基于隨機(jī)游走算法的建筑工地人員施工通道安全優(yōu)化設(shè)計

何光輝

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 201114

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平的提高，建筑工程項目不論是數(shù)量還是單體規(guī)模均取得了巨大的成就。然而，隨著建筑工程施工體量規(guī)模的增長，施工現(xiàn)場各類機(jī)械、臨時和永久性設(shè)施錯綜復(fù)雜、施工人員素質(zhì)水平良莠不齊等因素，不僅使建筑工程施工現(xiàn)場人員安全風(fēng)險顯著增加，而且也增加了項目管理人員的工作量和管理難度。

建筑施工中有關(guān)安全事故控制的成本投入回報率往往不具備直觀可見和迅速見效的特點(diǎn)[1]，我國施工單位和建設(shè)單位在這方面的資金投入占項目總成本的比例往往較低，因此，短期內(nèi)低成本或無成本的安全管控技術(shù)嘗試和研究更具現(xiàn)實意義。為了展開建筑工地人員安全狀態(tài)評估，張文博等[2]結(jié)合層次分析法和模糊綜合評價法，建立了建筑施工人員安全風(fēng)險評估的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；林陵娜等[3]基于系統(tǒng)動力學(xué)提出了建筑施工項目安全狀態(tài)識別模型構(gòu)建方法；唐鵬等[4]結(jié)合建筑工程施工實際，考慮控制和監(jiān)測措施、事故發(fā)生頻率以及事故損失，建立MLS法評價施工環(huán)境危險度。王旭峰等[5]利用結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）研究建筑工人個體安全能力與影響因素間的效用關(guān)系，從個體特質(zhì)和工作環(huán)境兩方面進(jìn)行分析，研究了影響施工人員安全的多方面因素。馮超[6]得到了超高層建筑施工安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系和風(fēng)險評價模型，并且對實際工程項目進(jìn)行了具體分析和評價，確定施工風(fēng)險等級。

在建筑施工現(xiàn)場，人為劃定工作人員通道是行業(yè)內(nèi)較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、保證施工人員安全和施工品質(zhì)控制的措施之一。傳統(tǒng)的施工通道布置主要借助主觀經(jīng)驗的方法確定，這種做法往往不能保證人員受到施工安全風(fēng)險的最小化。為此，本文借助前人得到的風(fēng)險評價方法量化建筑工地各類風(fēng)險源對象，綜合考慮施工現(xiàn)場各類工作人員在各類風(fēng)險區(qū)域通行時的風(fēng)險程度、施工禁區(qū)、障礙物分布、建筑工地邊界、出入口位置等因素，利用隨機(jī)游走優(yōu)化算法[7]，自動搜索建筑工地最佳的人員通道，從而將全體人員的施工風(fēng)險降至最低。

1 風(fēng)險量化指標(biāo)

為便于利用優(yōu)化算法對建筑項目施工人員的安全風(fēng)險進(jìn)行評估，從而建立數(shù)值優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)與約束條件，施工風(fēng)險的量化是不可避免的課題。昝彥國等[8]嘗試應(yīng)用序關(guān)系法確定安全風(fēng)險源的權(quán)重指標(biāo)，便于施工安全風(fēng)險的動態(tài)識別與定量表示。Zhou等[9]借助Pajek軟件，基于網(wǎng)絡(luò)理論對建筑施工現(xiàn)場各風(fēng)險之間的耦合關(guān)系進(jìn)行了量化研究，從而得出了特定具體風(fēng)險系統(tǒng)中各成員的風(fēng)險因子。本文借助網(wǎng)絡(luò)理論和歷史同類風(fēng)險事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，確定建筑施工現(xiàn)場主要風(fēng)險源對象的事故發(fā)生概率統(tǒng)計值，以此為基礎(chǔ)，通過合理布置施工通道線路實現(xiàn)施工人員風(fēng)險發(fā)生率的最小化。

2 隨機(jī)游走算法

2.1 算法原理

建筑工地人員通道可能的布置方案是近乎無窮的。在現(xiàn)實當(dāng)中，管理人員主要依據(jù)經(jīng)驗制定施工通道路線。這樣的路線一般不會是最差的，但也很難做到最佳。為了實現(xiàn)最佳方案的制定，數(shù)值優(yōu)化方法是強(qiáng)有力的理論工具。隨機(jī)游走算法是一類全局優(yōu)化算法，其實現(xiàn)過程不依賴目標(biāo)函數(shù)的變化梯度。圖1給出了隨機(jī)游走算法的實現(xiàn)流程。該算法流程在各領(lǐng)域均得到了成功應(yīng)用和良好效果。

圖1 連續(xù)優(yōu)化變量的隨機(jī)游走算法

2.2 離散隨機(jī)游走

為描述建筑工地風(fēng)險與施工從業(yè)人員可能的通行路線，圖2將建筑工地平面按照一定的間距做格柵劃分。每一個格柵線為建筑工人允許行走的通道。假設(shè)人員處于圖3所示的任一格柵節(jié)點(diǎn)O處，那么人員允許的行走路線為OA、OB和OC三種。為便于計算，設(shè)OA為向量（0,-1），OB為向量（1,0），OC為向量（0,1）。假定沿途所經(jīng)區(qū)域具有風(fēng)險屬性，并且以顏色表示（表1）。

圖2 建筑工地風(fēng)險與障礙分布

圖3 路線節(jié)點(diǎn)處隨機(jī)游走示意

表1 建筑工地風(fēng)險圖例

紫色風(fēng)險值取值無窮大inf，表示該區(qū)域為障礙物，不得通行，該取值具有懲罰系數(shù)的數(shù)學(xué)意義。從黑色到綠色的風(fēng)險取值均根據(jù)歷史同類型建筑工地風(fēng)險事故數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)理論分析而得。此外，為控制隨機(jī)游走的建筑從業(yè)人員不得跨越建筑工地邊界，這里將處于建筑工地邊界的節(jié)點(diǎn)風(fēng)險值設(shè)定為無窮大。

基于上述假定，本算法的優(yōu)化變量x可以為每一個節(jié)點(diǎn)處的行走向量OA（0,-1），OB（1,0）或者OC（0,1），在滿足障礙物約束和場地邊界約束的條件下，還需滿足出口與入口之間的位置關(guān)系，即所有節(jié)點(diǎn)的行走向量之和為出入口節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的向量。由于每個節(jié)點(diǎn)以及相鄰的節(jié)點(diǎn)具有相同的風(fēng)險屬性，故人員從入口到出口沿途經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)風(fēng)險屬性值累積量即為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。為了繼續(xù)使圖1所示的隨機(jī)游走優(yōu)化算法在路徑優(yōu)化問題中有效，僅需要將其中一個環(huán)節(jié)做調(diào)整：將生成的隨機(jī)矩陣修正為每個元素為（0,-1）、（1,0）或（0,1）的隨機(jī)向量；此外，還需要添加懲罰項作為約束條件，如邊界處和障礙物處的節(jié)點(diǎn)風(fēng)險值取為大數(shù)，如106。這樣，隨著優(yōu)化算法的執(zhí)行，游走路徑一旦接觸懲罰點(diǎn)，程序即可躲避該點(diǎn)。顯然，這種方法可以實現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的約束施加。

3 算例分析

3.1 施工現(xiàn)場

為了采用隨機(jī)游走算法實現(xiàn)某建筑工地的施工通道優(yōu)化設(shè)計，對圖2所示場地進(jìn)行計算分析。

這里，東西方向和南北方向格柵間距均為1 m。當(dāng)然，間距也可以更小，有助于提高計算精度。設(shè)定建筑工地的風(fēng)險取值如表2所示。

表2 某建筑工地風(fēng)險取值

3.2 隨機(jī)游走分析

為了進(jìn)行上述分析，我們采用Julia語言進(jìn)行了程序開發(fā)，在配置為Windows 10 x64操作系統(tǒng)，Intel i7 8700k CPU的臺式計算機(jī)中進(jìn)行了優(yōu)化分析。設(shè)定計算誤差ε為10-5；迭代次數(shù)N＝100；初次步長λ為3。優(yōu)化初始路徑為圖4所示估計路徑。所有路徑的前進(jìn)向量之和為（出口-入口）之坐標(biāo)差，即（35,13）。

圖4 建筑工地施工通道優(yōu)化分析初始路徑

優(yōu)化分析程序經(jīng)過18.53 s的優(yōu)化分析，路徑迭代更新為圖5中藍(lán)色實線，表示優(yōu)化所得施工通道路徑。施工人員沿圖5所示施工通道行走的風(fēng)險值為0.2292。由于算法假定了人員通道只能沿著格柵前進(jìn)和左右拐，因此，分析路徑只能為折線狀。

為了便于實際應(yīng)用，在建造中，可以將其進(jìn)行做倒角或倒圓等光滑處理，如圖6所示。

圖5 建筑工地施工通道優(yōu)化分析結(jié)果

圖6 光滑處理后的施工通道

圖6所示的最終所得的建筑工地人員安全通道滿足了所有障礙物約束和施工場地圍欄的約束。優(yōu)化程序通過反復(fù)試算與更替，得到了風(fēng)險最小的通道路線。

有關(guān)風(fēng)險的取值問題主要受到各顏色風(fēng)險打分的限制，但事實上本文算法中各顏色風(fēng)險的取值絕對值并不影響最終優(yōu)化結(jié)果，只要各風(fēng)險源之間的風(fēng)險相對值接近客觀事實即可。這一點(diǎn)也降低了工程管理人員對風(fēng)險指標(biāo)的取值難度。

4 結(jié)語

利用網(wǎng)絡(luò)理論和建筑工地歷史事故數(shù)據(jù)，總結(jié)得到建筑工地現(xiàn)場的各風(fēng)險源指標(biāo)。而后，本文將運(yùn)籌學(xué)中較為成功的隨機(jī)游走數(shù)值最優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于建筑工程現(xiàn)場人員安全風(fēng)險控制問題，提出了一種能降低建筑工地施工通道安全風(fēng)險、高效且“無成本”的方法?；谔岢龅乃惴ê陀嬎銠C(jī)程序，對某建筑工地進(jìn)行了施工通道選線優(yōu)化分析，所得結(jié)果表明本文方法具有較強(qiáng)的可實踐性，可作為今后同類型問題分析的一種參考。

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