面向公路集成化建设的人-工程互动模拟研究＊

谭石海 杨 华 胡 斌

(湖北省高路集团有限公司1) 武汉 430012) (华中科技大学管理学院1) 武汉 430074)

1 模型建模与系统开发

该模型涉及到两类因素,一类是人,一类是工程,对他们分别选取不同的模拟方法.整个模型的框架如图1所示.

1.1 参与者建模

施工过程中,施工单位的职责主要是负责工程的实施,监理单位要对施工进行日常的检验、抽检和监督等工作,纠正不符合工程设计要求或标准的工程和施工行为,保证所负责的监理合同段的工程按计划进行.二者关系可以用图2所示.

图1 模拟模型框架

图2 施工、监理单位关系图

基于以上对施工单位和监理单位的分析,多Agent模拟的方法,将施工单位和监理单位看作两类Agent.

模型中通过状态图和事件的方式来描述监理单位Agent.模型中,分别建立了一般的管理模式与考虑参与者集成时集成化管理模式下的监理单位状态图.前者的业主、监理单位、设计单位和施工单位之间是多层次的纵向组织关系,解决问题时总的问题处理时间为其各自处理问题的时间之和再加上他们相互的沟通时间,监理单位的状态图如图3所示.

集成化管理模式通过建立一个工程建设信息平台促进项目各参与方之间的协作和信息共享效率.解决问题时总的处理问题时间为各参与者处理时间中的一个值,此时监理单位的状态图如图4所示.

图3 一般模式下监理单位状态图

图4 集成化模式下监理 单位状态图

1.2 工程建模

本文使用离散模拟来模拟对工程进行模拟.假设可以将工程分为一定数量的工作包,工作包分为简单和复杂工作包2种类型,前者需要较短的处理时间,具有较低的概率导致工程出现问题;后者需要较长的处理时间,具有较高的概率导致工程出现问题.另外,简单和复杂工作包有不同的到达频率,这些工作包在一些离散的时间点上到达,并在相应的时间点由参与单位进行处理.此处将工作包看作离散的到达事件,并根据工程情况设定一定的到达速度.将施工单位看作服务台,对工作包进行处理.如果系统中存在多个任务,则排队等待.工程的离散事件模型如图5所示.

图5 工程的离散事件模型

source和source1分别产生简单工作包和复杂工作包,可以通过控制简单工作包和复杂工作包的到达频率来控制简单工作包和复杂工作包的比例,即设定了工程的复杂性水平.工作包产生后,首先进入queue队列排队等待,当满足相应的条件时进入相应的服务台进行相应的处理.service服务台表示处于正常施工状态的施工单位实施工程,service1服务台表示处于赶工状态的施工单位实施工程.Agents和Agents1表示处于施工状态和赶工状态的施工单位的数目.

1.3 参与者-工程互动建模

参与单位和工程之间是相互作用的,一方面,工程的复杂度影响参与单位的工作效率,工程复杂度高,则意味着施工单位在施工过程中容易遇到的外界影响较多,如恶劣的气候条件,复杂的地质等,容易导致低的工作效率;另一方面,参与单位的工作效率和工作状态又会反过来对工程的进度、质量和成本产生影响.由上可知,对参与单位与工程之间需要进行参数的交互,规则如下.

在式(3)的基础上引入加权矩阵Wf，用来设定不同残差在模型修正过程中所占的权重；在优化目标中加入修正参数变化值，引入加权系数Wp，通过改变Wp的大小来限制修正参数的变化。则模型修正问题转化为如下的优化问题：

1)工程中简单工作包和复杂工作包的到达频率对工程出现问题的频率的影响规则

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

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

其中：arrivequantity1为简单工作包一次到达的数量;arrivequantity2为复杂工作包一次到达的数量;arriveinter1为简单工作包到达的时间间隔;arriveinter2为复杂工作包到达的时间间隔;complexity为复杂工作包占全部工作的比例,即工程复杂度;problemtime为工程经过多少时间会出现问题,在此假设其服从参数为(mean/ 2,mean,mean＊1.5)的三角分布.

2)施工单位的状态对不同类型工作包的时间、成本和质量的影响规则以及对工程的总成本和总质量的影响规则 模型中通过活动图(action chart)描述如图6所示.当工作包到达queue队列或者服务台处理完一个任务时,通过调用routinglogic()来确定在队列首位的任务是否被处理以及由哪个服务台处理.idleAgents和idle-Agents1分别用来统计离散模拟中的Service和Service1服务台中空闲服务者的数目.下面是2个While循环,分别表示当施工单位处于正常施工状态和赶工状态时,进入相应的服务台,在不同的服务台上处理有不同的时间、成本和质量.

2 模拟结果分析

假设当施工单位处于正常施工状态时,每完成一个工作包工作进度加1;完成一个简单工作包的成本为1,复杂工作包为1.5;当施工单位处于赶工状态时,每完成一个工作包工作进度加1;成本的高低取决于赶工速度的快慢,具体公式为：赶工成本 =exp(plantime/crashtime)×计划成本/2.5(其中,plantime和crashtime分别表示完成一个工作包所需要的计划时间和赶工时间).假设在停工状态下,每天花费成本服从分布uniform(0.8,1.2).

通过上述基本参数设置后对四种情况进行模拟可实验并对结果进行了分析.初始化参数(plantime1和plantime2分别表示简单和复杂工作包的计划完成时间)和模拟结果见表1.

表1 实验参数和实验结果数据表

2.1 按计划执行

工程计划是按照施工单位处于正常施工状态而设定的,初始化参数和模拟结果见表1,其中plantime1=1,plantime2=2分别为每个简单工作包和复杂工作包的计划完成时间.模拟结果如图6所示.

图6 按计划执行的模拟结果

2.2 工程施工实际情况

工程施工的实际情况中考虑了前面所述的参与者和工程之间的互动关系.假设在时间点60时检查工程进度是否滞后,如果滞后,则根据工程实际进度和计划进度的差额设定工程的赶工速度和赶工天数.此外,要求工程必须按期完成.

由图7和图8可知,工程复杂度越高,在赶工状态下完成的任务数越多,所需成本也越高.这是因为,工程复杂度的提高,会影响施工单位施工的质量水平,进而影响施工状态,施工状态直接影响了工程的进度和成本,故造成了工程成本的增加.

图7 工程施工实际情况一

图8 工程施工实际情况二

2.3 考虑参与者的集成化

在情况2的基础上,采用参与者集成化管理时,将监理单位Agent的行为作对应的修改,并且要求工程按期完成.图9与图7相比,工程总成本降低.可以看出,在相同的工程复杂度下,采用参与者集成化的管理模式,可以降低工程总成本.

2.4 考虑工程目标的集成化

在上面的3种情况中,目标都是工程按期完成,而没有同时考虑工期和成本.在情况四中,期望工程的目标和成本均达到极好值,其他假设与情况2.3相同.此处,借助于挣值管理的原理,并进行一定的改进,来评价工程进度和成本的最优化.其中：PV=计划成本;AC=实际成本;EV=实际工期×计划成本/计划工期;成本绩效指标CPI=EV/AC,大于1成本节约,小于1成本超支;进度绩效指标SPI=EV/PV,大于1进度超前,小于1进度滞后;综合评价指标IPI=CPI× SPI,IPI＜1,实际执行情况比计划差,IPI＞1,实际执行情况比计划好.

图9 考虑参与者集成化的模拟结果

考虑在时间点60时的赶工策略对时间点100时的综合绩效指标的影响,通过采取不同的赶工策略,可以得到表2.其中,crashday指赶工天数,crashrate指赶工时间与计划时间的比值.

由表2可知,所有的策略均不能使IPI＞1,说明实际执行情况均比计划差.其中,策略9指不采取赶工策略,让工程按现在的状态完成,这种策略会使得工期出现比较严重的滞后,但同时,由于没有赶工,工程成本也比较低.策略1至8则采取了不同的赶工策略,对比可知,在当前的参数设置下,赶工速度越快,即crashrate越小,通过赶工使得完成单个工作包的时间越短,越容易实现工程工期目标,但同时,所需要的成本也越高.

表2 不同赶工策略下的模拟结果

在所有策略中,策略7中 IPI最大,说明赶工策略7能使得实际执行情况达到极好值.所以应该采取赶工策略7.

3 结束语

本文借助于仿真工具AnyLogic,综合运用多Agent模拟和离散模拟方法,对公路建设中的参与者和工程的相互影响关系进行了研究,特别的,分析了集成化管理模式对公路建设工程的影响.从模拟结果可以看出,通过对参与方集成,减少了信息传递时间,减少了不必要的时间浪费,加快了工程进度并降低了成本;通过对多目标集成,成本和工期均达到极好值.所以在公路工程建设中,应该采用集成化的管理模式,借助于信息技术和虚拟建设来实现参与方的集成,同时综合考虑工程的多个目标,如进度、成本、质量等,实现公路工程建设多目标集成.

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