自动化集装箱码头TOS—ECS接口研究

姜作飞 闫广利 孙佳隆

摘 要：自动化集装箱码头TOS-ECS集成缺乏成熟的接口标准，规范的接口有利于降低软件开发维护的时间和成本。该文对TOS-ECS接口技术进行研究，首先介绍自动化集装箱码头的软件系统架构，然后介绍目前TOS与ECS接口通信的主流实现技术，并对各类接口技术进行分析比较，总结接口数据内容与格式，最后介绍数据库设计原则，描述数据库建表、测试数据准备、AnyLogic仿真测试等接口设计与验证过程，为TOS和ECS开发者在设计接口时提供参考。

关键词：自动化集装箱码头；设备控制系统；接口；数据库

中图分类号：TP311.5 文献标志码：A

0 引言

自动化集装箱码头具有作业效率高、安全可靠性高、环境污染小、节约人力等优点，是目前各集装箱码头的发展趋势。自动化集装箱码头实现自动化作业，离不开码头操作系统（TOS）和设备控制系统（ECS）的密切配合，作为2个独立的异构系统，TOS与ECS的信息交换依赖于接口通信。规范的接口有利于降低各种自动化软件开发维护的时间和成本、提高软件兼容性。然而，作为传统行业，自动化码头中相关的软件技术较为封闭，行业标准也并不成熟，该文对主流接口技术进行介绍，并阐述数据库方式接口的设计原则、设计过程。

1 软件系统架构

码头自动化系统通常包括TOS（码头操作系统）、上层ECS（设备调度管理系统）、下层ECS（设备控制系统）、远程控制系统、通信交互单元、单机控制系统、自动化装卸设备，完整的系统架构图如图1所示。

其中ECS是监控和控制自动化码头设备级所有事件和过程的软件，特别是在协调不同类型自动化设备之间的交互时，ECS是码头软件环境中必不可少的一部分。ECS一般由自动化供应商或装卸设备制造商提供。TOS软件负责整个码头的逻辑控制，包括关键功能，象船舶计划、集装箱库存维护、工作指令生成和闸口操作。TOS软件通常由商业公司或码头运营商自己提供。TOS负责根据最高效的作业顺序发布任务指令，告知ECS箱区作业任务的起点、终点。ECS根据TOS指令自动规划机械设备的运行路线并控制设备运行，指挥设备完成作业，同时反馈相关作业任务的操作状态及结果给TOS。ECS与TOS的关系和制造企业的MES（制造执行系统）与ERP（企业资源计划系统）的关系类似。

由于系统提供者商业战略、技术特点、开发人员数量等因素的不同，TOS、ECS的功能范围会有差别，象Navis的TOS包括设备调度优化功能，烟台华东电子将调度优化抽象为ATEC软件，ABB的ECS可以支持设备选择、路径选择。

2 主流TOS-ECS接口技术

2.1 TOS-ECS接口通信架构方式

目前全球市场应用最广泛的自动化集装箱码头ECS和TOS软件产品分别来自TBA和Navis，国内有较好应用案例的是振华重工和烟台华东电子有限公司。Navis的TOS产品N4基于J2EE开发，支持关联数据库或JMS异步消息方式的ECS接口，提供数据库接口与TBA的ECS产品TEAMS对接，提供JMS接口与卡尔玛的ECS产品TLS对接。振华重工从2006年开始开发ECS配套软件，并在厦门远海码头项目中首次应用，远海项目采用消息隊列+WebService技术实现与烟台华东电子CiTOS的接口通信，ECS调用TOS的WebService服务获取任务信息，TOS调用ECS的WebService服务获取ECS返回的结果信息。烟台华东电子提取TOS和ECS的部分功能做成ATEC产品，ATEC提供了多种接口方式与ECS对接：WebService、HTTP接口、socket、消息队列。PEMA（港口设备生产协会）联合控制系统提供商、TOS提供商和港机制造商象ABB、Siemens、Navis、TBA、Kalmar等成立接口标准化小组，并于2014年完成TOS与ECS接口规范文档，文档中提出现有系统中ECS接口架构方案分为消息传递和共享数据库2种。

综上所述，ECS接口通信架构方式主要分为共享数据、远程服务调用（WebService）、消息中间件（MQ，即Message Queue）3类。

2.2 各通信架构方式比较分析

2.2.1 数据库共享数据方式

2个系统A、B通过连接同一个数据库，操作同一张表来实现数据交换。当系统A请求系统B处理数据时，系统A插入一条数据，系统B查询读取系统A插入的数据进行处理，反之亦然。

优点：使用同一数据库，交互简单；方便记录状态、时间戳等。

缺点：要避免数据表无限扩大。2套系统同时操作可能发生冲突，象行锁、表锁和查询等待。

2.2.2 WebService

WebService是一种跨编程语言和跨操作系统的远程调用技术，通过本地客户端调用远程服务器上的方法，来实现软件系统之间的互联互通。

优点：跨平台、跨语言。

缺点：请求应答及同步调用时，存在堵塞问题，客户端发送请求后，要等待服务端返回信息。

2.2.3 消息队列

消息队列MQ的应用场景是交互双方“生产”和“消费”的速度或稳定性等性能不一致，作为抽象层，消息队列弥合双方的差异，多用于构建分布式互联网应用。消息队列常用的公共名词包括消息（Message）、话题（Topic）、生产者（Producer）和消费者（Consumer）。

消息队列与WebService相比，多了Broker集群，生产者把指定话题的消息发布到Broker集群，Broker集群会对消息做持久化，消费者从Broker集群订阅指定话题的消息。TOS-ECS接口会维护TOS请求队列与ECS结果队列2个队列服务，TOS请求队列的生产者在TOS，消费者在ECS，ECS结果队列生产者在ECS，消费者在TOS。

优点：1）实现系统解耦。2）以异步方式运行，提高系统响应速度。3）实现削峰，并发量大时允许消息队列积压。

缺点：1）多了一个消息队列系统，系统可用性降低。2）系统复杂性增加，象需要考虑一致性问题、重复消费问题。

通过对3种通信方式的优缺点分析，可以发现使用数据库方式实现相对简单，消息队列方式适合高并发场景，WebService方式需要在通信双方分别开发不同接口、存在同步调用阻塞问题。自动化集装箱码头真实生产场景中TOS与ECS系统交互数据量小，采用数据库方式是最佳选择。

2.3 TOS-ECS接口数据内容与格式

TOS发往ECS的是作业指令，ECS发往TOS的是作业状态和设备状态。

（1）作业指令：主要包括新作业指令、取消或更新作业指令、翻箱命令、重试命令等。作业指令可以指定装卸设备，也可以不指定装卸设备。可以按顺序发布多条工作指令来创建作业列表，要么针对特定装卸设备，要么由装卸设备自由选择作业列表。

（2）作业状态：包括启动/结束一条具体任务、激活一条任务、接近抓箱/放箱位置、集装箱抓箱/放箱动作、OCR识别集装箱、请求取箱/放箱位置（象翻箱动作）、集装箱落位（象OCR拍摄平台）、锁头仍处于闭合状态，等待进一步动作、任务指令错误等。

（3）设备状态：装卸设备报告他们的常规状态，不管他们是否在执行作业。象定时“心跳”监控、装卸设备位置和可用性信息、请求新的作业命令。

传输的数据可以是ASCII字符或二进制数据的形式。PEMA标准提供了3种实现方案：XML，SQL，二进制消息。数据格式、通信协议也可以自定义，象ABB公司定义了AALP（ABB应用层协议），规定好消息头、消息体，通过Socket通信方式收发数据，按AALP开发的TOS软件可以与ABB的设备控制系统通信。

3 TOS-ECS数据库接口设计

3.1 数据库设计原则

自动化集装箱码头装卸作业流程主要包括装船作业、卸船作业、提箱作业、收箱作业、移箱作业。生产作业过程包括岸桥装卸、水平搬运、场桥堆码3个环节。TOS-ECS接口数据库设计要覆盖所有作业流程、作业环节必要的交换信息。TOS与ECS交互的内容需要包括堆场地图信息、作业任务、作业任务状态、装卸设备状态。堆场地图信息包括所有场箱位的集装箱信息。作业任务要指定抓箱位置、放箱位置、要操作的集装箱编号。作业任务状态保存作业执行进度。装卸设备状态包括设备控制模式、设备位置。即数据库至少要包括堆场地图表，作业任务表，设备状态表。

（1）堆场地图表：按实际堆场规格保存每一个场箱位的集装箱信息，以箱区号、贝号、排号、层号为主键，集装箱信息包括集装箱编号、类型、重量、箱门朝向。

（2）作业任务表：以任务编号为主键，当前执行状态（新建、开始、完成、错误、取消等）、集装箱编号、作业的起点位置、终点位置、起点类型、终点类型，优先级、执行本条作业任务的装卸设备编号、集装箱在拖车上的位置和箱门朝向。

（3）装卸设备状态表：以设备编号为主键，当前设备执行的作业任务编号，设备操作模式、机械状态，设备的位置。

此外数据库设计还包括以下要点：表之间的外键引用关系，各字段取值范围、命名规则、编号规则，各字段读写权限分配，数据类型，表及字段命名要与行业术语一致，各表必须包括创建时间、更新时间字段。

3.2 数据库接口设计与验证过程

结合某码头实际数据进行数据库设计及接口测试，以下是接口设计、验证的过程。

（1）数据库建模：采用PowerDesigner工具建模，完成表名、字段名、数据类型、数据长度、主键、外键引用、字段是否为空的定义，然后导出Oracle SQL文件，用SQL Developer导入Oracle数据库，完成数据库的创建。

（2）测试数据准备：测试数据依据实际项目的堆场布局、设备配置来设计，象箱区数量、贝位数、排数、层数、设备数量，根据作业流程设计不同的测试数据。不同表的测试数据分别填在Excel文件不同的Sheet中。为简化数据导入工作，用Winform实现一个导入工具。用NPOI类库操作Excel，从文件中读入各Sheet页各单元格内容。Oracle.ManagedDataAccess.dll操作Oracle数据库。Excel文件sheetname与数据库表名称一致，表头与数据库表的各字段名一致，读取各Sheet各单元格内容，按字段名及表名拼接为SQL语句，执行SQL语句导入数据库。导入前禁用外键，完成导入后再启用外键，均在代码中用SQL实现。

（3）仿真验证：采用AnyLogic仿真工具进行多智能体仿真，绘制堆场、船舶、岸桥、AGV、场桥智能体模型，并为智能体添加相关属性、方法，编写业务逻辑代码，与Oracle数据库连接，用数据驱动仿真模型执行作业任务，并用图表展示测试结果。

4 结语

设计良好的TOS-ECS接口对自动化集装箱码头的软件集成具有非常关键的作用。该文首先介绍了自动化码头软件架构，然后总结了目前主流的接口技术，并对各种接口技术进行分析比较，最后介绍了TOS-ECS数据库设计原则、接口设计与验证过程。

参考文献

[1]杨宇华，张氢，聂飞龙.集装箱自动化码头发展趋势分析[J].中国工程机械学报，2015，13（6）：571-576.

[2]周晓霞，姚彦龙，吴洲.基于贝加莱PCC架构的自动化碼头调度管理与控制系统[J].自动化博览，2016（5）：104-107.

[3]陈怡璇.“不安分”的程序员——访上海振华重工电气有限公司副总经理叶军[J].上海国资，2014（12）：90-92.

[4]何钢，张耀周，李锋.集装箱自动化码头关键技术[J].港口科技，2017（2）：6-13，18.

[5]刘峰，鄂海红. 基于海量数据的消息队列的性能对比与优化方案[J].软件，2016，37（10）：33-37.