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)
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。