基于Agent-KanBIM的精益建造工作流模型

吴 桦， 苏振民， 张锦华

(1. 南京工业大学 经济与管理学院， 江苏 南京 211816； 2. 江苏武进建工集团有限公司才良分公司， 江苏 常州 213166)

建筑业的健康发展是实现国家经济增长、社会安定的关键，传统建造方式下高能耗、低效率的行业现状[1]阻碍了我国可持续发展的进程[2]，一种新型的建造方式——精益建造[3]逐渐改善建筑业。精益建造实现项目价值的基础是稳定可靠的工作流，然而，工作流由固定的建筑产品、流动的人员和资源、冗杂的信息以及不断变化的工作面[4]组成，资源流、指令流和工序逻辑[5]的复杂性将造成工作流不连续和浪费的现象。因此，掌握工作流要素间关系，系统地认识和管理工作流，提高决策的科学性是提升工作流稳定可靠性和项目价值的有效途径。

为实现这一目标，Guo[6]提出一种决策支持系统以识别和缓解工作面冲突；Watkins等[7]以建筑工程现场的混乱将导致低效为出发点，使用Agent构建建筑工程现场复杂互动系统模型；GEMP(Generic Process Modelling Method)[8]流程建模工具综合传统进度计划、IDEF(ICAM DEFinition method)、PetriNet等方法，基于流程内涵、计划、控制和提升建设流程[9]；部分研究[10]使用4D-BIM协调物流，优化现场布局和管理工作面；Gurevich等[11]开发出融合最后计划者体系(Last Planner System，LPS)和BIM的KanBIM管理信息系统，为控制精益建造工作流提供技术支持。现有研究从理论和实践层面提升了工作流的连续可靠性，但仍存在不足：一是较多学者关注传统施工过程要素，对精益建造工作流要素及关系的探究不足；二是现有工作流建模方法多从静态定性的视角识别工作流，难以动态定量地分析、指导和预测工作流且缺少可视化的展示技术；三是当下工作流管理技术从信息共享和可视化的角度简化了流程管理，但没有充分考虑工作流的系统性，不足以支撑工作流要素间的协调和管理。

本文以精益建造工作流为建模对象，将Agent建模方法与KanBIM管理技术集成，构建基于Agent-KanBIM的精益建造工作流模型，探究工作流的复杂性，动态性和系统性。Agent的智能特性加之被赋予的算法规则，可系统地定量分析、协调和预测工作流；KanBIM系统可视化地展示工作流要素，便于管理者和施工人员掌握动态的工作流，构建模型旨在提升精益建造工作流管理活动的科学性、灵活性和实时性，减少工作流浪费，实现精益建造的价值。

1 Agent与KanBIM集成的适用性分析

1.1 Agent与KanBIM的对比介绍

表1对两种工具从起源、本质、应用环境、内部结构、应用在工作流模型中的优劣势做了对比介绍。

表1 Agent与KanBIM的对比介绍

图1 Agent基本结构

图2 KanBIM系统

1.2 集成的适用性分析

从互补性层面，Agent有着自主信息传递、处理和作用环境的优势，但缺乏工具展示交互的结果，不便于管理者理解和管理工作流；KanBIM系统展示项目的生产模型、过程模型和状态模型，但欠缺建设资源、现场情况等接口，不便于全面系统地管理工作流；从技术层面，已有研究[16]运用Agent和WPF(Windows Presentation Foundation)界面展示BIM内部的空间分割，协调工作面需求，且现有的建设管理工具已具备嵌入式的Agent推理机制。因此，Agent与KanBIM具有功能互补性和技术集成性。

2 基于Agent的精益建造工作流建模

2.1 基于Agent的建模方法

工作流建模是对工作流抽象元素的形象化描述[17]，通过观察、抽象和分析工作流系统的行为，建立系统组成个体Agent模型，描述Agent的行为、规则、状态以及Agent与环境之间的交互关系，达到描述系统的目的。基于Agent的建模步骤[18]如下：

(1)明确建模对象的边界。

(2)系统层次抽象与Agent识别：定义关键问题的抽象的粒度和抽象的内容，确定Agent功能与现实系统各个实体的映射关系，即确定Agent角色。本文采用功能映射法和物理映射法分别表现工作流的功能模块和物理实体。

(3)建立个体Agent特征模型：确定Agent的结构与特征，包括内部状态和行为规则(如函数、方法)，即用来获取外部信息的感知器和作用于环境(或改变自身的状态)的效应器；部分Agent预留API(Application Programming Interface)接口与KanBIM交互信息。

(4)建立模型：根据Agent的功能和各Agent关系，集成系统内各Agent构建基于Agent的模型。

2.2 基于Agent的精益建造工作流建模准备

参照上述建模过程，本文选择精益建造工作流为建模对象，即建造过程中的资源(信息、机械设备、人员、时间、空间)、指令(命令、承诺、规范、标准)与任务序列结合并实施生产的过程，从资源、管理和任务层次抽象工作流系统，设立各层次中的Agent角色(见表2)映射工作流要素，确定各Agent的功能和行为规则。

表2 模型中的关键Agent的角色和功能

Agent将根据被赋予的规则和算法发送，接收和推理工作流信息，并采取行动实现既定的功能。结合建设过程需求和研究现状，为施工队Agent、周工作计划Agent、材料计划Agent、库存管理Agent和机械设备Agent赋予实现功能的运算规则和判断标准。

2.2.1施工队Agent

由于工作面的有限性，同一工作面的各施工队Agent接收到即将开展的任务后，综合考虑开展任务的工作面大小、资源使用量和生产率，按照式(1)[19]分割工作面。若生产率符合计划要求则向BIM模型反馈结果并存储分割结果，同时传输资源需求至周计划Agent以便安排工序逻辑和资源分配；若不符合结果可以重新分割或求助周计划Agent进行分割。

(1)

2.2.2周工作计划Agent

该Agent收集各施工队Agent未来一周内的任务信息，考虑工序的广义优先关系(Generalized Precedence Relations，GPRs)和各类资源约束[20]协调和制定周工作计划，采用的规则如下：

资源约束规则：

(2)

s-s，s-f， f-s， f-f型优先关系：

(3)

2.2.3材料计划Agent

假设预测库存量与实际库存量相等：

(4)

预测库存量计算：

(5)

(6)

计算出采购量后，材料计划Agent需要下达采购订单。根据各供应商的不同供应提前期，Agent在可供选择的供应商集合Ω中根据权重β(v)向各供应商发出采购通知，采用的算法如下：

(7)

2.2.4库存管理Agent

库存管理Agent根据收到材料的数量和各任务消耗量更新库存[18]，采用的规则如下：

(8)

式中：R(t)为t时刻的库存余量；y(j,t)为t时刻j活动的材料消耗量；x(v,t)为从第v供应商处收到的材料数量。

2.2.5机械设备Agent

施工现场机械设备的布局[21]应考虑到安全、设备间的距离引起的人员移动和安装、拆卸及重新安置的成本，采用的规则如下：

(9)

max[(xj-xi-li)(xj-xi+lj),(yj-yi-wi)(yj-yi+wi)]

≥0

(10)

(11)

(12)

式中：eij为设备之间的欧氏距离；sij为最小安全距离；(xi,yi)，(xj,yj)为两台设备的质心坐标；(x,y)为设备的左上角坐标；l为设备长度；w为设备宽度；TTC为劳动力在设备间操作或转移材料的总移动成本；N为建设阶段的数量；n为设备总数；dijp，Eijp，fijp分别为p阶段设备i和j之间的实际移动距离，每单位长度成本和移动频率；ACip，DCip，RCip分别为建设阶段p中任务i产生的组装、拆卸和移动成本。

3 基于Agent-KanBIM的精益建造工作流建模

3.1 基于KanBIM的建模方法

KanBIM系统在模型中承担总协调和信息可视化的功能。通过API接口连接各Agent实现工作流信息的交互和展示，完成信息的分布获取和集中可视化。KanBIM与各Agent交互资源使用、现场变动、周工作计划、任务完成等情况。施工人员通过KanBIM了解建设流程、工程产品和施工方法，其中KanBIM的任务标签包含了一周内、进行中、最近完成和暂停的任务状态信息，如图3[14]所示，任务控制卡包含任务的先决条件，如工作面、必须完成的紧前工作、材料和资源的可用性等。

图3 任务标签示例

3.2 模型构建

依据Agent的功能、规则和关系，结合KanBIM构建如图4所示的模型。模型中椭圆框表示LPS计划体系及其他功能型Agent，方形框表示物理型Agent，单向箭线表示信息的单向访问，双向箭线表示信息的双向流动，虚线箭线表示部分Agent与KanBIM系统的信息传递或交互，虚线框内表示实施LPS的施工现场。

图4 基于Agent-KanBIM的精益建造工作流模型

4 模型的软件体系架构及功能分析

4.1 模型的体系架构

为探索模型的有效性，本文基于网络环境从人机交互、运行内核和运行环境三部分构成模型运行体系的逻辑架构[13]，如图5所示。人机交互关注与用户之间的信息交互，运行内核管理和控制模型中的信息流、数据流，维护系统运行，运行环境是该体系的硬件环境。

图5 模型的软件体系架构

软件体系架构的界面层包含施工计划界面、现场布置界面、设备使用界面、材料采购和存储界面，通过以上界面，实现人机交互；功能层中各模块相互协同和交互，实现模型运行；工具层和协同层是模型协同运行的核心，功能类似于分布式操作系统，跨计算机平台、操作系统和网络结构为各功能模块的运行提供的服务；模型层是对该模型的仿真，可进一步层次化；协议层采用基于SOAP(Simple Object Access Protocol)的分布对象技术，在TCP/IP协议上运行；物理层为该体系提供物理媒体。

4.2 模型的功能分析

(1)提前分割工作面

各施工队Agent从KanBIM系统的BIM模型中提取空间维度信息，按照内置的工作面分割规则(包含空间坐标(x,y,z)、尺寸、工作面边界、形状因素等)协作交互分割工作面，结果展示在KanBIM系统的可视化界面。若结果可行则将结果存储在系统的SQL数据库中备用，若不可行则再次交互分割也可请求周工作计划Agent划分，分割过程如图6所示。

图6 施工队Agent的工作面分割过程

(2)科学灵活地调整工序

施工队Agent根据工作量定量计算达到计划生产率的资源需求量(人员、材料、机械设备、时间和具体工作面)，分析必要的时序约束后发送至周工作计划Agent。施工中及时更新任务信息，周工作计划Agent可考虑资源约束规则及现场的变动灵活调整工序的广义优先关系。

(3)材料的及时统计与采购

资源调度Agent访问KanBIM系统获取资源计划信息反馈至库存管理Agent与材料计划Agent，材料计划Agent结合库存管理Agent的存货信息，预测材料使用情况，计算材料采购量并按不同采购提前期发送至供应商Agent，实现材料的及时采购。

(4)优化施工现场布置

各机械设备Agent根据内部的规则指令与自身尺寸信息，自动保持机械设备间的安全距离，避免了机械设备活动范围的重叠。此外，考虑到部分建设活动在机械设备之间往返开展以及场内机械设备的安装、拆卸和移动所消耗的费用，合理安排施工现场的机械设备布局，优化项目效益。

(5)工作流信息的可视化展示与传递

KanBIM系统是一项结合BIM和精益建造理念的信息管理系统，展示和传递工作流的生产信息、过程信息和状态信息。集成Agent后，工作流信息的系统性，准时性和准确性进一步提升。

5 案例分析

本文案例引用Sacks[14]的现场测试，测试对象是一座使用最后计划者体系的22层高的Carasso Project住宅楼的建设工作流。该建筑共四座，包含320个公寓、两个大型停车场和一个社区中心。现场的测试时间长达两个月，对比未使用模型与使用模型两个月后的施工状态，验证模型的效果。研究人员在这两个观察时段内进行为期一周的观察记录，每次0.5～1 h，一日三次，通过实地观察，记录生产性增值活动、非增值活动、班组的人员数量、任务开始时间和结束时间等。

第一阶段尚未使用模型指导施工，现场的管理团队和施工人员没有精益思想，且信息传递效率低，可视化程度低，计划的制定、实施和变更需要消耗较多的时间，通过收集和观察的数据(见表3)显示，PPC仅有33%，价值增加和无价值增加的时间占总计划时间的49.9%。

表3 第一阶段施工状态记录

随后，现场逐渐引入基于Agent-KanBIM的模型，划分和定义各Agent功能，熟悉KanBIM系统的使用。具体应用过程为施工前期，LPS体系各Agent制定项目计划，前瞻计划Agent访问资源调度Agent查看资源信息后，预测将要完成的工作、工作顺序和工作包，为周计划Agent提供依据。同时，场外的施工队Agent分割工作面并将任务工作量、部分施工顺序和完成预计的生产率所需的资源传递给周工作计划Agent，周工作计划Agent依据规则协调制定周计划并生成日工作计划后发送至KanBIM。开工前，KanBIM将当日的施工任务通知给相应的施工队Agent和资源调度Agent，保证资源准时到达工作面。

施工过程中，施工队Agent到达现场后选择要完成的任务，点击开始并确认计划中的任务承诺，任务变成“施工中”的状态。若出现突发情况，施工队Agent在KanBIM界面发出停止报告和原因，按下停止按钮，等待问题解决后继续施工，也可发送变动报告通知施工现场，完工后发送完成报告。系统后台将上传的信息拆分重组与BIM模型关联，管理Agent接入KanBIM系统，通过追踪界面了解流程进展，过程如图7所示。

图7 KanBIM中任务状态的循环

资源调度Agent按照任务需求调动劳动力、材料和机械设备，追踪材料消耗情况为材料计划Agent的采购活动提供依据，场内机械设备运输和布置都由设备Agent内置的规则操纵，资源供给实现准时化和浪费最小化。管理Agent总体协调施工现场，同时，实时获取外界环境的变动并及时更新KanBIM中的工序规范和标准。

施工完成后，施工队Agent发送完工报告，KanBIM指示资源调度Agent调派质检人员验收成果，通过检查后，在KanBIM上标记该任务完成；若需返工或改进，标记成“施工中”的状态。日工作计划Agent记录一天施工情况并梳理明天的施工任务。一周后，KanBIM将PPC发送给周工作计划Agent，周工作计划Agent分析并优化工作流，并将结果反馈给前瞻计划Agent和主进度计划Agent以管理施工计划。

经过两个月的熟悉和使用，各项指标如表4所示，其中PPC提高至62%，价值增加和无价值增加的时间占总计划时间的62%。

表4 第二阶段施工状态记录

通过模型使用前后的对比可以看出，该项目实施的计划稳定性较第一阶段提升88%，浪费现象减少24%，精益建造的理念和支撑技术的结合在一定程度上提高了项目的价值和效益。但本次测试过程与模型适用性的调试工作同步进行，且观察时间较短，观察指标较简单，今后将进一步完善模型与观察指标，以便开展更有力的检测。

6 结 语

精益建造工作流的动态性，复杂性和系统性给管理工作带来了困难，也引发建造过程的诸多浪费。本文引入Agent-KanBIM技术缓解这一问题，构建模型以系统分析、展示和协调工作流要素，实现分割工作面，调整工序等功能。该模型为工作流管理提供了新思路，提高了管理活动的科学性、灵活性和实时性，项目价值得到了提升。应用案例简单测试了模型的运用效果，接下来将继续深入探究模型的实际操作阶段和检测指标，为模型适用性做进一步说明。