基于Anylogic的面板堆石壩交通仿真系統(tǒng)研究

趙 瑜，王高偉，孫 凱，張建偉，魯顯景

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046；2.河南新華五岳抽水蓄能發(fā)電有限公司，河南 信陽(yáng) 465450)

1 概述

面板堆石壩交通運(yùn)輸在施工過(guò)程中占據(jù)著重要的角色，一方面為土石方調(diào)配提供理論基礎(chǔ)，另一方面為壩面填筑提供重要保障，對(duì)于很多大型水利工程施工而言，交通運(yùn)輸問(wèn)題是影響施工進(jìn)度的重要因素之一。侯慶峰通過(guò)對(duì)抽水蓄能投資統(tǒng)計(jì)管理等方面深入研究，針對(duì)目前存在的問(wèn)題，提出了有效的管理對(duì)策，并為項(xiàng)目投資帶來(lái)效益[1]。張建偉等采用數(shù)值仿真計(jì)算方法對(duì)輸水管道多方面研究，實(shí)現(xiàn)岔管最優(yōu)接入角度[2]。張建偉等通過(guò)研究膠凝砂碩石壩應(yīng)力和應(yīng)變特征，建立的兩種模型均證明了膠凝砂碩石壩超載能力強(qiáng)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)[3]。劉寧等全局考慮施工總過(guò)程建立高心墻堆石壩交通運(yùn)輸模型，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)行車(chē)密度和排隊(duì)情況，并基于運(yùn)輸機(jī)械利用率優(yōu)化機(jī)械配套[4]。申明亮等將土石方調(diào)配與交通運(yùn)輸強(qiáng)度二者聯(lián)系起來(lái)，多目標(biāo)聯(lián)合決策優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)土石方調(diào)配和機(jī)械配套優(yōu)化[5]。劉序?qū)⑼潦秸{(diào)配和交通運(yùn)輸以及壩面作業(yè)三者結(jié)合起來(lái)，實(shí)時(shí)模擬整個(gè)交通運(yùn)輸全過(guò)程，并通過(guò)仿真結(jié)果和監(jiān)控成果相比較，進(jìn)行綜合分析[6]。胡超、董京艷基于調(diào)配成果，利用有效施工天數(shù)，建立交通運(yùn)輸模型并實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸機(jī)械優(yōu)化[7-8]。曹駕云等對(duì)兩河口水電工程交通布置分析，采用循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)建立交通運(yùn)輸模型，對(duì)運(yùn)輸方案和機(jī)械配套方案分析[9]。馬霄航等通過(guò)仿真技術(shù)模擬交通運(yùn)輸狀況，獲得道路運(yùn)輸排隊(duì)情況、機(jī)械利用率等信息，驗(yàn)證了土石方調(diào)配的合理性[10]。鐘登華等通過(guò)數(shù)字監(jiān)控理論建立交通仿真模型，能夠獲取實(shí)時(shí)施工信息[11]。張平通過(guò)交通運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲取自卸汽車(chē)位置、速度等信息[12]。李澤鑫通過(guò)對(duì)水工建筑物整體布局分析，采用道路、交通洞、橋梁相互結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)工程施工交通設(shè)計(jì)，并服務(wù)于施工現(xiàn)場(chǎng)[13]。顧興宇通過(guò)計(jì)劃工期和實(shí)際工期對(duì)比，得出了影響工期的因素，進(jìn)而管控施工進(jìn)度[14]。鐘登華等將系統(tǒng)仿真分為五大模塊，提高了各模塊的精準(zhǔn)度和相關(guān)性，為施工進(jìn)度和管理提供技術(shù)支持[15]。目前，交通運(yùn)輸建模采用的是并聯(lián)式服務(wù)臺(tái)，顧客只能在固定的服務(wù)臺(tái)完成服務(wù)，無(wú)法對(duì)服務(wù)臺(tái)進(jìn)行擇優(yōu)選取，具有一定的局限性。孫健通過(guò)anylogic對(duì)M/M/c和M/M/1排隊(duì)方式進(jìn)行仿真對(duì)比分析，結(jié)果證明兩種排隊(duì)系統(tǒng)整體相似，且低峰期前者隊(duì)長(zhǎng)明顯小于后者隊(duì)長(zhǎng)總和[16]。

因此，排隊(duì)循環(huán)系統(tǒng)中并聯(lián)式服務(wù)臺(tái)只能對(duì)特定的顧客進(jìn)行服務(wù)，無(wú)法動(dòng)態(tài)合理的調(diào)整服務(wù)臺(tái)的利用率，基于此情況，本文通過(guò)anylogic建立面板堆石壩交通運(yùn)輸仿真系統(tǒng)，采用單隊(duì)列多服務(wù)臺(tái)排隊(duì)規(guī)則，能夠有效規(guī)避并聯(lián)式服務(wù)臺(tái)不能共用的情況，從而達(dá)到最佳機(jī)械配套。Anylogic中能夠通過(guò)自帶模塊，實(shí)現(xiàn)“拖—拉式”建模，同時(shí)能夠通過(guò)系統(tǒng)完全對(duì)java開(kāi)放并自動(dòng)補(bǔ)全代碼，快速完成建模，圖表數(shù)據(jù)更為豐富。

2 交通運(yùn)輸模型分析

面板堆石壩交通運(yùn)輸系統(tǒng)是由交通道路、岔口、裝料點(diǎn)和卸料點(diǎn)等和運(yùn)輸機(jī)械組成，其運(yùn)行機(jī)制為循環(huán)排隊(duì)理論，運(yùn)輸機(jī)械在每個(gè)模擬工序都有延遲時(shí)間，在交通運(yùn)輸過(guò)程中運(yùn)輸機(jī)械循環(huán)往復(fù)的工作，直到任務(wù)結(jié)束。

2.1 交通運(yùn)輸系統(tǒng)分析

面板堆石壩交通運(yùn)輸系統(tǒng)是由許多運(yùn)輸子系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)子系統(tǒng)都是1個(gè)循環(huán)排隊(duì)服務(wù)。在anylogic模擬過(guò)程中，自卸汽車(chē)看做系統(tǒng)中的顧客，挖掘機(jī)和卸料點(diǎn)看做資源池，在資源池中可設(shè)置服務(wù)臺(tái)的數(shù)量，同一資源池中由多臺(tái)挖掘機(jī)提供服務(wù)時(shí)，顧客進(jìn)入單隊(duì)列排隊(duì)系統(tǒng)，依次進(jìn)入服務(wù)臺(tái)完成服務(wù)。運(yùn)輸循環(huán)過(guò)程中，據(jù)統(tǒng)計(jì)汽車(chē)在系統(tǒng)中停留的時(shí)間可看做某種分布，1次循環(huán)周期為裝車(chē)、重行、壩面排隊(duì)、卸料、空返和裝車(chē)等待。

2.2 物料供應(yīng)模塊

模擬過(guò)程中，物料供應(yīng)模塊流程如圖1所示，依據(jù)流程模塊功能輸入顧客、服務(wù)臺(tái)的數(shù)量，采用時(shí)鐘推進(jìn)法，系統(tǒng)為每輛自卸汽車(chē)設(shè)有子時(shí)鐘，并設(shè)置運(yùn)行時(shí)間周期為1 d的有效工作時(shí)間20 h，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)仿真總時(shí)鐘達(dá)到運(yùn)行時(shí)間周期，模型立即停止，統(tǒng)計(jì)上壩強(qiáng)度以及機(jī)械利用率等參數(shù)。本系統(tǒng)模擬未考慮道路岔口服務(wù)過(guò)程，為避免機(jī)械利用率誤差較大，相應(yīng)增加卸料服務(wù)時(shí)間，岔口服務(wù)雖占據(jù)部分時(shí)間，實(shí)際影響微乎其微。

圖1 物料供應(yīng)模塊示意

2.3 機(jī)械配置設(shè)計(jì)模塊

機(jī)械配置設(shè)計(jì)模塊流程如圖2所示，該模塊通過(guò)土石方調(diào)配優(yōu)化方案，根據(jù)各時(shí)段各填筑區(qū)調(diào)配方量，以及各個(gè)時(shí)段內(nèi)有效施工天數(shù)，可計(jì)算日平均上壩強(qiáng)度，再由初始機(jī)械配置參數(shù)調(diào)用物料供應(yīng)模塊，可得到模擬上壩強(qiáng)度，通過(guò)日平均上壩強(qiáng)度與模擬上壩強(qiáng)度比較，調(diào)整自卸汽車(chē)、挖掘機(jī)數(shù)量，使二者強(qiáng)度相等，由于挖掘機(jī)與自卸汽車(chē)相比，費(fèi)用較大，故輸出方案盡可能提高挖掘機(jī)利用率，這樣就可得到最佳配置，更符合工程實(shí)際。

圖2 機(jī)械配置設(shè)計(jì)模塊示意

在實(shí)際填筑過(guò)程中，受到的不僅僅是施工天數(shù)的影響，還受到相鄰高差、最大高差的約束限制以及其它因素，因此一般情況可采用加權(quán)法擴(kuò)大日平均上壩強(qiáng)度使模擬強(qiáng)度略高于日平均上壩強(qiáng)度，能夠很好的解決此問(wèn)題。

3 Anylogic交通運(yùn)輸建模過(guò)程

AnyLogic是一款獨(dú)創(chuàng)的仿真軟件，包含離散事件、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和基于智能體3種建模方式，能夠根據(jù)情況在同一模型中使用3種方式完成建模。AnyLogic中最獨(dú)特之處是可以創(chuàng)建真實(shí)動(dòng)態(tài)模型的可視化工具，即帶有動(dòng)態(tài)發(fā)展結(jié)構(gòu)及組件間互相聯(lián)絡(luò)的動(dòng)態(tài)模型。

面板堆石壩交通仿真模型搭建流程如圖3所示。

圖3 仿真模型搭建流程示意

3.1 構(gòu)建循環(huán)排隊(duì)模型

Anylogic中獨(dú)特的“拖-拉式”建模，為仿真系統(tǒng)的快速構(gòu)建提供便捷，建立循環(huán)排隊(duì)模型如圖4所示。

圖4 循環(huán)排隊(duì)模型

其中，Source模塊表示顧客到達(dá)，service、service1模塊表示顧客正在排隊(duì)等待以及接受服務(wù)，moveto、moveto1模塊表示由上1個(gè)流程模塊進(jìn)入下一個(gè)流程模塊，resourcePool、resourcePool1模塊表示資源池為顧客提供服務(wù)，資源池中可設(shè)置多服務(wù)臺(tái)以及串并聯(lián)式服務(wù)臺(tái)。

3.2 面板堆石壩交通運(yùn)輸模型構(gòu)建

面板堆石壩交通運(yùn)輸模型由一系列交通運(yùn)輸子系統(tǒng)構(gòu)成，子系統(tǒng)之間既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，本文采用單隊(duì)列多服務(wù)臺(tái)進(jìn)行交通運(yùn)輸建模，利用anylogic提供獨(dú)特的空間標(biāo)記建模，并與實(shí)際工程結(jié)合起來(lái)定義道路路徑的屬性(如：道路起止點(diǎn)，最大行車(chē)密度等)，從而構(gòu)成交通運(yùn)輸模型，其中二期空間標(biāo)記模型如圖5所示，將自卸汽車(chē)實(shí)時(shí)狀況顯現(xiàn)出來(lái)，本模型基于智能體建模，智能體定義為自卸汽車(chē)，該模型中自卸汽車(chē)是隨機(jī)產(chǎn)生的，并限制自卸汽車(chē)數(shù)量，隨機(jī)產(chǎn)生的自卸汽車(chē)到達(dá)供料源，經(jīng)挖掘機(jī)對(duì)自卸汽車(chē)進(jìn)行裝料服務(wù)，未服務(wù)的自卸汽車(chē)排隊(duì)等待，已完成裝料的自卸汽車(chē)進(jìn)入重行階段，到達(dá)卸料點(diǎn)后進(jìn)行排隊(duì)等待，之后完成卸料，接著再空返進(jìn)入裝車(chē)等待，直到循環(huán)在規(guī)定時(shí)間結(jié)束，利用java語(yǔ)言編程完成數(shù)據(jù)可視化，實(shí)現(xiàn)分別統(tǒng)計(jì)智能體自卸汽車(chē)等待總時(shí)間、卸料等待時(shí)間、裝料等待時(shí)間等相關(guān)參數(shù)，以及排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)、平均隊(duì)長(zhǎng)、機(jī)械忙碌程度等，利用面板中的數(shù)據(jù)模塊，構(gòu)建直方圖數(shù)據(jù)。

圖5 二期空間標(biāo)記模型示意

4 工程實(shí)例

4.1 工程基本資料

某上水庫(kù)混凝土面板堆石壩，壩頂高程為 351.00 m，防浪墻頂高程為352.20 m，最大壩高為128.20 m(壩軸線處)，壩頂寬為10.00 m，庫(kù)周總長(zhǎng)度約為2 084.12 m，其中主副壩壩軸線總長(zhǎng)度約為1 354.22 m，開(kāi)挖庫(kù)周總長(zhǎng)度約為729.90 m。上游面壩坡為1:1.40，下游面壩坡為 1:1.35，下游壩坡每20 m設(shè)一級(jí)2.00 m寬?cǎi)R道。壩體從上游依次由面板、墊層料、過(guò)渡料、堆石區(qū)等結(jié)構(gòu)組成。除此之外，大壩填筑共分為兩期填筑，以300 m高程為界限，料源均采用開(kāi)挖料，共設(shè)置1個(gè)中轉(zhuǎn)場(chǎng)、1個(gè)棄渣場(chǎng)、1個(gè)砂石加工系統(tǒng)，物料供應(yīng)路線和月有效施工天數(shù)見(jiàn)表1～2所示。

表1 物料供應(yīng)路線

表2 月有效施工天數(shù) d

4.2 仿真分析

根據(jù)土石方調(diào)配的計(jì)算結(jié)果，在anylogic中仿真機(jī)械配置設(shè)計(jì)模型，運(yùn)行時(shí)間為20 h，并統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中自卸汽車(chē)?yán)寐?、供料點(diǎn)處挖掘機(jī)的忙期、排隊(duì)平均等待時(shí)間、排隊(duì)總時(shí)間等參數(shù)，在模型運(yùn)行期間可觀察智能體中自卸汽車(chē)的移動(dòng)狀況，能夠根據(jù)隨意選定時(shí)間判斷自卸汽車(chē)移動(dòng)的位置，即自卸汽車(chē)在各工序的區(qū)域，空間標(biāo)記模型中定義路徑長(zhǎng)度越大，則實(shí)際距離也就越大。以時(shí)段二期為例，該模型運(yùn)行期間仿真動(dòng)態(tài)可視化如圖6所示、等待時(shí)間統(tǒng)計(jì)如圖7所示，自卸汽車(chē)在特定的路線上循環(huán)運(yùn)行。

圖6 仿真動(dòng)態(tài)可視化示意

圖7 等待時(shí)間統(tǒng)計(jì)示意

通過(guò)仿真交通運(yùn)輸系統(tǒng)，利用anylogic軟件輸出排隊(duì)狀況，為20h排隊(duì)等待情況，由此可見(jiàn)模型運(yùn)行剛開(kāi)始時(shí)，自卸汽車(chē)在裝料處較為擁擠，I-L裝車(chē)排隊(duì)如圖8所示，其中智能體L中自卸汽車(chē)在裝料等待處隊(duì)列長(zhǎng)度達(dá)到5輛，資源池中僅設(shè)置1個(gè)服務(wù)臺(tái)，其主要原因是自卸汽車(chē)到達(dá)裝料處具有隨機(jī)性和不確定性，不過(guò)在隨后運(yùn)行中排隊(duì)長(zhǎng)度逐漸趨于穩(wěn)定。M-P裝車(chē)排隊(duì)如圖9所示，其中智能體N中自卸汽車(chē)，雖然在裝料等待處高峰期排隊(duì)5輛，但資源池中設(shè)置2個(gè)服務(wù)臺(tái)，一旦其中1個(gè)服務(wù)臺(tái)空閑，下一輛車(chē)立即開(kāi)始裝料，因此排隊(duì)情況可根據(jù)服務(wù)臺(tái)的數(shù)量判斷擁擠程度。I-L、M-P卸料排隊(duì)如圖10～11所示，自卸汽車(chē)在卸料等待處排隊(duì)反應(yīng)了該卸料點(diǎn)的忙碌程度，由排隊(duì)數(shù)據(jù)可知，且卸料點(diǎn)排隊(duì)長(zhǎng)度相對(duì)較少，更符合實(shí)際工程。

圖8 I-L裝車(chē)排隊(duì)示意

圖9 M-P裝車(chē)排隊(duì)示意

圖10 I-L卸料排隊(duì)示意

圖11 M-P卸料排隊(duì)示意

通過(guò)anylogic仿真面板堆石壩交通運(yùn)輸系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)機(jī)械利用率，得到最佳機(jī)械配套見(jiàn)表3所示，其中時(shí)段一期開(kāi)挖區(qū)上水庫(kù)庫(kù)岸至堆石料，該處挖掘機(jī)和自卸汽車(chē)的效率分別為96.70%、85.06%，若增加1臺(tái)挖掘機(jī)，則對(duì)應(yīng)效率為74.30%、96.52%，雖然自卸汽車(chē)效率提高，但由于挖掘機(jī)造價(jià)較高、效率降低明顯，故不為最佳機(jī)械組合。供料源至過(guò)渡料、墊層料、砂石加工系統(tǒng)挖掘機(jī)和自卸汽車(chē)均為1，滿足最低機(jī)械組合，自卸汽車(chē)效率為100%。時(shí)段二期，供料源上水庫(kù)庫(kù)岸至過(guò)渡料，該處挖掘機(jī)和自卸汽車(chē)的效率僅為35.50%、76.07%，由于過(guò)渡區(qū)僅1個(gè)卸料點(diǎn)，且已滿足上壩強(qiáng)度要求。因此，機(jī)械配套是一個(gè)綜合性求解分析的過(guò)程。

表3 機(jī)械配套

5 結(jié)語(yǔ)

1)本文通過(guò)anylogic構(gòu)建的交通運(yùn)輸模型簡(jiǎn)單易行，只需要輸入數(shù)據(jù)，便可快速完成機(jī)械配套方案的選定。機(jī)械配套方案提高了挖掘機(jī)和自卸汽車(chē)的利用率，避免了資源分配不均的情況，有效解決了資源浪費(fèi)的問(wèn)題。

2)與以往的交通運(yùn)輸模型相比較，本文所建立的模型采用單隊(duì)列多服務(wù)臺(tái)排隊(duì)規(guī)則，能夠有效解決工程施工場(chǎng)地狹窄和道路短缺的問(wèn)題。通過(guò)研究運(yùn)輸機(jī)械的移動(dòng)狀況、等待時(shí)間和排隊(duì)情況等，獲得機(jī)械配套最佳方案，使決策者能夠根據(jù)配套機(jī)械組合，均衡使用運(yùn)輸機(jī)械，優(yōu)化資源配置。