集装箱门式起重机远控化改造中无线网络切换探讨

仇佳捷　柯　韬　张志坚　石琪晟　虞伟杰　赖立人

1　宁波市特种设备检验研究院　2　中国移动通信集团浙江有限公司宁波分公司



集装箱门式起重机远控化改造中无线网络切换探讨

仇佳捷1柯韬1张志坚1石琪晟1虞伟杰1赖立人2

1宁波市特种设备检验研究院2中国移动通信集团浙江有限公司宁波分公司

集装箱门式起重机远控化改造是自动化码头建设中重要的一个环节。作为一个实时操控系统，其对网络质量提出了很高的要求，特别是在采用无线网络作为通信系统的情况下，网络切换问题成为一个不可忽视的问题。阐述了切换问题的成因及影响，提出了相关的建议，对相关单位选择和评估改造方案具有指导作用。

集装箱门式起重机； 远程控制； 无线网络； 网络切换

1　前言

自1993年第一个自动化运转的集装箱码头荷兰鹿特丹港ECT码头Delta Sealand建成投产以来，自动化集装箱堆场和自动化码头的设计和研发就开始成为行业的热点。国内首个集装箱自动化无人堆场于2006年在上海港外高桥二期集装箱码头建成，方案由上海港与上海振华港机集团合作设计完成[1]。

在自动化集装箱堆场及自动化码头设计过程中，集装箱门式起重机的远控化设计及改造是一个较为关键的技术。

由于集装箱装卸的重要性，在自动化堆场和码头设计过程中，集装箱门式起重机的操作方式往往并非采用自动化的控制方式，而是采用远控化或远控化与自动化相结合的方式。与自动化控制不同，远控化控制方式是由操作人员在专门的控制室中进行操作，再将控制信号通过网络传递给起重机械进行远程作业。这种操作方式对网络的可靠性提出了较高的要求。

2　网络方案的选择

集装箱门式起重机远控化设计和改造中的网络方案选择主要有3种，即有线网络、无线网络和移动网络(运营商网络)，这3种方案各有利弊。

(1)有线网络，采用线缆形式的通信线路作为网络的传输介质。从物理层面上来说，设备、接口及线路一一配对，具有通信可靠性高、传输速度快、抗干扰性强等优点。但这种通信方式由于线缆的存在制约了其灵活性，因此往往只能用于轨道集装箱门式起重机或者调箱门集装箱门式起重机。调箱门集装箱门式起重机位置固定不动，而轨道集装箱门式起重机延轨道运行，运行轨迹固定可控。但是实际集装箱堆场中，这2种起重机数量较少，因此适用性不强。同时由于线缆的铺设，网络建设成本非常高。另外无论某台设备是否处于停机状态，除非切除通信线路，否则其始终占用一条线路，资源利用率较低。

(2)移动网络，或者称为运营商网络。该网络由运营商建立，因此相关的基础建设也有运营商来完成。如果没有特殊的通信要求，在基础建设上可以节省相应开支。由于运营商网络是面向移动终端的实时移动数据传输，因此在数据传输速度、实时性和网络可靠性来说可以得到很好的保证。其缺点在于由于是向运营商租用网络，后期随着设备投入规模的增加，其相关使用费用将随之快速上升。运营商网络为开放网络，每一台设备从理论上说都是可以被从外部访问甚至控制的，网络安全性及设备控制软件安全性将成为控制系统开发的重要环节，其资金投入也会增加。

(3)无线网络，可用于集散式远控系统的无线网络形式较多,如蓝牙网络、ZigBee、基于802.11的WLAN网络、Mesh网络等形式。无线网络最大的优点是摆脱了线缆的束缚，设备灵活性较强。另外可定制的网络系统，可以根据堆场条件及设备数量来定制无线网络系统，预留足够冗余，既防止了网络出现饱和，又避免了网络资源的浪费。与移动网络相比，采用与外网隔离的独立网络，安全性高。无线网络需要进行一定的前期投入，虽然成本相比有线网络要小很多，但是无线接入点的位置选择、功率选择等相关方案需要进行统筹规划，并需要为以后的发展预留空间。另外，现在常用无线网络如WLAN、Mesh(出于传输距离及组网规模考虑，一般不采用蓝牙及ZigBee技术)等，其协议设计是不考虑接入点无缝切换问题的，因此切换过程中产生的问题也是采用无线网络方案需要重点考虑的。

3种网络方案各有利弊，因此现在无人化堆场设计中3种方案也均有涉及。相比之下，无线网络更适合无人化堆场以及无人化港口的设计和改造，尤其是改造，无线网络的灵活性，以及部分类型无线网络的自组织能力，可以让改造逐步推进而不需要额外支出。然而无线网络最需要关注和解决的就是切换问题及其带来的影响。

3　无线网络的切换

以802.11协议为例，802.11协议规范的WLAN网络为结构化网络，由无线AP(Acess Point，接入点)、STA(Station，工作站)、BSS(Basic Service Set，基本服务集)和ESS(Extended Service Set，扩展服务集)组成如图1所示。无线AP用于STA和有线网络间的数据接收、缓存和转发[2]。无线AP的覆盖范围根据采用的协议不同功率不同而有所不同。一个AP所覆盖的数据覆盖范围就是一个BSS，ESS由多个无线AP以及连接它们的分布式系统组成，也可以说一个ESS包含多个BSS。ESS网络结构只包含物理层和数据链路层，不包含更高的层，因此对于高层协议来说，如IP协议，ESS就是一个IP子网。

图1　结构化网络示意图

本文提到的无线网络切换实际上对应的就是WLAN中AP切换。因为AP的覆盖范围有限，当1个STA从1个AP的覆盖范围移动到另1个AP的覆盖范围时就发生了AP切换。这种AP切换主要分为2类，即BSS切换和ESS切换。BSS切换是指STA移动过程中始终处于同1个ESS中，只是从1个BSS切换到另1个BSS，如图1中某1个STA从BSS2移动到BSS3中。ESS切换是指STA从1个ESS移动到了另外1个ESS，如图1中STA从BSS2移动到BSS1，此时STA不但从BSS2中移出同时也从ESS中移出，这种又称为漫游方式。后者涉及到高层协议的切换，如IP地址的变化等，处理起来要比前者复杂的多，一般远程控制系统的通讯网络不会涉及到这种切换方式，因此本文讨论的AP切换主要是指BSS切换方式。

IEEE基于802.11协议上的WLAN切换由3个过程组成：扫描、认证和重连接。802.11协议中的扫描方式有2种：被动方式和主动方式。被动方式中STA监听无线媒介中的信标帧，信标帧中包含时间戳及AP广播信息，从而判断下一步需要连接的AP。主动方式中STA发送探测帧，等待所有AP的响应帧，通过响应帧来判断下一步需要连接的AP。扫描方式确定了下一步需要连接的AP之后，STA就要进行新AP的认证，STA与AP的重连接以及将STA的认证信息从旧AP迁移到新AP这3个过程以完成从旧AP断开连接与新AP连接的整个过程。其具体过程是STA发送认证请求帧，告知AP自己的身份，开始认证过程，AP处理请求并发送认证响应帧，表明接受请求或拒绝请求，即完成认证过程。如果认证成功，STA会发送重连接请求帧到新的AP，AP处理并回复响应帧，完成重连接过程。

4　无线网络切换带来的问题

同样以802.11规范的WLAN为例，其切换延时主要是由切换的3个过程产生的，及扫描延时、认证延时和重连接延时。

扫描延时取决于扫描方式。被动扫描中，扫描延时等于信标帧间隔与信道个数的乘积，假设信标间隔为100 ms，对于802.11b的11个信道而言，其扫描延时为1 100 ms，而有32个信道的802.11a来说则更长，需要3 200 ms。主动扫描中，扫描延时取决于信道个数n和设备参数，即最大信道时间(MaxChanelTime)和最小信道时间(MinChanelTime)，这两个参数实际上是设备发射探测帧后在当前信道等待响应帧的时间，因此主动扫描延时T为：

n×(t+最小信道时间)≤T≤n×(t+最大信道时间)，其中t为信道切换所需要的硬件时间。

认证延时以及重连接延时是由于相应信息帧交换导致的，其延时长短主要由交换的信息量有关，比如采用共享密钥认证方式，其认证延时要大于采用开放式认证方式。在整个切换延时中，认证延时和重连接延时所占的比例是很小的，而且往往在指定安全要求的情形下是无法进行改进和缩短的。

虽然现在常用的无线网络采用协议和技术有所不同，但是其切换过程大同小异，均需要经历与旧AP中断通讯，找寻新AP，并与新AP建立通讯这3个过程，而这3个过程中所有的通讯数据均是为了完成这3个过程。因此期间的所有数据交换不包含与控制相关的有效数据，而这种因为切换带来的延时是无法避免的。如今相关的研究也对切换算法进行了优化，如通过分析丢包率来确定切换时机的调谐探测机制[3]、基于AP邻居图的扫描机制[4]、基于缓存机制的选择性扫描算法[5]等等，但这些大多是基于上层算法的快速切换方式，其只能缩短延时而不能消除延时实现真正的无缝切换。

由于目前集装箱门式起重机的无人化改造实际上是远控化改造，其采用的控制方案是远程控制，或者远程控制与自动控制相结合的解决方案，出于相关责任分配的原因，吊具着箱(集装箱吊具与集装箱相互连接固定动作)及吊具释放(集装箱吊具与集装箱相互分离动作)必须由操作人员进行远程操作。而如果是没有自动化辅助的远控化操作，则远程操作的动作还涉及大车行走、小车行走、起升下降等动作。这些所有的动作均需要操作人员根据起重机上收集的相关视频信号进行判断操作，而其操作信号也需要通过网络传输到设备上。实际上这就是一个实时操作系统。因此与起重机械监控系统或者非实时控制系统不同，其对于延时和网络的可靠性要求就要高得多。如果在实时操作过程中发生网络切换动作，就可能导致视频监控信号的中断、滞后以及控制信号的中断、滞后，其带来的安全隐患是不能不考虑的。

5　建议与对策

集装箱门式起重机远控化改造是自动化堆场及自动化港口建设中重要的一个步骤，因此其对网络的要求也应当得到相应的重视。集装箱门式起重机远控化改造大多还处于试验和样机改造状态，即设备数量不多且在固定堆场内活动，相应的网络要求很容易得到满足。这样就容易使相关单位对实际应用中网络状况估计错误，而相关单位对改造方案评估时也应基于技术评估的初衷，而非设备评估，即应考虑大范围使用下的规模效应。

由于无线网络形式多样，在随后评估意见及技术标准起草过程中也不能采用“一刀切”的方式，应鼓励适合相应应用环境的专门网络形式的开发。因此，可以要求无线网络具备以下技术条件：

(1)采用具有无缝切换功能的无线网络，要求在切换过程中不丢包、无切换延时；

(2)或无线网络切换延时小于10 ms；

(3)如无法满足(1)和(2)要求，则无线网络接入点布置应满足在远控操作过程中，设备不进行接入点切换动作，另外其切换算法应保证在切换时能够可靠地与唯一一个接入点形成数据链路；

(4)当失去网络连接时，设备应发出警报并停留原地；

(5)控制中心应对所有设备在线状态进行监测，出现异常情况应发出警报。

上述技术条件中，(1)、(2)、(3)为三选一，是对无线网络的要求。其中(1)中的无缝切换是真正应用于实时通信的无缝切换，其实现形式多种多样，比如蜂窝网络中采用的就是相邻2个基站同时给设备发送通讯数据，当设备进入2个基站共同覆盖范围时，设备利用通讯空闲与2个基站同时建立数据链路，2个基站同步给该设备提供相应的数据。这样在设备移出一个基站的覆盖范围时通讯数据就不会丢失，也不用花费专门的时间去进行基站的切换。当然，实现无缝切换的方式并非固定，但(1)中的要求必须是无丢包、零延时。(2)中规定的延时规定为小于10 ms的理由来自人的反应速度，有数据显示人的反应速度一般为100 ms以上[6]，因此如果通讯延时小于人反应速度一个数量级则人的反应速度在操作中占主导地位，网络延时可忽略不计。(3)的要求是在无法满足(1)和(2)要求时，这时就要保证操作时的安全，即在操作时不发生接入点切换，这样就没有切换延时产生。但要考虑到切换是必然发生的，这样在切换时能否可靠建立连接就是一个很重要的问题，因为在切换算法中有一个切换判断，即何种条件下切断旧AP连接与新AP建立连接。如果这种切换判断存在隐患就会导致设备在某些条件下反复地来回切换AP，使控制数据和监控数据无法传输。因此必须保证切换算法不存在这样的隐患。(4)和(5)这2个要求是保证在故障发生时让周围的工作人员了解该设备失去控制信号处于待处理状态，同时也告知控制人员相关设备异常脱离控制，有助于人员快速到达现场处理相关问题。

6　结语

无人化堆场和无人化码头是现代港口物流的发展方向，集装箱门式起重机的远控化改造是其中重要的一个步骤。集装箱门式起重机远控化改造从本质上说是特种设备的改造行为，应当由相关技术规范和标准进行规范，但这种改造方式不同于传统的特种设备改造，其是将软件技术、网络技术、信息技术等先进技术与传统起重机械相结合，是特种设备检验评估中面临的新课题，是传统材料、机械及电控知识无法解决的问题。因此在无人化港口物流技术探索的同时，特种设备检验评估技术也应同步地发展。本文提到的无线网络切换问题就是这样一个典型的问题，因此对相关技术的学习有助于完成相应的检验评估，保障无人化港口建设与设备使用安全。

[1]薄海虎, 张氢, 孙远韬. 集装箱码头RTG远程半自动化操作方法实践方法研究[J].重运输机械,2015(4):12-15.

[2]Gast M.S.802.11 无线网络权威指南[M]. 北京: 清华大学出版社, 2002.

[3]Gunnar Karlsson Héctor Velayos.Techniques to Reduce IEEE 802.11b MAC Layer Handover Time[C]. In: Proc.IEEE ICC 2004. Paris, French: IEEE, 2003, 2-7.

[4]A M M. Shin,W. Arbaugh. Improving the Latency of 802.11 Hand-offs using Neighbor Graphs[C]. In: Proceedings of the 2nd international conference on Mobile systems, applications, and services. Boston, USA: ACM, 2004, 70-83.

[5]Andrea G. Forte, Sangho Shin, Anshuman Singh Rawat, et al. Reducing MAC Layer Handoff Latency in IEEE 802.11 Wireless LANs[C]. In: Proceedings of the second international workshop on Mobility management& wireless access protocols. Philadelphia, PA, USA: ACM, 2004, 19-26.

[6]裴剑涛, 何存道. 驾驶员的动态反应时研究[J]. 心理科学, 1993,16(5): 265-269.

Wireless Network Handoff Schedule in the Remote Control Modification of Gantry Container Crane

Qiu Jiajie1Ke Tao1Zhang Zhijian1Shi Qisheng1Yu Weijie1Lai Liren2

1 Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute2 China Mobile Group Zhejiang Company Limited Ningbo Branch

The remote control modification of gantry container crane is an important part of the automated terminal's construction. The reliable network is an important request for the real-time control system of gantry container crane . Especially, network handoff can not be ignored when the communication system is set as wireless network system. The reasons and the effects of the network handoff are discussed in this paper, and some recommendations are put forward with the evaluation and the selection of the modification solutions.

gantry container crane； remote control； wireless network； network handoff

2016-03-17

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.019

仇佳捷: 315000,浙江省宁波市高新区江南路1588号A座