智能港口裝卸控制系統(tǒng)半物理仿真驗(yàn)證技術(shù)研究

孫佳隆 姜作飛

（1．青島杰瑞工控技術(shù)有限公司，山東 青島 266061；2．中船重工（青島）海洋裝備研究院有限責(zé)任公司，山東 青島 266520）

1 研究背景

與傳統(tǒng)集裝箱港口裝卸系統(tǒng)相比，智能集裝箱港口裝卸系統(tǒng)具有技術(shù)含量高、運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在智能化、可靠性、穩(wěn)定性、設(shè)備利用率、運(yùn)營(yíng)成本等方面具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。目前，世界范圍內(nèi)的集裝箱港口都在加緊進(jìn)行智能化的改造或建設(shè)，智能化集裝箱碼頭市場(chǎng)規(guī)模龐大，應(yīng)用前景廣闊[1]。

然而，智能碼頭建設(shè)存在投資大、周期長(zhǎng)、復(fù)雜度高、對(duì)人員的要求高等問(wèn)題，對(duì)智能碼頭的大規(guī)模落地造成阻礙。而半物理仿真技術(shù)能有效解決自動(dòng)化碼頭建設(shè)存在的問(wèn)題，如在碼頭規(guī)劃階段對(duì)堆場(chǎng)布局、設(shè)備配置進(jìn)行仿真，在項(xiàng)目投標(biāo)階段向客戶展示基于目標(biāo)工程的仿真解決方案，在大型設(shè)備裝配完成之前用半物理手段進(jìn)行軟件聯(lián)調(diào)，這些都有助于縮短碼頭建設(shè)周期，降低碼頭建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)。

2 現(xiàn)狀分析

近年來(lái)，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)等智能化技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，半物理仿真技術(shù)已廣泛涉及機(jī)電技術(shù)、液壓技術(shù)、控制技術(shù)及接口技術(shù)等領(lǐng)域[2]。

目前智能港口半物理仿真主要需求包含7 個(gè)方面。1）實(shí)現(xiàn)目標(biāo)工程項(xiàng)目的遠(yuǎn)程操作。2）目標(biāo)工程項(xiàng)目的仿真演示。3）實(shí)現(xiàn)碼頭布局的快速搭建。4）碼頭控制系統(tǒng)的離線測(cè)試。5）碼頭運(yùn)營(yíng)情況的虛擬視覺(jué)展示。6）碼頭裝卸設(shè)備情況的顯示及使用率統(tǒng)計(jì)。7）碼頭整體吞吐量仿真統(tǒng)計(jì)。

半物理仿真的優(yōu)勢(shì)是能夠把數(shù)字仿真的靈活性和物理仿真的精確性相結(jié)合，可以充分發(fā)揮各自的功能優(yōu)勢(shì)，有效減少開(kāi)發(fā)時(shí)間、故障成本以及系統(tǒng)模擬的計(jì)算資源。半物理仿真也正在向集成化、智能化和一體化方向發(fā)展，在工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來(lái)越大[3]。

目前市場(chǎng)上碼頭領(lǐng)域主流仿真軟件平臺(tái)主要包括AnyLogic，F(xiàn)lexTerm， 表 1 對(duì)2 個(gè)仿真平臺(tái)的特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，筆者所在團(tuán)隊(duì)有2 個(gè)軟件的碼頭仿真實(shí)現(xiàn)案例，圖 1 與圖 2 分別是AnyLogic 與FlexTerm 仿真效果圖。

3 關(guān)鍵技術(shù)要求

智能碼頭半物理仿真涉及調(diào)度算法、數(shù)據(jù)分析處理、軟件測(cè)試驗(yàn)證等技術(shù)，下面結(jié)合碼頭場(chǎng)景對(duì)這3 個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)行分析和闡述。

3.1 調(diào)度技術(shù)研究

集裝箱碼頭物流系統(tǒng)是一個(gè)典型的多資源協(xié)同、多環(huán)節(jié)并發(fā)、多維空間作業(yè)的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)也是一個(gè)多用戶共存、多任務(wù)并行、多資源共享的分布式控制系統(tǒng)，更是一個(gè)多層次、雙向流動(dòng)、資源動(dòng)態(tài)分配綁定的大規(guī)模并行處理系統(tǒng)[4]。

集裝箱碼頭中裝卸作業(yè)是一個(gè)多任務(wù)調(diào)度、多作業(yè)線控制、多環(huán)節(jié)協(xié)同和多資源分配的作業(yè)過(guò)程，包含場(chǎng)箱位分配、多場(chǎng)橋調(diào)度、集卡路徑規(guī)劃、場(chǎng)橋集卡協(xié)同調(diào)度等，屬于多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，是典型的NP-hard 問(wèn)題。目前結(jié)合集裝箱碼頭智能作業(yè)需求，啟發(fā)式算法用的最多，比較通用的啟發(fā)式算法一般有模擬退火算法、遺傳算法、蟻群算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，原理就是基于直觀或者經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造的算法，在可接受的維度內(nèi)給出待解決組合優(yōu)化問(wèn)題的一個(gè)可行解。例如青島港或者洋山港，就是基于某一種成熟算法進(jìn)行有針對(duì)性的算法重構(gòu)與策略優(yōu)化，使其滿足特定空間與時(shí)間維度內(nèi)的快速求解，并盡可能達(dá)到空間或時(shí)間約束條件下的最優(yōu)解。

3.2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

目前開(kāi)源大數(shù)據(jù)計(jì)算引擎有很多選擇，同時(shí)支持流處理和批處理的計(jì)算引擎只有2 種。一個(gè)是Apache Spark，一個(gè)是Apache Flink。從技術(shù)生態(tài)等各方面的綜合考慮，Apache Spark 的技術(shù)理念是基于批來(lái)模擬流的計(jì)算，而Apache Flink 則完全相反，它采用的是基于流計(jì)算來(lái)模擬批計(jì)算。從技術(shù)發(fā)展方向看，Apache Spark 用批來(lái)模擬流有一定的技術(shù)局限性，并且這個(gè)局限性可能暫時(shí)很難突破。而Apache Flink 基于流來(lái)模擬批，在技術(shù)上有更好的擴(kuò)展性，更加符合當(dāng)前智能碼頭低延遲、高吞吐大數(shù)據(jù)計(jì)算引擎的設(shè)計(jì)需求。

3.3 測(cè)試技術(shù)研究

軟件系統(tǒng)的測(cè)試與驗(yàn)證工作應(yīng)該從模塊級(jí)、單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)逐步進(jìn)行并貫穿于系統(tǒng)的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，避免后續(xù)的聯(lián)調(diào)測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)大規(guī)模的改動(dòng)。常用的測(cè)試方法包括中間表驗(yàn)證、錯(cuò)誤驗(yàn)證等。

表1 仿真平臺(tái)技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

圖1 AnyLogic 碼頭仿真效果圖

圖2 FlexTerm 仿真效果圖

3.3.1 中間表驗(yàn)證

碼頭管理系統(tǒng)TOS 與設(shè)備控制系統(tǒng)ECS 的信息交互過(guò)程中，TOS 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裝卸設(shè)備的分布與狀態(tài)會(huì)執(zhí)行集裝箱裝卸作業(yè)算法，自動(dòng)制定裝卸作業(yè)計(jì)劃，對(duì)需要裝卸作業(yè)的集裝箱合理的分配作業(yè)順序與作業(yè)設(shè)備，然后將命令寫入中間表。接著ECS 就會(huì)從中間表讀取作業(yè)命令并執(zhí)行，并在裝卸集裝箱的過(guò)程中，將集裝箱的狀態(tài)信息、當(dāng)前使用設(shè)備的信息等寫入中間表，TOS 接收該反饋后可以調(diào)整與優(yōu)化后續(xù)集裝箱的裝卸作業(yè)規(guī)劃。在這個(gè)交互過(guò)程中，可以編寫驗(yàn)證程序來(lái)檢查中間表數(shù)據(jù)交互的合理性、及時(shí)性、準(zhǔn)確性、完整性等。

3.3.2 錯(cuò)誤驗(yàn)證

利用TOS 分配一個(gè)錯(cuò)誤的任務(wù)給ECS 去執(zhí)行，以此驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)錯(cuò)誤的處理流程及報(bào)警功能，也進(jìn)一步測(cè)試與驗(yàn)證了程序的故障應(yīng)對(duì)策略。例如提箱作業(yè)，TOS 可以發(fā)出一條提箱命令，其中集裝箱的信息是錯(cuò)誤的，堆場(chǎng)并不存在該集裝箱，ECS 接收命令后會(huì)去對(duì)應(yīng)的位置尋找集裝箱，這時(shí)就可以驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)堆場(chǎng)無(wú)箱這種錯(cuò)誤的處理流程與策略。

4 半物理仿真設(shè)計(jì)方案

4.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

半物理仿真需實(shí)現(xiàn)以下4 個(gè)功能。1）實(shí)物樣機(jī)演示驗(yàn)證平臺(tái)可以為科研開(kāi)發(fā)提供了實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景的自動(dòng)化技術(shù)演示，加速了理論與實(shí)踐相結(jié)合的步伐。2）實(shí)物樣機(jī)演示驗(yàn)證平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)管控系統(tǒng)指令的直接動(dòng)作與數(shù)據(jù)的閉環(huán)反饋，為軟件系統(tǒng)的測(cè)試與運(yùn)維提供技術(shù)保障。3）作為展示平臺(tái)，向客戶展示集團(tuán)公司在智能化碼頭方面的研究成果與發(fā)展程度。4）可以適當(dāng)解決人員到港口現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)接煩瑣，作業(yè)安全難以保障等困難。

4.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

該小節(jié)列出3 種半物理仿真驗(yàn)證可選設(shè)計(jì)方案，并分析了各方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

方案一：全尺寸全功能樣機(jī)。按照典型自動(dòng)化碼頭岸橋與場(chǎng)橋的尺寸及功能建造全尺寸全功能樣機(jī)，該方案的優(yōu)點(diǎn)是功能全面，但造價(jià)偏高。該方案建造成本偏高，部分功能驗(yàn)證為重復(fù)性驗(yàn)證，建造全尺寸全功能樣機(jī)的意義不大。

方案二：等比例縮小樣機(jī)。該方案從理論上來(lái)看，也能夠?qū)崿F(xiàn)樣機(jī)的各項(xiàng)功能測(cè)試。但是等比例縮小之后在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試的數(shù)據(jù)與真實(shí)工況的數(shù)據(jù)理論上是比例關(guān)系，實(shí)際考慮到慣性載荷、摩擦阻力等方面的因素，樣機(jī)測(cè)試的數(shù)據(jù)與真實(shí)工況的數(shù)據(jù)有多大偏差，難以測(cè)算，該方案測(cè)試的數(shù)據(jù)也是難以用于修正實(shí)際工況下的作業(yè)程序，采用該方案可以滿足部分樣機(jī)的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

方案三：該方案在方案二的基礎(chǔ)上再進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)操作流程、邏輯功能、調(diào)度管理等子系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，其余部分進(jìn)行簡(jiǎn)化。該方案既能真實(shí)模擬裝卸作業(yè)過(guò)程，投入又相對(duì)較少，且制作難度較小，周期較短。

4.3 關(guān)鍵技術(shù)解決途徑

裝卸作業(yè)流程仿真技術(shù)解決途徑有3 個(gè)。1）充分調(diào)研和分析智能港口及碼頭裝卸系統(tǒng)架構(gòu)和裝卸設(shè)備組成，研究、梳理出裝卸系統(tǒng)所要監(jiān)測(cè)的設(shè)備狀態(tài)及參數(shù)。2）研究系統(tǒng)組網(wǎng)、設(shè)備控制接口、指令信號(hào)處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集。3）開(kāi)展設(shè)備流數(shù)據(jù)處理技術(shù)、并行批處理技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析技術(shù)的研究，通過(guò)技術(shù)整合，實(shí)現(xiàn)碼頭裝卸系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

裝卸作業(yè)調(diào)度優(yōu)化技術(shù)解決途徑有5 個(gè)。1） 對(duì)調(diào)度過(guò)程中需要用到的相關(guān)算法優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，研究出系統(tǒng)適用的最優(yōu)算法。2） 對(duì)調(diào)度過(guò)程中遇到的具體問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)裝卸設(shè)備的移動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行分析建模，結(jié)合調(diào)度過(guò)程中的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)整個(gè)自動(dòng)化集裝箱碼頭的調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化。3）根據(jù)優(yōu)化模型進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，給出具體實(shí)現(xiàn)步驟，并驗(yàn)證算法的正確性及可行性。4）搭建仿真驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的調(diào)度算法進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化完善調(diào)度決策算法。5）根據(jù)上述的驗(yàn)證結(jié)果，為設(shè)備的管理以及運(yùn)營(yíng)層提供數(shù)字化、科學(xué)化的優(yōu)化方法和管理建議。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)半物理仿真的應(yīng)用進(jìn)行歸納總結(jié)可知，當(dāng)前半物理仿真在智能碼頭領(lǐng)域的應(yīng)用不多。半物理仿真的優(yōu)勢(shì)就是能夠把數(shù)字仿真的靈活性和物理仿真的精確性相結(jié)合，有助于解決當(dāng)前碼頭建設(shè)的成本高、周期長(zhǎng)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題，伴隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，半物理仿真技術(shù)在港口行業(yè)的應(yīng)用肯定會(huì)越來(lái)越廣泛。