黃元濤 魏立明 孫佳隆

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

0 引言

鐵路站場集裝箱智能裝卸設備控制系統(tǒng)（RYECS）是實現(xiàn)整個自動化鐵路站場方案的關鍵，屬于鐵路站場管理系統(tǒng)（RYMS）和集裝箱裝卸設備的中間系統(tǒng)，它的主要作用是取代了傳統(tǒng)鐵路站場的司機和相關設備終端，用電腦代替人腦，在RYMS 中獲取任務后，智能地指揮設備安全、自動、高效地把集裝箱搬運到任務的目的位置。RYECS 開發(fā)過程中需要連接自動化裝卸設備（如ARMG、AGV/無人集卡等）進行測試，如果利用實際設備進行測試，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來輔助RYECS 的開發(fā)和測試。

目前國內(nèi)關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)度和設備配置等方面[1-4]。例如李達等人利用Multi-Agent 技術搭建了鐵路站場裝卸線作業(yè)仿真模型，并對裝卸線的布置和建設規(guī)模進行了研究。王艷青等人基于eMPlant 及時搭建的鐵路集裝箱貨場裝卸系統(tǒng)仿真模型，對鐵路集裝箱主箱區(qū)和輔助箱區(qū)的布局進行了驗證。Abourraja 等人搭建了基于Multi-Agent 技術的起重機調(diào)度仿真模型，根據(jù)試驗結(jié)果針對Le Havre 港口集裝箱貨場起重機調(diào)度提出了改進方案。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，并對鐵路集裝箱中心站裝卸作業(yè)的設備配置進行了優(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)流程的基礎上，利用Multi-Agent 技術建立裝卸作業(yè)區(qū)的仿真模型，并驗證了模型的有效性，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

為了更加真實地模擬測試環(huán)境，結(jié)合Multi-Agent 仿真建模技術和Socket 通信技術，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 個部分。

2.1 Main智能體

Main 智能體是整個仿真模型的入口和統(tǒng)一控制模塊。其主要功能有5 個。1）實現(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）實現(xiàn)與本地數(shù)據(jù)庫的對接。4）2D/3D 實時動態(tài)模擬模型的運行過程。5）以圖表形式實時展示集裝箱裝卸設備的關鍵KPI。

2.2 Socket通信模塊

RYECS 利用無線通信技術實現(xiàn)與集裝箱裝卸設備的信息交互。仿真模型中搭建Socket 服務器，RYECS 中搭建Socket 客戶端，Socket 服務器實時監(jiān)聽通信端口，自動接收RYECS 發(fā)送的任務指令并生成相應的任務智能體。在任務執(zhí)行過程中Socket 服務器實時將任務狀態(tài)和設備狀態(tài)反饋給RYECS。

2.3 ARMG智能體

根據(jù)ARMG 的機械結(jié)構將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 個子功能模塊。分別對應仿真模型中的Crane、Part 和LS 3 個智能體。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狀態(tài)，并設置每隔1 s 查詢是否有待執(zhí)行任務，有可執(zhí)行任務時跳出等待，按照任務要求移動大車，然后判斷當前執(zhí)行的任務是否需要集卡，需要則等待集卡到達，最后通知小車移動并回到等待狀態(tài)或下一個移動階段。

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要求移動，等小車到達指定位置后通知吊具移動，然后回到等待狀態(tài)或下一個移動階段。

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，開始按任務要求進行抓放箱作業(yè)，等吊具完成操作后更新任務和設備狀態(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、自動導引小車（AGV）和集裝箱正面吊等多種類型。場外拖車可以進出場作業(yè)，一般使用集卡車進行運輸。測試平臺中的作業(yè)車輛采用AGV 和外集卡，AGV 負責火車與輔助箱區(qū)、裝卸作業(yè)線箱區(qū)與輔助箱區(qū)之間的集裝箱運輸作業(yè)，外集卡負責火車與場外箱區(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)指令后移動到作業(yè)位置，等到達指定位置后通知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)下一個任務或進行返回車站、維修等操作。

2.5 Train智能體

測試平臺中的火車車廂均采用能夠裝載1 個40TEU 或2個20TEU 的標準模型。在Main 智能體中創(chuàng)建火車智能體群Trains，Trains 中的每個火車智能體代表1 節(jié)火車車廂，在火車智能體行動中設置車廂位置，可動態(tài)生成火車模型。

2.6 Job智能體

Job 智能體用于存儲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、終點位置、拖車、集裝箱等必要的作業(yè)信息。測試平臺可以對作業(yè)指令的執(zhí)行狀態(tài)進行統(tǒng)計，用于Main 智能體中的關鍵KPI 展示。

2.7 Container智能體

Container智能體主要用于存儲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 個部分。測試平臺根據(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 個集裝箱智能體群，便于集裝箱信息的存儲和管理。

3 仿真實例

為驗證模型的有效性，以某鐵路站場集裝箱裝卸線為例，設計裝卸能力30 萬TEU/年。

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

表1 模型設備速度參數(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，并且可以實時展示作業(yè)執(zhí)行過程的2D、3D 畫面和作業(yè)設備的關鍵KPI。圖5 展示了模型運行的3D 效果。

圖5 仿真模型運行3D 效果圖

4 結(jié)語

利用Multi-Agent 仿真模型能夠較為真實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。