塔式起重机操作管理的逻辑优先级模拟模型.doc

机械专业英语课程大作业 -摘要写作与论文翻译 学 院：机械工程学院 专 业： 机械工程 学 号： 31004016 姓 名： 肖 鹏 塔式起重机操作管理的逻辑优先级模拟模型BRADFORD J. A. APPLETONMUHAMMED A. NIAZSIMAAN M. ABOURIZKMOHAMED AL-HUSSEIN and YASSER MOHAMED摘要:塔式起重机在建筑建设领域是最昂贵的，并经常共享的资源。事实上，在建筑领域，塔式起重机依据需求，紧迫性和那些在一定时期内完成的优先的工作任务来管理。计算机模拟被证明是一种帮助从业人员建立复杂施工作业模型的有效工具。特殊目的的模拟技术（SPS）已经被引入到建设领域中的计算机建模，从而减少了模型建立的时间并有了更加用户有好的环境。传统的SPS建模技术用“逻辑环节间的关系”来表示一个模拟系统中的逻辑。然而，因为塔式起重机工作任务数量的增加，与模型关联的逻辑关系的复杂性增加了，导致从业人员的接受能力受到限制，这篇文章提出了处理计算机模拟过程相互作用的表示塔式起重机非工作循环作业的“逻辑优先级”的新方法，它对于模型过程中的相互作用的控制是通过一个SPS塔式起重机模板的开发实现的。一个案例及它的六种变化情况被提出来用以验证使用逻辑优先级模拟塔式起重机操作建模方法的优点和可行性。关键词：塔式起重机 特殊目的的模拟技术 逻辑优先级1简介物料搬运是建设工程项目中的重要任务。塔式起重机是实现这一任务的最重要的设备。事实上，在建筑领域，塔式起重机依据需求，紧迫性和那些在一定时期内完成的优先的工作任务来管理。规划塔式起重机的操作在很大程度上取决于技术，规程和对经济因素的熟练判断。随着塔式起重机工作任务的数量和对其要求的增加，施工者可能需要规划者为特殊情况作出工作状况的决定，很可能导致不可避免的错误。一个错误的决定可能产生重大影响，这将导致额外的成本和可能的延误。计算机模拟被证明是一个协助施工作业人员建立复杂的施工操作模型的有效工具。CYCLONE仿真开发语言（Halpin，1977）发展之后，在建筑领域已作出巨大的努力。这些工作包括INSIGHT（paulson，1978年），UMCYCLONE（Loannou，1989），DISCO（Hung等人。，1994），CIPROS（Tommeleinet等人，1994），STROBOSCOPE（Martinez，1996年），HSM（Sawhney和AbouRizk，1996 ）和Simphony（Hajjar和AbouRizk，1999）。这些进步简化和方便了施工模拟（Hajjar和AbouRizk，1998年）的使用。为了便于计算机仿真业内人士使用，Hajjar等（1996年）提出了一个框架，作为特殊目的的模拟（SPS），它以为特定行业领域的具体要求建立环境著称。SPS的利用导致了建筑行业内大量应用系统的发展，包括Ap2Earth（Hajjar和AbouRizk，1996），CSD（Hajjar等。，1998），和CRUISER（Hajjar和AbouRizk，1998）。这些独立系统的主要缺点是它们的发展需要较大的初始一次性投资，阻碍了以特殊目的的模拟（SPS）为基础的方法应用到其他施工作业（Hajjar和AbouRizk，1999年）。独立SPS工具的成功和局限性导致了Simphony的发展，这是一个基于微软视窗的计算机系统，它以为一般和特殊目的的施工模拟工具的发展和应用提供标准、兼容性和智能开发环境为目标（Hajjar和AbouRizk，1999）。在这篇文章中，逻辑优先级对于模型过程中的相互作用的控制是通过一个SPS塔式起重机模板的开发实现的。一个塔式起重机运行的评估在加拿大埃德蒙顿的电气和计算机工程技术研究基金（ECERF）建立，作为一个通用的案例研究。模型的结果被用以说明使用逻辑优先级模拟塔式起重机操作建模方法的优点和可行性。2塔式起重机应用的当前情况本节中的信息是基于实地采访PCL Constructors 公司的一个工程经理和工程协调员，该公司在加拿大的阿尔伯塔省，埃德蒙顿。塔式起重机可以在多种不同的高度，幅度和性能的配置下竖立。对于每种型号的塔式起重机，起升，回转和变幅小车的速度会不同。起升是由一个具有三个或四个齿轮的电动机带动，每个齿轮都具有具体的线速度和承载能力。其旋转运动提供了一个介于0.6r/min和0.8r/min的速度。水平运动是由一个连接到墙底部的小车提供，其速度范围为8m/min到80m/min。根据建筑物的型式，当在计算起重延误时一个或所有的起重运动都会被考虑，（“起重延误”在本文中指完成一次起升所需的总时间）。对于低层建筑，延时等于与起升，回转，水平变幅相联系的单一最大持续时间。对于中层或高层建筑，塔机首先要明确建筑的围护结构。在本文中，这一步的最终延迟时间等于吊装工期延误，加上相关的最大回转或水平运动延误时间。 “低层建筑”是指不超过两层，中层建筑2至6层，从结构估计，高层建筑为超过6层。通常情况下，将物品从其所在地吊装至目的地的时间约等于从目的地返回到物品所在地的时间。从业人员安排塔式起重机的活动作为如下两种中的一种：初级或第二级。通常情况下，在现场塔式起重机操作集中在初级的优先度高于其他级别.项目经理负责管理所有第二级现场子作业，并且通常必须安排如下时期：前几个小时，几个小时后，午休时间，工间休息，和周末。使用这个系统，起重机操作员通常会在周一至周五工作从6:30到17:30(每天11小时），周六大约8小时。管理者和初级子项也能够一起工作并允许一些高优先级的第二级起吊发生在标准工作日时间。3提出逻辑优先级的SPS塔式起重机 逻辑交互流程的优先级定义为基于预定抵达时间和事件处理的优先级设置的过程。逻辑优先级控制是处理计算机模拟的模型交互作用过程的逻辑联系的另一种方法。逻辑优先级方法并不能取代逻辑连接关系的使用。逻辑优先级结合，此外，面向对象的模拟和SPS概念的优先工作/任务的使用。每个塔机是在模型系统内部的紧迫性和要求的基础上动作。模型中目前可以达到的最高优先级的起吊活动是基于已提出的逻辑优先级评价。 在“工作元素”足迹（地理布局和运动）的基础上发展了一个运动计算的“工作元素”模型，这是建立在以下四个要素为基础上的：（1）起重机的位置，（2）吊装，径向和水平运动，（3）资源位置，（4）目标位置。工作因素建立在源元素中，其中包括每个工作组的起源。模拟会知道每个元素的地理位置，并计算每个起吊中的如下两个运动的延时：（1）最后起吊的目的地将移动到新的工作元素源位置，（2）存在的工作组资源将移动到每次起吊的指定目的地。一个延迟是基于三个动作的组合：吊装，径向和/或水平。每个工作元素被分解为单独的实体称为工作组（WPS），它代表了塔式起重机不间断的起吊的设置。该工作元素具有以下特点：它的描述，工作组的数量，工作组的到达时间，工作组之间的到达时间，每个工作组的起吊数量，工作组的优先等级（1-5），指定的起重机，指定的目的地。在工作元素的优先等级和起重机能力的基础上，指定的起重机将选择并执行指定的WPS。使用这种方法， SPS模板分以下三个标准来分析塔式起重机的生产周期和优化它的利用：（1）起重机的起吊安排（2）工作的优先次序，以及（3）起重机的位置。图1说明了SPS的塔式起重机操作模板的逻辑。该模型包含了与塔机使用竞争的工作组。每个工作组创建于一源位置，并指定塔式起重机，目标位置，和优先级设置。当一个工作组被创建时，塔式起重机选择的径向，水平和垂直的运行时间会被计算。为了说明重复起吊的对研究曲线的影响，为用户提供了工作元素分成两部分的选择。第一部分探讨了反映研究曲线的慢速率的升钩和空钩的效率。第二部分反映了剩余工作组活动的的升钩和空钩效率的研究。图1 SPS塔式起重机的模板在模拟过程中，工作组在等待文件中排队等候，直到塔式起重机能够从该文件选择优先级最高工作组（1低,5-高）可湿性粉剂。下面的步骤描述了每个工作组动作的延迟：（1） 在SPS塔式起重机中创建工作组（2） 为了下一个有效的塔式起重机所有的工作组在等待文件中被创建（3） 塔式起重机从等待文件中选择最高优先级的工作组。（4） 塔式起重机从最近的目的地转移到捕获的工作组的源位置（5） 分配一个工作组吊钩上升时间的延时（6） 起吊计数与完成工作组需要的起吊数量的对比如果计数数量，塔式起重机起吊一次到分配的目的地，并且返回根源位置。如果计数=数量，塔式起重机执行最后一次起吊（7） 分配下一个工作组吊钩上升/安全时间的延时（8） 如果计数数量，返回到（5）（9） 如果计数=数量，返回到（10）（10） 塔式起重机的资源被释放，工作组完成（11） 如果工作组都在等待文件中，回到（4），否则回到（12）（12） 完成模拟在SPS塔式起重机模板的发展过程中，考虑了如下7个假设：（1） 塔式起重机在负载和返回工作组的情况下运动速度一致（2） 塔式起重机不改变其提升速度。（3） 工作组数量，吊钩起升和空钩时间，到达时间，和到达的时间可以作为分布输入，并且可以输入唯一不变的，统一的，三角形，正态分布，指数分布和-型分布。（4） 在模型时期塔式起重机不被转移（5） 工作组优先级被设置成整数（6） 用户必须按照图纸手动转移塔式起重机，资源，和目的几何位置。（7） 每个工作组元素可以被运输一次（从源位置到目的地）4提出SPS塔式起重机的实施塔式起重机的SPS开发模板由Mohamed 和 AbouRizk (2000)在 Simphony环境中的概念发展而来。要创建一个建设模式布局，SPS塔式起重机模板使用五个主要因素：（1）父元素，（2）源元素，（3）目标元素，（4）塔式起重机元素，（5）工作元素。这五个要素可以分为两类：通用元素，其中包括子水平的塔式起重机元素和工作元素，而其余的元素，其中包括父元素，源元素和目标元素。前者包括“用户单元库”中的选择;后者由“模型要素工具箱”中的选择构成。父元素是用于访问塔式起重机模型布局，键入输入参数，并获得影响整个模型的全球统计数据。当考虑子水平时，在窗口原点创建一个轴表示所有后续元素位置的参考点。对于父元素的特征（属性）也包括在站点布局窗口（即足迹），在每个工作日的工作时间数，建筑型式的分类。统计数据的有效审查是具体模型每天持续时间和工作小时持续时间的总和。统计模型的功能是显示执行具体数量的WPS所需的持续时间，并允许项目经理改变该模型的布局，确定优先级，或安排时间以便优化模型。 图2 塔式起重机元素（用户单元库，参数）源和目标元素是用来代表加载（选取）所在地的地理位置，同样给予了在建设现场给定的WP的最终目标位置。用户指定源元素和目标元素在布局窗口中的X坐标和Y坐标。这些坐标被用来计算径向，纵向和横向的时间。一个或多个塔式起重机元素可以在仿真模型中建立，如图2所示。这些塔式起重机是从在市场上经常使用的塔式起重机组成的库中选取，并已经在用户单元库中存储。具体到每个起重机信息，如起重机的最大幅度，转速，提升速度，水平速度，也存储在用户单元库中。当塔式起重机已经从库中被选定后，用户就可以确定它的坐标。工作元素驱动SPS塔式起重机的仿真模板，低水平的因素（像“普通因素“）被用来创建实体，捕捉资源，计算延迟和旅行时间，并记录模型的统计数据。每个工作元素被它的参数描述，如表1所列。工作元素通过以逻辑优先级评价控制模型相互作用的实施来驱动模拟。逻辑优先级评价控制意味着每个起吊活动都有一个预定的到达时间和设置优先级，基于和系统内存在的其他活动相关的活动临界。使用这种方法，流程交互逻辑的传统关系为代表的逻辑链接替换具体到达时间和优先评级活动的逻辑控制和性能。以传统逻辑联系关系表示的过程相互作用逻辑被控制活动逻辑和性能的明确的到达时间及优先级排名取代。5案例研究 这个案例涉及加拿大Albert大学校园中的七层高的电气和计算机工程技术研究基金（ECERF）的建设。有一台塔式起重机位于ECERF结构的东边。PCL Constructors公司是该项目的总承包商。该塔式起重机现场的主要活动是使用飞板形式系统集中模板。钢筋承包人是唯一的第二级子承包商。ECERF每个楼层的建设工作分为两个阶段。每个阶段需要两周时间才能完成，并占据（第二至第七位）典型楼层的一半布局。第一阶段的工作包括钢筋和混凝土，第二阶段包括柱子和主体的工作，以及飞板形式系统的重置。在任何一周的起重机都在执行这两个阶段起吊活动。在接下来的几周，塔式起重机的生产周期是不变的，因为只是简单的在各个阶段工作。通过本案例研究，计算机模拟模型是基于塔式起重机生产周期中的一周时间。表1 工作元素的参数描述总结在ECERF施工现场对塔式起重机活动进行了为期7个月的监测，从四月到2000年11月。主要的重点是塔式起重机的安排，活动的优先次序和选择方案，延迟，起吊次数，并记录起重机的动作。关于活动的优先次序和选择方案的大多数信息来自管理者和项目协调员，他们监督了塔式起重机日常工作的管理。其他信息来自实地考察涉及塔式起重机的其他项目，如阿尔伯塔大学医院的扩建工程和北阿尔伯塔理工学院（北阿尔伯塔技术研究院）信息和通讯技术中心（ICTC），以及与PCL Constructors公司的总工程师和设备采购经理的几次会议。实地观测数据分为两类：“所有的活动”和“飞板形式改变”。对于“所有的活动” ，间隔一到两个小时对起重机进行监测，以加深对塔式起重机的利用率和与每次起吊相关的持续时间的理解，如表2所示。“飞板形式改变”数据记录了每个板飞板形式起吊的周期，这是一个复杂的活动，其中包括大量的子任务，如表2所示。对于每个起吊周期，以下详细资料被记载：（一）转弯半径度，（二）连接时间，（三）松开时间，（d）运输时间和旅行时间，（五）起吊活动的描述，（六）网格线的位置。针对ECERF的SPS塔式起重机的仿真模板是基于起重机的地理位置，源和在模型上布局（即足迹）的目标元素。这个模拟模型可以连续运行50次以模拟通过输入参数所反映的各种条件。表3显示了SPS塔式起重机模板的ECERF模型的所有的起重机时间和利用的结果。图3显示了与ECERF建设布局和每个楼层的阶段施工区域有关的元素位置。表2（a） ECERF塔式起重机生产周期-全部活动表2（b） ECERF塔式起重机生产周期-飞板型式拆分活动表3 ECERF案例研究-模型验证结果6情景分析为了帮助从业者更好的理解模型的塔式起重机产品系统和证明使用模拟这种工具支持决策的效果，情景分析就被采用了。本文描述了SPS塔式起重机模板的使用和ECERF建筑情况研究，一个基本的情景，代表在现场实际生产周期的变化和六个用于基本的情况进行了模拟，并在实验中使用。这6种情景反映了如下系统中的改变：钢筋投放优先级设置，改变钢筋临时区域，重新定位起重机资源，重新定位源元素，增加板坯多种形式，提高飞行形式工作包之间到达的时间。所有七情景（基准情况和六个变化）进行了50次模拟运行，收益率在80百分比，平均值，标准差，最低和最高是针对总的起重机时间，平均值和标准差是针对塔式起重机的利用。百分点值的使用是指明超越（或不超过）一个给定的阈值（Ahuja等人，1994）的概率。与平均值相比80的百分点更有意义，因为它更准确地反映了从业者建设工程所具有的风险。基于Monte Carlo仿真技术，进行多种模拟运行得知总的塔式起重机时间为正态分布。从正态分布中，从业者可以得出累积分布函数（CDF）以说明所需百分点。图4说明了ECERF基本情况下的CDF图形，表4汇总了所有七种情况的统计数据。第一种情形中提出了所有钢筋传送工作要素优先等级的变化，例如，将级别从4减到1。这种变化迫使这些活动排队等候时间变的更长。这个方案的目的是了解ECERF塔式起重机生产周期优先级变化的影响。正如所料，钢筋传送工作元素的统计数字表明工作组等待时间增加了，从2-15分钟变为52-138 分钟。图3 ECERF建筑楼层足迹和模型元素（典型楼层2-7）图5表示了总的塔式起重机时间的统计数据和基础情况与其他六种不同情况的比较结果。图4 ECERF基本情形-累计分布函数（CDF）表4 ECERF模型情景统计摘要图5 所有塔式起重机时间的统计第二种情况呈现了钢筋临时区域从现场东南角到楼层中庭的位置改变。钢筋的临时区域改变的结果对起重机的总时间或起重机生产周期利用的影响不大。这表明，钢筋吊装的时间延迟主要是由于吊钩起升和空钩的时间。第三种情况涉及塔式起重机重新定位，以确定这个因素对生产周期的影响。塔式起重机被向东移动了约9米。这导致了起重机的利用率略有下降（1），总的起重机时间没有变化，表明塔式起重机及包括工作组的生产周期与起重机的运动延时（吊装、径向运动、水平运动）相比，吊钩起升和空钩时间太多。第四个方案涉及源元素的重置。混凝土输送源位置的X和Y坐标从建筑的南侧移动到东边的临时区域。这一变化的结果对塔式起重机生产周期的影响最小。第五个方案提出增加板坯的形式，由 28种变为33种。这种情况的结果表明，总的生产周期时间不变，但起重机的利用率提高了约4。第六个方案提出了为板坯形式增加“到达时间”，从8-9分钟增加到25-45分钟。这个方案的目的是要说明吊钩时间对塔机生产周期的重要性。塔式起重机总的工作时间增加1.5小时，而资源利用率下降了4。该ECERF塔式起重机模型是一种有效的生产系