隧道清洗機(jī)器人智能調(diào)度方法

萬 利,李振江,陳光勇,曹 倩

(1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院集團(tuán)有限公司 隧道與地下工程設(shè)計分院,濟(jì)南 250000;2.吉林大學(xué) 交通學(xué)院,長春 130022)

0 引 言

隧道是城市市政基礎(chǔ)設(shè)施和城市交通系統(tǒng)的咽喉。近年來,我國隧道建設(shè)發(fā)展迅速,截止2019年底,全國公路隧道總計19 067處,隧道總長達(dá)到18 966.6 km[1]。隨著隧道建設(shè)規(guī)模總量的不斷增長,對其基礎(chǔ)設(shè)施的精細(xì)化養(yǎng)護(hù)管理提出了更高的要求。隧道標(biāo)志牌、指示牌等交通基本設(shè)施是隧道安全有序運(yùn)營的基礎(chǔ)設(shè)施保障,受車輛尾氣、所處環(huán)境等因素的影響,設(shè)施表面通常會形成油漬或灰塵,影響駕駛?cè)诵熊嚢踩?需要對其進(jìn)行定期清洗和維護(hù)。隧道清洗機(jī)器人通過其搭載的移動載具、清潔機(jī)械臂、清潔設(shè)備等,能對隧道內(nèi)廓標(biāo)識進(jìn)行自動清洗。然而目前清洗機(jī)器人作業(yè)調(diào)度過程中大多采用定時的僵化作業(yè)模式,缺乏對隧道標(biāo)志牌、指示牌等基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營性能時變特性、交通流運(yùn)行模式、行車環(huán)境等的考慮,造成了電力、消防等資源浪費,干擾了駕駛?cè)说男熊嚢踩?。因?亟需開展隧道清洗機(jī)器人智能調(diào)度方法的研究。

目前在道路基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)管理方面有相關(guān)研究報道,王銀鋼[2]分析了高速公路標(biāo)志牌養(yǎng)護(hù)維修的技術(shù)要點；羅小雄等[3]設(shè)計了一款交通設(shè)施多功能清洗車；李永勝[4]研究了公路日常維修養(yǎng)護(hù)中防撞護(hù)欄清洗車配置數(shù)量的計算方法；?，揫5]基于全壽命理念,建立了隧道設(shè)施運(yùn)維管養(yǎng)平臺；鄭子文[6]結(jié)合建筑信息模型以及地理信息系統(tǒng),構(gòu)建了地鐵隧道設(shè)施設(shè)備管理平臺。然而這些研究大多為對道路基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)的定性分析或相關(guān)平臺搭建,缺乏對設(shè)施養(yǎng)護(hù)管理策略,如設(shè)施的清洗周期、時間等研究。

近年來,機(jī)器人智能調(diào)度已廣泛應(yīng)用于管廊災(zāi)害巡檢[7-8]、車間作業(yè)調(diào)度[9-11]和倉儲物流系統(tǒng)[12-15]等方面,并主要集中在對機(jī)器人任務(wù)分配、路徑規(guī)劃等問題的研究。尚宵[7]、周熙煒等[8]建立了災(zāi)害后巡檢機(jī)器人巡檢區(qū)域重分配的調(diào)度模型,對管廊機(jī)器人巡檢區(qū)域重分配的調(diào)度問題進(jìn)行研究；王書亭等[9]針對車間作業(yè)過程中多移動機(jī)器人面臨的任務(wù)分配、路徑規(guī)劃等問題,提出機(jī)器人協(xié)同調(diào)度方法；王秀紅等[12]針對倉儲物流中移動機(jī)器人訂單任務(wù)分配和搬運(yùn)路線問題,對機(jī)器人任務(wù)調(diào)度和路徑優(yōu)化進(jìn)行了研究。對隧道清洗機(jī)器人,雖然其清洗任務(wù)和路線通常相對固定,但其受作業(yè)成本,以及隧道基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營性能、交通流運(yùn)行模式、行車環(huán)境等時變特性的影響,因此需要進(jìn)一步對其作業(yè)周期及時間的調(diào)度問題進(jìn)行研究。

針對上述問題,筆者從隧道基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營性能、交通流運(yùn)行模式、行車環(huán)境等因素出發(fā),提出一種隧道清洗機(jī)器人智能調(diào)度方法。該方法依據(jù)隧道車流量、溫度、濕度等影響因素,形成了對基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營性能時變模型的描述。在此基礎(chǔ)上,提出一種隧道清洗機(jī)器人的級聯(lián)優(yōu)化調(diào)度方法。首先綜合基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營性能的時變特性以及清洗作業(yè)成本等因素,構(gòu)建隧道清洗機(jī)器人作業(yè)周期優(yōu)化模型,確定機(jī)器人作業(yè)周期；然后考慮實時的交通流狀態(tài)、溫度等因素,確定機(jī)器人具體作業(yè)時間。通過上述級聯(lián)優(yōu)化調(diào)度方法,能確定機(jī)器人的最佳作業(yè)時間,實現(xiàn)清洗機(jī)器人的高效運(yùn)營。

1 隧道清洗機(jī)器人優(yōu)化調(diào)度

受車輛尾氣排放、空氣灰塵、溫濕度、風(fēng)速和基礎(chǔ)設(shè)施材料等因素的影響,隧道基礎(chǔ)設(shè)施,如標(biāo)志牌、指示牌等表面通常會形成污穢、油漬或灰塵。這將影響隧道基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營性能,不利于隧道內(nèi)車輛的安全運(yùn)行。因此需要對隧道基礎(chǔ)設(shè)施定期清洗,保證基礎(chǔ)設(shè)施的正常運(yùn)營。筆者將根據(jù)隧道車流量、風(fēng)速、基礎(chǔ)設(shè)施材料、溫濕度等相關(guān)因素,建立對隧道標(biāo)志牌、指示牌等基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營性能時變模型的描述。在此基礎(chǔ)上,考慮機(jī)器人作業(yè)成本、對交通流的影響等因素,建立隧道清洗機(jī)器人調(diào)度周期優(yōu)化模型以及作業(yè)時間優(yōu)化模型,實現(xiàn)清洗機(jī)器人的高效運(yùn)營及準(zhǔn)確控制。

1.1 隧道基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營性能模型

為定量分析隧道基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營性能,選取隧道同一亮度條件下標(biāo)志牌、指示牌等設(shè)施的清晰度作為指標(biāo)評價基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營性能?？紤]到隧道車流量、基礎(chǔ)設(shè)施材料等因素對基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營性能的影響,將其時變模型表示為

(1)

1.2 清洗機(jī)器人調(diào)度周期優(yōu)化

在不進(jìn)行清洗的情況下,隧道基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營性能將隨著時間的變化呈下降趨勢,將會對行車安全造成影響,且車流量越大,對行車安全的影響越大。但由于清洗機(jī)器人的作業(yè)成本及清洗過程中對車流造成的影響,無法頻繁地對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行清洗。因此筆者以隧道基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營性能以及清洗機(jī)器人作業(yè)成本的折中最優(yōu)為目標(biāo),以機(jī)器人調(diào)度的最小周期、最大周期等為目標(biāo),建立了清洗機(jī)器人調(diào)度周期的優(yōu)化模型。

目標(biāo)函數(shù)

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約束條件

Δt≤T

(3)

Δt≥Δtmin

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(6)

φ(t)≥α

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由于基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營性能函數(shù)預(yù)測誤差隨時間存在累積效應(yīng),采用滾動優(yōu)化的方法對清洗機(jī)器人調(diào)度周期進(jìn)行優(yōu)化。

1.3 清洗機(jī)器人作業(yè)時間優(yōu)化

機(jī)器人在基礎(chǔ)設(shè)施清洗過程中會對隧道交通流的運(yùn)行造成影響,如清洗過程中的水流可能會使駕駛員視線受阻、低溫狀態(tài)下的清洗作業(yè)可能造成路面結(jié)冰等。筆者選取機(jī)器人作業(yè)期間隧道交通量為指標(biāo),定量描述機(jī)器人清洗作業(yè)對隧道交通流造成的影響。在隧道清洗機(jī)器人調(diào)度周期優(yōu)化的基礎(chǔ)上,以清洗作業(yè)對交通流影響最小為目標(biāo),以機(jī)器人作業(yè)最低溫度為約束,建立機(jī)器人作業(yè)時間優(yōu)化模型,確定機(jī)器人最佳作業(yè)時間。

目標(biāo)函數(shù)

(8)

約束條件

ts,min≤ts≤ts,max

(9)

g(t)≥β,ts≤t≤ts+Tc

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其中ts表示機(jī)器人開始作業(yè)時間,Tc表示機(jī)器人單次作業(yè)時長,q2(t)表示t時間段內(nèi)隧道的交通流量,ts,min表示機(jī)器人開始作業(yè)的最早時間,ts,max表示機(jī)器人開始作業(yè)的最晚時間,g(t)表示隧道內(nèi)部溫度的時變函數(shù),β表示對機(jī)器人作業(yè)的最低溫度限制。

2 仿真實驗

實驗采用粒子群算法[16]對隧道清洗機(jī)器人調(diào)度周期及作業(yè)時間的優(yōu)化模型進(jìn)行求解。為驗證筆者方法的有效性,對粒子群算法的收斂性進(jìn)行了分析,并將筆者方法與目前常用固定周期及作業(yè)時間方法進(jìn)行對比。

2.1 參數(shù)設(shè)置

設(shè)隧道基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營性能的時變函數(shù)如下

φ(t)=exp[-0.04t]

(11)

隧道內(nèi)部溫度的時變函數(shù)如下

g(t)=exp[-0.04(t-14)2]

(12)

隧道一年內(nèi)每天的交通流量如下

(13)

隧道一天內(nèi)交通流量的變化如下

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實驗涉及的其他參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 實驗參數(shù)設(shè)置Tab.1 Experiment parameter setting

2.2 結(jié)果分析

1) 算法收斂性分析。采用粒子群算法對隧道清洗機(jī)器人調(diào)度周期及作業(yè)時間的優(yōu)化模型進(jìn)行求解,分別以式(2)及式(8)作為粒子群算法的適應(yīng)度函數(shù)。圖1、圖2分別給出了機(jī)器人調(diào)度周期及作業(yè)時間優(yōu)化方法的收斂性。

圖1 調(diào)度周期優(yōu)化方法收斂性 圖2 作業(yè)時間優(yōu)化方法收斂性Fig.1 Convergence of scheduling cycle optimization method Fig.2 Convergence of operation time optimization method

由圖1、圖2可知,隧道清洗機(jī)器人調(diào)度周期優(yōu)化方法大約迭代30次后收斂,作業(yè)時間優(yōu)化模型大約迭代10次后收斂。因此筆者提出的方法能較快地收斂。

2) 對比實驗結(jié)果分析。將筆者方法與目前常用的固定周期及時間的作業(yè)方法進(jìn)行對比。利用筆者方法計算隧道一年內(nèi)清洗機(jī)器人的調(diào)度周期,結(jié)果表明隧道清洗機(jī)器人最大調(diào)度周期為28 d,最小調(diào)度周期為18 d,一年內(nèi)作業(yè)次數(shù)共16次,基礎(chǔ)設(shè)施綜合運(yùn)營性能246 377,成本8 000元。在相同的作業(yè)成本下,采用固定周期作業(yè)方法計算其調(diào)度周期為23 d,基礎(chǔ)設(shè)施綜合運(yùn)營性能232 466。采用筆者提出的機(jī)器人調(diào)度方法,基礎(chǔ)設(shè)施綜合運(yùn)營性能較固定周期調(diào)度方法提高了6%。因此筆者提出的機(jī)器人智能調(diào)度方法能取得更好的調(diào)度效果。

3 結(jié) 語

針對目前隧道清洗機(jī)器人采用定時的僵化作業(yè)模式,難以適應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營性能及隧道交通流等的時變特性的問題,筆者提出一種隧道清洗機(jī)器人級聯(lián)優(yōu)化調(diào)度方法。綜合考慮隧道基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營性能時變特性、交通流運(yùn)行特征、機(jī)器人作業(yè)成本、作業(yè)環(huán)境等因素,建立了機(jī)器人調(diào)度周期及作業(yè)時間優(yōu)化模型,以確定清洗機(jī)器人最佳調(diào)度時間。將筆者方法與常用的機(jī)器人定周期調(diào)度方法進(jìn)行實驗對比,以驗證方法的有效性。結(jié)果表明在相同的作業(yè)成本下,與定周期調(diào)度方法相比,筆者提出的方法基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營性能提高了6%。