自動化集裝箱碼頭TOS—ECS接口研究

姜作飛 閆廣利 孫佳隆

摘 要：自動化集裝箱碼頭TOS-ECS集成缺乏成熟的接口標準，規范的接口有利于降低軟件開發維護的時間和成本。該文對TOS-ECS接口技術進行研究，首先介紹自動化集裝箱碼頭的軟件系統架構，然后介紹目前TOS與ECS接口通信的主流實現技術，并對各類接口技術進行分析比較，總結接口數據內容與格式，最后介紹數據庫設計原則，描述數據庫建表、測試數據準備、AnyLogic仿真測試等接口設計與驗證過程，為TOS和ECS開發者在設計接口時提供參考。

關鍵詞：自動化集裝箱碼頭；設備控制系統；接口；數據庫

中圖分類號：TP311.5 文獻標志碼：A

0 引言

自動化集裝箱碼頭具有作業效率高、安全可靠性高、環境污染小、節約人力等優點，是目前各集裝箱碼頭的發展趨勢。自動化集裝箱碼頭實現自動化作業，離不開碼頭操作系統（TOS）和設備控制系統（ECS）的密切配合，作為2個獨立的異構系統，TOS與ECS的信息交換依賴于接口通信。規范的接口有利于降低各種自動化軟件開發維護的時間和成本、提高軟件兼容性。然而，作為傳統行業，自動化碼頭中相關的軟件技術較為封閉，行業標準也并不成熟，該文對主流接口技術進行介紹，并闡述數據庫方式接口的設計原則、設計過程。

1 軟件系統架構

碼頭自動化系統通常包括TOS（碼頭操作系統）、上層ECS（設備調度管理系統）、下層ECS（設備控制系統）、遠程控制系統、通信交互單元、單機控制系統、自動化裝卸設備，完整的系統架構圖如圖1所示。

其中ECS是監控和控制自動化碼頭設備級所有事件和過程的軟件，特別是在協調不同類型自動化設備之間的交互時，ECS是碼頭軟件環境中必不可少的一部分。ECS一般由自動化供應商或裝卸設備制造商提供。TOS軟件負責整個碼頭的邏輯控制，包括關鍵功能，象船舶計劃、集裝箱庫存維護、工作指令生成和閘口操作。TOS軟件通常由商業公司或碼頭運營商自己提供。TOS負責根據最高效的作業順序發布任務指令，告知ECS箱區作業任務的起點、終點。ECS根據TOS指令自動規劃機械設備的運行路線并控制設備運行，指揮設備完成作業，同時反饋相關作業任務的操作狀態及結果給TOS。ECS與TOS的關系和制造企業的MES（制造執行系統）與ERP（企業資源計劃系統）的關系類似。

由于系統提供者商業戰略、技術特點、開發人員數量等因素的不同，TOS、ECS的功能范圍會有差別，象Navis的TOS包括設備調度優化功能，煙臺華東電子將調度優化抽象為ATEC軟件，ABB的ECS可以支持設備選擇、路徑選擇。

2 主流TOS-ECS接口技術

2.1 TOS-ECS接口通信架構方式

目前全球市場應用最廣泛的自動化集裝箱碼頭ECS和TOS軟件產品分別來自TBA和Navis，國內有較好應用案例的是振華重工和煙臺華東電子有限公司。Navis的TOS產品N4基于J2EE開發，支持關聯數據庫或JMS異步消息方式的ECS接口，提供數據庫接口與TBA的ECS產品TEAMS對接，提供JMS接口與卡爾瑪的ECS產品TLS對接。振華重工從2006年開始開發ECS配套軟件，并在廈門遠海碼頭項目中首次應用，遠海項目采用消息隊列+WebService技術實現與煙臺華東電子CiTOS的接口通信，ECS調用TOS的WebService服務獲取任務信息，TOS調用ECS的WebService服務獲取ECS返回的結果信息。煙臺華東電子提取TOS和ECS的部分功能做成ATEC產品，ATEC提供了多種接口方式與ECS對接：WebService、HTTP接口、socket、消息隊列。PEMA（港口設備生產協會）聯合控制系統提供商、TOS提供商和港機制造商象ABB、Siemens、Navis、TBA、Kalmar等成立接口標準化小組，并于2014年完成TOS與ECS接口規范文檔，文檔中提出現有系統中ECS接口架構方案分為消息傳遞和共享數據庫2種。

綜上所述，ECS接口通信架構方式主要分為共享數據、遠程服務調用（WebService）、消息中間件（MQ，即Message Queue）3類。

2.2 各通信架構方式比較分析

2.2.1 數據庫共享數據方式

2個系統A、B通過連接同一個數據庫，操作同一張表來實現數據交換。當系統A請求系統B處理數據時，系統A插入一條數據，系統B查詢讀取系統A插入的數據進行處理，反之亦然。

優點：使用同一數據庫，交互簡單；方便記錄狀態、時間戳等。

缺點：要避免數據表無限擴大。2套系統同時操作可能發生沖突，象行鎖、表鎖和查詢等待。

2.2.2 WebService

WebService是一種跨編程語言和跨操作系統的遠程調用技術，通過本地客戶端調用遠程服務器上的方法，來實現軟件系統之間的互聯互通。

優點：跨平臺、跨語言。

缺點：請求應答及同步調用時，存在堵塞問題，客戶端發送請求后，要等待服務端返回信息。

2.2.3 消息隊列

消息隊列MQ的應用場景是交互雙方“生產”和“消費”的速度或穩定性等性能不一致，作為抽象層，消息隊列彌合雙方的差異，多用于構建分布式互聯網應用。消息隊列常用的公共名詞包括消息（Message）、話題（Topic）、生產者（Producer）和消費者（Consumer）。

消息隊列與WebService相比，多了Broker集群，生產者把指定話題的消息發布到Broker集群，Broker集群會對消息做持久化，消費者從Broker集群訂閱指定話題的消息。TOS-ECS接口會維護TOS請求隊列與ECS結果隊列2個隊列服務，TOS請求隊列的生產者在TOS，消費者在ECS，ECS結果隊列生產者在ECS，消費者在TOS。

優點：1）實現系統解耦。2）以異步方式運行，提高系統響應速度。3）實現削峰，并發量大時允許消息隊列積壓。

缺點：1）多了一個消息隊列系統，系統可用性降低。2）系統復雜性增加，象需要考慮一致性問題、重復消費問題。

通過對3種通信方式的優缺點分析，可以發現使用數據庫方式實現相對簡單，消息隊列方式適合高并發場景，WebService方式需要在通信雙方分別開發不同接口、存在同步調用阻塞問題。自動化集裝箱碼頭真實生產場景中TOS與ECS系統交互數據量小，采用數據庫方式是最佳選擇。

2.3 TOS-ECS接口數據內容與格式

TOS發往ECS的是作業指令，ECS發往TOS的是作業狀態和設備狀態。

（1）作業指令：主要包括新作業指令、取消或更新作業指令、翻箱命令、重試命令等。作業指令可以指定裝卸設備，也可以不指定裝卸設備。可以按順序發布多條工作指令來創建作業列表，要么針對特定裝卸設備，要么由裝卸設備自由選擇作業列表。

（2）作業狀態：包括啟動/結束一條具體任務、激活一條任務、接近抓箱/放箱位置、集裝箱抓箱/放箱動作、OCR識別集裝箱、請求取箱/放箱位置（象翻箱動作）、集裝箱落位（象OCR拍攝平臺）、鎖頭仍處于閉合狀態，等待進一步動作、任務指令錯誤等。

（3）設備狀態：裝卸設備報告他們的常規狀態，不管他們是否在執行作業。象定時“心跳”監控、裝卸設備位置和可用性信息、請求新的作業命令。

傳輸的數據可以是ASCII字符或二進制數據的形式。PEMA標準提供了3種實現方案：XML，SQL，二進制消息。數據格式、通信協議也可以自定義，象ABB公司定義了AALP（ABB應用層協議），規定好消息頭、消息體，通過Socket通信方式收發數據，按AALP開發的TOS軟件可以與ABB的設備控制系統通信。

3 TOS-ECS數據庫接口設計

3.1 數據庫設計原則

自動化集裝箱碼頭裝卸作業流程主要包括裝船作業、卸船作業、提箱作業、收箱作業、移箱作業。生產作業過程包括岸橋裝卸、水平搬運、場橋堆碼3個環節。TOS-ECS接口數據庫設計要覆蓋所有作業流程、作業環節必要的交換信息。TOS與ECS交互的內容需要包括堆場地圖信息、作業任務、作業任務狀態、裝卸設備狀態。堆場地圖信息包括所有場箱位的集裝箱信息。作業任務要指定抓箱位置、放箱位置、要操作的集裝箱編號。作業任務狀態保存作業執行進度。裝卸設備狀態包括設備控制模式、設備位置。即數據庫至少要包括堆場地圖表，作業任務表，設備狀態表。

（1）堆場地圖表：按實際堆場規格保存每一個場箱位的集裝箱信息，以箱區號、貝號、排號、層號為主鍵，集裝箱信息包括集裝箱編號、類型、重量、箱門朝向。

（2）作業任務表：以任務編號為主鍵，當前執行狀態（新建、開始、完成、錯誤、取消等）、集裝箱編號、作業的起點位置、終點位置、起點類型、終點類型，優先級、執行本條作業任務的裝卸設備編號、集裝箱在拖車上的位置和箱門朝向。

（3）裝卸設備狀態表：以設備編號為主鍵，當前設備執行的作業任務編號，設備操作模式、機械狀態，設備的位置。

此外數據庫設計還包括以下要點：表之間的外鍵引用關系，各字段取值范圍、命名規則、編號規則，各字段讀寫權限分配，數據類型，表及字段命名要與行業術語一致，各表必須包括創建時間、更新時間字段。

3.2 數據庫接口設計與驗證過程

結合某碼頭實際數據進行數據庫設計及接口測試，以下是接口設計、驗證的過程。

（1）數據庫建模：采用PowerDesigner工具建模，完成表名、字段名、數據類型、數據長度、主鍵、外鍵引用、字段是否為空的定義，然后導出Oracle SQL文件，用SQL Developer導入Oracle數據庫，完成數據庫的創建。

（2）測試數據準備：測試數據依據實際項目的堆場布局、設備配置來設計，象箱區數量、貝位數、排數、層數、設備數量，根據作業流程設計不同的測試數據。不同表的測試數據分別填在Excel文件不同的Sheet中。為簡化數據導入工作，用Winform實現一個導入工具。用NPOI類庫操作Excel，從文件中讀入各Sheet頁各單元格內容。Oracle.ManagedDataAccess.dll操作Oracle數據庫。Excel文件sheetname與數據庫表名稱一致，表頭與數據庫表的各字段名一致，讀取各Sheet各單元格內容，按字段名及表名拼接為SQL語句，執行SQL語句導入數據庫。導入前禁用外鍵，完成導入后再啟用外鍵，均在代碼中用SQL實現。

（3）仿真驗證：采用AnyLogic仿真工具進行多智能體仿真，繪制堆場、船舶、岸橋、AGV、場橋智能體模型，并為智能體添加相關屬性、方法，編寫業務邏輯代碼，與Oracle數據庫連接，用數據驅動仿真模型執行作業任務，并用圖表展示測試結果。

4 結語

設計良好的TOS-ECS接口對自動化集裝箱碼頭的軟件集成具有非常關鍵的作用。該文首先介紹了自動化碼頭軟件架構，然后總結了目前主流的接口技術，并對各種接口技術進行分析比較，最后介紹了TOS-ECS數據庫設計原則、接口設計與驗證過程。

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