方正杰，等.對現代城市防洪的一些思考[J].自然災害學報，2005（2）：136-139.

[2]辛長爽，金銳.我國城市防洪體系存在的問題及解決途徑的探討[J].水利學報，2007，38（S1）：423-427.

[3]徐建新，劉爽，張運鳳.城市防洪應急投資與效益研究方法分析[J].人民黃河，2009，31（2）：23-24.

[4]劉福永.長春市防洪應急機制研究[D].長春：吉林大學，2013：1-3.

[5]段亞娟.移動式防洪墻力學性能試驗及施工工藝研究[D].鄭州：華北水利水電大學，2017：11-60.

[6]陳守開，李慧敏，王遠明，等.移動式防洪系統力學性能及滲漏特性試驗研究[J].農業工程學報，2017，33（20）：83-89.

[7]佚名.國產“抗洪神器”：拼裝式防洪墻在武漢投入使用[J].市政技術，2016，34（6）：30.

[8]胡運權.運籌學教程[M].4版.北京：清華大學出版社，2012：122-148.

[9]桂壽平，丁郭音，張智勇，等.基于AnyLogic的物流服務供應鏈牛鞭效應仿真分析[J].計算機應用研究，2010，27（1）：138-140.