黃元濤 魏立明 孫佳隆

（1．青島杰瑞工控技術(shù)有限公司，山東 青島 266061；2．中船重工（青島）海洋裝備研究院有限責(zé)任公司，山東 青島 266520）

0 引言

鐵路站場集裝箱智能裝卸設(shè)備控制系統(tǒng)（RYECS）是實(shí)現(xiàn)整個(gè)自動(dòng)化鐵路站場方案的關(guān)鍵，屬于鐵路站場管理系統(tǒng)（RYMS）和集裝箱裝卸設(shè)備的中間系統(tǒng)，它的主要作用是取代了傳統(tǒng)鐵路站場的司機(jī)和相關(guān)設(shè)備終端，用電腦代替人腦，在RYMS 中獲取任務(wù)后，智能地指揮設(shè)備安全、自動(dòng)、高效地把集裝箱搬運(yùn)到任務(wù)的目的位置。RYECS 開發(fā)過程中需要連接自動(dòng)化裝卸設(shè)備（如ARMG、AGV/無人集卡等）進(jìn)行測試，如果利用實(shí)際設(shè)備進(jìn)行測試，不但成本高而且測試環(huán)境也不夠安全，因此，亟須有效的仿真測試平臺(tái)來輔助RYECS 的開發(fā)和測試。

目前國內(nèi)關(guān)于鐵路站場的仿真主要集中在鐵路站場規(guī)劃、作業(yè)調(diào)度和設(shè)備配置等方面[1-4]。例如李達(dá)等人利用Multi-Agent 技術(shù)搭建了鐵路站場裝卸線作業(yè)仿真模型，并對(duì)裝卸線的布置和建設(shè)規(guī)模進(jìn)行了研究。王艷青等人基于eMPlant 及時(shí)搭建的鐵路集裝箱貨場裝卸系統(tǒng)仿真模型，對(duì)鐵路集裝箱主箱區(qū)和輔助箱區(qū)的布局進(jìn)行了驗(yàn)證。Abourraja 等人搭建了基于Multi-Agent 技術(shù)的起重機(jī)調(diào)度仿真模型，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果針對(duì)Le Havre 港口集裝箱貨場起重機(jī)調(diào)度提出了改進(jìn)方案。梁劍等人搭建了基于離散事件與事件圖方法的鐵路集裝箱裝車作業(yè)仿真模型，并對(duì)鐵路集裝箱中心站裝卸作業(yè)的設(shè)備配置進(jìn)行了優(yōu)化。

該文在分析鐵路站場集裝箱裝卸作業(yè)區(qū)的布局及作業(yè)流程的基礎(chǔ)上，利用Multi-Agent 技術(shù)建立裝卸作業(yè)區(qū)的仿真模型，并驗(yàn)證了模型的有效性，為RYECS 開發(fā)測試提供支持。

1 鐵路站場集裝箱裝卸作業(yè)區(qū)

鐵路站場包括集裝箱裝卸作業(yè)區(qū)、輔助箱場和閘口等功能區(qū)。集裝箱裝卸作業(yè)區(qū)一般由列車、堆場和集卡3 個(gè)部分組成，如圖1 所示。

鐵路站場集裝箱裝卸區(qū)作業(yè)主要流程包括4 個(gè)部分。1）集裝箱列車的集裝箱卸載至堆場堆存或集卡。2） 集卡上的集裝箱裝卸至堆場堆存或集裝箱列車上。3） 堆場中的集裝箱裝卸至集裝箱班列或集卡上。4） 集裝箱從一列集裝箱列車直接裝至另一列集裝箱列車上，如圖2 所示。

圖1 某鐵路站場集裝箱裝卸作業(yè)區(qū)橫截面布置圖

圖2 某鐵路站場集裝箱裝卸區(qū)作業(yè)圖

2 Multi-Agent仿真建模

為了更加真實(shí)地模擬測試環(huán)境，結(jié)合Multi-Agent 仿真建模技術(shù)和Socket 通信技術(shù)，利用AnyLogic 仿真軟件搭建基于RYECS 的仿真模型[5]。模型中重要的功能模塊包括4 個(gè)部分。

2.1 Main智能體

Main 智能體是整個(gè)仿真模型的入口和統(tǒng)一控制模塊。其主要功能有5 個(gè)。1）實(shí)現(xiàn)鐵路站場集裝箱裝卸作業(yè)區(qū)布局。2）仿真參數(shù)輸入和仿真模型初始化。3）實(shí)現(xiàn)與本地?cái)?shù)據(jù)庫的對(duì)接。4）2D/3D 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬模型的運(yùn)行過程。5）以圖表形式實(shí)時(shí)展示集裝箱裝卸設(shè)備的關(guān)鍵KPI。

2.2 Socket通信模塊

RYECS 利用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與集裝箱裝卸設(shè)備的信息交互。仿真模型中搭建Socket 服務(wù)器，RYECS 中搭建Socket 客戶端，Socket 服務(wù)器實(shí)時(shí)監(jiān)聽通信端口，自動(dòng)接收RYECS 發(fā)送的任務(wù)指令并生成相應(yīng)的任務(wù)智能體。在任務(wù)執(zhí)行過程中Socket 服務(wù)器實(shí)時(shí)將任務(wù)狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)反饋給RYECS。

2.3 ARMG智能體

根據(jù)ARMG 的機(jī)械結(jié)構(gòu)將ARMG 智能體劃分為大車控制模塊、小車控制模塊和吊具控制模塊3 個(gè)子功能模塊。分別對(duì)應(yīng)仿真模型中的Crane、Part 和LS 3 個(gè)智能體。ARMG控制邏輯如圖3 所示。

圖3 ARMG 模型狀態(tài)圖

2.3.1 大車控制模塊

如圖3（a）所示，模型開始執(zhí)行后，大車控制模塊一直處于等待任務(wù)狀態(tài)，并設(shè)置每隔1 s 查詢是否有待執(zhí)行任務(wù)，有可執(zhí)行任務(wù)時(shí)跳出等待，按照任務(wù)要求移動(dòng)大車，然后判斷當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)是否需要集卡，需要?jiǎng)t等待集卡到達(dá)，最后通知小車移動(dòng)并回到等待狀態(tài)或下一個(gè)移動(dòng)階段。

2.3.2 小車控制模塊

如圖3（b）所示，小車控制模塊接收到大車控制模塊的通知信息后開始按任務(wù)要求移動(dòng)，等小車到達(dá)指定位置后通知吊具移動(dòng)，然后回到等待狀態(tài)或下一個(gè)移動(dòng)階段。

2.3.3 吊具控制模塊

如圖3（c）所示，吊具控制模塊接收到小車控制模塊的通知信息后，開始按任務(wù)要求進(jìn)行抓放箱作業(yè)，等吊具完成操作后更新任務(wù)和設(shè)備狀態(tài)，然后回到等待狀態(tài)。

2.4 Chassis智能體

鐵路站場的作業(yè)車輛跟據(jù)作業(yè)范圍可以分為場內(nèi)拖車和場外拖車2 類。場內(nèi)拖車始終在站場內(nèi)作業(yè)，種類較多，包括內(nèi)集卡、自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV）和集裝箱正面吊等多種類型。場外拖車可以進(jìn)出場作業(yè)，一般使用集卡車進(jìn)行運(yùn)輸。測試平臺(tái)中的作業(yè)車輛采用AGV 和外集卡，AGV 負(fù)責(zé)火車與輔助箱區(qū)、裝卸作業(yè)線箱區(qū)與輔助箱區(qū)之間的集裝箱運(yùn)輸作業(yè)，外集卡負(fù)責(zé)火車與場外箱區(qū)、裝卸作業(yè)線箱區(qū)與場外箱區(qū)、輔助箱區(qū)與場外箱區(qū)之間的集裝箱運(yùn)輸作業(yè)。兩者的作業(yè)范圍不同，但在集裝箱裝卸作業(yè)區(qū)的作業(yè)流程是一致的，如圖4 所示。

圖4 集卡模型狀態(tài)圖

AGV/外集卡接到作業(yè)指令后移動(dòng)到作業(yè)位置，等到達(dá)指定位置后通知ARMG，開始執(zhí)行在AGV/外集卡上的裝卸箱作業(yè)，AGV/外集卡原地等待，直到接到ARMG 完成作業(yè)通知后離開集裝箱裝卸作業(yè)區(qū)，AGV/外集卡繼續(xù)下一個(gè)任務(wù)或進(jìn)行返回車站、維修等操作。

2.5 Train智能體

測試平臺(tái)中的火車車廂均采用能夠裝載1 個(gè)40TEU 或2個(gè)20TEU 的標(biāo)準(zhǔn)模型。在Main 智能體中創(chuàng)建火車智能體群Trains，Trains 中的每個(gè)火車智能體代表1 節(jié)火車車廂，在火車智能體行動(dòng)中設(shè)置車廂位置，可動(dòng)態(tài)生成火車模型。

2.6 Job智能體

Job 智能體用于存儲(chǔ)RYECS 下發(fā)的作業(yè)指令，每條作業(yè)指令包括集裝箱裝卸的起始位置、終點(diǎn)位置、拖車、集裝箱等必要的作業(yè)信息。測試平臺(tái)可以對(duì)作業(yè)指令的執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用于Main 智能體中的關(guān)鍵KPI 展示。

2.7 Container智能體

Container智能體主要用于存儲(chǔ)鐵路站場所有集裝箱的信息，包括集裝箱的存放位置、箱重、箱門朝向等相關(guān)信息。鐵路站場裝卸作業(yè)區(qū)的集裝箱存放區(qū)域主要包括裝卸作業(yè)線箱區(qū)和火車2 個(gè)部分。測試平臺(tái)根據(jù)集裝箱存放區(qū)域劃分，在Main 智能體中分別創(chuàng)建裝卸作業(yè)線箱區(qū)集裝箱（TContainers）和火車集裝箱（YContainers）2 個(gè)集裝箱智能體群，便于集裝箱信息的存儲(chǔ)和管理。

3 仿真實(shí)例

為驗(yàn)證模型的有效性，以某鐵路站場集裝箱裝卸線為例，設(shè)計(jì)裝卸能力30 萬TEU/年。

該仿真模型采用“ARMG+AGV”的裝卸工藝，作業(yè)設(shè)備包括2 臺(tái)ARMG 和10 輛AGV，配比為ARMG ∶AGV=1 ∶5。為了便于建模，仿真模型內(nèi)設(shè)備速度均設(shè)為勻速，參照日照港自動(dòng)化堆場裝卸設(shè)備速度，參數(shù)見表1。

表1 模型設(shè)備速度參數(shù)表

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仿真模型中的集裝箱數(shù)據(jù)來自RYECS 數(shù)據(jù)庫，作業(yè)指令數(shù)據(jù)通過RYECS 利用Socket 通信傳輸獲得。仿真測試模型能夠完整仿真出圖2 所有的作業(yè)流程，并且可以實(shí)時(shí)展示作業(yè)執(zhí)行過程的2D、3D 畫面和作業(yè)設(shè)備的關(guān)鍵KPI。圖5 展示了模型運(yùn)行的3D 效果。

圖5 仿真模型運(yùn)行3D 效果圖

4 結(jié)語

利用Multi-Agent 仿真模型能夠較為真實(shí)地仿真出鐵路站場集裝箱裝卸線的作業(yè)場景，可以節(jié)約資金、人力和時(shí)間，保證測試環(huán)境的安全，提高測試效率，為RYECS 的開發(fā)測試提供支持。