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An architectural design of control software for automated container terminals

Kap Hwan Kima,*, Seung Hwan Wona, Jae Kook Limb, Teruo Takahashib

aDepartment of Industrial Engineering, Pusan National University, Busan 609-735, South Korea

bInstitute of Asia-Pacific Studies, Waseda University, Tokyo 169-0051, Japan

Available online 24 June 2004

自动化集装箱码头控制软件的架构设计

翻译：王谋

摘要

处理设备自动化是港口集装箱码头当前的发展趋势。由于处理操作涉及大量不同类型的设备，因此控制软件的结构非常复杂。本文介绍了一种控制软件的架构设计和一种基于仿真的测试台，用于测试控制软件的各种控制规则。控制系统包括船舶操作管理器（SOM）、自动导引车辆（AGV）和自动堆场起重机（AYC）的系统控制器。船舶操作管理器负责将任务分派给设备进行预先计划的装载或卸载操作。系统控制器将设备分配给船舶操作管理器并修正有关设备位置和状态的信息。为了测试设计的集装箱码头的控制系统和操作方法，使用Java语言开发了面向对象的仿真系统。使用模拟系统测试了几个与操作相关的问题，包括推迟调度决策和自动导引车辆进入码头起重机（QC）下的转移区域的顺序重新排列。

关键词：集装箱码头，模拟，交通管制

1、引言

处理设备自动化是港口集装箱码头的全球趋势。鹿特丹的ECT海陆码头和汉堡的CTA码头是自动化集装箱码头的典型例子。英国的泰晤士港，新加坡的Pasir Panjang码头和日本的川崎港都是集装箱码头的例子，这些集装箱码头仅实现了半自动化，并未计划实现全自动化。

为了利用自动化设备的优点，必须设计控制软件。过去，由于概念设计的简单性，控制系统的集中结构最受欢迎。当由大量自动化设施组成物料搬运系统时，人们认识到这些复杂的系统超出了集中机构的控制。随着终端的容量增加，数据处理量迅速增加，因此通信和信息处理系统变得过载。因此，系统的控制经常被延迟。另外，当中央控制系统停止执行功能时，或者由于硬件或软件的故障，整个处理系统都将停止运行。

为了克服上述限制，将控制功能分配给多个处理器成为必然趋势。在本文提出的分布式控制方案中，每个交互子系统都有自己的目标和操作模式。该控制框架基于自动化集装箱码头的基本架构，并能够通过通信链路使得本地控制器更加智能、强大。

对于开发和测试控制软件，仿真模型经常被用作现实世界的替代品。关于集装箱码头，已经开发了几种模拟程序（ISL，2000，Koh等，1994，Ramani，1996，Tahar和Hussain，2000 ; Yun＆Choi，1999）。SCUSY（ISL，2000）是由ISL开发的模拟器，其主要用途是参与设计集装箱码头整体布局。Koh等人（1994）开发了一个模拟软件，用于评估集装箱码头运营计划的效率和计划，如卸货及装载顺序，空间计划，泊位计划和各种操作规则。Yun and Choi（1999）开发了一个面向对象编程的概念模拟器，用于集装箱码头的设计，并用于设计集装箱码头的模拟研究（Ramani，1996，Tahar和Hussain，2000），尽管它们的初衷并非是开发通用模拟器。为了集装箱码头的自动化，引入了自动化处理设备（Bohlman等，1989，Durrant-Whyte，1996，Jack和Lawson，1983）。Jack和Lawson（1983）提供了自动化处理设备的各种功能描述。Bohlman等人（1989年）介绍了一种用于高密度集装箱堆垛的自动化集装箱码头的概念设计，而该集装箱码头是采用高架铁路系统。Durrant-Whyte（1996）提出了一种导航系统，该系统可用于设计用于运输集装箱的自动导引车系统。

关于控制自动化集装箱码头中的设备的方法或软件，Nakada（1980）引入了整体计算机系统结构和软件模块的功能。Evers和Koppers（1996）提出了控制AGV交通的各种问题和解决方案，这些问题和解决方案必须在交付集装箱时相互协调。Evers，Loeve和Lindeijer，2000提出了设计基于通信的控制系统的框架，并表示该概念可用于开发集装箱码头的控制软件。

虽然许多计算机软件程序已经在终端中开发和使用，但由于它们中的大多数都采用传统的容器终端，因此必须开发附加功能使将它们转换成用于自动化容器终端的软件。在传统的终端中，由于人类操作员驾驶设备，因此不需要控制相关设备。但是，当使用自动化设备时，必须指示设备的每次移动，必须控制车辆的运行路线，与此同时必须同步设备的移动信息。

本研究讨论了如何将控制功能分解为多个子功能，并将这些分解的子功能分配给分布式本地控制器，使这些本地控制器相互协调，同时开发了一个模拟程序来测试设计的控制系统，并各种控制算法嵌入到模拟代码中。因为面向对象建模被应用于设计仿真程序并使用一种典型的面向对象-Java开发语言来模拟系统由各种类设备和数据处理器组成，类似于真实集装箱码头中的决策者。数据和方法是基于实际系统中对应的实体维护信息、实体之间的通信协议以及实体执行的活动来定义类的。

2、自动化集装箱码头建模控制功能

集装箱码头中的操作包含船舶操作，在此期间，集装箱从集装箱船卸载及装载到集装箱船上和集装箱从卡车运输到集装箱外的接收和运送操作。本研究仅考虑船舶操作。假设设备包括用于装载和卸载集装箱的容器QC，在集装箱和编组站之间运送集装箱的AGV，以及自动堆场起重机（AYC），它们将集装箱从集装箱转运到AGV。

图1示表示集装箱码头的视图，图2表示自动集装箱码头的码场布局。图2显示了AGV行程的通道（1），QC（2）下AGV的重新排序区域，以及自动区域和外部卡车之间的接口块（3）。它还显示了决策点（4），其中AGV可以考虑不断变化的情况来改变他们的旅行目的地。重新排序区域用于重新排序AGV，以便它们可以按照船舶计划中指定的相同顺序进入相应QC下的转移位置。提供接口块用于在AGV和外部卡车之间传送容器。

卸料点

停靠点

交付

接收

进站集装箱

出站集装箱

图1 集装箱码头视图

图2 自动化集装箱码头码头布局

控制系统由六个子系统组成：码场规划子系统，船舶操作子系统，资源规划子系统，船舶操作管理器，AGV系统控制器和AYC系统控制器。此外，每种类型的设备都有自己的控制软件。在控制子系统中，用于码头空间、船舶操作及资源的规划子系统被排除在本研究的讨论之外，因为它们与传统终端的类似。表1总结了子系统的功能。

表1 各种控制处理器的功能