一种自动化集装箱码头仿真方法的研究

宓 超，唐荣康，沈一帆

(上海海事大学物流工程学院，上海 201306)

1 引言

传统码头在调试过程中，主要针对一些集装箱码头装卸流程，装卸设备的PLC逻辑进行优化，以满足集装箱码头正常工作。其中工作人员可以接受码头作业系统(Terminal Operation System，TOS)发送的作业指令，去调度码头设备工作。当码头设备出现PLC故障时，如限位失灵，吊具起升失速故障等问题时，工作人员可以及时发现和解决。

但是港口吞吐量的不断增大，传统的人工操作已经无法满足需求，码头自动化系统取代了码头工作人员。其中包码头自动化系统的关键是设备调度管理和控制系统(Equipment Control System，ECS)。如世界上最大的重型装备制造厂商上海振华重工集团研发的ECS系统包括设备管理层：ECS-MS(Management System，MS)和ECS-ACCS(Automated Crane Control System，ACCS)。ECS-MS主要负责调度管理各类设备。根据作业设备的不同分为岸桥管理系统(Quay Crane System，QCMS)、堆场管理系统(Block Management System，BMS)。ECS-ACCS负责接收来自ECS-MS的指令将其拆分成具体的步骤发送给设备的PLC，包括岸桥自动控制系统(QC ACCS)、轨道吊自动控制系统(ARMG ACCS)[1，2]。其它如集装箱箱号识别系统(Optical Character Recognition，OCR)[3]，集卡引导系统(Chassis Position System，CPS)[4]等码头子系统与ECS系统相互配合，实现码头的运作。

因此自动化码头在正式运作前，需要对其自动化系统进行大量调试。这一过程不仅需要码头人员和码头设备的配合，而且在优化ECS系统故障发生时的行为，需要对设备以及子系统进行故障的注入，这在一定程度上会造成设备的损坏，对于集装箱码头所需的代价是巨大的。考虑到以上问题，所以采用仿真技术的方法来解决。

近年来，仿真技术发展迅速，产生了许多专业的仿真软件。其中应用在集装箱港口码的软件功能与特点如表1所示。

表1 港口仿真软件介绍

研究人员利用这些专业的仿真软件设计和评估码头各项性能，如杨晓明，宓为建[5]等人通过仿真软件设计验证一种新的码头运输方式。Kulak，O，Polat，O[6]等人通过仿真软件仿真一个建成已久的土耳其码头的模型，确定码头发展的瓶颈所在。廖二泉，高天佑[7]等人利用FlexTerm仿真软件，建立了青岛自动化码头的仿真模型对装卸工艺系统进行评估优化。汪锋，陶德馨[8]利用witness仿真软件研究了一定吞吐量情况下合理泊位数的配备和在一定泊位数的情况下岸桥起重机的合理调度情况。

利用仿真软件的方法，都可以仿真码头流程层面，但是由于码头作业环境相对比较恶劣，会发生许多故障，这些软件无法结合具体的故障行为分析码头自动化系统存在的问题，同时给供外界端口有限，无法有效的接入到实际的码头自动化系统环境下。为此提出一种故障注入的半实物仿真方法。

2 故障注入半实物仿真方法描述

由于利用专业仿真软件的方法，无法解决以上问题，所以提出一种半实物仿真方法。

实物部分由码头现场的实际自动化系统以及真实的故障注入模块。仿真部分主要为码头的执行底层执行设备和整体码头环境。码头的执行设备作为虚拟的对象接收来自实际码头系统的指令。

整体系统架构如图1所示。集装箱的装卸信息作为TOS系统的输入。这些作业任务信息包含集装箱的起始位置、目标位置箱型、箱号等信息，储存在数据库中。ECS系统从数据库中读取这些装卸任务信息，管理调度码头设备。任务信息分解为设备机构对应的动作，这些动作有后续的PLC执行。

PLC信号发送给仿真内部的岸桥起重机仿真模型和场桥起重机模型。CPS系统引导内外集卡模型到达指定位置。OCR系统负责完成对箱号模型的识别，并将识别结果信息发送给ECS，用于确认是否为作业箱号。

图1 系统整体框架

3 仿真构建

利用上述仿真方法以国内某港口为例建立仿真模型。其主要包括两个方面。仿真模型的建立和仿真模型的控制逻辑。

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场，闸口，船舶，车道等模型。如图2所示，岸线长度为634米，堆场有20个箱区，场桥数量为20个，岸桥数量为4个。以及25辆内集卡和25辆外集卡。岸桥和场桥主体由三个部分组成：大车机构，小车机构和吊具起升机构。主要负责将集装箱从船舶装卸到码头，场桥起重机，用于堆场内集装箱的搬运，内外集卡负责码头内和码头与外界集装箱的运输。

图2 主要设备区域布置图

3.2 仿真模型的控制逻辑

集装箱码头主要有装船、卸船、集港、提箱任务[9]。装船任务中，堆场中的集装箱运输装卸到集装箱船；卸船任务中，船舶上集装箱装卸运输至堆场中；集港任务中，外部集装箱运输至堆场中；提箱任务中，集装箱由堆场运输至外部。这些任务都需要码头设备配合。因此仿真中设备的控制逻辑依据所执行的码头任务编写。

岸桥控制逻辑：岸桥起重机主要负责装卸船任务。ECS-MS中的岸桥管理系统(Quay Crane Management System，QC-MS)从数据库中读取装卸信息，分解成自动化作业指令发送给QC-ACCS，QC-ACCS将指令转化为岸桥起重机的机构对应的动作，发送给PLC，PLC信号发送给仿真模型，仿真模型通过内部的接口将PLC信号接收，驱动岸桥起重机模型运动的内部脚本开始执行，岸桥大车，小车，和吊具在内部脚本的驱动下进行装卸船动作。仿真内部实时将岸桥各个机构的位置、状态信息返回给PLC，PLC实时反馈状态信息给ECS。

场桥控制逻辑：场桥起重机主要负责装船、卸船、集港、提箱。ECS-MS中的堆场管理系统(Block Management System)从数据库中读取装卸信息，分解成自动化作业指令发送给ARMG-ACCS，ARMG-ACCS将指令转化为场桥起重机的机构对应的动作，发送给PLC，PLC信号发送给场桥仿真模型，仿真模型通过内部的接口将PLC信号接收，驱动场桥模型运动的内部脚本开始执行，场桥大车，小车，和吊具在内部脚本的驱动下进行装卸集装箱动作。仿真内部实时将场桥各个机构的位置、状态信息返回给PLC，PLC实时反馈状态信息给ECS。

集卡控制逻辑：内集卡主要负责是装船任务，卸船任务。TOS系统激活仿真系统的集卡，内集卡在内部脚本的驱动下行驶到指定岸桥下。在装船任务中，内集卡负责将集装箱从堆场运输到岸桥下，在与岸桥起重机握手后，由岸桥起重机转运到集装箱船。卸船任务中，内集卡从岸桥起重机得到集装箱，将其运输到堆场中。仿真内部实时将内集卡状态位置信息反馈给ECS系统。外集卡在内部脚本的驱动下行驶到指定场桥下，在与场桥握手后，由场桥起重机装卸集装箱。

4 故障注入

4.1 故障注入方案设计

码头的底层设备和子系统，在发生故障时，影响整个集装箱码头的效率。如何在故障发生时，最低程度上降低故障带来的影响考验码头的ECS系统。所以在该案例中加入故障注入机制，对子系统和底层的PLC[10]进行故障注入。

针对集装箱码头作业时子系统与PLC发生的故障实例进行编号。本文就码头的16个常见故障实例定义故障编号，如表2所示。同时给所有码头的装卸运输设备编号：b1～b4代表岸桥大车，c1～c4岸桥小车，d1～d4代表岸桥吊具，e1～e18代表堆场起重机大车，h1～h18代表堆场起重机小车，k1～k18代表堆场起重机吊具，l1～l25代表的内集卡，r1～r25代表外集卡x1～x8为四台岸桥下的OCR相机，x9～x46代表的为18台场桥下的OCR相机，y1～y8代表的四台岸桥下CPS相机，y9～y46为场桥下的CPS相机。配置故障四元组[11，12]参数

{fidi，bt，et，eidi}

其中fidi代表的故障编号，bt代表的故障开始时间，et代表的是故障结束时间，eidi代表的设备编号。

如表2所示，常见的故障实例用相应的故障编号表示。

表2 常见故障编号

5 实验分析

利用本文所描述的仿真方法以国内某码头为案例，接入优化前码头自动化系统，在故障注入下，观测内部的统计指标。

5.1 仿真环境

操作系统：windows操作系统

硬件环境： 一台CPU型号为Inetel Core I9-10850K，运行内存16G和500GB SSD硬盘的计算机

5.2 仿真设置

场桥起重机在码头的装卸船，集港提箱任务中都起到重要作用。本文对场桥的PLC系统和子系统进行故障的注入，在仿真中统计故障注入下码头的指标。结合注入故障现象可以发现，在装卸船任务中，当一个或者多个场桥发生故障时，堆场出内集卡会发生堆积现象，进而导致岸桥的装卸效率下降。所以装卸船任务中选择岸桥的装卸船的效率为观测指标。集港，提箱任务，当注入场桥的故障时，外集卡会等待场桥作业。所以集箱提箱任务中选择外集卡平均等待时间指标为观测指标

每次仿真时长24个小时。场桥在7h时和19h时的注入故障，仿真次数为20次。通过设置船舶需要的作业箱量以及外集卡到达时间间隔负指数分布的λ设置两种码头忙碌程度。仿真初始设置如表3所示，20次注入的故障编号如表4所示。

表3 仿真初始输入设置

表4 常见故障注入编号

5.3 仿真结果

优化前的实验结果如图3-7所示，在普通状态下，如图3所示，装卸船任务未注入故障时，20次仿真结果岸桥平均装船效率约为25TEU/h左右，卸船效率约为28TEU/h，故障注入后20次仿真结果岸桥平均装船效率下降为14TEU/h左右，卸船效率下降为15TEU/h。故障注入下，平均每台岸桥的效率下降约50%。如图4所示，普通状态下的集港，提箱任务中，在未注入故障时外集卡等待时间为420s左右，故障注入后外集卡平均等待时间为530s左右，等待时间上升25%。当设置成繁忙状态时，如图5和图6，故障注入时，在四种任务中，装卸船任务岸桥效率下降64%。集箱，提箱任务外集卡等待时间上升28%。

图3 普通状态下的岸桥装卸船任务效率

图4 普通状态下的集箱提箱外集卡等待时间

图5 繁忙状态下的岸桥装卸船任务效率

图6 繁忙状态下的进提箱外集卡等待时间

针对以上这种情况，需要在ECS系统中增加判断机制，针对在场桥发生故障时，分配无故障的场桥完成作业。优化后如图7-10所示，普通状态下在故障注入时，岸桥作业效率未出现明显的下降，外集卡等待时间未出现明显的上升。对于繁忙状态下的作业，装卸船任务时，岸桥的的作业效率出现小幅度的下降，下降程度为28%。集箱，提箱任务，外集卡等待时间上升10%。比优化前的有明显的好转。

图7 优化后普通状态下的岸桥装卸船任务效率

图8 优化后普通状态下外集卡等待时间

图9 优化后繁忙状态下的岸桥装卸船任务效率

图10 优化后繁忙状态下的进提箱外集卡等待时间

该实验在本文提出的仿真方法下以国内某码头为例，调试该码头的自动化系统。无需码头设备和用户的配合，在一台计算机上可以实现自动化系统逻辑的修改和验证，缩短了调试优化周期，降低了成本。

6 总结与展望

本文提出一种半实物仿真方法，即使用仿真手段实现自动化系统与设备分离。利用该方法，以国内某码头为例，搭建该码头的仿真环境，接入码头自动化系统，在故障注入下，该自动化系统优化前和优化后输出统计指标的变化说明，该方法可以用于码头自动化系统的调试。解决了传统码头在现场调试周期长调试成本高的问题，实现了技术人员不在码头现场也可以调试码头自动化系统。

该方法以国内某个码头为例进行仿真建模，对于其它码头自动化码头系统的调试可以参照上述方法。在未来也可以接入更多的码头自动化系统，用于测试和完善系统。