徐建峰+邊志成+宓為建

自動(dòng)化集裝箱碼頭解決方案項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱“總包項(xiàng)目”）是軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)集成項(xiàng)目。按照傳統(tǒng)的項(xiàng)目實(shí)施方法，這類項(xiàng)目需要先后經(jīng)歷2個(gè)串行的實(shí)施階段：第一階段由硬件制造和控制軟件開發(fā)2項(xiàng)并行的活動(dòng)組成，第二階段僅包含系統(tǒng)調(diào)試活動(dòng)。本文針對(duì)總包項(xiàng)目的特點(diǎn)，將設(shè)備模擬器引入總包項(xiàng)目，并提出設(shè)備模擬器的有限狀態(tài)機(jī)模型和軟件實(shí)現(xiàn)方法，使總包項(xiàng)目第二階段活動(dòng)的部分工作前移，從而達(dá)到縮短項(xiàng)目工期的目的。

1 概述

（1）總包項(xiàng)目的主要活動(dòng)和實(shí)施流程 自動(dòng)化集裝箱碼頭的日常作業(yè)和運(yùn)營(yíng)通常是在碼頭管理信息系統(tǒng)的指揮下，通過(guò)控制軟件操控自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。在總包項(xiàng)目中，乙方需要提供自動(dòng)化設(shè)備和控制軟件，并保證自動(dòng)化設(shè)備、控制軟件和碼頭管理信息系統(tǒng)能夠協(xié)同配合完成作業(yè)?？偘?xiàng)目的

主要活動(dòng)包括硬件制造、控制軟件開發(fā)和系統(tǒng)調(diào)試等，其中系統(tǒng)調(diào)試又分為單機(jī)調(diào)試、多機(jī)調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等3個(gè)步驟。按照傳統(tǒng)的項(xiàng)目實(shí)施方法，總包項(xiàng)目的實(shí)施由2個(gè)階段串聯(lián)而成，其中，第二階段的系統(tǒng)調(diào)試活動(dòng)必須在第一階段的硬件制造和控制軟件開發(fā)活動(dòng)完成之后進(jìn)行（見(jiàn)圖1）。

（2）設(shè)備模擬器 設(shè)備模擬器主要用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行軟件模擬。對(duì)控制軟件而言，設(shè)備模擬器的接口應(yīng)與真實(shí)設(shè)備的接口相同；給予同樣的指令后，設(shè)備模擬器的反饋應(yīng)與真實(shí)設(shè)備的反饋相似。將設(shè)備模擬器引入總包項(xiàng)目后，系統(tǒng)調(diào)試活動(dòng)中的單機(jī)調(diào)試和多機(jī)調(diào)試能夠提前至項(xiàng)目第一階段與控制軟件開發(fā)活動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，從而為縮短項(xiàng)目第二階段的實(shí)施時(shí)間創(chuàng)造條件。為開發(fā)可供調(diào)試使用的設(shè)備模擬器，需要采用合適的模型設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)方法。

（3）有限狀態(tài)機(jī) 有限狀態(tài)機(jī)是一種針對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，能夠?qū)ο到y(tǒng)在有限狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移行為以及系統(tǒng)在狀態(tài)變化時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)作行為進(jìn)行描述。有限狀態(tài)機(jī)模型適合描述狀態(tài)敏感的系統(tǒng)：這類系統(tǒng)具有有限種可能的狀態(tài)，并且其狀態(tài)變化由輸入推動(dòng)；系統(tǒng)的輸出時(shí)間與輸入時(shí)間有關(guān)，輸出內(nèi)容則取決于輸出時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)。[1]根據(jù)系統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)模型，能夠推算出有限狀態(tài)機(jī)模型的輸入-輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系，且這種對(duì)應(yīng)關(guān)系與系統(tǒng)的輸入-輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系一致。由于具有以上特性，有限狀態(tài)機(jī)模型可以作為針對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)，用于要求真實(shí)系統(tǒng)的場(chǎng)合，例如對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的測(cè)試[2-4]以及基于真實(shí)系統(tǒng)的軟件開發(fā)和測(cè)試[5-9]等。

2 自動(dòng)化集裝箱碼頭設(shè)備模擬器的有限

狀態(tài)機(jī)模型設(shè)計(jì)

自動(dòng)化集裝箱碼頭的主要設(shè)備包括雙小車岸橋（double-trolley quayside crane，DTQC）、自動(dòng)化軌道式龍門起重機(jī)（automated rail-mounted gantry crane，ARMG）和自動(dòng)導(dǎo)引小車（automated guided vehicle，AGV）等。集裝箱碼頭各種設(shè)備的作業(yè)流程均按照“指令+反饋”的異步方式進(jìn)行控制：當(dāng)作業(yè)流程開始時(shí)，設(shè)備先行準(zhǔn)備就緒；控制軟件首先給出指令，然后設(shè)備開始執(zhí)行指令，并在指令執(zhí)行完成后發(fā)出反饋；控制軟件再給出下一個(gè)指令，設(shè)備再次開始執(zhí)行指令，并在指令執(zhí)行完成后發(fā)出反饋；如此反復(fù)，直到完成作業(yè)流程。根據(jù)指令和反饋定義事件，并根據(jù)流程歸納狀態(tài)，就可以給出設(shè)備的事件和狀態(tài)設(shè)計(jì)，以此作為設(shè)備模擬器的開發(fā)依據(jù)。本文假設(shè)所有指令均成功執(zhí)行，不考慮失敗的反饋事件。以下分別給出適當(dāng)簡(jiǎn)化后的自動(dòng)化集裝箱碼頭主要設(shè)備的事件和狀態(tài)設(shè)計(jì)。

2.1 DTQC的有限狀態(tài)機(jī)模型

DTQC由大車、主小車、門架小車和中轉(zhuǎn)平臺(tái)等組成，其中：大車負(fù)責(zé)沿岸線方向移動(dòng)；主小車負(fù)責(zé)在船舶與中轉(zhuǎn)平臺(tái)之間搬運(yùn)集裝箱；門架小車負(fù)責(zé)在中轉(zhuǎn)平臺(tái)與AGV之間搬運(yùn)集裝箱；中轉(zhuǎn)平臺(tái)負(fù)責(zé)識(shí)別集裝箱信息（如箱號(hào)、尺寸等）以及拆裝旋鎖。

2.1.1 DTQC有限狀態(tài)機(jī)的事件

（1）大車移動(dòng)指令事件 DTQC只能沿垂直方向和大梁方向搬運(yùn)集裝箱；因此，在DTQC裝卸集裝箱之前，裝卸船箱位和大車應(yīng)當(dāng)處于岸線上的同一位置。如果兩者不在同一位置，控制軟件會(huì)發(fā)出大車移動(dòng)指令，要求大車向裝卸船箱位所在的岸線位置移動(dòng)。

（2）大車反饋事件 大車到達(dá)目標(biāo)位置后停止，并向控制軟件發(fā)出反饋。

（3）主小車等待位指令事件 為避免主小車和門架小車在中轉(zhuǎn)平臺(tái)發(fā)生沖突，以及避免主小車在中轉(zhuǎn)平臺(tái)作業(yè)完成前進(jìn)入中轉(zhuǎn)平臺(tái)，DTQC在中轉(zhuǎn)平臺(tái)以外為主小車設(shè)置了等待位。在主小車將去中轉(zhuǎn)平臺(tái)抓箱或放箱，但中轉(zhuǎn)平臺(tái)暫時(shí)不允許其進(jìn)入的情況下，控制軟件發(fā)出主小車等待位指令，要求主小車向等待位移動(dòng)。

（4）主小車平臺(tái)位指令事件 在主小車將去中轉(zhuǎn)平臺(tái)抓箱或放箱，且中轉(zhuǎn)平臺(tái)允許主小車進(jìn)入的情況下，控制軟件發(fā)出主小車平臺(tái)位指令，要求主小車向中轉(zhuǎn)平臺(tái)移動(dòng)。當(dāng)該指令事件觸發(fā)時(shí)，主小車可能剛完成上一個(gè)指令，可能正在向等待位移動(dòng)，也可能正在等待位等待。

（5）主小車船舶位指令事件 當(dāng)主小車將去船上抓箱或放箱時(shí)，控制軟件發(fā)出主小車船舶位指令，要求主小車向船舶方向移動(dòng)。

（6）主小車反饋事件 主小車到達(dá)指定位置并完成相應(yīng)的抓箱或放箱任務(wù)后，向控制軟件發(fā)出反饋。

（7）中轉(zhuǎn)平臺(tái)作業(yè)指令事件 主小車或門架小車在中轉(zhuǎn)平臺(tái)完成放箱任務(wù)后，控制軟件發(fā)出中轉(zhuǎn)平臺(tái)作業(yè)指令，要求中轉(zhuǎn)平臺(tái)識(shí)別集裝箱信息并實(shí)施旋鎖拆裝作業(yè)。

（8）中轉(zhuǎn)平臺(tái)反饋事件 中轉(zhuǎn)平臺(tái)作業(yè)完成后，向控制軟件發(fā)出反饋。

（9）門架小車等待位指令事件 DTQC在中轉(zhuǎn)平臺(tái)以外為門架小車設(shè)置了等待位。門架小車在中轉(zhuǎn)平臺(tái)完成抓箱或放箱任務(wù)后，控制軟件發(fā)出門架小車等待位指令，要求門架小車向等待位移動(dòng)。

（10）門架小車平臺(tái)位指令事件 在門架小車將去中轉(zhuǎn)平臺(tái)抓箱或放箱，且中轉(zhuǎn)平臺(tái)允許門架小車進(jìn)入的情況下，控制軟件發(fā)出門架小車平臺(tái)位指令，要求門架小車向中轉(zhuǎn)平臺(tái)移動(dòng)。endprint

（11）門架小車AGV位指令事件 在門架小車將去AGV抓箱或放箱，且AGV已經(jīng)到達(dá)的情況下，控制軟件發(fā)出門架小車AGV位指令，要求門架小車向AGV移動(dòng)。

（12）門架小車反饋事件 門架小車到達(dá)目標(biāo)位置并完成相應(yīng)的抓箱或放箱任務(wù)后，向控制軟件發(fā)出反饋。

2.1.2 DTQC有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)

DTQC的大車、主小車、門架小車和中轉(zhuǎn)平臺(tái)具有各自的狀態(tài)，整個(gè)DTQC的狀態(tài)可以用上述4個(gè)對(duì)象的狀態(tài)值的組合進(jìn)行描述。

大車狀態(tài)的狀態(tài)值包括空閑、未到位、移動(dòng)中和已到位。初始狀態(tài)下，當(dāng)DTQC沒(méi)有任務(wù)時(shí)，大車狀態(tài)為“空閑”。DTQC開始執(zhí)行裝卸任務(wù)后，當(dāng)大車靜止時(shí)，如果大車與裝卸船箱位在岸線上的位置不同，則大車狀態(tài)為“未到位”；否則，大車狀態(tài)為“已到位”。當(dāng)大車移動(dòng)時(shí)，大車狀態(tài)為“移動(dòng)中”。

主小車狀態(tài)的狀態(tài)值包括空閑、等待位移動(dòng)中、等待位到達(dá)、平臺(tái)位移動(dòng)中、平臺(tái)位到達(dá)、船舶位移動(dòng)中和船舶位到達(dá)。當(dāng)主小車沒(méi)有任務(wù)時(shí)，主小車狀態(tài)為“空閑”。主小車等待位指令觸發(fā)后，主小車狀態(tài)為“等待位移動(dòng)中”。主小車反饋事件觸發(fā)后，若觸發(fā)前主小車狀態(tài)為“等待位移動(dòng)中”，則主小車狀態(tài)變?yōu)椤暗却坏竭_(dá)”。主小車其他狀態(tài)值的含義與之類似，此處不再贅述。

門架小車狀態(tài)的狀態(tài)值包括空閑、等待位移動(dòng)中、等待位到達(dá)、平臺(tái)位移動(dòng)中、平臺(tái)位到達(dá)、AGV位移動(dòng)中和AGV位到達(dá)。門架小車各狀態(tài)值的含義與主小車相應(yīng)狀態(tài)值的含義類似，此處不再贅述。

中轉(zhuǎn)平臺(tái)狀態(tài)的狀態(tài)值包括空閑、主小車占用、門架小車占用和作業(yè)中。主小車平臺(tái)位指令事件觸發(fā)后，中轉(zhuǎn)平臺(tái)狀態(tài)變?yōu)椤爸餍≤囌加谩薄！伴T架小車占用”狀態(tài)值的含義與“主小車占用”狀態(tài)值的含義類似。主小車或中轉(zhuǎn)小車在中轉(zhuǎn)平臺(tái)完成抓箱或放箱任務(wù)后，以及中轉(zhuǎn)平臺(tái)作業(yè)完成前，中轉(zhuǎn)平臺(tái)狀態(tài)為“作業(yè)中”。其他情況下，中轉(zhuǎn)平臺(tái)狀態(tài)為“空閑”。

裝船作業(yè)流程中DTQC大車、主小車、門架小車和中轉(zhuǎn)平臺(tái)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換分別如圖2～5所示。

2.2 ARMG的有限狀態(tài)機(jī)模型

ARMG由大車和小車組成，其中：大車負(fù)責(zé)沿箱區(qū)長(zhǎng)邊方向水平移動(dòng)；小車負(fù)責(zé)沿箱區(qū)短邊方向水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)以及抓箱和放箱。

2.2.1 ARMG有限狀態(tài)機(jī)的事件

（1）Park指令事件 在ARMG未抓箱的情況下，控制軟件發(fā)出Park指令，要求大車沿箱區(qū)長(zhǎng)邊方向移動(dòng)，或要求小車沿箱區(qū)短邊方向移動(dòng)，從而使ARMG去某個(gè)堆場(chǎng)的箱位抓箱或避讓同軌道的另一臺(tái)ARMG等。

（2）抓箱指令事件 在ARMG要抓取的集裝箱位于小車吊具正下方的情況下，控制軟件發(fā)出抓箱指令，要求小車下降，執(zhí)行抓箱動(dòng)作。需要注意的是，在ARMG到達(dá)可與AGV交互的位置后并從AGV上抓箱前，AGV應(yīng)當(dāng)已經(jīng)帶箱到達(dá)可與ARMG交互的位置。

（3）放箱指令事件 ARMG抓箱后，控制軟件發(fā)出放箱指令，要求ARMG將集裝箱放到目標(biāo)位置。需要注意的是，在ARMG到達(dá)可與AGV交互的位置后并放箱到AGV上前，AGV應(yīng)當(dāng)已經(jīng)空車到達(dá)可與ARMG交互的位置。

（4）反饋事件 ARMG完成相應(yīng)指令后，向控制軟件發(fā)出反饋。

2.2.2 ARMG有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)

ARMG有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)值包括空閑、Park中、Park完畢、抓箱中、抓箱完畢和放箱中。當(dāng)ARMG沒(méi)有任務(wù)時(shí)，其狀態(tài)為“空閑”。當(dāng)執(zhí)行Park指令時(shí)，ARMG狀態(tài)為“Park中”；當(dāng)Park指令完成后，ARMG狀態(tài)為“Park完畢”。ARMG其他狀態(tài)值的含義與之類似，此處不再贅述。ARMG作業(yè)流程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖6所示。

2.3 AGV的有限狀態(tài)機(jī)模型

AGV是在DTQC與ARMG之間水平運(yùn)輸集裝箱的自動(dòng)化設(shè)備，其必須沿指定路徑行駛。為防止多臺(tái)AGV在行駛過(guò)程中發(fā)生沖突，控制軟件分別定義每條AGV路徑的許用區(qū)間，規(guī)定AGV必須在到達(dá)許用區(qū)間的最遠(yuǎn)端之前停止。隨著許用區(qū)間的不斷刷新，AGV逐漸向其路徑上的更遠(yuǎn)位置行駛，直至其到達(dá)路徑終點(diǎn)。

2.3.1 AGV有限狀態(tài)機(jī)的事件

（1）路徑規(guī)劃指令事件 AGV的任務(wù)確定后，控制軟件指定AGV的移動(dòng)目標(biāo)并規(guī)劃AGV從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的移動(dòng)路徑。需要注意的是，該事件觸發(fā)后，AGV路徑的許用區(qū)間長(zhǎng)度為0。

（2）許用區(qū)間刷新指令事件 每經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間間隔，控制軟件刷新AGV路徑的許用區(qū)間，引導(dǎo)AGV向路徑上的更遠(yuǎn)位置行駛。

（3）反饋事件 AGV到達(dá)路徑許用區(qū)間的最遠(yuǎn)端并停止后，向控制軟件發(fā)出反饋。

2.3.2 AGV有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)

AGV有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)值包括空閑、暫停中、移動(dòng)中和已到達(dá)。當(dāng)AGV沒(méi)有移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，其狀態(tài)為“空閑”。當(dāng)AGV未到達(dá)路徑許用區(qū)間的末端時(shí)，其狀態(tài)為“移動(dòng)中”。當(dāng)AGV到達(dá)路徑許用區(qū)間的末端，但尚未到達(dá)路徑終點(diǎn)時(shí)，其狀態(tài)為“移動(dòng)中”。當(dāng)AGV到達(dá)路徑終點(diǎn)時(shí)，其狀態(tài)為“已到達(dá)”。AGV作業(yè)流程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖7所示。

3 基于有限狀態(tài)機(jī)的自動(dòng)化集裝箱碼頭

設(shè)備模擬器的軟件實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)化集裝箱碼頭的設(shè)備模擬器軟件按照面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_發(fā)：多個(gè)設(shè)備模擬器實(shí)例按照并行的方式組成系統(tǒng)，以模擬自動(dòng)化集裝箱碼頭的所有作業(yè)設(shè)備。自動(dòng)化集裝箱碼頭的設(shè)備模擬器實(shí)例按照確定的時(shí)間間隔執(zhí)行線程，以實(shí)現(xiàn)指令讀取、狀態(tài)刷新和反饋輸出等功能。

3.1 設(shè)備模擬器的系統(tǒng)架構(gòu)

如圖8所示，自動(dòng)化集裝箱碼頭的每個(gè)設(shè)備模擬器實(shí)例均由設(shè)備類實(shí)例、配置類實(shí)例、流程類實(shí)例和接口類實(shí)例組成，其中：設(shè)備類實(shí)例用于區(qū)分設(shè)備類型，并為各類設(shè)備的參數(shù)和流程定義統(tǒng)一的名稱；配置類實(shí)例用于定義每個(gè)設(shè)備的參數(shù)，如編號(hào)、尺寸和速度等，以區(qū)分同類設(shè)備中的不同個(gè)體；流程類實(shí)例用于描述設(shè)備的作業(yè)流程，即設(shè)備對(duì)各種指令事件的處理方式，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備在作業(yè)流程中的狀態(tài)變化規(guī)律；接口類實(shí)例用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備模擬器實(shí)例與外界的通信。endprint

如圖9所示，自動(dòng)化集裝箱碼頭的設(shè)備模擬器實(shí)例以并行方式組成系統(tǒng)，其用戶界面集成了顯示、配置和控制等功能，其中：顯示功能用于顯示各個(gè)設(shè)備模擬器實(shí)例的實(shí)時(shí)狀態(tài)；配置功能用于對(duì)各個(gè)模擬器實(shí)例的參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置；控制功能用于向設(shè)備模擬器實(shí)例發(fā)送設(shè)備指令。DTQC模擬器和ARMG模擬器通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)（OPC）與控制軟件通信；AGV模擬器則直接與控制軟件通信，僅用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)歷史記錄。

3.2 設(shè)備模擬器的線程邏輯

每個(gè)設(shè)備模擬器實(shí)例內(nèi)部都有唯一的主線程。在設(shè)備模擬器實(shí)例的運(yùn)行過(guò)程中，每經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間間隔都會(huì)重新觸發(fā)主線程。設(shè)備模擬器實(shí)例的主線程邏輯如圖10所示。主線程觸發(fā)后，若設(shè)備模擬器實(shí)例沒(méi)有未完成的工作流程，且沒(méi)有新的指令，則直接反饋設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)；若設(shè)備模擬器實(shí)例沒(méi)有未完成的工作流程，但有新的指令，則新建工作流程并更新設(shè)備狀態(tài)，然后反饋設(shè)備狀態(tài)；若設(shè)備模擬器實(shí)例有尚未完成的工作流程，則直接更新并反饋設(shè)備狀態(tài)。以上步驟完成后，若當(dāng)前時(shí)間與最后一次觸發(fā)主線程的時(shí)間間隔已超過(guò)觸發(fā)周期，則再次觸發(fā)主線程；否則，模擬器暫時(shí)等待。

4 基于有限狀態(tài)機(jī)的自動(dòng)化集裝箱碼頭

設(shè)備模擬器應(yīng)用案例

目前，設(shè)備模擬器已在振華重工承接的總包項(xiàng)目中投入應(yīng)用，其中，廈門遠(yuǎn)海和青島前灣自動(dòng)化集裝箱碼頭已投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。如表1所示：由于引入設(shè)備模擬器，廈門遠(yuǎn)?？偘?xiàng)目工期縮短約9個(gè)月，占項(xiàng)目總時(shí)間的25.0%；青島前灣總包項(xiàng)目工期縮短約6.5個(gè)月，占項(xiàng)目總時(shí)間的28.3%。由此可見(jiàn)，使用設(shè)備模擬器能夠節(jié)約系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間，使總包項(xiàng)目工期明顯縮短。

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