一種自動化集裝箱碼頭仿真方法的研究

宓 超，唐榮康，沈一帆

(上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306)

1 引言

傳統(tǒng)碼頭在調(diào)試過程中，主要針對一些集裝箱碼頭裝卸流程，裝卸設(shè)備的PLC邏輯進(jìn)行優(yōu)化，以滿足集裝箱碼頭正常工作。其中工作人員可以接受碼頭作業(yè)系統(tǒng)(Terminal Operation System，TOS)發(fā)送的作業(yè)指令，去調(diào)度碼頭設(shè)備工作。當(dāng)碼頭設(shè)備出現(xiàn)PLC故障時(shí)，如限位失靈，吊具起升失速故障等問題時(shí)，工作人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決。

但是港口吞吐量的不斷增大，傳統(tǒng)的人工操作已經(jīng)無法滿足需求，碼頭自動化系統(tǒng)取代了碼頭工作人員。其中包碼頭自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵是設(shè)備調(diào)度管理和控制系統(tǒng)(Equipment Control System，ECS)。如世界上最大的重型裝備制造廠商上海振華重工集團(tuán)研發(fā)的ECS系統(tǒng)包括設(shè)備管理層：ECS-MS(Management System，MS)和ECS-ACCS(Automated Crane Control System，ACCS)。ECS-MS主要負(fù)責(zé)調(diào)度管理各類設(shè)備。根據(jù)作業(yè)設(shè)備的不同分為岸橋管理系統(tǒng)(Quay Crane System，QCMS)、堆場管理系統(tǒng)(Block Management System，BMS)。ECS-ACCS負(fù)責(zé)接收來自ECS-MS的指令將其拆分成具體的步驟發(fā)送給設(shè)備的PLC，包括岸橋自動控制系統(tǒng)(QC ACCS)、軌道吊自動控制系統(tǒng)(ARMG ACCS)[1，2]。其它如集裝箱箱號識別系統(tǒng)(Optical Character Recognition，OCR)[3]，集卡引導(dǎo)系統(tǒng)(Chassis Position System，CPS)[4]等碼頭子系統(tǒng)與ECS系統(tǒng)相互配合，實(shí)現(xiàn)碼頭的運(yùn)作。

因此自動化碼頭在正式運(yùn)作前，需要對其自動化系統(tǒng)進(jìn)行大量調(diào)試。這一過程不僅需要碼頭人員和碼頭設(shè)備的配合，而且在優(yōu)化ECS系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)的行為，需要對設(shè)備以及子系統(tǒng)進(jìn)行故障的注入，這在一定程度上會造成設(shè)備的損壞，對于集裝箱碼頭所需的代價(jià)是巨大的?？紤]到以上問題，所以采用仿真技術(shù)的方法來解決。

近年來，仿真技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)生了許多專業(yè)的仿真軟件。其中應(yīng)用在集裝箱港口碼的軟件功能與特點(diǎn)如表1所示。

表1 港口仿真軟件介紹

研究人員利用這些專業(yè)的仿真軟件設(shè)計(jì)和評估碼頭各項(xiàng)性能，如楊曉明，宓為建[5]等人通過仿真軟件設(shè)計(jì)驗(yàn)證一種新的碼頭運(yùn)輸方式。Kulak，O，Polat，O[6]等人通過仿真軟件仿真一個(gè)建成已久的土耳其碼頭的模型，確定碼頭發(fā)展的瓶頸所在。廖二泉，高天佑[7]等人利用FlexTerm仿真軟件，建立了青島自動化碼頭的仿真模型對裝卸工藝系統(tǒng)進(jìn)行評估優(yōu)化。汪鋒，陶德馨[8]利用witness仿真軟件研究了一定吞吐量情況下合理泊位數(shù)的配備和在一定泊位數(shù)的情況下岸橋起重機(jī)的合理調(diào)度情況。

利用仿真軟件的方法，都可以仿真碼頭流程層面，但是由于碼頭作業(yè)環(huán)境相對比較惡劣，會發(fā)生許多故障，這些軟件無法結(jié)合具體的故障行為分析碼頭自動化系統(tǒng)存在的問題，同時(shí)給供外界端口有限，無法有效的接入到實(shí)際的碼頭自動化系統(tǒng)環(huán)境下。為此提出一種故障注入的半實(shí)物仿真方法。

2 故障注入半實(shí)物仿真方法描述

由于利用專業(yè)仿真軟件的方法，無法解決以上問題，所以提出一種半實(shí)物仿真方法。

實(shí)物部分由碼頭現(xiàn)場的實(shí)際自動化系統(tǒng)以及真實(shí)的故障注入模塊。仿真部分主要為碼頭的執(zhí)行底層執(zhí)行設(shè)備和整體碼頭環(huán)境。碼頭的執(zhí)行設(shè)備作為虛擬的對象接收來自實(shí)際碼頭系統(tǒng)的指令。

整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。集裝箱的裝卸信息作為TOS系統(tǒng)的輸入。這些作業(yè)任務(wù)信息包含集裝箱的起始位置、目標(biāo)位置箱型、箱號等信息，儲存在數(shù)據(jù)庫中。ECS系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中讀取這些裝卸任務(wù)信息，管理調(diào)度碼頭設(shè)備。任務(wù)信息分解為設(shè)備機(jī)構(gòu)對應(yīng)的動作，這些動作有后續(xù)的PLC執(zhí)行。

PLC信號發(fā)送給仿真內(nèi)部的岸橋起重機(jī)仿真模型和場橋起重機(jī)模型。CPS系統(tǒng)引導(dǎo)內(nèi)外集卡模型到達(dá)指定位置。OCR系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成對箱號模型的識別，并將識別結(jié)果信息發(fā)送給ECS，用于確認(rèn)是否為作業(yè)箱號。

圖1 系統(tǒng)整體框架

3 仿真構(gòu)建

利用上述仿真方法以國內(nèi)某港口為例建立仿真模型。其主要包括兩個(gè)方面。仿真模型的建立和仿真模型的控制邏輯。

3.1 仿真模型建立

仿真模型的建立，按照一比一的比例建立包括堆場，閘口，船舶，車道等模型。如圖2所示，岸線長度為634米，堆場有20個(gè)箱區(qū)，場橋數(shù)量為20個(gè)，岸橋數(shù)量為4個(gè)。以及25輛內(nèi)集卡和25輛外集卡。岸橋和場橋主體由三個(gè)部分組成：大車機(jī)構(gòu)，小車機(jī)構(gòu)和吊具起升機(jī)構(gòu)。主要負(fù)責(zé)將集裝箱從船舶裝卸到碼頭，場橋起重機(jī)，用于堆場內(nèi)集裝箱的搬運(yùn)，內(nèi)外集卡負(fù)責(zé)碼頭內(nèi)和碼頭與外界集裝箱的運(yùn)輸。

圖2 主要設(shè)備區(qū)域布置圖

3.2 仿真模型的控制邏輯

集裝箱碼頭主要有裝船、卸船、集港、提箱任務(wù)[9]。裝船任務(wù)中，堆場中的集裝箱運(yùn)輸裝卸到集裝箱船；卸船任務(wù)中，船舶上集裝箱裝卸運(yùn)輸至堆場中；集港任務(wù)中，外部集裝箱運(yùn)輸至堆場中；提箱任務(wù)中，集裝箱由堆場運(yùn)輸至外部。這些任務(wù)都需要碼頭設(shè)備配合。因此仿真中設(shè)備的控制邏輯依據(jù)所執(zhí)行的碼頭任務(wù)編寫。

岸橋控制邏輯：岸橋起重機(jī)主要負(fù)責(zé)裝卸船任務(wù)。ECS-MS中的岸橋管理系統(tǒng)(Quay Crane Management System，QC-MS)從數(shù)據(jù)庫中讀取裝卸信息，分解成自動化作業(yè)指令發(fā)送給QC-ACCS，QC-ACCS將指令轉(zhuǎn)化為岸橋起重機(jī)的機(jī)構(gòu)對應(yīng)的動作，發(fā)送給PLC，PLC信號發(fā)送給仿真模型，仿真模型通過內(nèi)部的接口將PLC信號接收，驅(qū)動岸橋起重機(jī)模型運(yùn)動的內(nèi)部腳本開始執(zhí)行，岸橋大車，小車，和吊具在內(nèi)部腳本的驅(qū)動下進(jìn)行裝卸船動作。仿真內(nèi)部實(shí)時(shí)將岸橋各個(gè)機(jī)構(gòu)的位置、狀態(tài)信息返回給PLC，PLC實(shí)時(shí)反饋狀態(tài)信息給ECS。

場橋控制邏輯：場橋起重機(jī)主要負(fù)責(zé)裝船、卸船、集港、提箱。ECS-MS中的堆場管理系統(tǒng)(Block Management System)從數(shù)據(jù)庫中讀取裝卸信息，分解成自動化作業(yè)指令發(fā)送給ARMG-ACCS，ARMG-ACCS將指令轉(zhuǎn)化為場橋起重機(jī)的機(jī)構(gòu)對應(yīng)的動作，發(fā)送給PLC，PLC信號發(fā)送給場橋仿真模型，仿真模型通過內(nèi)部的接口將PLC信號接收，驅(qū)動場橋模型運(yùn)動的內(nèi)部腳本開始執(zhí)行，場橋大車，小車，和吊具在內(nèi)部腳本的驅(qū)動下進(jìn)行裝卸集裝箱動作。仿真內(nèi)部實(shí)時(shí)將場橋各個(gè)機(jī)構(gòu)的位置、狀態(tài)信息返回給PLC，PLC實(shí)時(shí)反饋狀態(tài)信息給ECS。

集卡控制邏輯：內(nèi)集卡主要負(fù)責(zé)是裝船任務(wù)，卸船任務(wù)。TOS系統(tǒng)激活仿真系統(tǒng)的集卡，內(nèi)集卡在內(nèi)部腳本的驅(qū)動下行駛到指定岸橋下。在裝船任務(wù)中，內(nèi)集卡負(fù)責(zé)將集裝箱從堆場運(yùn)輸?shù)桨稑蛳?，在與岸橋起重機(jī)握手后，由岸橋起重機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到集裝箱船。卸船任務(wù)中，內(nèi)集卡從岸橋起重機(jī)得到集裝箱，將其運(yùn)輸?shù)蕉褕鲋小７抡鎯?nèi)部實(shí)時(shí)將內(nèi)集卡狀態(tài)位置信息反饋給ECS系統(tǒng)。外集卡在內(nèi)部腳本的驅(qū)動下行駛到指定場橋下，在與場橋握手后，由場橋起重機(jī)裝卸集裝箱。

4 故障注入

4.1 故障注入方案設(shè)計(jì)

碼頭的底層設(shè)備和子系統(tǒng)，在發(fā)生故障時(shí)，影響整個(gè)集裝箱碼頭的效率。如何在故障發(fā)生時(shí)，最低程度上降低故障帶來的影響考驗(yàn)碼頭的ECS系統(tǒng)。所以在該案例中加入故障注入機(jī)制，對子系統(tǒng)和底層的PLC[10]進(jìn)行故障注入。

針對集裝箱碼頭作業(yè)時(shí)子系統(tǒng)與PLC發(fā)生的故障實(shí)例進(jìn)行編號。本文就碼頭的16個(gè)常見故障實(shí)例定義故障編號，如表2所示。同時(shí)給所有碼頭的裝卸運(yùn)輸設(shè)備編號：b1～b4代表岸橋大車，c1～c4岸橋小車，d1～d4代表岸橋吊具，e1～e18代表堆場起重機(jī)大車，h1～h18代表堆場起重機(jī)小車，k1～k18代表堆場起重機(jī)吊具，l1～l25代表的內(nèi)集卡，r1～r25代表外集卡x1～x8為四臺岸橋下的OCR相機(jī)，x9～x46代表的為18臺場橋下的OCR相機(jī)，y1～y8代表的四臺岸橋下CPS相機(jī)，y9～y46為場橋下的CPS相機(jī)。配置故障四元組[11，12]參數(shù)

{fidi，bt，et，eidi}

其中fidi代表的故障編號，bt代表的故障開始時(shí)間，et代表的是故障結(jié)束時(shí)間，eidi代表的設(shè)備編號。

如表2所示，常見的故障實(shí)例用相應(yīng)的故障編號表示。

表2 常見故障編號

5 實(shí)驗(yàn)分析

利用本文所描述的仿真方法以國內(nèi)某碼頭為案例，接入優(yōu)化前碼頭自動化系統(tǒng)，在故障注入下，觀測內(nèi)部的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。

5.1 仿真環(huán)境

操作系統(tǒng)：windows操作系統(tǒng)

硬件環(huán)境： 一臺CPU型號為Inetel Core I9-10850K，運(yùn)行內(nèi)存16G和500GB SSD硬盤的計(jì)算機(jī)

5.2 仿真設(shè)置

場橋起重機(jī)在碼頭的裝卸船，集港提箱任務(wù)中都起到重要作用。本文對場橋的PLC系統(tǒng)和子系統(tǒng)進(jìn)行故障的注入，在仿真中統(tǒng)計(jì)故障注入下碼頭的指標(biāo)。結(jié)合注入故障現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，在裝卸船任務(wù)中，當(dāng)一個(gè)或者多個(gè)場橋發(fā)生故障時(shí)，堆場出內(nèi)集卡會發(fā)生堆積現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致岸橋的裝卸效率下降。所以裝卸船任務(wù)中選擇岸橋的裝卸船的效率為觀測指標(biāo)。集港，提箱任務(wù)，當(dāng)注入場橋的故障時(shí)，外集卡會等待場橋作業(yè)。所以集箱提箱任務(wù)中選擇外集卡平均等待時(shí)間指標(biāo)為觀測指標(biāo)

每次仿真時(shí)長24個(gè)小時(shí)。場橋在7h時(shí)和19h時(shí)的注入故障，仿真次數(shù)為20次。通過設(shè)置船舶需要的作業(yè)箱量以及外集卡到達(dá)時(shí)間間隔負(fù)指數(shù)分布的λ設(shè)置兩種碼頭忙碌程度。仿真初始設(shè)置如表3所示，20次注入的故障編號如表4所示。

表3 仿真初始輸入設(shè)置

表4 常見故障注入編號

5.3 仿真結(jié)果

優(yōu)化前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3-7所示，在普通狀態(tài)下，如圖3所示，裝卸船任務(wù)未注入故障時(shí)，20次仿真結(jié)果岸橋平均裝船效率約為25TEU/h左右，卸船效率約為28TEU/h，故障注入后20次仿真結(jié)果岸橋平均裝船效率下降為14TEU/h左右，卸船效率下降為15TEU/h。故障注入下，平均每臺岸橋的效率下降約50%。如圖4所示，普通狀態(tài)下的集港，提箱任務(wù)中，在未注入故障時(shí)外集卡等待時(shí)間為420s左右，故障注入后外集卡平均等待時(shí)間為530s左右，等待時(shí)間上升25%。當(dāng)設(shè)置成繁忙狀態(tài)時(shí)，如圖5和圖6，故障注入時(shí)，在四種任務(wù)中，裝卸船任務(wù)岸橋效率下降64%。集箱，提箱任務(wù)外集卡等待時(shí)間上升28%。

圖3 普通狀態(tài)下的岸橋裝卸船任務(wù)效率

圖4 普通狀態(tài)下的集箱提箱外集卡等待時(shí)間

圖5 繁忙狀態(tài)下的岸橋裝卸船任務(wù)效率

圖6 繁忙狀態(tài)下的進(jìn)提箱外集卡等待時(shí)間

針對以上這種情況，需要在ECS系統(tǒng)中增加判斷機(jī)制，針對在場橋發(fā)生故障時(shí)，分配無故障的場橋完成作業(yè)。優(yōu)化后如圖7-10所示，普通狀態(tài)下在故障注入時(shí)，岸橋作業(yè)效率未出現(xiàn)明顯的下降，外集卡等待時(shí)間未出現(xiàn)明顯的上升。對于繁忙狀態(tài)下的作業(yè)，裝卸船任務(wù)時(shí)，岸橋的的作業(yè)效率出現(xiàn)小幅度的下降，下降程度為28%。集箱，提箱任務(wù)，外集卡等待時(shí)間上升10%。比優(yōu)化前的有明顯的好轉(zhuǎn)。

圖7 優(yōu)化后普通狀態(tài)下的岸橋裝卸船任務(wù)效率

圖8 優(yōu)化后普通狀態(tài)下外集卡等待時(shí)間

圖9 優(yōu)化后繁忙狀態(tài)下的岸橋裝卸船任務(wù)效率

圖10 優(yōu)化后繁忙狀態(tài)下的進(jìn)提箱外集卡等待時(shí)間

該實(shí)驗(yàn)在本文提出的仿真方法下以國內(nèi)某碼頭為例，調(diào)試該碼頭的自動化系統(tǒng)。無需碼頭設(shè)備和用戶的配合，在一臺計(jì)算機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)自動化系統(tǒng)邏輯的修改和驗(yàn)證，縮短了調(diào)試優(yōu)化周期，降低了成本。

6 總結(jié)與展望

本文提出一種半實(shí)物仿真方法，即使用仿真手段實(shí)現(xiàn)自動化系統(tǒng)與設(shè)備分離。利用該方法，以國內(nèi)某碼頭為例，搭建該碼頭的仿真環(huán)境，接入碼頭自動化系統(tǒng)，在故障注入下，該自動化系統(tǒng)優(yōu)化前和優(yōu)化后輸出統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的變化說明，該方法可以用于碼頭自動化系統(tǒng)的調(diào)試。解決了傳統(tǒng)碼頭在現(xiàn)場調(diào)試周期長調(diào)試成本高的問題，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)人員不在碼頭現(xiàn)場也可以調(diào)試碼頭自動化系統(tǒng)。

該方法以國內(nèi)某個(gè)碼頭為例進(jìn)行仿真建模，對于其它碼頭自動化碼頭系統(tǒng)的調(diào)試可以參照上述方法。在未來也可以接入更多的碼頭自動化系統(tǒng)，用于測試和完善系統(tǒng)。