蘇 貝，宋 亮，王 帥

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350;2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300202)

0 引言

隨著系統(tǒng)仿真技術(shù)在復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行中的推廣應(yīng)用［1-3］，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬施工運(yùn)輸過程成為工程設(shè)計(jì)人員驗(yàn)證場(chǎng)內(nèi)施工交通布置可行性的重要方法之一。Agent是具有感知能力、問題求解能力和能夠與外界通信能力的智能化實(shí)體，對(duì)于描述復(fù)雜多變的道路狀況和交通特征十分有效［4］，水利工程施工場(chǎng)內(nèi)交通運(yùn)輸系統(tǒng)需要充分考慮車輛與車輛、車輛與道路以及車輛與供/卸料點(diǎn)之間的相互作用與影響，Agent技術(shù)給水利水電工程交通運(yùn)輸仿真提供了新的思路和方法。

本文通過對(duì)水利工程施工場(chǎng)內(nèi)交通運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定各影響因素之間的相互制約關(guān)系，運(yùn)用Visual C#平臺(tái)開發(fā)了水利工程施工場(chǎng)內(nèi)交通運(yùn)輸仿真系統(tǒng)，對(duì)CAD進(jìn)行二次開發(fā)獲取道路的三維體形數(shù)據(jù)、交叉口數(shù)據(jù)、料源料場(chǎng)數(shù)據(jù)等，根據(jù)土石方流需求完成土石方運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)土石方運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)景的動(dòng)態(tài)可視化仿真，將系統(tǒng)中的道路、車輛、裝/卸料點(diǎn)等建立Agent實(shí)體，結(jié)合改進(jìn)的車輛跟馳策略，使整個(gè)交通運(yùn)輸仿真系統(tǒng)在各個(gè)智能體的交互工作中順利進(jìn)行。

1 水利工程施工場(chǎng)內(nèi)交通運(yùn)輸系統(tǒng)分析與Agent技術(shù)

1.1 水利工程施工場(chǎng)內(nèi)交通運(yùn)輸系統(tǒng)

水利工程施工系統(tǒng)通常劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間通過交通運(yùn)輸相互聯(lián)系，例如堆石壩施工系統(tǒng)中的土石方開挖子系統(tǒng)和壩面填筑子系統(tǒng)，需要通過料物運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)土石方的挖填。水利工程交通運(yùn)輸系統(tǒng)是工程施工的動(dòng)脈，承擔(dān)著料物運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù)，對(duì)保證工程進(jìn)度、降低工程造價(jià)等具有重要意義。不同于城市交通運(yùn)輸系統(tǒng)，水利工程施工場(chǎng)內(nèi)交通運(yùn)輸主要組成元素可以劃分為道路、車輛、裝料點(diǎn)和卸料點(diǎn)四類，各元素之間的聯(lián)系為車輛選擇供料點(diǎn)進(jìn)行裝載后進(jìn)入道路，行駛至卸料點(diǎn)卸料后空車返回的循環(huán)，如圖1所示。

圖1 各元素關(guān)系示意

在系統(tǒng)中車輛與車輛、車輛與道路、車輛與供料點(diǎn)或卸料點(diǎn)、道路與供料點(diǎn)或卸料點(diǎn)之間都存在各種直接或間接的聯(lián)系與影響。在實(shí)際的施工場(chǎng)內(nèi)交通運(yùn)輸中，人的智能性對(duì)系統(tǒng)的影響不容忽視，例如，車輛的行駛是由駕駛員和車輛共同作用，駕駛員在道路行駛中可以根據(jù)道路提供的車流狀況(與前后車速與車距)、道路狀況(坡道、轉(zhuǎn)彎)等信息自動(dòng)調(diào)節(jié)行駛的速度，在道路交叉口需要根據(jù)情況選擇排隊(duì)等待或繼續(xù)行進(jìn)，在供料點(diǎn)可以根據(jù)供料點(diǎn)的排隊(duì)情況選擇等待時(shí)間最少的供料點(diǎn)排隊(duì)等。工作人員的主觀能動(dòng)和相互協(xié)作在施工運(yùn)輸系統(tǒng)的各個(gè)部位都有體現(xiàn)，因此將仿真系統(tǒng)中的元素緊密地聯(lián)系起來，賦予組成元素智能性，可以更加真實(shí)地模擬施工場(chǎng)地內(nèi)的交通運(yùn)輸情況。

1.2 Agent的結(jié)構(gòu)與特性

Agent是具有交互性和智能性實(shí)體，一個(gè)完整的Agent是由自治的Agent實(shí)體和其所在環(huán)境組成，它可以接收外界環(huán)境的刺激，做出相應(yīng)的動(dòng)作，通過不斷交互實(shí)現(xiàn)總體目標(biāo)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Agent系統(tǒng)及其構(gòu)成

Agent的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得Agent具有如下5個(gè)基本特征［5］:①自治性。除根據(jù)外界信息變化產(chǎn)生調(diào)整外，還可以自動(dòng)對(duì)自身行為狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。②主動(dòng)性。Agent對(duì)外界環(huán)境的改變，自己主動(dòng)采取行動(dòng)的能力。③反應(yīng)性。對(duì)外界的刺激做出相應(yīng)反應(yīng)的能力。④社會(huì)性。在多個(gè)Agent共存的環(huán)境中，Agent具有與其他Agent協(xié)作的能力。

每一個(gè)Agent的行為結(jié)構(gòu)均包含環(huán)境信息、感知模塊、決策模塊及執(zhí)行模塊4個(gè)部分。決策模塊通過感知模塊獲取環(huán)境信息，進(jìn)行分析后做出相應(yīng)的決策并執(zhí)行，同時(shí)，每個(gè)Agent的行為在實(shí)施時(shí)又會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，Agent的完整行為結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Agent行為結(jié)構(gòu)

分析Agent的結(jié)構(gòu)與特性可以發(fā)現(xiàn)，基于Agent技術(shù)建立模型符合交通運(yùn)輸系統(tǒng)中各參與者的特性。Agent技術(shù)著眼于實(shí)體模型的建立，通過模擬各實(shí)體的具體特點(diǎn)及相互作用關(guān)系實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真，MAS是由多個(gè)Agent組成的系統(tǒng)，各Agent之間通過通信實(shí)現(xiàn)相互協(xié)調(diào)。根據(jù)水利工程施工場(chǎng)內(nèi)交通運(yùn)輸系統(tǒng)中各個(gè)元素特點(diǎn)，搭建出多個(gè)特性和功能各不相同Agent結(jié)構(gòu)，Agent之間相互影響，互相協(xié)作，可以更好地描述水利工程施工場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸?shù)膭?dòng)態(tài)過程。

2 基于Agent施工場(chǎng)內(nèi)交通運(yùn)輸仿真模型

通過對(duì)水利水電工程施工場(chǎng)內(nèi)交通運(yùn)輸系統(tǒng)具有的特點(diǎn)及仿真系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，探討交通運(yùn)輸仿真中道路、車輛、供/卸料點(diǎn)等要素之間的相互關(guān)系，本文建立了基于Agent的水利水電工程施工場(chǎng)內(nèi)交通運(yùn)輸仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

道路是交通仿真系統(tǒng)中的最基礎(chǔ)元素，道路Agent結(jié)構(gòu)體的基本屬性包括道路編碼(名稱)、道路類型(瀝青混凝土路面/泥結(jié)碎石路面)、單向/雙向、車道數(shù)量、道路三維形體、道路方向、連接的目的地以及車速限制，感應(yīng)器可以感知所有在該道路上行駛的車輛的位置信息，分析道路的行車密度以及交叉口排隊(duì)情況，在可視化平臺(tái)上動(dòng)態(tài)的顯示道路的車流狀況。

車輛Agent兼有車輛和駕駛員二者的共同屬性，其基本屬性包括車輛類型、運(yùn)載能力車輛狀態(tài)(重行或空返、正在裝卸或等待)、駕駛員特性及土石方流路線。車輛Agent可以感知道路Agent提供的路況信息，通過分析前車速度及距離、轉(zhuǎn)彎或直行、上坡或下坡等因素，決定行駛方式，在行駛至目的地后(供/卸料點(diǎn))，可以獲得各供/卸料點(diǎn)的工作狀態(tài)或排隊(duì)情況信息，通過分析等待時(shí)間選擇供/卸料點(diǎn)進(jìn)行料物的裝卸。

供/卸料點(diǎn)Agent的基本屬性為該點(diǎn)的料物供應(yīng)/需求量、當(dāng)前的工作狀態(tài)及排隊(duì)情況。供料點(diǎn)Agent在感應(yīng)該點(diǎn)在無車輛等待時(shí)將進(jìn)行料堆維護(hù)，以減少下次裝載料物的時(shí)間。

3 水利工程施工場(chǎng)內(nèi)交通中的車輛跟馳策略

水利施工場(chǎng)地往往在高山峽谷當(dāng)中，場(chǎng)內(nèi)交通狀況無法與城市道路相媲美，道路的線形組合與銜接很難做到“圓滑”連接，陡坡、急彎路段隨處可見。運(yùn)輸車輛在行駛過程中，大約80%以上的信息都是通過視覺獲取，因此，視野范圍的大小對(duì)車輛信息的獲取具有十分重要的影響。視野范圍受到車輛行駛速度和道路彎曲程度的影響，車速越大或道路彎曲程度越大，駕駛員的視野范圍都會(huì)變小，當(dāng)前車減速行駛時(shí)在彎道上的跟馳車比在直線上車輛反映更為強(qiáng)烈;當(dāng)前車加速行駛時(shí)，跟馳車的反映變?nèi)?，因此車輛在進(jìn)入彎道前要對(duì)車速進(jìn)行控制，減速通過彎道。在上坡行駛時(shí)，為防止前車倒滑，跟馳車會(huì)緊隨前車車速，受到的刺激時(shí)反應(yīng)更加靈敏，車輛之間的安全間距會(huì)需要增大［6］。

圖4 交通運(yùn)輸仿真系統(tǒng)基本框架

道路的幾何線形對(duì)車輛的行駛狀態(tài)有很大影響，且水利工程施工道路一般都是彎度和坡度相結(jié)合，車輛Agent的決策模塊中應(yīng)包含車輛在該種道路上的行駛策略。平縱組合跟馳策略計(jì)算公式如下。

式中:l、m、p均為待定參數(shù)，根據(jù)模型試驗(yàn)進(jìn)行確定;β為常數(shù)，與前車的行駛狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)前車減速時(shí)，β＞0，當(dāng)前車加速時(shí)，β＜0;R為道路曲率半徑;R0為滿足行駛要求的最小安全半徑;vi(t)、vi+1(t)為t時(shí)刻前車和跟馳車的速度;Si(t)、Si+1(t)為t時(shí)刻前車和跟馳車的位置;λ1與司機(jī)的反映時(shí)間有關(guān);λ2為坡度對(duì)跟馳模型的影響參數(shù)，當(dāng)汽車上坡時(shí)，sign()=1，λ2為負(fù)，sign()=－1，λ2為正;汽車下坡時(shí)，λ2均為正;g為重力加速度;i為道路的坡度。

4 工程實(shí)例

某水利樞紐工程位于我國(guó)新疆地區(qū)，水庫(kù)總庫(kù)容17.49億m3，電站總裝機(jī)容量670 MW，多年平均年發(fā)電量18.74億kW·h，為一等大(1)型工程。壩址區(qū)為典型的V形河谷，場(chǎng)區(qū)內(nèi)大部分山勢(shì)陡峭、場(chǎng)地狹窄，可供施工布置的場(chǎng)地很少，施工布置條件較差。工程總工期安排為108個(gè)月，但由于地處冬季低溫、嚴(yán)寒地區(qū)，每年的11月到次年的3月為施工停工時(shí)間，有效工期約67.5個(gè)月，土石方運(yùn)輸總量779.9萬m3。

將仿真系統(tǒng)應(yīng)用于該水利樞紐的水利工程施工場(chǎng)內(nèi)交通研究中，仿真結(jié)果可以獲得滿足土石流計(jì)劃的配置裝載機(jī)械數(shù)量及運(yùn)輸車輛數(shù)量、各時(shí)段內(nèi)的行車密度及交叉口排隊(duì)情況。最大行車密度包絡(luò)線如圖5所示，最大小時(shí)行車密度為83.3輛/h，根據(jù)《廠礦道路設(shè)計(jì)規(guī)范》，小時(shí)行車密度均滿足最大85輛/h的要求，交叉口最多排隊(duì)車輛為3輛，動(dòng)態(tài)仿真可視化如圖6所示。

5 結(jié)論

本文對(duì)水利水電工程中的交通運(yùn)輸特點(diǎn)進(jìn)行了分析，利用MAS技術(shù)建立水利水電工程施工場(chǎng)內(nèi)交通運(yùn)輸模型，給出了道路Agent、車輛Agent、供料點(diǎn)Agent及卸料點(diǎn)Agent的行為結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了水利工程各元素之間的相互聯(lián)系與作用關(guān)系。改進(jìn)后的車輛跟馳策略能夠充分利用道路的三維信息，更加符合工程實(shí)際。水利水電工程施工場(chǎng)內(nèi)交通仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的交通可視化，仿真結(jié)果合理有效，可為施工組織設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)工程建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

圖5 最大小時(shí)行車密度包絡(luò)線

圖6 交通仿真可視化

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