智能港口装卸控制系统半物理仿真验证技术研究

孙佳隆 姜作飞

（1．青岛杰瑞工控技术有限公司，山东 青岛 266061；2．中船重工（青岛）海洋装备研究院有限责任公司，山东 青岛 266520）

1 研究背景

与传统集装箱港口装卸系统相比，智能集装箱港口装卸系统具有技术含量高、运行安全可靠等优点，尤其是在智能化、可靠性、稳定性、设备利用率、运营成本等方面具有无与伦比的优势。目前，世界范围内的集装箱港口都在加紧进行智能化的改造或建设，智能化集装箱码头市场规模庞大，应用前景广阔[1]。

然而，智能码头建设存在投资大、周期长、复杂度高、对人员的要求高等问题，对智能码头的大规模落地造成阻碍。而半物理仿真技术能有效解决自动化码头建设存在的问题，如在码头规划阶段对堆场布局、设备配置进行仿真，在项目投标阶段向客户展示基于目标工程的仿真解决方案，在大型设备装配完成之前用半物理手段进行软件联调，这些都有助于缩短码头建设周期，降低码头建设风险。

2 现状分析

近年来，在计算机技术、人工智能、大数据等智能化技术飞速发展的背景下，半物理仿真技术已广泛涉及机电技术、液压技术、控制技术及接口技术等领域[2]。

目前智能港口半物理仿真主要需求包含7 个方面。1）实现目标工程项目的远程操作。2）目标工程项目的仿真演示。3）实现码头布局的快速搭建。4）码头控制系统的离线测试。5）码头运营情况的虚拟视觉展示。6）码头装卸设备情况的显示及使用率统计。7）码头整体吞吐量仿真统计。

半物理仿真的优势是能够把数字仿真的灵活性和物理仿真的精确性相结合，可以充分发挥各自的功能优势，有效减少开发时间、故障成本以及系统模拟的计算资源。半物理仿真也正在向集成化、智能化和一体化方向发展，在工程技术领域发挥的作用越来越大[3]。

目前市场上码头领域主流仿真软件平台主要包括AnyLogic，FlexTerm， 表 1 对2 个仿真平台的特点进行总结，笔者所在团队有2 个软件的码头仿真实现案例，图 1 与图 2 分别是AnyLogic 与FlexTerm 仿真效果图。

3 关键技术要求

智能码头半物理仿真涉及调度算法、数据分析处理、软件测试验证等技术，下面结合码头场景对这3 个方面的技术进行分析和阐述。

3.1 调度技术研究

集装箱码头物流系统是一个典型的多资源协同、多环节并发、多维空间作业的离散事件动态系统，同时也是一个多用户共存、多任务并行、多资源共享的分布式控制系统，更是一个多层次、双向流动、资源动态分配绑定的大规模并行处理系统[4]。

集装箱码头中装卸作业是一个多任务调度、多作业线控制、多环节协同和多资源分配的作业过程，包含场箱位分配、多场桥调度、集卡路径规划、场桥集卡协同调度等，属于多目标优化问题，是典型的NP-hard 问题。目前结合集装箱码头智能作业需求，启发式算法用的最多，比较通用的启发式算法一般有模拟退火算法、遗传算法、蚁群算法、人工神经网络等，原理就是基于直观或者经验构造的算法，在可接受的维度内给出待解决组合优化问题的一个可行解。例如青岛港或者洋山港，就是基于某一种成熟算法进行有针对性的算法重构与策略优化，使其满足特定空间与时间维度内的快速求解，并尽可能达到空间或时间约束条件下的最优解。

3.2 数据处理技术研究

目前开源大数据计算引擎有很多选择，同时支持流处理和批处理的计算引擎只有2 种。一个是Apache Spark，一个是Apache Flink。从技术生态等各方面的综合考虑，Apache Spark 的技术理念是基于批来模拟流的计算，而Apache Flink 则完全相反，它采用的是基于流计算来模拟批计算。从技术发展方向看，Apache Spark 用批来模拟流有一定的技术局限性，并且这个局限性可能暂时很难突破。而Apache Flink 基于流来模拟批，在技术上有更好的扩展性，更加符合当前智能码头低延迟、高吞吐大数据计算引擎的设计需求。

3.3 测试技术研究

软件系统的测试与验证工作应该从模块级、单元级、系统级逐步进行并贯穿于系统的整个开发过程中，避免后续的联调测试过程中出现大规模的改动。常用的测试方法包括中间表验证、错误验证等。

表1 仿真平台技术特点对比

图1 AnyLogic 码头仿真效果图

图2 FlexTerm 仿真效果图

3.3.1 中间表验证

码头管理系统TOS 与设备控制系统ECS 的信息交互过程中，TOS 根据现场装卸设备的分布与状态会执行集装箱装卸作业算法，自动制定装卸作业计划，对需要装卸作业的集装箱合理的分配作业顺序与作业设备，然后将命令写入中间表。接着ECS 就会从中间表读取作业命令并执行，并在装卸集装箱的过程中，将集装箱的状态信息、当前使用设备的信息等写入中间表，TOS 接收该反馈后可以调整与优化后续集装箱的装卸作业规划。在这个交互过程中，可以编写验证程序来检查中间表数据交互的合理性、及时性、准确性、完整性等。

3.3.2 错误验证

利用TOS 分配一个错误的任务给ECS 去执行，以此验证系统对错误的处理流程及报警功能，也进一步测试与验证了程序的故障应对策略。例如提箱作业，TOS 可以发出一条提箱命令，其中集装箱的信息是错误的，堆场并不存在该集装箱，ECS 接收命令后会去对应的位置寻找集装箱，这时就可以验证系统对堆场无箱这种错误的处理流程与策略。

4 半物理仿真设计方案

4.1 设计目标

半物理仿真需实现以下4 个功能。1）实物样机演示验证平台可以为科研开发提供了实际业务场景的自动化技术演示，加速了理论与实践相结合的步伐。2）实物样机演示验证平台可以实现管控系统指令的直接动作与数据的闭环反馈，为软件系统的测试与运维提供技术保障。3）作为展示平台，向客户展示集团公司在智能化码头方面的研究成果与发展程度。4）可以适当解决人员到港口现场测试对接烦琐，作业安全难以保障等困难。

4.2 设计内容

该小节列出3 种半物理仿真验证可选设计方案，并分析了各方案的优缺点。

方案一：全尺寸全功能样机。按照典型自动化码头岸桥与场桥的尺寸及功能建造全尺寸全功能样机，该方案的优点是功能全面，但造价偏高。该方案建造成本偏高，部分功能验证为重复性验证，建造全尺寸全功能样机的意义不大。

方案二：等比例缩小样机。该方案从理论上来看，也能够实现样机的各项功能测试。但是等比例缩小之后在试验过程中测试的数据与真实工况的数据理论上是比例关系，实际考虑到惯性载荷、摩擦阻力等方面的因素，样机测试的数据与真实工况的数据有多大偏差，难以测算，该方案测试的数据也是难以用于修正实际工况下的作业程序，采用该方案可以满足部分样机的试验目的。

方案三：该方案在方案二的基础上再进行简化，对操作流程、逻辑功能、调度管理等子系统进行验证，其余部分进行简化。该方案既能真实模拟装卸作业过程，投入又相对较少，且制作难度较小，周期较短。

4.3 关键技术解决途径

装卸作业流程仿真技术解决途径有3 个。1）充分调研和分析智能港口及码头装卸系统架构和装卸设备组成，研究、梳理出装卸系统所要监测的设备状态及参数。2）研究系统组网、设备控制接口、指令信号处理等技术，实现对系统及设备状态数据的采集。3）开展设备流数据处理技术、并行批处理技术、实时数据分析技术的研究，通过技术整合，实现码头装卸系统的状态数据监测。

装卸作业调度优化技术解决途径有5 个。1） 对调度过程中需要用到的相关算法优缺点进行分析，研究出系统适用的最优算法。2） 对调度过程中遇到的具体问题进行分析，对装卸设备的移动特点进行分析建模，结合调度过程中的运行参数，对整个自动化集装箱码头的调度进行优化。3）根据优化模型进行算法设计，给出具体实现步骤，并验证算法的正确性及可行性。4）搭建仿真验证平台，对设计的调度算法进行仿真分析，根据仿真结果优化完善调度决策算法。5）根据上述的验证结果，为设备的管理以及运营层提供数字化、科学化的优化方法和管理建议。

5 结语

通过对半物理仿真的应用进行归纳总结可知，当前半物理仿真在智能码头领域的应用不多。半物理仿真的优势就是能够把数字仿真的灵活性和物理仿真的精确性相结合，有助于解决当前码头建设的成本高、周期长、技术风险大等问题，伴随着人工智能、大数据、计算机技术的快速发展，半物理仿真技术在港口行业的应用肯定会越来越广泛。