基于Agent-KanBIM的精益建造工作流模型

吳 樺， 蘇振民， 張錦華

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院， 江蘇 南京 211816； 2. 江蘇武進(jìn)建工集團(tuán)有限公司才良分公司， 江蘇 常州 213166)

建筑業(yè)的健康發(fā)展是實(shí)現(xiàn)國家經(jīng)濟(jì)增長、社會安定的關(guān)鍵，傳統(tǒng)建造方式下高能耗、低效率的行業(yè)現(xiàn)狀[1]阻礙了我國可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程[2]，一種新型的建造方式——精益建造[3]逐漸改善建筑業(yè)。精益建造實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目價(jià)值的基礎(chǔ)是穩(wěn)定可靠的工作流，然而，工作流由固定的建筑產(chǎn)品、流動的人員和資源、冗雜的信息以及不斷變化的工作面[4]組成，資源流、指令流和工序邏輯[5]的復(fù)雜性將造成工作流不連續(xù)和浪費(fèi)的現(xiàn)象。因此，掌握工作流要素間關(guān)系，系統(tǒng)地認(rèn)識和管理工作流，提高決策的科學(xué)性是提升工作流穩(wěn)定可靠性和項(xiàng)目價(jià)值的有效途徑。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Guo[6]提出一種決策支持系統(tǒng)以識別和緩解工作面沖突；Watkins等[7]以建筑工程現(xiàn)場的混亂將導(dǎo)致低效為出發(fā)點(diǎn)，使用Agent構(gòu)建建筑工程現(xiàn)場復(fù)雜互動系統(tǒng)模型；GEMP(Generic Process Modelling Method)[8]流程建模工具綜合傳統(tǒng)進(jìn)度計(jì)劃、IDEF(ICAM DEFinition method)、PetriNet等方法，基于流程內(nèi)涵、計(jì)劃、控制和提升建設(shè)流程[9]；部分研究[10]使用4D-BIM協(xié)調(diào)物流，優(yōu)化現(xiàn)場布局和管理工作面；Gurevich等[11]開發(fā)出融合最后計(jì)劃者體系(Last Planner System，LPS)和BIM的KanBIM管理信息系統(tǒng)，為控制精益建造工作流提供技術(shù)支持?，F(xiàn)有研究從理論和實(shí)踐層面提升了工作流的連續(xù)可靠性，但仍存在不足：一是較多學(xué)者關(guān)注傳統(tǒng)施工過程要素，對精益建造工作流要素及關(guān)系的探究不足；二是現(xiàn)有工作流建模方法多從靜態(tài)定性的視角識別工作流，難以動態(tài)定量地分析、指導(dǎo)和預(yù)測工作流且缺少可視化的展示技術(shù)；三是當(dāng)下工作流管理技術(shù)從信息共享和可視化的角度簡化了流程管理，但沒有充分考慮工作流的系統(tǒng)性，不足以支撐工作流要素間的協(xié)調(diào)和管理。

本文以精益建造工作流為建模對象，將Agent建模方法與KanBIM管理技術(shù)集成，構(gòu)建基于Agent-KanBIM的精益建造工作流模型，探究工作流的復(fù)雜性，動態(tài)性和系統(tǒng)性。Agent的智能特性加之被賦予的算法規(guī)則，可系統(tǒng)地定量分析、協(xié)調(diào)和預(yù)測工作流；KanBIM系統(tǒng)可視化地展示工作流要素，便于管理者和施工人員掌握動態(tài)的工作流，構(gòu)建模型旨在提升精益建造工作流管理活動的科學(xué)性、靈活性和實(shí)時(shí)性，減少工作流浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)精益建造的價(jià)值。

1 Agent與KanBIM集成的適用性分析

1.1 Agent與KanBIM的對比介紹

表1對兩種工具從起源、本質(zhì)、應(yīng)用環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、應(yīng)用在工作流模型中的優(yōu)劣勢做了對比介紹。

表1 Agent與KanBIM的對比介紹

圖1 Agent基本結(jié)構(gòu)

圖2 KanBIM系統(tǒng)

1.2 集成的適用性分析

從互補(bǔ)性層面，Agent有著自主信息傳遞、處理和作用環(huán)境的優(yōu)勢，但缺乏工具展示交互的結(jié)果，不便于管理者理解和管理工作流；KanBIM系統(tǒng)展示項(xiàng)目的生產(chǎn)模型、過程模型和狀態(tài)模型，但欠缺建設(shè)資源、現(xiàn)場情況等接口，不便于全面系統(tǒng)地管理工作流；從技術(shù)層面，已有研究[16]運(yùn)用Agent和WPF(Windows Presentation Foundation)界面展示BIM內(nèi)部的空間分割，協(xié)調(diào)工作面需求，且現(xiàn)有的建設(shè)管理工具已具備嵌入式的Agent推理機(jī)制。因此，Agent與KanBIM具有功能互補(bǔ)性和技術(shù)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

工作流建模是對工作流抽象元素的形象化描述[17]，通過觀察、抽象和分析工作流系統(tǒng)的行為，建立系統(tǒng)組成個(gè)體Agent模型，描述Agent的行為、規(guī)則、狀態(tài)以及Agent與環(huán)境之間的交互關(guān)系，達(dá)到描述系統(tǒng)的目的?；贏gent的建模步驟[18]如下：

(1)明確建模對象的邊界。

(2)系統(tǒng)層次抽象與Agent識別：定義關(guān)鍵問題的抽象的粒度和抽象的內(nèi)容，確定Agent功能與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)各個(gè)實(shí)體的映射關(guān)系，即確定Agent角色。本文采用功能映射法和物理映射法分別表現(xiàn)工作流的功能模塊和物理實(shí)體。

(3)建立個(gè)體Agent特征模型：確定Agent的結(jié)構(gòu)與特征，包括內(nèi)部狀態(tài)和行為規(guī)則(如函數(shù)、方法)，即用來獲取外部信息的感知器和作用于環(huán)境(或改變自身的狀態(tài))的效應(yīng)器；部分Agent預(yù)留API(Application Programming Interface)接口與KanBIM交互信息。

(4)建立模型：根據(jù)Agent的功能和各Agent關(guān)系，集成系統(tǒng)內(nèi)各Agent構(gòu)建基于Agent的模型。

2.2 基于Agent的精益建造工作流建模準(zhǔn)備

參照上述建模過程，本文選擇精益建造工作流為建模對象，即建造過程中的資源(信息、機(jī)械設(shè)備、人員、時(shí)間、空間)、指令(命令、承諾、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn))與任務(wù)序列結(jié)合并實(shí)施生產(chǎn)的過程，從資源、管理和任務(wù)層次抽象工作流系統(tǒng)，設(shè)立各層次中的Agent角色(見表2)映射工作流要素，確定各Agent的功能和行為規(guī)則。

表2 模型中的關(guān)鍵Agent的角色和功能

Agent將根據(jù)被賦予的規(guī)則和算法發(fā)送，接收和推理工作流信息，并采取行動實(shí)現(xiàn)既定的功能。結(jié)合建設(shè)過程需求和研究現(xiàn)狀，為施工隊(duì)Agent、周工作計(jì)劃Agent、材料計(jì)劃Agent、庫存管理Agent和機(jī)械設(shè)備Agent賦予實(shí)現(xiàn)功能的運(yùn)算規(guī)則和判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1施工隊(duì)Agent

由于工作面的有限性，同一工作面的各施工隊(duì)Agent接收到即將開展的任務(wù)后，綜合考慮開展任務(wù)的工作面大小、資源使用量和生產(chǎn)率，按照式(1)[19]分割工作面。若生產(chǎn)率符合計(jì)劃要求則向BIM模型反饋結(jié)果并存儲分割結(jié)果，同時(shí)傳輸資源需求至周計(jì)劃Agent以便安排工序邏輯和資源分配；若不符合結(jié)果可以重新分割或求助周計(jì)劃Agent進(jìn)行分割。

(1)

2.2.2周工作計(jì)劃Agent

該Agent收集各施工隊(duì)Agent未來一周內(nèi)的任務(wù)信息，考慮工序的廣義優(yōu)先關(guān)系(Generalized Precedence Relations，GPRs)和各類資源約束[20]協(xié)調(diào)和制定周工作計(jì)劃，采用的規(guī)則如下：

資源約束規(guī)則：

(2)

s-s，s-f， f-s， f-f型優(yōu)先關(guān)系：

(3)

2.2.3材料計(jì)劃Agent

假設(shè)預(yù)測庫存量與實(shí)際庫存量相等：

(4)

預(yù)測庫存量計(jì)算：

(5)

(6)

計(jì)算出采購量后，材料計(jì)劃Agent需要下達(dá)采購訂單。根據(jù)各供應(yīng)商的不同供應(yīng)提前期，Agent在可供選擇的供應(yīng)商集合Ω中根據(jù)權(quán)重β(v)向各供應(yīng)商發(fā)出采購?fù)ㄖ?，采用的算法如下?/p>

(7)

2.2.4庫存管理Agent

庫存管理Agent根據(jù)收到材料的數(shù)量和各任務(wù)消耗量更新庫存[18]，采用的規(guī)則如下：

(8)

式中：R(t)為t時(shí)刻的庫存余量；y(j,t)為t時(shí)刻j活動的材料消耗量；x(v,t)為從第v供應(yīng)商處收到的材料數(shù)量。

2.2.5機(jī)械設(shè)備Agent

施工現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備的布局[21]應(yīng)考慮到安全、設(shè)備間的距離引起的人員移動和安裝、拆卸及重新安置的成本，采用的規(guī)則如下：

(9)

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

≥0

(10)

(11)

(12)

式中：eij為設(shè)備之間的歐氏距離；sij為最小安全距離；(xi,yi)，(xj,yj)為兩臺設(shè)備的質(zhì)心坐標(biāo)；(x,y)為設(shè)備的左上角坐標(biāo)；l為設(shè)備長度；w為設(shè)備寬度；TTC為勞動力在設(shè)備間操作或轉(zhuǎn)移材料的總移動成本；N為建設(shè)階段的數(shù)量；n為設(shè)備總數(shù)；dijp，Eijp，fijp分別為p階段設(shè)備i和j之間的實(shí)際移動距離，每單位長度成本和移動頻率；ACip，DCip，RCip分別為建設(shè)階段p中任務(wù)i產(chǎn)生的組裝、拆卸和移動成本。

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系統(tǒng)在模型中承擔(dān)總協(xié)調(diào)和信息可視化的功能。通過API接口連接各Agent實(shí)現(xiàn)工作流信息的交互和展示，完成信息的分布獲取和集中可視化。KanBIM與各Agent交互資源使用、現(xiàn)場變動、周工作計(jì)劃、任務(wù)完成等情況。施工人員通過KanBIM了解建設(shè)流程、工程產(chǎn)品和施工方法，其中KanBIM的任務(wù)標(biāo)簽包含了一周內(nèi)、進(jìn)行中、最近完成和暫停的任務(wù)狀態(tài)信息，如圖3[14]所示，任務(wù)控制卡包含任務(wù)的先決條件，如工作面、必須完成的緊前工作、材料和資源的可用性等。

圖3 任務(wù)標(biāo)簽示例

3.2 模型構(gòu)建

依據(jù)Agent的功能、規(guī)則和關(guān)系，結(jié)合KanBIM構(gòu)建如圖4所示的模型。模型中橢圓框表示LPS計(jì)劃體系及其他功能型Agent，方形框表示物理型Agent，單向箭線表示信息的單向訪問，雙向箭線表示信息的雙向流動，虛線箭線表示部分Agent與KanBIM系統(tǒng)的信息傳遞或交互，虛線框內(nèi)表示實(shí)施LPS的施工現(xiàn)場。

圖4 基于Agent-KanBIM的精益建造工作流模型

4 模型的軟件體系架構(gòu)及功能分析

4.1 模型的體系架構(gòu)

為探索模型的有效性，本文基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境從人機(jī)交互、運(yùn)行內(nèi)核和運(yùn)行環(huán)境三部分構(gòu)成模型運(yùn)行體系的邏輯架構(gòu)[13]，如圖5所示。人機(jī)交互關(guān)注與用戶之間的信息交互，運(yùn)行內(nèi)核管理和控制模型中的信息流、數(shù)據(jù)流，維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行，運(yùn)行環(huán)境是該體系的硬件環(huán)境。

圖5 模型的軟件體系架構(gòu)

軟件體系架構(gòu)的界面層包含施工計(jì)劃界面、現(xiàn)場布置界面、設(shè)備使用界面、材料采購和存儲界面，通過以上界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；功能層中各模塊相互協(xié)同和交互，實(shí)現(xiàn)模型運(yùn)行；工具層和協(xié)同層是模型協(xié)同運(yùn)行的核心，功能類似于分布式操作系統(tǒng)，跨計(jì)算機(jī)平臺、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為各功能模塊的運(yùn)行提供的服務(wù)；模型層是對該模型的仿真，可進(jìn)一步層次化；協(xié)議層采用基于SOAP(Simple Object Access Protocol)的分布對象技術(shù)，在TCP/IP協(xié)議上運(yùn)行；物理層為該體系提供物理媒體。

4.2 模型的功能分析

(1)提前分割工作面

各施工隊(duì)Agent從KanBIM系統(tǒng)的BIM模型中提取空間維度信息，按照內(nèi)置的工作面分割規(guī)則(包含空間坐標(biāo)(x,y,z)、尺寸、工作面邊界、形狀因素等)協(xié)作交互分割工作面，結(jié)果展示在KanBIM系統(tǒng)的可視化界面。若結(jié)果可行則將結(jié)果存儲在系統(tǒng)的SQL數(shù)據(jù)庫中備用，若不可行則再次交互分割也可請求周工作計(jì)劃Agent劃分，分割過程如圖6所示。

圖6 施工隊(duì)Agent的工作面分割過程

(2)科學(xué)靈活地調(diào)整工序

施工隊(duì)Agent根據(jù)工作量定量計(jì)算達(dá)到計(jì)劃生產(chǎn)率的資源需求量(人員、材料、機(jī)械設(shè)備、時(shí)間和具體工作面)，分析必要的時(shí)序約束后發(fā)送至周工作計(jì)劃Agent。施工中及時(shí)更新任務(wù)信息，周工作計(jì)劃Agent可考慮資源約束規(guī)則及現(xiàn)場的變動靈活調(diào)整工序的廣義優(yōu)先關(guān)系。

(3)材料的及時(shí)統(tǒng)計(jì)與采購

資源調(diào)度Agent訪問KanBIM系統(tǒng)獲取資源計(jì)劃信息反饋至庫存管理Agent與材料計(jì)劃Agent，材料計(jì)劃Agent結(jié)合庫存管理Agent的存貨信息，預(yù)測材料使用情況，計(jì)算材料采購量并按不同采購提前期發(fā)送至供應(yīng)商Agent，實(shí)現(xiàn)材料的及時(shí)采購。

(4)優(yōu)化施工現(xiàn)場布置

各機(jī)械設(shè)備Agent根據(jù)內(nèi)部的規(guī)則指令與自身尺寸信息，自動保持機(jī)械設(shè)備間的安全距離，避免了機(jī)械設(shè)備活動范圍的重疊。此外，考慮到部分建設(shè)活動在機(jī)械設(shè)備之間往返開展以及場內(nèi)機(jī)械設(shè)備的安裝、拆卸和移動所消耗的費(fèi)用，合理安排施工現(xiàn)場的機(jī)械設(shè)備布局，優(yōu)化項(xiàng)目效益。

(5)工作流信息的可視化展示與傳遞

KanBIM系統(tǒng)是一項(xiàng)結(jié)合BIM和精益建造理念的信息管理系統(tǒng)，展示和傳遞工作流的生產(chǎn)信息、過程信息和狀態(tài)信息。集成Agent后，工作流信息的系統(tǒng)性，準(zhǔn)時(shí)性和準(zhǔn)確性進(jìn)一步提升。

5 案例分析

本文案例引用Sacks[14]的現(xiàn)場測試，測試對象是一座使用最后計(jì)劃者體系的22層高的Carasso Project住宅樓的建設(shè)工作流。該建筑共四座，包含320個(gè)公寓、兩個(gè)大型停車場和一個(gè)社區(qū)中心?，F(xiàn)場的測試時(shí)間長達(dá)兩個(gè)月，對比未使用模型與使用模型兩個(gè)月后的施工狀態(tài)，驗(yàn)證模型的效果。研究人員在這兩個(gè)觀察時(shí)段內(nèi)進(jìn)行為期一周的觀察記錄，每次0.5～1 h，一日三次，通過實(shí)地觀察，記錄生產(chǎn)性增值活動、非增值活動、班組的人員數(shù)量、任務(wù)開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間等。

第一階段尚未使用模型指導(dǎo)施工，現(xiàn)場的管理團(tuán)隊(duì)和施工人員沒有精益思想，且信息傳遞效率低，可視化程度低，計(jì)劃的制定、實(shí)施和變更需要消耗較多的時(shí)間，通過收集和觀察的數(shù)據(jù)(見表3)顯示，PPC僅有33%，價(jià)值增加和無價(jià)值增加的時(shí)間占總計(jì)劃時(shí)間的49.9%。

表3 第一階段施工狀態(tài)記錄

隨后，現(xiàn)場逐漸引入基于Agent-KanBIM的模型，劃分和定義各Agent功能，熟悉KanBIM系統(tǒng)的使用。具體應(yīng)用過程為施工前期，LPS體系各Agent制定項(xiàng)目計(jì)劃，前瞻計(jì)劃Agent訪問資源調(diào)度Agent查看資源信息后，預(yù)測將要完成的工作、工作順序和工作包，為周計(jì)劃Agent提供依據(jù)。同時(shí)，場外的施工隊(duì)Agent分割工作面并將任務(wù)工作量、部分施工順序和完成預(yù)計(jì)的生產(chǎn)率所需的資源傳遞給周工作計(jì)劃Agent，周工作計(jì)劃Agent依據(jù)規(guī)則協(xié)調(diào)制定周計(jì)劃并生成日工作計(jì)劃后發(fā)送至KanBIM。開工前，KanBIM將當(dāng)日的施工任務(wù)通知給相應(yīng)的施工隊(duì)Agent和資源調(diào)度Agent，保證資源準(zhǔn)時(shí)到達(dá)工作面。

施工過程中，施工隊(duì)Agent到達(dá)現(xiàn)場后選擇要完成的任務(wù)，點(diǎn)擊開始并確認(rèn)計(jì)劃中的任務(wù)承諾，任務(wù)變成“施工中”的狀態(tài)。若出現(xiàn)突發(fā)情況，施工隊(duì)Agent在KanBIM界面發(fā)出停止報(bào)告和原因，按下停止按鈕，等待問題解決后繼續(xù)施工，也可發(fā)送變動報(bào)告通知施工現(xiàn)場，完工后發(fā)送完成報(bào)告。系統(tǒng)后臺將上傳的信息拆分重組與BIM模型關(guān)聯(lián)，管理Agent接入KanBIM系統(tǒng)，通過追蹤界面了解流程進(jìn)展，過程如圖7所示。

圖7 KanBIM中任務(wù)狀態(tài)的循環(huán)

資源調(diào)度Agent按照任務(wù)需求調(diào)動勞動力、材料和機(jī)械設(shè)備，追蹤材料消耗情況為材料計(jì)劃Agent的采購活動提供依據(jù)，場內(nèi)機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸和布置都由設(shè)備Agent內(nèi)置的規(guī)則操縱，資源供給實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)化和浪費(fèi)最小化。管理Agent總體協(xié)調(diào)施工現(xiàn)場，同時(shí)，實(shí)時(shí)獲取外界環(huán)境的變動并及時(shí)更新KanBIM中的工序規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

施工完成后，施工隊(duì)Agent發(fā)送完工報(bào)告，KanBIM指示資源調(diào)度Agent調(diào)派質(zhì)檢人員驗(yàn)收成果，通過檢查后，在KanBIM上標(biāo)記該任務(wù)完成；若需返工或改進(jìn)，標(biāo)記成“施工中”的狀態(tài)。日工作計(jì)劃Agent記錄一天施工情況并梳理明天的施工任務(wù)。一周后，KanBIM將PPC發(fā)送給周工作計(jì)劃Agent，周工作計(jì)劃Agent分析并優(yōu)化工作流，并將結(jié)果反饋給前瞻計(jì)劃Agent和主進(jìn)度計(jì)劃Agent以管理施工計(jì)劃。

經(jīng)過兩個(gè)月的熟悉和使用，各項(xiàng)指標(biāo)如表4所示，其中PPC提高至62%，價(jià)值增加和無價(jià)值增加的時(shí)間占總計(jì)劃時(shí)間的62%。

表4 第二階段施工狀態(tài)記錄

通過模型使用前后的對比可以看出，該項(xiàng)目實(shí)施的計(jì)劃穩(wěn)定性較第一階段提升88%，浪費(fèi)現(xiàn)象減少24%，精益建造的理念和支撐技術(shù)的結(jié)合在一定程度上提高了項(xiàng)目的價(jià)值和效益。但本次測試過程與模型適用性的調(diào)試工作同步進(jìn)行，且觀察時(shí)間較短，觀察指標(biāo)較簡單，今后將進(jìn)一步完善模型與觀察指標(biāo)，以便開展更有力的檢測。

6 結(jié) 語

精益建造工作流的動態(tài)性，復(fù)雜性和系統(tǒng)性給管理工作帶來了困難，也引發(fā)建造過程的諸多浪費(fèi)。本文引入Agent-KanBIM技術(shù)緩解這一問題，構(gòu)建模型以系統(tǒng)分析、展示和協(xié)調(diào)工作流要素，實(shí)現(xiàn)分割工作面，調(diào)整工序等功能。該模型為工作流管理提供了新思路，提高了管理活動的科學(xué)性、靈活性和實(shí)時(shí)性，項(xiàng)目價(jià)值得到了提升。應(yīng)用案例簡單測試了模型的運(yùn)用效果，接下來將繼續(xù)深入探究模型的實(shí)際操作階段和檢測指標(biāo)，為模型適用性做進(jìn)一步說明。