基于多Agent仿真的移动防洪系统应急安装研究

汪伦焰 翟啸东 李慧敏 张婵 吕乐琳

摘要：移动式防洪系统是一种具备高安全性的标准化防洪方法，但在中国城市防洪系统中应用还不多，对其应急安装管理研究不足是制约因素之一。依托某市的移动式防洪墙工程，对其安装过程进行施工组织设计，构建了移动式防洪系统应急安装数学规划模型，利用Anylogic软件对移动式防洪墙构件的装载、运输过程进行仿真，利用仿真结果对该数学规划模型进行求解，并给出最优方案。研究表明：通过资源的合理调配，改进施工步骤，可以缩短移动式防洪墙的应急安装时间，为防洪抢险赢得宝贵时间。

关键词：移动式防洪系统;整数规划;应急安装;建模仿真

中图分类号：F224;TV87 文献标志码：A

城市是一个国家经济发展的标志，气候变化导致城市受自然灾害侵袭的风险增大，城市防洪减灾能力能否提高直接关系着经济社会的发展[1-2]。据国家统计局统计，1991-2008年我国自然灾害总损失为44503亿元，年均2472亿元，其中洪水灾害造成的损失占48%。近年来，随着我国城镇化水平的不断提高，城市洪涝灾害的防治任务越来越重，我国城市大多依山傍水而建，是流域防洪的重点，建立完善的城市防洪应急机制至关重要[3-4]。

改革开放以来，城市较快发展，一些临河城市更是在河道两岸大兴土木。城市防洪工程建设既要满足基本防洪要求，还要与城市建设相契合，兼顾城市生态美观功能，满足人们对水的观赏要求及亲水要求，移动式防洪系统（Mobile Flood Control System）正好解决了这一问题。

移动式防洪系统作为一种安装便捷、美观的防洪设施在国外已有多个成功案例，但在国内应用较少。段亚娟[5]对移动式防洪墙各部分构件的材料性能、预埋件的安装方式等进行了研究，陈守开等[6]对移动式防洪系统力学性能及渗漏特性进行了研究。笔者就移动式防洪系统应急安装进行研究，旨在为实际工程提供技术支撑。

1 移动式防洪系统简介

1.1 移动式防洪系统及构件

移动式防洪系统通常由立柱（边柱）、挡板、止水、螺栓、压紧装置、预埋件等构件组成[7]，见图1。其工作原理如下：在预设防洪的位置事先建成埋置有预埋件的钢筋混凝土基座，洪水来临前，在预埋件上安装立柱、在立柱间安装挡板及止水条，形成封闭墙体抵挡洪水;洪水来临时，水通过挡板与立柱接触部位进入中空的挡板，增加防洪墙自重，提高稳定性;洪水退去后逆序拆除各部件，并按标记有序存于仓库。

1.2 移动式防洪墙仓储设计

移动式防洪墙在洪水预报之后才开始安装，在抗洪应急抢险的环境下，时间非常紧迫，安装过程如果组织不当，那么就可能延误抗洪抢险的最佳时机。由于仓库不可能是开敞式的，且在不同堤段因高程不同而需要安装不同高度的立柱，因此构件在仓库中的位置和抗洪堤岸的位置相对应非常重要，在设计构件存储位置时，必须考虑其在堤岸上的安装位置。仓库的设计要根据立柱和挡板的数量来确定，仓库的布局必须考虑应急运输，需要在最短的时间内把不同高度的立柱运输至相应的堤段。在移动式防洪墙仓储设计时采用构件分区存储和精准存储相结合的方式：①分区存储。不同的构件存储在不同的区域，且这个区域是固定的。②精准存储。在每个存储区域都要标明构件的信息，且贴有标识。每一根立柱上都贴有专属铭牌，抗洪堤岸同样贴有铭牌，且与仓库中的铭牌是一一对应的。

通過对储存位置的设计和应急系统的构建，做到防洪墙的各个构件准确无误地运输至堤岸，并组织快速安装。仓储分区设计见图2、图3。

2 应急安装施工组织设计

2.1 安装流程

移动式防洪墙安装流程见图4。

（1）清理表面杂物。安装之前，预埋件表面裸露在自然环境中，故需要将预埋件表面杂物清除干净，清理过程中注意不要破坏预埋件表面。首先清除预埋件表面大块杂物，然后清除残留碎渣，确保预埋件表面干净，其周围无杂物，以免对立柱的安装造成影响。

（2）拆卸保护螺栓。用扭矩扳手拆卸保护螺栓，收集拆卸下来的保护螺栓。

（3）清理螺孔内部杂物。用手持式鼓风机清除螺孔内残留杂物。

（4）安装立柱。两个安装人员将运输到指定位置的立柱抬到安装处，将立柱螺孔与预埋件螺孔对准，然后安装，并对角拧紧螺栓。搬抬过程中可手握立柱两侧把手。

（5）安装地面密封。将挡板沿程分散放置以提高安装效率，身高相近的两人将挡板从放置处抬至安装处，然后可将挡板从立柱中部插入，先插入一侧立柱凹槽内，再插入另一侧，待两侧全部插入凹槽，两人同时将挡板向下压直至接地。安装过程中注意距离两端立柱应相近，并避免划伤构件。

（6）安装挡板。将分散到指定位置的挡板两人一组进行安装。安装中下部的挡板可从立柱中部插入，先插入一侧立柱凹槽内，再插入另一侧;安装顶部挡板时，从立柱顶部同时将挡板插入。待两侧全部插入凹槽两人同时将挡板向下压直至接地，安装过程中注意与两端立柱的距离应相近，并避免划伤构件。

（7）安装压紧装置。提前清理端柱卡槽部位表面混凝土，将压紧装置放入立柱卡槽中并下移至挡板顶部，其后两人同步拧紧压紧装置，直至下部地面密封压缩至25～30mm为止。

2.2 工序功效测定

通过对移动式防洪墙安装工序进行分析，提炼出工序的基本动作，采用现场作业秒表测试分析及定额测定的方法对工序工时进行测定，得出工序的标准作业时间。根据工序的连贯性及工时测定结果，将部分工序进行联合作业分析。

表1为现场安装时的工序工时测定结果。

2.3 施工组织设计

在进行施工组织设计时，考虑到定额时间中的休息时间和不可避免的中断时间，并且结合工程实际情况，将安装挡板的时间统一记为3min，移动式防洪墙各段情况相同。

经过计算得出施工组织方案：每8跨（相邻两根中心立柱的距离为1跨）为一个单元工程，每个施工队为8人。一个施工队完成一个单元工程需要的时间为20min。

施工示意图及单代号网络图见图5。图5（a）中，Ⅰ～Ⅷ表示立柱，1～8表示预埋件，a～h表示挡板，a～h表示压紧装置。图5（b）中，①～⑩表示单代号网络图中的时间节点。施工过程如下：①作业A，8人拆卸保护螺栓，用时4min;②作业B，8人安装立柱Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，用时3min;③作业C，2人安装立柱Ⅴ，作业D，6人安装挡板a、b、c，用时3min;④作业E，2人安装挡板d，作业F，6人安装立柱Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ，用时3min;⑤作业G，8人安装挡板e、f、g、h，用时3min;⑥作业H，8人安装压紧装置a、b、c、d、e、f、g、h用时4min。

建立以施工队数量x为自变量，安装时间y为因变量的函数关系。函数为（x取正整数），结果见图6。

3 基于AnyLogic的移动式防洪系统应急运输安装仿真

3.1 移动式防洪系统应急安装数学规划模型

整数规划是研究部分或全部决策变量必须取整数值的规划问题。不考虑整数条件，由余下的目标函数和约束条件构成的规划问题称为该整数规划问题的松弛问题。若松弛问题是一个线性规划，则称该整数规划为整数线性规划[8]。

根据本研究内容，假设应急运输安装总时间为T，叉车数量为x₁，单位叉车成本为c₁，装载时间为t₁;卡车数量为x₂，单位卡车成本为c₂，运输时间为t₂;施工队数量为x₃，单位施工队成本为c₃，安装时间为t₃。为保证在n小时内完成移动式防洪墙应急安装，目标函数和约束条件分别为式（1）和式（2）。

min z=c₁x₁+c₂x₂+c₃x₃（x₁，x₂，x₃取正整数）（1）

3.2 移动式防洪墙应急运输安装仿真流程

运输过程包括构件从仓库装车和构件运输到现场两部分。在构件装车这一过程中，需要按照立柱類型、立柱和挡板的数量比例来装车。

移动式防洪墙应急运输安装仿真流程见图7。装载卡车到达仓库指定装载点，由防洪应急管理人员向卡车司机明确运输目标堤段，仓库管理人员指挥叉车按照堤段对应的立柱类型将相应数量的立柱和挡板装载至卡车中。装载完成后，向指定堤段进行运输。卡车将构件运输至目标堤段后，由现场管理人员指挥叉车卸载。卸载完成后，工人开始安装。

3.3 应急仿真参数设计

AnyLogic主要对不同类型的事件进行仿真，如离散事件、连续事件及混合事件（离散事件加连续事件），以实现不同维度的事件仿真，如宏观、中观、微观。AnyLogic具有建模速度相对较快、支持多类型模型开发、视觉冲击感强、可随处运行等优势[9]。

3.3.1 装载流程建模

移动式防洪墙构件装载流程见图8。整个流程分为两个子流程：第一个子流程为叉车搬运装有指定构件的托盘到卡车装载点;第二个子流程为卡车的运动过程即卡车从排队等待位置移动到指定装载点，装载完成后，卡车离开。

第一个子流程如下。

（1）第一个模块为Source模块，因为本模型的资源为托盘，因此将该模块命名为Source Pallets。

（2）第二个模块为rack Store模块，rack Store模块会将托盘放入指定的托盘货架单元，并将该模块命名为store Component。

（3）第三个模块为Delay模块，Delay模块模拟构件在货架中等待，并将该模块命名为Component InStorage。

（4）第四个模块为rack Pick模块，这个模块的目的是将托盘从货架上的一个单元中移动到指定的目的地，将其命名为pick Component。

（5）第五个模块为Sink模块，Sink模块处理智能体，通常为流程图的终点。

（6）第六个模块为resource Pool模块，resourcePool模块与Source模块不同，resource Pool模块定义了资源池或集合。资源单元可以有个体属性，每个资源都带一个图形化图标、参数、函数等元素。该案例模型的资源是叉车，它们将托盘从托盘货架移动到装载区，因此将其命名为forklifts。

第二个子流程为Source-Move To-Delay-MoveTo-Sink。

（1）Source模块生成卡车。该模块命名为SourceDelivery Trucks。

（2）Move To模块将智能体移动到网络中的一个新位置。若智能体中绑定了资源，资源与智能体一起移动。第一个Move To模块驱动卡车到达装载点，命名为driving To Dock。第二个Move To模块驱动卡车离开，命名为driving To Exit。

（3）延迟Delay模块模拟托盘装载，命名为unloading。

（4）Sink模块将卡车从模型中移除，命名为sink1，以区别第一个sink。

3.3.2 建模相关参数设计

参数设计包括智能体参数设计和模块参数设计。智能体参数包括智能体类型、名称、智能体行为、流程中的智能体、运动、空间和网络等。建模过程中需要建立3个智能体，分别为托盘、叉车和卡车。模块参数设计中需要对托盘资源模块、构件储存、延迟模块、构件提取、叉车资源池模块、卡车资源模块、移动模块、装载模块等进行参数设计。

建模仿真中相关参数的设计见表2。

3.4 案例分析

3.4.1 案例介绍

某江沿岸一个美丽的滨江旅游城市，沿江风景优美，为满足防洪要求和市民的亲水要求，沿江安装移动式防洪墙。移动式防洪墙基础全长3.2km，分为A～Q共16个堤段。根据当地防洪规划，各个堤段的高程不同，为保证整体的防洪效果相同，安装完毕的防洪墙顶高程须一致，故安装0.8、1.0、1.2、1.6、1.8m五种不同高度的防洪墙，不同高度的防洪墙对应不同高度的立柱。根据防洪堤段长度、走势和移动式防洪墙的跨度，计算出立柱数量，详细安装布置情况见表3。

移动式防洪系统构件存储仓库位于距离防洪墙终点9.4km的市郊，考虑所需数量的立柱及挡板存储和构件运输的空间，仓库设计为长30.2m、宽29.4m，中心高度9.4m，边缘高度7.1m，占地面积约888m²。在模型的路线选择优化中，有两条路长度大致相同，且红绿灯数量一致，故路程按照9.4km计算。

3.4.2 仿真结果分析

仿真过程及仿真结果见图9。

改变叉车数量，进行多次仿真，仿真结果见图10。计算不同工况下的装车时间，结果见表4。

根据目标函数和约束条件，给出4个方案见表5。在不考虑成本的情况下，方案1为时间最短方案，在考虑成本的情况下方案2、3、4为可行方案。

因此，目标函数值分别为。目标函数分别作差，可得到差值函数，差值函数见图11。

当013时，z₂34，即在区域Ⅰ方案2为最优方案;当c₃1<1.5c₃時，z₂43，即在区域Ⅱ方案2为最优方案;当1.5c₃1<2c₃时，z₄23，即在区域Ⅲ方案4为最优方案：当0<2c₃1时，z₄32，即在区域Ⅳ方案4为最优方案。

4 结语

首先对移动式防洪墙构件的仓储进行设计，提出了构件分区储存和精准储存相结合的方式，并给出实施方案和设计图。其次对移动式防洪墙应急安装进行了施工组织设计，通过工序分解、时间测定和流水节拍的方法给出了科学合理的“8人8跨”优化安装方法。最后运用基于智能体的离散事件建模的方法，对移动式防洪系统应急管理中的构件运输过程进行了仿真，该模型可以通过改变智能体和资源的参数，来仿真不同情况下的运输过程。这对防洪应急时移动式防洪墙的安装可以进行有效的时间预测，同时可以看出哪一个过程可以通过科学的管理、合理的资源利用而节约资源、提高效率。因此，运用仿真的方法进行过程管理是一种有效的途径，这也为应急管理研究提供了新思路。

参考文献：

[1]刘俊，陆剑峰，方正杰，等.对现代城市防洪的一些思考[J].自然灾害学报，2005（2）：136-139.

[2]辛长爽，金锐.我国城市防洪体系存在的问题及解决途径的探讨[J].水利学报，2007，38（S1）：423-427.

[3]徐建新，刘爽，张运凤.城市防洪应急投资与效益研究方法分析[J].人民黄河，2009，31（2）：23-24.

[4]刘福永.长春市防洪应急机制研究[D].长春：吉林大学，2013：1-3.

[5]段亚娟.移动式防洪墙力学性能试验及施工工艺研究[D].郑州：华北水利水电大学，2017：11-60.

[6]陈守开，李慧敏，王远明，等.移动式防洪系统力学性能及渗漏特性试验研究[J].农业工程学报，2017，33（20）：83-89.

[7]佚名.国产“抗洪神器”：拼装式防洪墙在武汉投入使用[J].市政技术，2016，34（6）：30.

[8]胡运权.运筹学教程[M].4版.北京：清华大学出版社，2012：122-148.

[9]桂寿平，丁郭音，张智勇，等.基于AnyLogic的物流服务供应链牛鞭效应仿真分析[J].计算机应用研究，2010，27（1）：138-140.