1、dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术34|基于PSO算法的施工塔吊规划应用研究谭金柱中铁电气化局集团第一工程有限公司，北京，100070摘要：施工塔吊规划是施工活动进行的前提条件，合理的施工塔吊规划方案能够降低施工成本、确保施工进度。为了提高施工塔吊规划的科学性及规范性，管理人员需要同时结合科学技术手段及既往工程经验展开具体规划设计工作，PSO算法属于常见的施工塔吊规划智能优化算法。为此，本文从应用基本情况、应用流程、应用方向方面分析了PSO算法，从数学模型建立、数学模型计算方面进行了基于PSO算法的施工塔吊规划方案设计，得到了
2、一套较为完整、科学、合理的施工塔吊规划方案，强化了施工塔吊规划工作的技术支撑，表明本次施工塔吊规划方案具有较强的技术性和可行性，能够为其他相似工程提供参考意见。关键词：PSO算法；施工塔吊；规划方案；数学模型；Matlab编程中图分类号:TV511文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2023.1.008 0引言塔吊属于常见建筑工程施工设备，具备吊运模板、钢筋等建筑材料的功能，施工单位需要设计施工塔吊规划方案，通过规划方案确保塔吊应用质量和效率，减少塔吊应用安全风险及资金消耗，同时提高建筑工程施工现场管理水平及安全水平，通过科学有效的技术手段及智能优化算法，实现对于
3、塔吊这一高成本设备的最大化应用。近年来，已经有较多科研人员展开了基于PSO算法的施工塔吊规划应用研究，并且获得了一定研究成果，例如，有科研人员通过PSO算法改变了传统施工塔吊规划手段，使施工塔吊规划向科学化、精确化方向转变1；有科研人员以BIM技术、PSO算法为基础，优化了施工塔吊布置及位置2；有科研人员运用BIM技术、PSO算法，构建了施工塔吊优化和模拟寻优模型3。1PSO算法的应用分析1.1PSO算法概述PSO算法具有参数设置便捷、搜索效率较高、计算操作简单、容易实现、能够与其他方法结合等应用优势，具有计算结果存在局限性、容易提前收敛等应用缺陷4。参考上述应用优势和应用缺陷，基于PSO算法
4、的施工塔吊规划方案设计需要重点考虑如下内容：（1）从适应度函数角度来讲，不同适应度函数的优化性能有所差异，需要根据运算结果获得相应的函数值，从而获得准确的粒子运动数据；（2）从粒子多样性角度来讲，为了提高粒子多样性，需要应用惯性权重线性递减策略，一方面实现脱离局部最优，另一方面为后期收敛提供便利条件5；（3）从程序设计角度来讲，需要科学设置速度最大值、惯性权重、加速度定值等参数，从而实现对粒子的最优搜寻，本文参数设置参考既往工程。1.2PSO算法应用流程PSO算法即为粒子群算法，应用原理如下：粒子在运动的过程中，会从当前位置逐步向最佳粒子位置移动，每次移动距离是有限的，在达到目前最优位置后，粒
5、子会继续移动，从而实现迭作者简介：谭金柱，男，汉族，河北保定，本科，工程师，研究方向：工程机械。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|35科技前瞻代，获得最优解，粒子更新过程如图1所示6。图 1粒子更新过程示意图基于PSO算法的施工塔吊规划计算流程如下：对一个粒子群粒子的变异速度、位置等参数进行初始化设置，使其与施工塔吊规划位置相对应；提出施工塔吊规划适应度函数，通过施工塔吊规划位置对粒子的适应度展开评价；通过运算确定适应度函数值，寻找个体最优值；确定个体最优值，将参数初始化设置调整为当前位置、当前种群全局最优值；根据群体最优位置更新粒子群粒子的速度位置等参数；在未获得最优解之前，转到第个步
6、骤，继续执行，实现循环迭代。1.3PSO算法应用方向本次施工塔吊规划方案设计中的PSO算法应用主要体现在以下两个方面。（1）多目标优化。在应用智能优化算法的过程中，如果遇到了较为复杂的施工塔吊规划，便会出现组合约束优化问题，从而增加计算求解难度。PSO算法在施工塔吊规划中的应用，能够通过目标函数实现函数优化求解，多目标优化将目标函数、约束条件同时作为目标展开研究，因此能够忽略约束条件中的额外计算。（2）函数优化。函数优化目前能够处理大部分建筑工程施工建设问题，即将工程问题转换为函数问题进行处理。因此，本文选择通过就施工塔吊规划构建数学模型，将施工塔吊规划问题简化为函数求解问题，随后通过PSO算
7、法进行函数求解，最终得到最优施工塔吊规划方案，一方面能够提高规划质量，另一方面能够节约建筑工程施工成本。2基于PSO算法的施工塔吊规划方案设计2.1数学模型建立2.1.1问题分析施工塔吊规划需要在固定施工现场范围内，满足建筑工程施工建设对于施工塔吊位置的合理要求。在施工塔吊较多、施工周期较长、工程量较大的情况下，为了确保施工进度及施工塔吊应用率，施工单位有必要通过科学布置方式及技术手段做好施工塔吊规划工作，一方面确保每台施工塔吊之间不会相互干扰，另一方面确保每台施工塔吊都能够实现最大化应用。为了确保施工塔吊规划方案设计的科学性和合理性，现做出如下假设：需要按照假设条件简化建筑工程施工现场布局相
8、关信息，从而通过数学模型确定每台施工塔吊的需求区和供应区。在坐标系内确定各个需求区和供应区对应的需求点和供应点，同时确保两者的匹配性。在建筑工程施工现场，供应区一般包括原材料加工场地、材料堆放场地，通常按照矩形平面设置具体范围，通过矩形平面几何中心表示供应点位置。根据施工现场实际情况、施工单位工程经验，确定施工塔吊的空间位置和供应点位置。当施工塔吊进入工作状态后，不考虑施工塔吊的闲置时间，即施工塔吊连续完成吊装作业。施工塔吊基座为正方体，以基座底面中心点为施工塔吊在坐标系中的位置。建筑工程应用施工塔吊类型和数量在施工建设过程中不会发生变化，且预先确定好。需求点对应的建筑材料需求量、供应点对应的
9、建筑材料供应能力，均符合施工现场实际情况，并且建筑材料需求量与建筑材料供应能力基本一致。2.1.2目标函数判断施工塔吊规划方案是否合理的关键依据为：方案能否基于施工塔吊应用情况解决施工塔吊应用规划最优解问题，从而将每台施工塔吊吊运时间控制在最短范围，将施工塔吊应用成本控制在最小范围。dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术36|本 文 结 合 上 述 要 求，选 择 总消耗 成 本（min）为目标函数，计算公式为：（1）其中，M代表施工塔吊应用成本；m代表施工塔吊型号总数量；b代表第b种施工塔吊型号；n代表在建筑工程施工建设中，施工
10、塔吊施工阶段总数量；a代表第a个施工阶段；Ta代表施工塔吊在第a个施工阶段的应用天数；Cz代表每台施工塔吊的日均租赁成本；P代表每台施工塔吊的日均人工成本，主要包括信号工工资、塔吊司机工资；Qab代表第b种施工塔吊型号在第a个施工阶段的应用数量；Ta代表工作人员在第a个施工阶段的工作天数；S代表施工塔吊的升接成本；A1代表施工塔吊的基础成本；A2代表施工塔吊的进出场成本，主要包括安装成本、拆卸成本、运输成本。通过目标函数，可以发现每台施工塔吊的日均租赁成本、升级成本、基础成本、进出场成本均由租赁公司决定，想要降低总消耗成本，需要从施工塔吊的应用天数角度出发。因此，本文主要通过规划不同型号施工塔
11、吊在不同施工阶段的应用，确保每台施工塔吊完成吊装工作需要的时间最短，从而实现对于施工塔吊的科学准确规划，具体施工塔吊数学模型建立流程如下。（1）施工塔吊运行空间数学模型建立。根据施工塔吊吊运原理，现分析施工塔吊吊运距离、转过角度、吊运速度。设定(XRc,YRc,ZRc)代表施工塔吊坐标（塔吊点），(XRj,YRj,ZRj)代表需求点坐标（需求点），(XRi,YRi,ZRi)代表供应点坐标（供应点）。绘施工塔吊在水平方向的运行轨迹如图2所示，施工塔吊在垂直方向的运行轨迹如图3所示。图 2施工塔吊在水平方向的运行轨迹示意图图 3施工塔吊在垂直方向的运行轨迹示意图根据图2、图3所示的施工塔吊吊运距离
12、与需求区和供应区的关系，确定施工塔吊吊运距离计算公式为：（2）（3）（4）（5）其中，代表塔吊点原点与需求点的水平距离（单位为m）；代表塔吊点原点与供应点的水平距离（单位为m）；代表需求点与供应点的水平距离（单位为m）；代表需求点与供应点的垂直距离（单位为m）。根据图2所示的施工塔吊吊运距离与需求区和供应区的关系，确定施工塔吊转过角度计算公式为：（6）其中，jia代表施工塔吊塔臂转过角度。根据施工塔吊吊运原理，现分析施工塔吊转动速度、小车变幅速度、吊钩垂直起升速度三种吊运速度。施工塔吊转动速度HV代表施工塔吊起重臂从供应点达到需求点的转动速度，为固定数值，与吊运材料及其质量无关，取值为0.5r
13、/min。施工塔吊小车变幅速度代表施工塔吊吊钩区与起重臂小车连接后，从供应点达到需求点的径向运动，取值为行业平均水平值。施工塔吊吊钩垂直起升速度hijV代表施工塔吊吊钩从供应点达到需求点的垂直起升速度，与吊运材料及其质量有关，图4展示了施工塔吊吊钩垂直起升速度与吊运材料质量关系。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|37科技前瞻图 4施工塔吊吊钩垂直起升速度与 吊运材料质量关系示意图如果施工塔吊出现了吊运材料超载现象，便会增加倒塌事故、倾覆事故的发生概率。因此，施工团队需要在确保施工塔吊吊运安全程度的同时，尽量节约吊运时间，减少吊运成本。（2）施工塔吊运行时间数学模型建立。根据施工塔吊吊运原
14、理，现按照施工塔吊转动时间计算、小车变幅时间计算、吊钩垂直起升时间计算三个步骤进行建模求解，确定吊运时间。确定施工塔吊转动时间计算公式为：（7）其中，THij代表施工塔吊起重臂从供应点达到需求点的转动时间（单位为min），需求点与供应点的水平距离越大，转动时间越长。确定施工塔吊小车变幅时间计算公式为：（8）其中，Trij代表施工塔吊从供应点达到需求点的径向运动时间（单位为min），即小车变幅时间，与吊运材料及其质量有关。施工塔吊吊钩从供应点达到需求点后，完成回转、垂直起升等操作，此时，需求点、吊运材料处于一条直线上。在吊运材料向需求点吊运的过程中，需求点与供应点的水平距离越大，施工塔吊转动时间
15、越长，小车变幅时间越长。确定施工塔吊吊钩垂直起升时间计算公式为：（9）其中，Thij代表施工塔吊吊钩从供应点达到需求点的垂直起升时间（单位为min），与吊运材料及其质量、起升高度有关。施工塔吊吊钩垂直起升时间会随着吊运材料质量而变化。建筑楼层越高，施工塔吊吊钩垂直起升距离及时间越长。2.1.3约束条件施工塔吊规划约束条件一般分为整体约束条件、施工塔吊安全距离约束、施工塔吊与供应点和需求点的约束条件、供应点和需求点的约束条件四种。施工塔吊自身结构决定了其吊臂能够进行圆周运动，因此在做出规划时，需要充分考虑施工塔吊与周边建筑物和建筑设施的安全距离。以塔吊底座建模为约束条件，确保施工塔位置不与供应点
16、和需求点发生重叠。所有材料都是从地面开始吊运的，表示供应点和需求点与水平面保持平行，不能与需求点发生重叠。2.2数学模型计算2.2.1Matlab编程概述Matlab编程最开始由某软件工程师根据Fortran语言设计而来，其中包含了矩阵求解研究成果，此阶段的Matlab编程能够作为数学软件完成矩阵求解。当前应用的Matlab编程根据C语言设计而来，其应用范围不断扩大、应用功能在持续丰富，现阶段的Matlab编程能够作为数学模型完成部分建筑工程问题求解。Matlab编程具有代码特点高效、计算操作简单、处理工具箱功能丰富全面、不需要人工选择算法等应用优势。2.2.2数学模型运算通过Matlab编程将上述数学模型建立信息全部转换为程序语言，从而计算出应用成本最低的施工塔吊规划位置，得到施工塔吊规划方案。3结语基于PSO算法的施工塔吊规划方案设计需要重点考虑适应度函数、粒子多样性、程序设计，从而通过粒子继续移动实现迭代，获得最优解。按照问题分析、确定总消耗成本目标函数、建立施工塔吊运行空间数学模型及施工塔吊运行时（下转第41页）电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|41科技前瞻划分，总功耗降
