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平行系統(tǒng)方法在自動(dòng)化集裝箱碼頭中的應(yīng)用研究
發(fā)布時(shí)間：2020-10-21 15:08:35
平行碼頭是指由“物理碼頭”和“人工碼頭”組成的一種雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。它的工作原理是通過(guò)比較兩者的輸出誤差，并進(jìn)行連續(xù)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)，從而調(diào)整或改變物理系統(tǒng)，使其輸出滿足特定的要求。采用數(shù)據(jù)引擎作為平行碼頭的基本計(jì)算環(huán)境，可以滿足平行系統(tǒng)虛實(shí)互動(dòng)的計(jì)算要求。再結(jié)合多代理軟件方法的應(yīng)用，即可建立分布式的碼頭系統(tǒng)。在這里，數(shù)據(jù)引擎的可視化與可動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性對(duì)于平行系統(tǒng)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)而言極其重要，也有助于降低碼頭信息控制系統(tǒng)開發(fā)、部署和運(yùn)維的成本。
平行碼頭是指由“物理碼頭”和“人工碼頭”組成的一種雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。它的工作原理是通過(guò)比較兩者的輸出誤差，并進(jìn)行連續(xù)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)，從而調(diào)整或改變物理系統(tǒng)，使其輸出滿足特定的要求。采用數(shù)據(jù)引擎作為平行碼頭的基本計(jì)算環(huán)境，可以滿足平行系統(tǒng)虛實(shí)互動(dòng)的計(jì)算要求。再結(jié)合多代理軟件方法的應(yīng)用，即可建立分布式的碼頭系統(tǒng)。在這里，數(shù)據(jù)引擎的可視化與可動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性對(duì)于平行系統(tǒng)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)而言極其重要，也有助于降低碼頭信息控制系統(tǒng)開發(fā)、部署和運(yùn)維的成本。
現(xiàn)有集裝箱碼頭信息控制系統(tǒng)計(jì)算環(huán)境結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，各子系統(tǒng)之間耦合性強(qiáng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)和運(yùn)維的成本很高，這很大程度上抵消了自動(dòng)化作業(yè)效率提升所帶來(lái)的效益。平行系統(tǒng)理論為改變這一狀況提供了有效的方法，但在工程實(shí)現(xiàn)中我們卻面臨很多困難，主要原因有兩個(gè)：
1）平行系統(tǒng)理論的主要應(yīng)用場(chǎng)合是未知的且復(fù)雜的物理系統(tǒng)，其中信息控制部分的軟件設(shè)計(jì)、開發(fā)、部署、調(diào)試和管理等過(guò)程工作量很大，并且需要反復(fù)迭代，成本極高。
2）考慮到物理系統(tǒng)的約束，若要實(shí)現(xiàn)平行控制的目標(biāo)，就必須平衡物理系統(tǒng)和人工系統(tǒng)計(jì)算環(huán)境的差異所帶來(lái)的一系列問(wèn)題，例如如何利用人工系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果去調(diào)整、優(yōu)化物理系統(tǒng)。
針對(duì)以上問(wèn)題，提出了一種基于數(shù)據(jù)引擎的平行集裝箱碼頭信息控制系統(tǒng)的體系架構(gòu)，并設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的計(jì)算環(huán)境，以適應(yīng)平行系統(tǒng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)的需求。在物理碼頭與人工碼頭并行工作的狀態(tài)下，計(jì)算實(shí)驗(yàn)可用于驗(yàn)證人工碼頭的設(shè)備模型，以及物理碼頭的控制功能和性能是否能夠逼近人工碼頭的狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備模型與物理設(shè)備狀態(tài)偏差大，或平行系統(tǒng)中控制功能和性能之間的偏差大情況時(shí)，可以利用平行控制中的修正機(jī)制進(jìn)行調(diào)整。平行的兩類控制器和設(shè)備模型均采用數(shù)據(jù)引擎計(jì)算環(huán)境，這是本課題研究的關(guān)鍵。為此，可利用數(shù)據(jù)引擎的可視化計(jì)算特性完成平行碼頭中相關(guān)偏差的檢測(cè)，并利用動(dòng)態(tài)重構(gòu)功能對(duì)相應(yīng)的控制算法或設(shè)備模型進(jìn)行在線修正。這種檢測(cè)和修正工作均由數(shù)據(jù)引擎的組態(tài)軟件工具來(lái)完成。在平行的兩類控制器中，均采用數(shù)據(jù)引擎作為計(jì)算環(huán)境，而數(shù)據(jù)引擎又具有可跨硬件環(huán)境的特性，所以人工控制器可以采用低值的計(jì)算設(shè)備而不會(huì)影響到計(jì)算實(shí)驗(yàn)和平行執(zhí)行的效果。
從控制算法編程過(guò)程來(lái)看，平行碼頭信息控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，既要處理設(shè)備調(diào)度和自動(dòng)控制的任務(wù)，又要滿足計(jì)劃管理事務(wù)的需求。這兩塊任務(wù)分別由碼頭任務(wù)管理系統(tǒng)和設(shè)備管理控制系統(tǒng)來(lái)完成。如此復(fù)雜的功能設(shè)計(jì)，需要引入新的方法。
數(shù)據(jù)引擎提供了這樣一種新方法。它讓每一項(xiàng)任務(wù)的功能都可以通過(guò)不同的服務(wù)代理組合及其相互通信來(lái)實(shí)現(xiàn)。組態(tài)元件是這項(xiàng)技術(shù)的重要特點(diǎn)，可以有效提升人工碼頭與物理碼頭之間軟件技術(shù)資源的復(fù)用率。數(shù)據(jù)引擎可以在完全不相干的代理服務(wù)中同時(shí)引用相同的組態(tài)元件。這就是元件復(fù)用性的作用。在這過(guò)程中不需要進(jìn)行任何軟件代碼的開發(fā)，只需要通過(guò)拖拽相應(yīng)的模塊即可完成特定的代理服務(wù)的算法組態(tài)。
平行碼頭的信息控制過(guò)程涉及管理、控制和設(shè)備三類代理協(xié)同工作。盡管作業(yè)過(guò)程中存在大量的、面向不同任務(wù)需求的信息處理和設(shè)備控制過(guò)程，但是其中算法與模型的實(shí)現(xiàn)環(huán)境及方法是完全一致的，都是借助元件組態(tài)的方式來(lái)編程。研究表明，構(gòu)建一個(gè)中型港口碼頭信息控制系統(tǒng)所需要的組態(tài)元件數(shù)量大約需要50萬(wàn)個(gè)左右。這些算法及模型均被提交到數(shù)百個(gè)數(shù)據(jù)引擎構(gòu)成的平行計(jì)算環(huán)境中運(yùn)行。
“人工碼頭”中的管理或控制算法的組態(tài)程序可以通過(guò)連續(xù)的計(jì)算試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，在達(dá)到預(yù)期效果后又可直接轉(zhuǎn)載到物理碼頭設(shè)備中運(yùn)行。人們可以借助數(shù)據(jù)引擎的虛擬計(jì)算環(huán)境，在平行空間內(nèi)進(jìn)行大量計(jì)算實(shí)驗(yàn)，然后結(jié)合運(yùn)行效率或能耗等優(yōu)化指標(biāo)，確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案來(lái)指導(dǎo)“物理碼頭”的高效運(yùn)行。
為了驗(yàn)證平行碼頭理論方法的有效性，開發(fā)了一個(gè)與“物理碼頭”業(yè)務(wù)過(guò)程一致的 “人工碼頭”。設(shè)計(jì)了兩組計(jì)算實(shí)驗(yàn)。一組以堆場(chǎng)、AGV和岸橋?yàn)檠芯繉?duì)象，研究了自動(dòng)化集裝箱碼頭的全流程卸船作業(yè)，用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)引擎技術(shù)在復(fù)雜的集裝箱碼頭信息控制系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。另一組以2個(gè)自動(dòng)化堆場(chǎng)、2臺(tái)岸橋和8臺(tái)AGV為研究對(duì)象，觀察“人工碼頭”動(dòng)態(tài)部署和優(yōu)化控制策略，最終用于修正“物理碼頭”的管理和控制。同時(shí)也進(jìn)一步探討了平行碼頭技術(shù)在自動(dòng)化集裝箱碼頭工程應(yīng)用上可行性。
本文主要貢獻(xiàn)：
1）針對(duì)自動(dòng)化集裝箱碼頭信息和管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的復(fù)雜性，提出了平行碼頭的概念和理論方法。
2）針對(duì)平行碼頭虛實(shí)互動(dòng)的技術(shù)要求，提出以數(shù)據(jù)引擎作為“人工碼頭”和“物理碼頭”兩類控制器的計(jì)算環(huán)境的設(shè)計(jì)思想。
3）面對(duì)自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)復(fù)雜的功能結(jié)構(gòu)，采用多代理軟件方法開發(fā)“人工碼頭”的系統(tǒng)模型，有效降低了集裝箱碼頭信息控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)和部署的難度與成本。
4）設(shè)計(jì)了兩組計(jì)算實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)引擎作為平行碼頭計(jì)算環(huán)境的科學(xué)性，及其在算法優(yōu)化方面的可重構(gòu)性。同時(shí)給出了平行碼頭理論方法在自動(dòng)化集裝箱碼頭信息控制系統(tǒng)中的應(yīng)用示例。
本文針對(duì)如何降低自動(dòng)化集裝箱碼頭信息控制系統(tǒng)的復(fù)雜性問(wèn)題進(jìn)行了研究。提出了一種基于數(shù)據(jù)引擎的平行碼頭概念、架構(gòu)和方法來(lái)設(shè)計(jì)自動(dòng)化集裝箱碼頭的信息控制系統(tǒng)，包括碼頭任務(wù)的規(guī)劃、調(diào)度以及設(shè)備的建模和控制。研究結(jié)果表明，以數(shù)據(jù)引擎為計(jì)算環(huán)境的平行碼頭在理論和工程層面上都是可行的。平行碼頭中的“人工碼頭”與“物理碼頭”的信息控制系統(tǒng)采用完全相同的圖形組態(tài)方法與多代理結(jié)構(gòu)，且具有可視化和可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的在線優(yōu)化特性，對(duì)于提高集裝箱碼頭自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)效率，降低成本有著重要意義。平行碼頭的理論方法目前已經(jīng)得到初步應(yīng)用，如何改善 “人工碼頭” 與“ 物理碼頭”的自適應(yīng)程度，以及如何應(yīng)用人工智能與大數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出更加靈活的云虛實(shí)交互機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)真正的 “無(wú)人碼頭”， 是我們要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。
來(lái)源：AAS自動(dòng)化學(xué)報(bào)
