集裝箱碼頭堆場全自動軌道式起重機調(diào)度控制系統(tǒng)

葉軍　舒帆　肖攀

隨著自動化集裝箱碼頭的快速發(fā)展以及傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化改造的持續(xù)推進，如何實現(xiàn)碼頭堆場全自動軌道式起重機在各類復雜工況下的安全高效作業(yè)成為港航業(yè)的研究熱點。全自動軌道式起重機不僅有助于實現(xiàn)集裝箱碼頭堆場作業(yè)自動化和無人化，避免因人為因素而造成不合理作業(yè)或引發(fā)安全事故，而且有助于實現(xiàn)動態(tài)空間布局和全天候作業(yè)，從而極大地提高堆場作業(yè)能力。從全自動軌道式起重機作業(yè)模式來看，我國港口大多采用2臺同等規(guī)格的起重機協(xié)同作業(yè)模式。為了實現(xiàn)多臺全自動軌道式起重機協(xié)同作業(yè)過程中的裝卸任務(wù)調(diào)度、設(shè)備避碰、故障處置和指令傳輸?shù)龋斜匾O(shè)計應(yīng)用安全可靠的全自動軌道式起重機調(diào)度控制系統(tǒng)（equipment operation system，EOS）。

1 EOS實現(xiàn)路徑

1.1 體系架構(gòu)

自動化控制有多種實現(xiàn)方式。在港口起重設(shè)備領(lǐng)域，通常采用可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）編寫程序以實現(xiàn)對各種驅(qū)動器的控制，進而實現(xiàn)對起重設(shè)備的操作和控制。PLC控制方式的優(yōu)點是速度較快且穩(wěn)定可靠，缺點是不擅長處理大量復雜邏輯運算和大量數(shù)據(jù)存儲與分析;計算機控制方式擅長處理大量復雜邏輯運算和大量數(shù)據(jù)存儲與分析，但其在實時性和可靠性方面不如PLC控制方式。本文構(gòu)建的EOS將PLC控制方式和計算機控制方式的優(yōu)點相結(jié)合，通過計算機發(fā)送指令給PLC控制起重機動作，并通過計算機讀取PLC數(shù)據(jù)監(jiān)視起重機是否按照指令正常工作以及是否符合作業(yè)要求，從而實現(xiàn)對同時作業(yè)的多臺起重機的控制、管理和監(jiān)視。

由于碼頭同時作業(yè)的起重機較多，而計算機與起重機通信需要一定時間，從而對起重機控制的實時性和流暢性造成一定影響。為此，EOS采用三層分級控制方案：第一層是中央調(diào)度層，負責為起重機分配作業(yè)任務(wù)及控制移動指令;第二層是本地調(diào)度層，負責向本地PLC發(fā)送指令及收集執(zhí)行過程數(shù)據(jù)，并通知中央調(diào)度層干預(yù)處理異常情況;第三層是本地PLC控制層，負責執(zhí)行指令，并將執(zhí)行過程數(shù)據(jù)存入指定的通信地址。由圖1可見：與兩層體系架構(gòu)相比，三層體系架構(gòu)中的第二層本地調(diào)度層能夠起到承上啟下和緩沖作用，從而降低對上位機軟件實時性的要求。

1.2 指令類型

計算機與其他設(shè)備通信需要一定時間，一般以太網(wǎng)通信需要10～20 ms。如果起重機的每個細微動作都由計算機直接控制，勢必會影響起重機工作的流暢性;因此，需要規(guī)劃EOS三層體系架構(gòu)之間的指令傳輸，設(shè)計指令類型和內(nèi)容，由計算機向PLC發(fā)送指令，并由PLC執(zhí)行指令，使PLC既能快速執(zhí)行指令，又不必處理過于復雜的邏輯運算。針對上述要求，設(shè)計以下三種指令。

1.2.1 微指令

微指令是PLC內(nèi)部處理的可分解的最小動作指令，也是PLC控制下的起重機動作流暢性的保證。

1.2.2 指令

指令是機上計算機控制PLC的最小指令單元。經(jīng)分析有以下指令。

（1）0：clear 清除

（2）1：gantry and trolley （equipment） move 大車和小車（設(shè)備）移動

（3）2：spreader up（show a message when the spreader passes safe height） 吊具上升（并在經(jīng)過安全高度時反饋信息）

（4）3：spreader down 吊具下降

（5）4：twist lock 閉鎖

（6）5：twist unlock 開鎖

（7）6：optimum path 沿最佳路徑移動

（8）7：parking 進入停車位

（9）8：spreader landing 吊具下降至著箱位

（10）9：initialization 初始化

（11）10：free 結(jié)束

1.2.3 宏指令

宏指令是多個指令的組合，也是中控計算機控制機上計算機的最小指令單元。由于需要控制堆場內(nèi)的所有起重機，中控計算機的數(shù)據(jù)處理工作量較大。為了減輕中控計算機的數(shù)據(jù)處理壓力并提高其數(shù)據(jù)處理效率，實現(xiàn)堆場內(nèi)起重機協(xié)同作業(yè)，采用分級控制方法并引入宏指令。經(jīng)分析有以下宏指令。

（1）1：spreader up 吊具上升

（2）2：move and pre-pick up 大車和小車移動至準備提箱位（可以沿最佳路徑或門框路徑）

（3）3：move and pick up 小車移動并提箱

（4）4：pick up 直接提箱

（5）5：move 起重機移動

（6）6：move and pre-put down 大車和小車移動至準備放箱位（可以沿最佳路徑或門框路徑）

（7）7：move and put down 小車移動并放箱

（8）8：put down 直接放箱

（9）9：parking 進入停車位

（10）10：initialization 初始化

（11）11：free 結(jié)束

1.3 軟件架構(gòu)

EOS采用微軟操作系統(tǒng)面向服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計方案實現(xiàn)客戶端與中央服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)訪問。為了更好地支持面向服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計方案，使服務(wù)器層能夠?qū)崿F(xiàn)分布式應(yīng)用結(jié)構(gòu)，采用微軟.NET 技術(shù)框架和SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。此外，EOS需要與碼頭操作系統(tǒng)（terminal operation system， TOS）進行接口交互，以獲取作業(yè)任務(wù)序列并向TOS反饋執(zhí)行結(jié)果;因此，采用標準的Web服務(wù)連接EOS和TOS。EOS軟件架構(gòu)見圖2。

1.4 模塊結(jié)構(gòu)

如圖3所示，EOS主要由以下模塊組成：（1）以EOS服務(wù)為中心的服務(wù)器端，包括中央調(diào)度器、設(shè)備預(yù)分配器、設(shè)備數(shù)據(jù)服務(wù)器、設(shè)備應(yīng)急器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)等;（2）起重機控制器端，包括機上指令控制發(fā)送器和機上PLC等;（3）遠程操作站，包括遠程操作站指令控制器、起重機監(jiān)控系統(tǒng)和遠程操作站PLC等;（4）其他客戶端，包括三維虛擬監(jiān)控系統(tǒng)和TOS接口等。

2 EOS應(yīng)急處置機制

與傳統(tǒng)起重機不同的是，全自動軌道式起重機發(fā)生故障后通常無法繼續(xù)工作。如何通過遠程操控使全自動軌道式起重機在發(fā)生輕微故障時繼續(xù)完成本次任務(wù)，或在故障修復后繼續(xù)按自動化方式工作，成為EOS需要解決的重要問題之一。

2.1 應(yīng)急處置方式

當全自動軌道式起重機發(fā)生故障時，EOS自動將起重機從自動工作模式切換為遠程操控模式，以便技術(shù)人員解決故障。遠程操作站（見圖4）在應(yīng)急處置過程中發(fā)揮重要作用。中控室內(nèi)的技術(shù)人員通過遠程操作站實現(xiàn)對全自動軌道式起重機的遠程操控，完成故障應(yīng)急處置工作。為了便于對全自動軌道式起重機實施遠程操控，遠程操作站需要配置操作面板、顯示器（顯示設(shè)備作業(yè)現(xiàn)場畫面和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)）和相應(yīng)的軟件。

應(yīng)急處置不僅適用于全自動工況下的突發(fā)故障或緊急情況，也適用于半自動工況。例如，當集卡在堆場內(nèi)裝卸集裝箱時，由于有人員進入作業(yè)現(xiàn)場，為了確保人身安全，必須將起重機從全自動模式切換為人員遠程操控下的半自動模式。

2.2 應(yīng)急處置流程

為了盡可能縮短故障停機時間，最大程度地降低設(shè)備故障對碼頭生產(chǎn)作業(yè)的影響，EOS設(shè)置三種應(yīng)急處置模式，即普通遠程操控模式（可返回自動模式）、超級遠程操控模式（不可返回自動模式）和維修模式（見圖5）。

與三層分級控制的體系架構(gòu)相適應(yīng)，EOS應(yīng)急處置也采用三層同步控制方式，本文僅討論中央調(diào)度器和機上指令控制發(fā)送器的同步控制流程。如圖6所示：當起重機發(fā)生故障時，機上指令控制發(fā)送器將當前指令壓入堆棧以保留現(xiàn)場環(huán)境，并向起重機發(fā)送暫停指令，同時向中央調(diào)度器發(fā)送故障類型和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并掛起線程等待中央調(diào)度器處理;中央調(diào)度器調(diào)用應(yīng)急處置程序，向應(yīng)急處置程序發(fā)送故障信息并等待，直至應(yīng)急處置程序返回結(jié)果后，再向機上指令控制發(fā)送器反饋結(jié)果;若應(yīng)急處置成功，則允許起重機切換至自動模式，機上指令控制發(fā)送器從堆棧中彈出原來的指令繼續(xù)執(zhí)行;若應(yīng)急處置失敗，則機上指令控制發(fā)送器清除指令，并向中央調(diào)度器報告執(zhí)行失敗。

3 EOS協(xié)同作業(yè)機制

同一堆場內(nèi)的多臺全自動軌道式起重機協(xié)同作業(yè)是EOS需要解決的關(guān)鍵問題之一。該問題既涉及調(diào)度層如何實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)和防撞避讓，又涉及起重機設(shè)備層如何實現(xiàn)防撞檢測和避讓。

3.1 多機狀態(tài)下的防撞邏輯

當設(shè)備層檢測到即將與其他設(shè)備發(fā)生碰撞時，起重機停止運行并置起鎖定狀態(tài)。2臺起重機均停止運行并置起鎖定狀態(tài)稱為“死鎖”，此時EOS需要決策由哪臺起重機執(zhí)行避讓以解除死鎖。

調(diào)度層處理2臺起重機大車防撞問題的邏輯如下：在起重機大車移動前，判斷是否有其他起重機進入該區(qū)域或已占用該區(qū)域;若沒有， 則本機占用該區(qū)域（見圖7）。

3.2 協(xié)同作業(yè)中的數(shù)據(jù)準確性措施

EOS處理防撞問題需要使用起重機大車位置等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不準有可能導致碰撞發(fā)生。為此，引入循環(huán)計數(shù)器來判斷數(shù)據(jù)準確性，即每臺起重機均安裝本機循環(huán)計數(shù)器和相鄰起重機循環(huán)計數(shù)器，記錄設(shè)備位置、速度和方向等數(shù)據(jù)，同時中控室調(diào)度層也有與每臺起重機相對應(yīng)的循環(huán)計數(shù)器。如果循環(huán)計數(shù)器記錄的設(shè)備位置、速度和方向等數(shù)據(jù)在設(shè)定時間內(nèi)未發(fā)生變化，則認為存在通信延遲，調(diào)度層暫停當前調(diào)度，待取得最新數(shù)據(jù)后再繼續(xù)調(diào)度。起重機與中控室通信工況見圖8。

（編輯：張敏 收稿日期：2022-06-01）