Агент-ориентированное моделирование и симуляция земляных работ

19.12.2017

© Журавлева Полина, группа э602, ЭФ МГУ

Введение

Одним из наиболее распространенных применений моделирования в строительной отрасли является симуляция земляных работ. Поскольку эти операции, как правило, длительны по продолжительности и попадают на критический путь строительных проектов, точное планирование имеет решающее значение для обеспечения успеха проекта. И в отличие от других этапов строительного проекта, где рабочая сила является наиболее надежным ресурсом, земляные работы считаются машиноемкими, так как при работах используются большие и дорогие автопарки, погрузчики, бульдозеры и т.д. Таким образом, повышение эффективности землеройных операций – основная цель с точки зрения подрядчика. Циклический характер операций землеройных работ и тип рабочих задач, которые они включают, делают процесс моделирования подходящим инструментом планирования для прогнозирования производительности и затрат этих операций.

Характер моделирования дискретных событий (DES) обеспечивает в большинстве случаев достаточное решение для моделирования большинства строительных операций, особенно на техническом уровне. Кроме того, для решения важного аспекта управления строительством последние исследования предполагали использование Динамики Системы (SD) для учета сложного стратегического уровня при моделировании строительных операций. Основная цель этой статьи - внедрение агентского моделирования (ABMS) в операции по землеустройству с целью повышения текущей практики и преодоления ограничений текущей исследовательской работы. Эти ограничения включают в себя примитивные методы расчета продолжительности активности, невозможность моделирования единиц оборудования с различными спецификациями, выполняющими одну и ту же задачу, и игнорирование уникальных сценариев ограничений ресурсов. Эта основная задача может быть разбита на следующие подцели:

  • - Разработка подробной агентской модели земляных работ, которая отображает свойства и взаимодействия элементов модели;
  • - Разработка автономной программной системы ABMS для операций земляных работ и проверка модели с использованием реального случая.

При земляных работах используют различное оборудование, основанное на объеме работ по строительному проекту и доступных ресурсах. Наиболее распространенная земляная работа представляет собой раскопки земли из определенного места и ее транспортировку в другое место, где она сбрасывается. Однако механизм раскопок, транспортировки и сброса отличается в разных проектах, что приводит к разным сочетаниям единиц оборудования и взаимодействий.

Содержание модели

Агентская модель, разработанная в этом исследовании, относится к земляным работам, которые включает бульдозеры, погрузчики, тягачи (грузовики) и самосвалы. Соответственно, работа представляет из себя: 1) бульдозеры выкапывают землю из определенной области и собирают ее в кучи; 2) погрузчики заполняют грузовики землей из куч; 3) грузовики перевозят собранную землю к определенном месте сбора; 4) с помощью самосвалов, грузовики сбрасывают свои грузы в шпунтовых сваях; и 5) грузовики возвращаются в зону погрузки для перевозки и транспортировки большего количества земли. Модель также предусматривает операции по землеустройству, которые не включают бульдозеры. Это было бы так, если бы операция заключалась в простой транспортировке земли из склада в демпинговую зону, или если погрузчики или экскаваторы любого типа выполняют как раскопки, так и операции по погрузке грузовиков. Вышеупомянутые единицы оборудования и споттеры-отвалы считаются агентами. Однако земля, а также транспортные дороги рассматриваются как пассивные объекты, встроенные в окружающую среду модели. Земля и компоненты транспортной дороги представлены моделью пассивным образом, в котором они контролируются агентами. Если компоненты модели не обладают характеристиками и целями, которые непосредственно влияют на работу, и если они не активно взаимодействуют с другими компонентами и агентами, общепринятой практикой является их представление как внедренных объектов в модели, а не агентов. Земля в разработанной модели - это объект, который обрабатывается и транспортируется единицами оборудования; у него нет атипичных ролей или взаимодействий. Аналогичным образом, транспортная дорога является объектом, который не влияет на операцию. Вот почему было решено, что земля и транспортные дороги будут неагентными объектами в модели. Для каждого агента в предлагаемой агентской модели определены два типа свойств: 1) атрибуты, которые относятся к фиксированным свойствам агентов, которые не изменяются в любое время и не затрагиваются взаимодействием с окружающей средой или другими агентами; и 2) переменные, которые относятся к свойствам агентов, которые могут меняться из-за взаимодействия с окружающей средой или другими агентами. В таблице 1 перечислены агенты вместе с их атрибутами и переменными в предлагаемой модели.

 Earthmoving1.png

Разработка агентов

В агентских моделях диаграммы, называемые диаграммами состояний, часто используются для описания различных этапов (состояний), которые агенты проходят при выполнении своих ролей. Диаграммы состояний используются для создания агентов и управления их ролями, а также их механизма связи. Общее поведение в агентской модели генерируется из-за взаимодействия диаграмм состояний своих агентов. После создания диаграмм состояния они реализованы в компьютерных программах для целей моделирования, чтобы получить появившееся поведение системы. Для предлагаемой модели земляных работ создаются четыре диаграммы состояний; по одному для каждого агента, как показано на рисунке 2. Цветовая легенда для графиков состояний агентов будет использоваться во всей конструкции и реализации модели. Красный цвет относится к состоянию бездействия агента. Это означает, что агент ожидает выполнения определенного условия или выполнения определенного типа взаимодействия, чтобы он перешел к следующему состоянию. Кроме того, зеленый цвет представляет собой рабочее состояние агента. Он указывает, что агент в настоящее время выполняет свою основную роль. Наконец, желтый цвет используется для описания переходного состояния агента. Он указывает, что агент работает, но на второстепенную задачу, которая в основном является вспомогательной для основной задачи.

Важно определить три переменные, которые имеют решающее значение для понимания разбивки агентов: «Земля готова к раскопкам» (ERE), которая относится к количеству земли, доступной для раскопок бульдозерами; «Земля готова к погрузке» (ERL), которая относится к количеству выкапываемой земли, готовой для загрузки в грузовые автомобили (или количества земли, которую можно выкапывать погрузчиками или другими типами экскаваторов, если операция не включает бульдозеры); и «Сброшенная земля» (DE), которая относится к количеству земли, которое уже было транспортировано и сброшено в месте захоронения.

 Earthmoving2.png

 Earthmoving3.png

Результаты

В этой статье продемонстрирована разработка агентской модели земляных работ, представляющей бульдозеры, погрузчики, тягачи и споттеры. Каждый агент в предлагаемой модели является интеллектуальным адаптивным объектом, которому назначается набор статических и динамических свойств (атрибутов и переменных) для управления его взаимодействием с окружающей средой и с другими агентами. В качестве реализации предлагаемой модели разрабатывается объектно-ориентированное прикладное программное обеспечение на основе Java, агент-симулятор для земляных работ (ABSEMO). Подрядчики смогут использовать ABSEMO для планирования земляных работ в соответствии с подходом агентских моделей. ABSEMO проверяется в реальных исследованиях по эксплуатации рудника в проекте строительства плотины SM-3. Доступные данные обрабатываются для соответствия входов модели, а результаты моделирования сравниваются с результатами, полученными из модели дискретных событий (DES) той же операции. Получена процентная разница в 0,42% от результатов DES, проверяющая правильность логики модели и потока ресурсов. Было также смоделировано теоретическое исследование ситуации, чтобы подчеркнуть достоинства агентской модели и продемонстрировать, как ABSEMO можно использовать для планирования операций землеройной обработки. В исследовании показано, как ABSEMO смогла разместить все детали операции без необходимости делать какие-либо предположения или упрощения. Различные комбинации единиц оборудования изменяли продолжительность и производительность операции, выделяя единицы оборудования, которые контролируют процесс, и поэтому их необходимо тщательно изучить подрядчиком. Создание гибких агентов с адаптивным поведением и присвоение их свойств по индивидуальному проспекту агентской модели позволяет реализовать реалистичную имитацию проведения земельных работ. Следовательно, предлагаемая методология может быть доработана и распространена на более всеобъемлющий уровень. Сила ABMS в построении имитационных моделей снизу вверх (агент к модели) позволяет обработать более сложные сценарии в земельных работах и, следовательно, позволяет получать более точные результаты. Примеры будущих областей развития включают учет: вероятности разрушения оборудования; погодные условия и их влияние на транспортные дороги и оборудование; усталость операторов оборудования и его влияние на атрибуты агентов единицы оборудования (например, более длительные периоды); и опыт работы с агентами при работе с другими агентами (например, операторами грузовиков и погрузчиков, которые имеют опыт совместной работы).

Подробнее: [Jabri A., Zayed T. “Agent-based modeling and simulation of earthmoving operations” Automation in Construction 81 (2017) 210–223].


Возврат к списку


Текст сообщения*
Защита от автоматических сообщений