自動化集裝箱碼頭TOS—ECS接口研究

姜作飛 閆廣利 孫佳隆

摘 要：自動化集裝箱碼頭TOS-ECS集成缺乏成熟的接口標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范的接口有利于降低軟件開發(fā)維護的時間和成本。該文對TOS-ECS接口技術(shù)進行研究，首先介紹自動化集裝箱碼頭的軟件系統(tǒng)架構(gòu)，然后介紹目前TOS與ECS接口通信的主流實現(xiàn)技術(shù)，并對各類接口技術(shù)進行分析比較，總結(jié)接口數(shù)據(jù)內(nèi)容與格式，最后介紹數(shù)據(jù)庫設(shè)計原則，描述數(shù)據(jù)庫建表、測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、AnyLogic仿真測試等接口設(shè)計與驗證過程，為TOS和ECS開發(fā)者在設(shè)計接口時提供參考。

關(guān)鍵詞：自動化集裝箱碼頭；設(shè)備控制系統(tǒng)；接口；數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TP311.5 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

自動化集裝箱碼頭具有作業(yè)效率高、安全可靠性高、環(huán)境污染小、節(jié)約人力等優(yōu)點，是目前各集裝箱碼頭的發(fā)展趨勢。自動化集裝箱碼頭實現(xiàn)自動化作業(yè)，離不開碼頭操作系統(tǒng)（TOS）和設(shè)備控制系統(tǒng)（ECS）的密切配合，作為2個獨立的異構(gòu)系統(tǒng)，TOS與ECS的信息交換依賴于接口通信。規(guī)范的接口有利于降低各種自動化軟件開發(fā)維護的時間和成本、提高軟件兼容性。然而，作為傳統(tǒng)行業(yè)，自動化碼頭中相關(guān)的軟件技術(shù)較為封閉，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也并不成熟，該文對主流接口技術(shù)進行介紹，并闡述數(shù)據(jù)庫方式接口的設(shè)計原則、設(shè)計過程。

1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

碼頭自動化系統(tǒng)通常包括TOS（碼頭操作系統(tǒng)）、上層ECS（設(shè)備調(diào)度管理系統(tǒng)）、下層ECS（設(shè)備控制系統(tǒng)）、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、通信交互單元、單機控制系統(tǒng)、自動化裝卸設(shè)備，完整的系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

其中ECS是監(jiān)控和控制自動化碼頭設(shè)備級所有事件和過程的軟件，特別是在協(xié)調(diào)不同類型自動化設(shè)備之間的交互時，ECS是碼頭軟件環(huán)境中必不可少的一部分。ECS一般由自動化供應(yīng)商或裝卸設(shè)備制造商提供。TOS軟件負(fù)責(zé)整個碼頭的邏輯控制，包括關(guān)鍵功能，象船舶計劃、集裝箱庫存維護、工作指令生成和閘口操作。TOS軟件通常由商業(yè)公司或碼頭運營商自己提供。TOS負(fù)責(zé)根據(jù)最高效的作業(yè)順序發(fā)布任務(wù)指令，告知ECS箱區(qū)作業(yè)任務(wù)的起點、終點。ECS根據(jù)TOS指令自動規(guī)劃機械設(shè)備的運行路線并控制設(shè)備運行，指揮設(shè)備完成作業(yè)，同時反饋相關(guān)作業(yè)任務(wù)的操作狀態(tài)及結(jié)果給TOS。ECS與TOS的關(guān)系和制造企業(yè)的MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）與ERP（企業(yè)資源計劃系統(tǒng)）的關(guān)系類似。

由于系統(tǒng)提供者商業(yè)戰(zhàn)略、技術(shù)特點、開發(fā)人員數(shù)量等因素的不同，TOS、ECS的功能范圍會有差別，象Navis的TOS包括設(shè)備調(diào)度優(yōu)化功能，煙臺華東電子將調(diào)度優(yōu)化抽象為ATEC軟件，ABB的ECS可以支持設(shè)備選擇、路徑選擇。

2 主流TOS-ECS接口技術(shù)

2.1 TOS-ECS接口通信架構(gòu)方式

目前全球市場應(yīng)用最廣泛的自動化集裝箱碼頭ECS和TOS軟件產(chǎn)品分別來自TBA和Navis，國內(nèi)有較好應(yīng)用案例的是振華重工和煙臺華東電子有限公司。Navis的TOS產(chǎn)品N4基于J2EE開發(fā)，支持關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫或JMS異步消息方式的ECS接口，提供數(shù)據(jù)庫接口與TBA的ECS產(chǎn)品TEAMS對接，提供JMS接口與卡爾瑪?shù)腅CS產(chǎn)品TLS對接。振華重工從2006年開始開發(fā)ECS配套軟件，并在廈門遠(yuǎn)海碼頭項目中首次應(yīng)用，遠(yuǎn)海項目采用消息隊列+WebService技術(shù)實現(xiàn)與煙臺華東電子CiTOS的接口通信，ECS調(diào)用TOS的WebService服務(wù)獲取任務(wù)信息，TOS調(diào)用ECS的WebService服務(wù)獲取ECS返回的結(jié)果信息。煙臺華東電子提取TOS和ECS的部分功能做成ATEC產(chǎn)品，ATEC提供了多種接口方式與ECS對接：WebService、HTTP接口、socket、消息隊列。PEMA（港口設(shè)備生產(chǎn)協(xié)會）聯(lián)合控制系統(tǒng)提供商、TOS提供商和港機制造商象ABB、Siemens、Navis、TBA、Kalmar等成立接口標(biāo)準(zhǔn)化小組，并于2014年完成TOS與ECS接口規(guī)范文檔，文檔中提出現(xiàn)有系統(tǒng)中ECS接口架構(gòu)方案分為消息傳遞和共享數(shù)據(jù)庫2種。

綜上所述，ECS接口通信架構(gòu)方式主要分為共享數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程服務(wù)調(diào)用（WebService）、消息中間件（MQ，即Message Queue）3類。

2.2 各通信架構(gòu)方式比較分析

2.2.1 數(shù)據(jù)庫共享數(shù)據(jù)方式

2個系統(tǒng)A、B通過連接同一個數(shù)據(jù)庫，操作同一張表來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。當(dāng)系統(tǒng)A請求系統(tǒng)B處理數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)A插入一條數(shù)據(jù)，系統(tǒng)B查詢讀取系統(tǒng)A插入的數(shù)據(jù)進行處理，反之亦然。

優(yōu)點：使用同一數(shù)據(jù)庫，交互簡單；方便記錄狀態(tài)、時間戳等。

缺點：要避免數(shù)據(jù)表無限擴大。2套系統(tǒng)同時操作可能發(fā)生沖突，象行鎖、表鎖和查詢等待。

2.2.2 WebService

WebService是一種跨編程語言和跨操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程調(diào)用技術(shù)，通過本地客戶端調(diào)用遠(yuǎn)程服務(wù)器上的方法，來實現(xiàn)軟件系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。

優(yōu)點：跨平臺、跨語言。

缺點：請求應(yīng)答及同步調(diào)用時，存在堵塞問題，客戶端發(fā)送請求后，要等待服務(wù)端返回信息。

2.2.3 消息隊列

消息隊列MQ的應(yīng)用場景是交互雙方“生產(chǎn)”和“消費”的速度或穩(wěn)定性等性能不一致，作為抽象層，消息隊列彌合雙方的差異，多用于構(gòu)建分布式互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。消息隊列常用的公共名詞包括消息（Message）、話題（Topic）、生產(chǎn)者（Producer）和消費者（Consumer）。

消息隊列與WebService相比，多了Broker集群，生產(chǎn)者把指定話題的消息發(fā)布到Broker集群，Broker集群會對消息做持久化，消費者從Broker集群訂閱指定話題的消息。TOS-ECS接口會維護TOS請求隊列與ECS結(jié)果隊列2個隊列服務(wù)，TOS請求隊列的生產(chǎn)者在TOS，消費者在ECS，ECS結(jié)果隊列生產(chǎn)者在ECS，消費者在TOS。

優(yōu)點：1）實現(xiàn)系統(tǒng)解耦。2）以異步方式運行，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。3）實現(xiàn)削峰，并發(fā)量大時允許消息隊列積壓。

缺點：1）多了一個消息隊列系統(tǒng)，系統(tǒng)可用性降低。2）系統(tǒng)復(fù)雜性增加，象需要考慮一致性問題、重復(fù)消費問題。

通過對3種通信方式的優(yōu)缺點分析，可以發(fā)現(xiàn)使用數(shù)據(jù)庫方式實現(xiàn)相對簡單，消息隊列方式適合高并發(fā)場景，WebService方式需要在通信雙方分別開發(fā)不同接口、存在同步調(diào)用阻塞問題。自動化集裝箱碼頭真實生產(chǎn)場景中TOS與ECS系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)量小，采用數(shù)據(jù)庫方式是最佳選擇。

2.3 TOS-ECS接口數(shù)據(jù)內(nèi)容與格式

TOS發(fā)往ECS的是作業(yè)指令，ECS發(fā)往TOS的是作業(yè)狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)。

（1）作業(yè)指令：主要包括新作業(yè)指令、取消或更新作業(yè)指令、翻箱命令、重試命令等。作業(yè)指令可以指定裝卸設(shè)備，也可以不指定裝卸設(shè)備?？梢园错樞虬l(fā)布多條工作指令來創(chuàng)建作業(yè)列表，要么針對特定裝卸設(shè)備，要么由裝卸設(shè)備自由選擇作業(yè)列表。

（2）作業(yè)狀態(tài)：包括啟動/結(jié)束一條具體任務(wù)、激活一條任務(wù)、接近抓箱/放箱位置、集裝箱抓箱/放箱動作、OCR識別集裝箱、請求取箱/放箱位置（象翻箱動作）、集裝箱落位（象OCR拍攝平臺）、鎖頭仍處于閉合狀態(tài)，等待進一步動作、任務(wù)指令錯誤等。

（3）設(shè)備狀態(tài)：裝卸設(shè)備報告他們的常規(guī)狀態(tài)，不管他們是否在執(zhí)行作業(yè)。象定時“心跳”監(jiān)控、裝卸設(shè)備位置和可用性信息、請求新的作業(yè)命令。

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以是ASCII字符或二進制數(shù)據(jù)的形式。PEMA標(biāo)準(zhǔn)提供了3種實現(xiàn)方案：XML，SQL，二進制消息。數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議也可以自定義，象ABB公司定義了AALP（ABB應(yīng)用層協(xié)議），規(guī)定好消息頭、消息體，通過Socket通信方式收發(fā)數(shù)據(jù)，按AALP開發(fā)的TOS軟件可以與ABB的設(shè)備控制系統(tǒng)通信。

3 TOS-ECS數(shù)據(jù)庫接口設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計原則

自動化集裝箱碼頭裝卸作業(yè)流程主要包括裝船作業(yè)、卸船作業(yè)、提箱作業(yè)、收箱作業(yè)、移箱作業(yè)。生產(chǎn)作業(yè)過程包括岸橋裝卸、水平搬運、場橋堆碼3個環(huán)節(jié)。TOS-ECS接口數(shù)據(jù)庫設(shè)計要覆蓋所有作業(yè)流程、作業(yè)環(huán)節(jié)必要的交換信息。TOS與ECS交互的內(nèi)容需要包括堆場地圖信息、作業(yè)任務(wù)、作業(yè)任務(wù)狀態(tài)、裝卸設(shè)備狀態(tài)。堆場地圖信息包括所有場箱位的集裝箱信息。作業(yè)任務(wù)要指定抓箱位置、放箱位置、要操作的集裝箱編號。作業(yè)任務(wù)狀態(tài)保存作業(yè)執(zhí)行進度。裝卸設(shè)備狀態(tài)包括設(shè)備控制模式、設(shè)備位置。即數(shù)據(jù)庫至少要包括堆場地圖表，作業(yè)任務(wù)表，設(shè)備狀態(tài)表。

（1）堆場地圖表：按實際堆場規(guī)格保存每一個場箱位的集裝箱信息，以箱區(qū)號、貝號、排號、層號為主鍵，集裝箱信息包括集裝箱編號、類型、重量、箱門朝向。

（2）作業(yè)任務(wù)表：以任務(wù)編號為主鍵，當(dāng)前執(zhí)行狀態(tài)（新建、開始、完成、錯誤、取消等）、集裝箱編號、作業(yè)的起點位置、終點位置、起點類型、終點類型，優(yōu)先級、執(zhí)行本條作業(yè)任務(wù)的裝卸設(shè)備編號、集裝箱在拖車上的位置和箱門朝向。

（3）裝卸設(shè)備狀態(tài)表：以設(shè)備編號為主鍵，當(dāng)前設(shè)備執(zhí)行的作業(yè)任務(wù)編號，設(shè)備操作模式、機械狀態(tài)，設(shè)備的位置。

此外數(shù)據(jù)庫設(shè)計還包括以下要點：表之間的外鍵引用關(guān)系，各字段取值范圍、命名規(guī)則、編號規(guī)則，各字段讀寫權(quán)限分配，數(shù)據(jù)類型，表及字段命名要與行業(yè)術(shù)語一致，各表必須包括創(chuàng)建時間、更新時間字段。

3.2 數(shù)據(jù)庫接口設(shè)計與驗證過程

結(jié)合某碼頭實際數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)庫設(shè)計及接口測試，以下是接口設(shè)計、驗證的過程。

（1）數(shù)據(jù)庫建模：采用PowerDesigner工具建模，完成表名、字段名、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度、主鍵、外鍵引用、字段是否為空的定義，然后導(dǎo)出Oracle SQL文件，用SQL Developer導(dǎo)入Oracle數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建。

（2）測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：測試數(shù)據(jù)依據(jù)實際項目的堆場布局、設(shè)備配置來設(shè)計，象箱區(qū)數(shù)量、貝位數(shù)、排數(shù)、層數(shù)、設(shè)備數(shù)量，根據(jù)作業(yè)流程設(shè)計不同的測試數(shù)據(jù)。不同表的測試數(shù)據(jù)分別填在Excel文件不同的Sheet中。為簡化數(shù)據(jù)導(dǎo)入工作，用Winform實現(xiàn)一個導(dǎo)入工具。用NPOI類庫操作Excel，從文件中讀入各Sheet頁各單元格內(nèi)容。Oracle.ManagedDataAccess.dll操作Oracle數(shù)據(jù)庫。Excel文件sheetname與數(shù)據(jù)庫表名稱一致，表頭與數(shù)據(jù)庫表的各字段名一致，讀取各Sheet各單元格內(nèi)容，按字段名及表名拼接為SQL語句，執(zhí)行SQL語句導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。導(dǎo)入前禁用外鍵，完成導(dǎo)入后再啟用外鍵，均在代碼中用SQL實現(xiàn)。

（3）仿真驗證：采用AnyLogic仿真工具進行多智能體仿真，繪制堆場、船舶、岸橋、AGV、場橋智能體模型，并為智能體添加相關(guān)屬性、方法，編寫業(yè)務(wù)邏輯代碼，與Oracle數(shù)據(jù)庫連接，用數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真模型執(zhí)行作業(yè)任務(wù)，并用圖表展示測試結(jié)果。

4 結(jié)語

設(shè)計良好的TOS-ECS接口對自動化集裝箱碼頭的軟件集成具有非常關(guān)鍵的作用。該文首先介紹了自動化碼頭軟件架構(gòu)，然后總結(jié)了目前主流的接口技術(shù)，并對各種接口技術(shù)進行分析比較，最后介紹了TOS-ECS數(shù)據(jù)庫設(shè)計原則、接口設(shè)計與驗證過程。

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