集裝箱門式起重機遠控化改造中無線網(wǎng)絡切換探討

仇佳捷　柯　韜　張志堅　石琪晟　虞偉杰　賴立人

1　寧波市特種設備檢驗研究院　2　中國移動通信集團浙江有限公司寧波分公司

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集裝箱門式起重機遠控化改造中無線網(wǎng)絡切換探討

仇佳捷1柯韜1張志堅1石琪晟1虞偉杰1賴立人2

1寧波市特種設備檢驗研究院2中國移動通信集團浙江有限公司寧波分公司

集裝箱門式起重機遠控化改造是自動化碼頭建設中重要的一個環(huán)節(jié)。作為一個實時操控系統(tǒng)，其對網(wǎng)絡質量提出了很高的要求，特別是在采用無線網(wǎng)絡作為通信系統(tǒng)的情況下，網(wǎng)絡切換問題成為一個不可忽視的問題。闡述了切換問題的成因及影響，提出了相關的建議，對相關單位選擇和評估改造方案具有指導作用。

集裝箱門式起重機； 遠程控制； 無線網(wǎng)絡； 網(wǎng)絡切換

1　前言

自1993年第一個自動化運轉的集裝箱碼頭荷蘭鹿特丹港ECT碼頭Delta Sealand建成投產(chǎn)以來，自動化集裝箱堆場和自動化碼頭的設計和研發(fā)就開始成為行業(yè)的熱點。國內(nèi)首個集裝箱自動化無人堆場于2006年在上海港外高橋二期集裝箱碼頭建成，方案由上海港與上海振華港機集團合作設計完成[1]。

在自動化集裝箱堆場及自動化碼頭設計過程中，集裝箱門式起重機的遠控化設計及改造是一個較為關鍵的技術。

由于集裝箱裝卸的重要性，在自動化堆場和碼頭設計過程中，集裝箱門式起重機的操作方式往往并非采用自動化的控制方式，而是采用遠控化或遠控化與自動化相結合的方式。與自動化控制不同，遠控化控制方式是由操作人員在專門的控制室中進行操作，再將控制信號通過網(wǎng)絡傳遞給起重機械進行遠程作業(yè)。這種操作方式對網(wǎng)絡的可靠性提出了較高的要求。

2　網(wǎng)絡方案的選擇

集裝箱門式起重機遠控化設計和改造中的網(wǎng)絡方案選擇主要有3種，即有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡和移動網(wǎng)絡(運營商網(wǎng)絡)，這3種方案各有利弊。

(1)有線網(wǎng)絡，采用線纜形式的通信線路作為網(wǎng)絡的傳輸介質。從物理層面上來說，設備、接口及線路一一配對，具有通信可靠性高、傳輸速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。但這種通信方式由于線纜的存在制約了其靈活性，因此往往只能用于軌道集裝箱門式起重機或者調箱門集裝箱門式起重機。調箱門集裝箱門式起重機位置固定不動，而軌道集裝箱門式起重機延軌道運行，運行軌跡固定可控。但是實際集裝箱堆場中，這2種起重機數(shù)量較少，因此適用性不強。同時由于線纜的鋪設，網(wǎng)絡建設成本非常高。另外無論某臺設備是否處于停機狀態(tài)，除非切除通信線路，否則其始終占用一條線路，資源利用率較低。

(2)移動網(wǎng)絡，或者稱為運營商網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡由運營商建立，因此相關的基礎建設也有運營商來完成。如果沒有特殊的通信要求，在基礎建設上可以節(jié)省相應開支。由于運營商網(wǎng)絡是面向移動終端的實時移動數(shù)據(jù)傳輸，因此在數(shù)據(jù)傳輸速度、實時性和網(wǎng)絡可靠性來說可以得到很好的保證。其缺點在于由于是向運營商租用網(wǎng)絡，后期隨著設備投入規(guī)模的增加，其相關使用費用將隨之快速上升。運營商網(wǎng)絡為開放網(wǎng)絡，每一臺設備從理論上說都是可以被從外部訪問甚至控制的，網(wǎng)絡安全性及設備控制軟件安全性將成為控制系統(tǒng)開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，其資金投入也會增加。

(3)無線網(wǎng)絡，可用于集散式遠控系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡形式較多,如藍牙網(wǎng)絡、ZigBee、基于802.11的WLAN網(wǎng)絡、Mesh網(wǎng)絡等形式。無線網(wǎng)絡最大的優(yōu)點是擺脫了線纜的束縛，設備靈活性較強。另外可定制的網(wǎng)絡系統(tǒng)，可以根據(jù)堆場條件及設備數(shù)量來定制無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，預留足夠冗余，既防止了網(wǎng)絡出現(xiàn)飽和，又避免了網(wǎng)絡資源的浪費。與移動網(wǎng)絡相比，采用與外網(wǎng)隔離的獨立網(wǎng)絡，安全性高。無線網(wǎng)絡需要進行一定的前期投入，雖然成本相比有線網(wǎng)絡要小很多，但是無線接入點的位置選擇、功率選擇等相關方案需要進行統(tǒng)籌規(guī)劃，并需要為以后的發(fā)展預留空間。另外，現(xiàn)在常用無線網(wǎng)絡如WLAN、Mesh(出于傳輸距離及組網(wǎng)規(guī)?？紤]，一般不采用藍牙及ZigBee技術)等，其協(xié)議設計是不考慮接入點無縫切換問題的，因此切換過程中產(chǎn)生的問題也是采用無線網(wǎng)絡方案需要重點考慮的。

3種網(wǎng)絡方案各有利弊，因此現(xiàn)在無人化堆場設計中3種方案也均有涉及。相比之下，無線網(wǎng)絡更適合無人化堆場以及無人化港口的設計和改造，尤其是改造，無線網(wǎng)絡的靈活性，以及部分類型無線網(wǎng)絡的自組織能力，可以讓改造逐步推進而不需要額外支出。然而無線網(wǎng)絡最需要關注和解決的就是切換問題及其帶來的影響。

3　無線網(wǎng)絡的切換

以802.11協(xié)議為例，802.11協(xié)議規(guī)范的WLAN網(wǎng)絡為結構化網(wǎng)絡，由無線AP(Acess Point，接入點)、STA(Station，工作站)、BSS(Basic Service Set，基本服務集)和ESS(Extended Service Set，擴展服務集)組成如圖1所示。無線AP用于STA和有線網(wǎng)絡間的數(shù)據(jù)接收、緩存和轉發(fā)[2]。無線AP的覆蓋范圍根據(jù)采用的協(xié)議不同功率不同而有所不同。一個AP所覆蓋的數(shù)據(jù)覆蓋范圍就是一個BSS，ESS由多個無線AP以及連接它們的分布式系統(tǒng)組成，也可以說一個ESS包含多個BSS。ESS網(wǎng)絡結構只包含物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，不包含更高的層，因此對于高層協(xié)議來說，如IP協(xié)議，ESS就是一個IP子網(wǎng)。

圖1　結構化網(wǎng)絡示意圖

本文提到的無線網(wǎng)絡切換實際上對應的就是WLAN中AP切換。因為AP的覆蓋范圍有限，當1個STA從1個AP的覆蓋范圍移動到另1個AP的覆蓋范圍時就發(fā)生了AP切換。這種AP切換主要分為2類，即BSS切換和ESS切換。BSS切換是指STA移動過程中始終處于同1個ESS中，只是從1個BSS切換到另1個BSS，如圖1中某1個STA從BSS2移動到BSS3中。ESS切換是指STA從1個ESS移動到了另外1個ESS，如圖1中STA從BSS2移動到BSS1，此時STA不但從BSS2中移出同時也從ESS中移出，這種又稱為漫游方式。后者涉及到高層協(xié)議的切換，如IP地址的變化等，處理起來要比前者復雜的多，一般遠程控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡不會涉及到這種切換方式，因此本文討論的AP切換主要是指BSS切換方式。

IEEE基于802.11協(xié)議上的WLAN切換由3個過程組成：掃描、認證和重連接。802.11協(xié)議中的掃描方式有2種：被動方式和主動方式。被動方式中STA監(jiān)聽無線媒介中的信標幀，信標幀中包含時間戳及AP廣播信息，從而判斷下一步需要連接的AP。主動方式中STA發(fā)送探測幀，等待所有AP的響應幀，通過響應幀來判斷下一步需要連接的AP。掃描方式確定了下一步需要連接的AP之后，STA就要進行新AP的認證，STA與AP的重連接以及將STA的認證信息從舊AP遷移到新AP這3個過程以完成從舊AP斷開連接與新AP連接的整個過程。其具體過程是STA發(fā)送認證請求幀，告知AP自己的身份，開始認證過程，AP處理請求并發(fā)送認證響應幀，表明接受請求或拒絕請求，即完成認證過程。如果認證成功，STA會發(fā)送重連接請求幀到新的AP，AP處理并回復響應幀，完成重連接過程。

4　無線網(wǎng)絡切換帶來的問題

同樣以802.11規(guī)范的WLAN為例，其切換延時主要是由切換的3個過程產(chǎn)生的，及掃描延時、認證延時和重連接延時。

掃描延時取決于掃描方式。被動掃描中，掃描延時等于信標幀間隔與信道個數(shù)的乘積，假設信標間隔為100 ms，對于802.11b的11個信道而言，其掃描延時為1 100 ms，而有32個信道的802.11a來說則更長，需要3 200 ms。主動掃描中，掃描延時取決于信道個數(shù)n和設備參數(shù)，即最大信道時間(MaxChanelTime)和最小信道時間(MinChanelTime)，這兩個參數(shù)實際上是設備發(fā)射探測幀后在當前信道等待響應幀的時間，因此主動掃描延時T為：

n×(t+最小信道時間)≤T≤n×(t+最大信道時間)，其中t為信道切換所需要的硬件時間。

認證延時以及重連接延時是由于相應信息幀交換導致的，其延時長短主要由交換的信息量有關，比如采用共享密鑰認證方式，其認證延時要大于采用開放式認證方式。在整個切換延時中，認證延時和重連接延時所占的比例是很小的，而且往往在指定安全要求的情形下是無法進行改進和縮短的。

雖然現(xiàn)在常用的無線網(wǎng)絡采用協(xié)議和技術有所不同，但是其切換過程大同小異，均需要經(jīng)歷與舊AP中斷通訊，找尋新AP，并與新AP建立通訊這3個過程，而這3個過程中所有的通訊數(shù)據(jù)均是為了完成這3個過程。因此期間的所有數(shù)據(jù)交換不包含與控制相關的有效數(shù)據(jù)，而這種因為切換帶來的延時是無法避免的。如今相關的研究也對切換算法進行了優(yōu)化，如通過分析丟包率來確定切換時機的調諧探測機制[3]、基于AP鄰居圖的掃描機制[4]、基于緩存機制的選擇性掃描算法[5]等等，但這些大多是基于上層算法的快速切換方式，其只能縮短延時而不能消除延時實現(xiàn)真正的無縫切換。

由于目前集裝箱門式起重機的無人化改造實際上是遠控化改造，其采用的控制方案是遠程控制，或者遠程控制與自動控制相結合的解決方案，出于相關責任分配的原因，吊具著箱(集裝箱吊具與集裝箱相互連接固定動作)及吊具釋放(集裝箱吊具與集裝箱相互分離動作)必須由操作人員進行遠程操作。而如果是沒有自動化輔助的遠控化操作，則遠程操作的動作還涉及大車行走、小車行走、起升下降等動作。這些所有的動作均需要操作人員根據(jù)起重機上收集的相關視頻信號進行判斷操作，而其操作信號也需要通過網(wǎng)絡傳輸?shù)皆O備上。實際上這就是一個實時操作系統(tǒng)。因此與起重機械監(jiān)控系統(tǒng)或者非實時控制系統(tǒng)不同，其對于延時和網(wǎng)絡的可靠性要求就要高得多。如果在實時操作過程中發(fā)生網(wǎng)絡切換動作，就可能導致視頻監(jiān)控信號的中斷、滯后以及控制信號的中斷、滯后，其帶來的安全隱患是不能不考慮的。

5　建議與對策

集裝箱門式起重機遠控化改造是自動化堆場及自動化港口建設中重要的一個步驟，因此其對網(wǎng)絡的要求也應當?shù)玫较鄳闹匾?。集裝箱門式起重機遠控化改造大多還處于試驗和樣機改造狀態(tài)，即設備數(shù)量不多且在固定堆場內(nèi)活動，相應的網(wǎng)絡要求很容易得到滿足。這樣就容易使相關單位對實際應用中網(wǎng)絡狀況估計錯誤，而相關單位對改造方案評估時也應基于技術評估的初衷，而非設備評估，即應考慮大范圍使用下的規(guī)模效應。

由于無線網(wǎng)絡形式多樣，在隨后評估意見及技術標準起草過程中也不能采用“一刀切”的方式，應鼓勵適合相應應用環(huán)境的專門網(wǎng)絡形式的開發(fā)。因此，可以要求無線網(wǎng)絡具備以下技術條件：

(1)采用具有無縫切換功能的無線網(wǎng)絡，要求在切換過程中不丟包、無切換延時；

(2)或無線網(wǎng)絡切換延時小于10 ms；

(3)如無法滿足(1)和(2)要求，則無線網(wǎng)絡接入點布置應滿足在遠控操作過程中，設備不進行接入點切換動作，另外其切換算法應保證在切換時能夠可靠地與唯一一個接入點形成數(shù)據(jù)鏈路；

(4)當失去網(wǎng)絡連接時，設備應發(fā)出警報并停留原地；

(5)控制中心應對所有設備在線狀態(tài)進行監(jiān)測，出現(xiàn)異常情況應發(fā)出警報。

上述技術條件中，(1)、(2)、(3)為三選一，是對無線網(wǎng)絡的要求。其中(1)中的無縫切換是真正應用于實時通信的無縫切換，其實現(xiàn)形式多種多樣，比如蜂窩網(wǎng)絡中采用的就是相鄰2個基站同時給設備發(fā)送通訊數(shù)據(jù)，當設備進入2個基站共同覆蓋范圍時，設備利用通訊空閑與2個基站同時建立數(shù)據(jù)鏈路，2個基站同步給該設備提供相應的數(shù)據(jù)。這樣在設備移出一個基站的覆蓋范圍時通訊數(shù)據(jù)就不會丟失，也不用花費專門的時間去進行基站的切換。當然，實現(xiàn)無縫切換的方式并非固定，但(1)中的要求必須是無丟包、零延時。(2)中規(guī)定的延時規(guī)定為小于10 ms的理由來自人的反應速度，有數(shù)據(jù)顯示人的反應速度一般為100 ms以上[6]，因此如果通訊延時小于人反應速度一個數(shù)量級則人的反應速度在操作中占主導地位，網(wǎng)絡延時可忽略不計。(3)的要求是在無法滿足(1)和(2)要求時，這時就要保證操作時的安全，即在操作時不發(fā)生接入點切換，這樣就沒有切換延時產(chǎn)生。但要考慮到切換是必然發(fā)生的，這樣在切換時能否可靠建立連接就是一個很重要的問題，因為在切換算法中有一個切換判斷，即何種條件下切斷舊AP連接與新AP建立連接。如果這種切換判斷存在隱患就會導致設備在某些條件下反復地來回切換AP，使控制數(shù)據(jù)和監(jiān)控數(shù)據(jù)無法傳輸。因此必須保證切換算法不存在這樣的隱患。(4)和(5)這2個要求是保證在故障發(fā)生時讓周圍的工作人員了解該設備失去控制信號處于待處理狀態(tài)，同時也告知控制人員相關設備異常脫離控制，有助于人員快速到達現(xiàn)場處理相關問題。

6　結語

無人化堆場和無人化碼頭是現(xiàn)代港口物流的發(fā)展方向，集裝箱門式起重機的遠控化改造是其中重要的一個步驟。集裝箱門式起重機遠控化改造從本質上說是特種設備的改造行為，應當由相關技術規(guī)范和標準進行規(guī)范，但這種改造方式不同于傳統(tǒng)的特種設備改造，其是將軟件技術、網(wǎng)絡技術、信息技術等先進技術與傳統(tǒng)起重機械相結合，是特種設備檢驗評估中面臨的新課題，是傳統(tǒng)材料、機械及電控知識無法解決的問題。因此在無人化港口物流技術探索的同時，特種設備檢驗評估技術也應同步地發(fā)展。本文提到的無線網(wǎng)絡切換問題就是這樣一個典型的問題，因此對相關技術的學習有助于完成相應的檢驗評估，保障無人化港口建設與設備使用安全。

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Wireless Network Handoff Schedule in the Remote Control Modification of Gantry Container Crane

Qiu Jiajie1Ke Tao1Zhang Zhijian1Shi Qisheng1Yu Weijie1Lai Liren2

1 Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute2 China Mobile Group Zhejiang Company Limited Ningbo Branch

The remote control modification of gantry container crane is an important part of the automated terminal's construction. The reliable network is an important request for the real-time control system of gantry container crane . Especially, network handoff can not be ignored when the communication system is set as wireless network system. The reasons and the effects of the network handoff are discussed in this paper, and some recommendations are put forward with the evaluation and the selection of the modification solutions.

gantry container crane； remote control； wireless network； network handoff

2016-03-17

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.019

仇佳捷: 315000,浙江省寧波市高新區(qū)江南路1588號A座