一种面向全任务类型的拱坝缆机群精细化调度方法

本发明涉及水利水电施工技术与组织管理，尤其涉及一种面向全任务类型的拱坝缆机群精细化调度方法。

背景技术：

1、缆索起重机（简称"缆机"）凭借起重量大、机动灵活、跨度范围广等突出优势，已成为混凝土拱坝施工中建筑材料（尤其是混凝土）和机械设备入仓吊运的关键设备。在高山峡谷地区复杂地形条件下进行拱坝建设，缆机群的运行效率直接决定了混凝土浇筑强度与坝体上升速度，因而制定科学合理的缆机群调度方案，不仅是保障多台缆机并行作业安全、提升设备利用效率的核心前提，也是确保拱坝浇筑进度满足工期要求、保障混凝土浇筑质量的重要手段。然而，现有缆机群调度研究和工程实践在应对施工复杂性和全任务需求方面仍存在明显局限：一方面，在任务类型覆盖上，现有方法普遍仅考虑混凝土入仓吊运任务，忽视了机械设备吊运、模板转运、仓面清渣等大量辅助吊运任务，而据工程实测统计，辅助吊运任务约占缆机总吊运任务量的25%，此类任务因紧迫性强、单次作业量少而频繁以人工"加塞"方式插入执行，轻则打乱原定浇筑计划、制约浇筑进度，重则导致混凝土坯层覆盖时间超标，诱发严重的质量风险；另一方面，调度粒度相对粗糙，现有模型通常以5～10m宽的混凝土条带为浇筑任务的基本调度单元，并隐含假设缆机在条带中心点完成卸料后平仓作业在极短时间内结束，忽略了平仓机铺料的实际耗时，导致在条带较长或存在钢筋密集区域时的预测误差较大，且条带级调度结果在现场执行时仍依赖人工逐轮决策具体的卸料目标点，制约了多台缆机间的协作效率。

2、中国专利申请cn120724609a公开了一种考虑质量和安全双预控标准的缆机群智能调度方法。该专利以混凝土浇筑条带为基本调度单元，将浇筑仓沿坝轴线方向划分为5m宽的连续条带，通过构建以最小化缆机群最大浇筑时长和最小化各缆机浇筑时长均方差为目标的多目标优化模型，采用基于安全距离的空间夹逼方法确定各缆机的初始作业边界，进而通过贪心-局部搜索算法求解缆机与条带的最优匹配方案，并对最终方案进行坯层覆盖时间和相邻缆机安全距离的双约束验证，解决了多台缆机并行作业时任务分配的协调问题。然而，该专利仍存在以下局限：第一，在任务类型覆盖上，该专利仅考虑混凝土浇筑条带的分配调度，完全未纳入机械设备吊运、模板转运、仓面清渣等辅助吊运任务，而据工程实测统计，辅助吊运任务因紧迫性强、单次作业量少而频繁以人工"加塞"方式插入执行，轻则打乱原定浇筑计划，重则导致混凝土坯层覆盖时间超标，诱发严重质量风险；第二，在调度粒度上，该专利以条带为最小调度单元，输出的调度方案仅给出缆机与条带的对应关系，现场执行时仍依赖人工逐轮决策每次吊运的具体卸料目标点，制约了多台缆机间的协作效率；第三，在调度决策完整性上，该专利聚焦于任务分配问题，未给出各台缆机执行多项任务时的先后顺序决策方法，任务分配与执行顺序的两阶段独立决策可能导致分配方案局部不合理而制约执行顺序的优化空间。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种面向全任务类型的拱坝缆机群精细化调度方法，旨在将混凝土浇筑任务与辅助吊运任务统一纳入调度优化框架，以单次吊运循环为基本决策单元，实现任务分配与执行顺序的协同优化，从而提升缆机群调度方案的现场适用性与施工组织精细化水平。

2、本发明提供了一种面向全任务类型的拱坝缆机群精细化调度方法，包括：

3、s1、将混凝土浇筑任务与辅助吊运任务统一分解为以单次吊运循环为基本单元的任务微元，构建任务微元集合；

4、s2、按各任务微元的空间坐标对任务微元集合排序，采用带约束的隔板法生成若干连续子段划分方案并分配给各台缆机，经相邻缆机安全距离校验后保留全部可行任务分配方案；

5、s3、将缆机群调度问题建模为马尔科夫决策过程，以每个可行任务分配方案为依据构建初始联合动作，生成多个并行的独立搜索树根节点，采用蒙特卡洛树搜索算法经选择、扩展、模拟、回溯迭代求解满足施工约束的最优任务执行顺序，获得各方案对应的完工时间；

6、s4、以完工时间为目标比较全部可行任务分配方案，输出完工时间最短的方案作为最终缆机群精细化调度方案。

7、优选地，步骤s1包括：

8、将混凝土浇筑任务按浇筑仓划分为若干卸料点，每个卸料点对应的单次吊运循环构成一个浇筑任务微元，全部浇筑任务微元组成浇筑微元集合；

9、将辅助吊运任务按实施需求分解为单次吊运循环，每次吊运构成一个辅助任务微元，全部辅助任务微元组成辅助微元集合；

10、取作为任务微元集合。

11、优选地，浇筑任务微元以三元组表征，其中为浇筑仓编号，为该仓内卸料点序号，为卸料点空间坐标，为完成该卸料点所需的吊运循环次数，为单次吊运时长。

12、优选地，辅助吊运任务按实施特性分为三类：

13、第一类为区间可间歇性任务，在规定时间窗口内允许中断执行，上标为时间窗口的起始时刻，上标为时间窗口的结束时刻，为辅助任务编号；

14、第二类为区间连续性任务，在时间窗口内须连续完成，以连续执行标识标记；

15、第三类为间歇性单次任务，无时间窗口约束，在调度周期内任意时刻执行；

16、辅助任务微元以五元组表征，其中为该任务的吊运次序，为作业位置坐标，为单次吊运时长，为辅助吊运任务执行窗口期，为连续执行标识。

17、优选地，步骤s2包括：

18、按各任务微元卸料点坐标的轴升序、同轴下按轴升序对任务微元集合排序，得到有序任务序列；

19、采用带约束的隔板法将划分为个连续子段并逐一分配给台缆机，枚举全部划分方案，其中为缆机台数；

20、对每种划分方案中相邻缆机的首项任务进行安全距离校验，剔除不满足安全距离约束的方案，保留全部可行任务分配方案。

21、优选地，相邻缆机与之间的安全距离校验方式为：

22、取各缆机所分得任务中坐标最小的任务微元作为该缆机的首项任务；若某缆机被分配空任务组，则跳过其安全距离校验；

23、记相邻两台缆机和首项任务的坐标分别为和，若，则该划分方案满足安全距离约束，否则予以剔除；其中为相邻缆机间运行所需的最小安全距离。

24、优选地，步骤s3包括：

25、将缆机群调度问题建模为马尔科夫决策过程，以任务完成状态、各缆机当前作业状态及系统当前时刻构成系统状态，以各缆机下一步执行的任务微元组合构成联合动作；

26、将所有任务微元均未完成、所有空闲缆机待分配任务的工况视为初始状态，以每个可行分配方案为依据，将每台缆机的首项任务组合形成初始联合动作，执行该动作后系统从转移至对应的新状态；以生成多个并行的独立搜索树根节点；

27、针对每一独立搜索树根节点，采用蒙特卡洛树搜索算法对搜索树执行选择、扩展、模拟、回溯四个阶段的迭代，直至达到预设迭代次数后终止，取迭代过程中累计奖励最高的叶节点路径对应的任务执行顺序作为该方案的最优执行顺序，并记录对应完工时间。

28、优选地，选择阶段采用置信上界树算法从根节点出发逐层选择子节点，从节点选择子节点时，计算各候选子节点的值：

29、；

30、其中为子节点的累计奖励，为子节点的访问次数，为其父节点的访问次数，为探索系数；

31、每次选择值最大的子节点向下扩展，直至到达未完全扩展的节点。

32、优选地，扩展阶段在当前节点处，依据卸料点连续性约束、坯层覆盖时间约束、相邻缆机安全距离约束以及辅助任务连续执行及窗口期约束，筛选各缆机在当前状态下的合法任务微元集合，取各缆机合法动作的笛卡尔积构建联合动作空间，从中随机选取一个联合动作对应的子节点加入搜索树；

33、模拟阶段从新扩展节点出发，按有序任务序列i的既定顺序快速推演至终局，对于连续执行标识的辅助任务微元强制连续执行，对于因相邻缆机安全距离冲突产生的时间间隔插入等待动作，推演结束后获得模拟完工时间，并以非线性分段映射函数将转化为奖励值：

34、；

35、其中，为基准时间，为工况系数，取值范围为1.2~1.3。

36、优选地，回溯阶段将模拟获得的奖励值沿本次模拟路径从叶节点至根节点逐节点传播，对路径上任一经过节点更新其访问次数及累计奖励，完成更新后返回选择阶段开始下一次迭代；

37、达到预设迭代次数后，沿各层中最大的子节点贪婪回溯至终止节点，所经路径对应的联合动作序列即为该可行任务分配方案的最优任务执行顺序。

38、本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

39、（1）本发明将机械设备吊运、模板转运、仓面清渣等辅助吊运任务与混凝土浇筑任务统一纳入调度优化框架，并依据辅助吊运任务的实施特性对其进行细化分类和建模，从根本上消除了传统方法仅面向浇筑任务排程、辅助任务依靠人工"加塞"执行所带来的计划频繁中断问题，有助于保障混凝土坯层覆盖时间在工艺规定范围内，降低因调度计划被临时干扰而引发的质量风险。

40、（2）本发明以单次"装载-入仓-卸载-返回"吊运循环为调度基本单元，将每个卸料点对应的作业过程独立建模，并在约束设计中考虑了缆机入仓与平仓作业的实际协作时序，以及辅助任务连续执行、窗口期等复杂执行特性，相比传统条带级调度模型在任务时序描述上更为精确，有效减少了调度仿真结果与工程实际作业过程之间的偏差，所输出的调度方案可精确至每台缆机每次吊运循环的目标位置与执行时段，减少了现场人工二次决策的需求。

41、（3）本发明通过带约束的隔板法在初始阶段系统枚举所有满足安全距离约束的可行任务分配方案，并以各方案为独立根节点并行构建蒙特卡洛树搜索，在考虑卸料点连续性约束、坯层覆盖时间约束、安全距离约束及辅助任务窗口期约束的前提下优化每种分配方案下的任务执行顺序，最终以完工时间为指标择优输出。这一机制将传统调度中"先分配再排序"的两阶段独立决策转变为协同优化过程，有助于避免因分配方案局部不合理而导致执行顺序优化空间受限的问题。

42、（4）本发明最终输出的调度方案包含每台缆机负责执行的浇筑卸料点和辅助吊运微元的分配情况，以及各台缆机在每一时刻执行的具体任务微元、吊运循环次序和等待时段，调度决策精度达到吊运循环级别，可直接作为现场作业指令使用，相较于传统条带级调度方案在可执行性方面有所提升，能够为施工管理人员提供更为明确的作业依据。