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        一種自動化集裝箱碼頭仿真方法的研究

        2022-02-09 02:22:02唐榮康沈一帆
        計算機(jī)仿真 2022年12期
        關(guān)鍵詞:故障系統(tǒng)

        宓 超,唐榮康,沈一帆

        (上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海 201306)

        1 引言

        傳統(tǒng)碼頭在調(diào)試過程中,主要針對一些集裝箱碼頭裝卸流程,裝卸設(shè)備的PLC邏輯進(jìn)行優(yōu)化,以滿足集裝箱碼頭正常工作。其中工作人員可以接受碼頭作業(yè)系統(tǒng)(Terminal Operation System,TOS)發(fā)送的作業(yè)指令,去調(diào)度碼頭設(shè)備工作。當(dāng)碼頭設(shè)備出現(xiàn)PLC故障時,如限位失靈,吊具起升失速故障等問題時,工作人員可以及時發(fā)現(xiàn)和解決。

        但是港口吞吐量的不斷增大,傳統(tǒng)的人工操作已經(jīng)無法滿足需求,碼頭自動化系統(tǒng)取代了碼頭工作人員。其中包碼頭自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵是設(shè)備調(diào)度管理和控制系統(tǒng)(Equipment Control System,ECS)。如世界上最大的重型裝備制造廠商上海振華重工集團(tuán)研發(fā)的ECS系統(tǒng)包括設(shè)備管理層:ECS-MS(Management System,MS)和ECS-ACCS(Automated Crane Control System,ACCS)。ECS-MS主要負(fù)責(zé)調(diào)度管理各類設(shè)備。根據(jù)作業(yè)設(shè)備的不同分為岸橋管理系統(tǒng)(Quay Crane System,QCMS)、堆場管理系統(tǒng)(Block Management System,BMS)。ECS-ACCS負(fù)責(zé)接收來自ECS-MS的指令將其拆分成具體的步驟發(fā)送給設(shè)備的PLC,包括岸橋自動控制系統(tǒng)(QC ACCS)、軌道吊自動控制系統(tǒng)(ARMG ACCS)[1,2]。其它如集裝箱箱號識別系統(tǒng)(Optical Character Recognition,OCR)[3],集卡引導(dǎo)系統(tǒng)(Chassis Position System,CPS)[4]等碼頭子系統(tǒng)與ECS系統(tǒng)相互配合,實現(xiàn)碼頭的運作。

        因此自動化碼頭在正式運作前,需要對其自動化系統(tǒng)進(jìn)行大量調(diào)試。這一過程不僅需要碼頭人員和碼頭設(shè)備的配合,而且在優(yōu)化ECS系統(tǒng)故障發(fā)生時的行為,需要對設(shè)備以及子系統(tǒng)進(jìn)行故障的注入,這在一定程度上會造成設(shè)備的損壞,對于集裝箱碼頭所需的代價是巨大的。考慮到以上問題,所以采用仿真技術(shù)的方法來解決。

        近年來,仿真技術(shù)發(fā)展迅速,產(chǎn)生了許多專業(yè)的仿真軟件。其中應(yīng)用在集裝箱港口碼的軟件功能與特點如表1所示。

        表1 港口仿真軟件介紹

        研究人員利用這些專業(yè)的仿真軟件設(shè)計和評估碼頭各項性能,如楊曉明,宓為建[5]等人通過仿真軟件設(shè)計驗證一種新的碼頭運輸方式。Kulak,O,Polat,O[6]等人通過仿真軟件仿真一個建成已久的土耳其碼頭的模型,確定碼頭發(fā)展的瓶頸所在。廖二泉,高天佑[7]等人利用FlexTerm仿真軟件,建立了青島自動化碼頭的仿真模型對裝卸工藝系統(tǒng)進(jìn)行評估優(yōu)化。汪鋒,陶德馨[8]利用witness仿真軟件研究了一定吞吐量情況下合理泊位數(shù)的配備和在一定泊位數(shù)的情況下岸橋起重機(jī)的合理調(diào)度情況。

        利用仿真軟件的方法,都可以仿真碼頭流程層面,但是由于碼頭作業(yè)環(huán)境相對比較惡劣,會發(fā)生許多故障,這些軟件無法結(jié)合具體的故障行為分析碼頭自動化系統(tǒng)存在的問題,同時給供外界端口有限,無法有效的接入到實際的碼頭自動化系統(tǒng)環(huán)境下。為此提出一種故障注入的半實物仿真方法。

        2 故障注入半實物仿真方法描述

        由于利用專業(yè)仿真軟件的方法,無法解決以上問題,所以提出一種半實物仿真方法。

        實物部分由碼頭現(xiàn)場的實際自動化系統(tǒng)以及真實的故障注入模塊。仿真部分主要為碼頭的執(zhí)行底層執(zhí)行設(shè)備和整體碼頭環(huán)境。碼頭的執(zhí)行設(shè)備作為虛擬的對象接收來自實際碼頭系統(tǒng)的指令。

        整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。集裝箱的裝卸信息作為TOS系統(tǒng)的輸入。這些作業(yè)任務(wù)信息包含集裝箱的起始位置、目標(biāo)位置箱型、箱號等信息,儲存在數(shù)據(jù)庫中。ECS系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中讀取這些裝卸任務(wù)信息,管理調(diào)度碼頭設(shè)備。任務(wù)信息分解為設(shè)備機(jī)構(gòu)對應(yīng)的動作,這些動作有后續(xù)的PLC執(zhí)行。

        PLC信號發(fā)送給仿真內(nèi)部的岸橋起重機(jī)仿真模型和場橋起重機(jī)模型。CPS系統(tǒng)引導(dǎo)內(nèi)外集卡模型到達(dá)指定位置。OCR系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成對箱號模型的識別,并將識別結(jié)果信息發(fā)送給ECS,用于確認(rèn)是否為作業(yè)箱號。

        圖1 系統(tǒng)整體框架

        3 仿真構(gòu)建

        利用上述仿真方法以國內(nèi)某港口為例建立仿真模型。其主要包括兩個方面。仿真模型的建立和仿真模型的控制邏輯。

        3.1 仿真模型建立

        仿真模型的建立,按照一比一的比例建立包括堆場,閘口,船舶,車道等模型。如圖2所示,岸線長度為634米,堆場有20個箱區(qū),場橋數(shù)量為20個,岸橋數(shù)量為4個。以及25輛內(nèi)集卡和25輛外集卡。岸橋和場橋主體由三個部分組成:大車機(jī)構(gòu),小車機(jī)構(gòu)和吊具起升機(jī)構(gòu)。主要負(fù)責(zé)將集裝箱從船舶裝卸到碼頭,場橋起重機(jī),用于堆場內(nèi)集裝箱的搬運,內(nèi)外集卡負(fù)責(zé)碼頭內(nèi)和碼頭與外界集裝箱的運輸。

        圖2 主要設(shè)備區(qū)域布置圖

        3.2 仿真模型的控制邏輯

        集裝箱碼頭主要有裝船、卸船、集港、提箱任務(wù)[9]。裝船任務(wù)中,堆場中的集裝箱運輸裝卸到集裝箱船;卸船任務(wù)中,船舶上集裝箱裝卸運輸至堆場中;集港任務(wù)中,外部集裝箱運輸至堆場中;提箱任務(wù)中,集裝箱由堆場運輸至外部。這些任務(wù)都需要碼頭設(shè)備配合。因此仿真中設(shè)備的控制邏輯依據(jù)所執(zhí)行的碼頭任務(wù)編寫。

        岸橋控制邏輯:岸橋起重機(jī)主要負(fù)責(zé)裝卸船任務(wù)。ECS-MS中的岸橋管理系統(tǒng)(Quay Crane Management System,QC-MS)從數(shù)據(jù)庫中讀取裝卸信息,分解成自動化作業(yè)指令發(fā)送給QC-ACCS,QC-ACCS將指令轉(zhuǎn)化為岸橋起重機(jī)的機(jī)構(gòu)對應(yīng)的動作,發(fā)送給PLC,PLC信號發(fā)送給仿真模型,仿真模型通過內(nèi)部的接口將PLC信號接收,驅(qū)動岸橋起重機(jī)模型運動的內(nèi)部腳本開始執(zhí)行,岸橋大車,小車,和吊具在內(nèi)部腳本的驅(qū)動下進(jìn)行裝卸船動作。仿真內(nèi)部實時將岸橋各個機(jī)構(gòu)的位置、狀態(tài)信息返回給PLC,PLC實時反饋狀態(tài)信息給ECS。

        場橋控制邏輯:場橋起重機(jī)主要負(fù)責(zé)裝船、卸船、集港、提箱。ECS-MS中的堆場管理系統(tǒng)(Block Management System)從數(shù)據(jù)庫中讀取裝卸信息,分解成自動化作業(yè)指令發(fā)送給ARMG-ACCS,ARMG-ACCS將指令轉(zhuǎn)化為場橋起重機(jī)的機(jī)構(gòu)對應(yīng)的動作,發(fā)送給PLC,PLC信號發(fā)送給場橋仿真模型,仿真模型通過內(nèi)部的接口將PLC信號接收,驅(qū)動場橋模型運動的內(nèi)部腳本開始執(zhí)行,場橋大車,小車,和吊具在內(nèi)部腳本的驅(qū)動下進(jìn)行裝卸集裝箱動作。仿真內(nèi)部實時將場橋各個機(jī)構(gòu)的位置、狀態(tài)信息返回給PLC,PLC實時反饋狀態(tài)信息給ECS。

        集卡控制邏輯:內(nèi)集卡主要負(fù)責(zé)是裝船任務(wù),卸船任務(wù)。TOS系統(tǒng)激活仿真系統(tǒng)的集卡,內(nèi)集卡在內(nèi)部腳本的驅(qū)動下行駛到指定岸橋下。在裝船任務(wù)中,內(nèi)集卡負(fù)責(zé)將集裝箱從堆場運輸?shù)桨稑蛳?,在與岸橋起重機(jī)握手后,由岸橋起重機(jī)轉(zhuǎn)運到集裝箱船。卸船任務(wù)中,內(nèi)集卡從岸橋起重機(jī)得到集裝箱,將其運輸?shù)蕉褕鲋?。仿真?nèi)部實時將內(nèi)集卡狀態(tài)位置信息反饋給ECS系統(tǒng)。外集卡在內(nèi)部腳本的驅(qū)動下行駛到指定場橋下,在與場橋握手后,由場橋起重機(jī)裝卸集裝箱。

        4 故障注入

        4.1 故障注入方案設(shè)計

        碼頭的底層設(shè)備和子系統(tǒng),在發(fā)生故障時,影響整個集裝箱碼頭的效率。如何在故障發(fā)生時,最低程度上降低故障帶來的影響考驗碼頭的ECS系統(tǒng)。所以在該案例中加入故障注入機(jī)制,對子系統(tǒng)和底層的PLC[10]進(jìn)行故障注入。

        針對集裝箱碼頭作業(yè)時子系統(tǒng)與PLC發(fā)生的故障實例進(jìn)行編號。本文就碼頭的16個常見故障實例定義故障編號,如表2所示。同時給所有碼頭的裝卸運輸設(shè)備編號:b1~b4代表岸橋大車,c1~c4岸橋小車,d1~d4代表岸橋吊具,e1~e18代表堆場起重機(jī)大車,h1~h18代表堆場起重機(jī)小車,k1~k18代表堆場起重機(jī)吊具,l1~l25代表的內(nèi)集卡,r1~r25代表外集卡x1~x8為四臺岸橋下的OCR相機(jī),x9~x46代表的為18臺場橋下的OCR相機(jī),y1~y8代表的四臺岸橋下CPS相機(jī),y9~y46為場橋下的CPS相機(jī)。配置故障四元組[11,12]參數(shù)

        {fidi,bt,et,eidi}

        其中fidi代表的故障編號,bt代表的故障開始時間,et代表的是故障結(jié)束時間,eidi代表的設(shè)備編號。

        如表2所示,常見的故障實例用相應(yīng)的故障編號表示。

        表2 常見故障編號

        5 實驗分析

        利用本文所描述的仿真方法以國內(nèi)某碼頭為案例,接入優(yōu)化前碼頭自動化系統(tǒng),在故障注入下,觀測內(nèi)部的統(tǒng)計指標(biāo)。

        5.1 仿真環(huán)境

        操作系統(tǒng):windows操作系統(tǒng)

        硬件環(huán)境: 一臺CPU型號為Inetel Core I9-10850K,運行內(nèi)存16G和500GB SSD硬盤的計算機(jī)

        5.2 仿真設(shè)置

        場橋起重機(jī)在碼頭的裝卸船,集港提箱任務(wù)中都起到重要作用。本文對場橋的PLC系統(tǒng)和子系統(tǒng)進(jìn)行故障的注入,在仿真中統(tǒng)計故障注入下碼頭的指標(biāo)。結(jié)合注入故障現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn),在裝卸船任務(wù)中,當(dāng)一個或者多個場橋發(fā)生故障時,堆場出內(nèi)集卡會發(fā)生堆積現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致岸橋的裝卸效率下降。所以裝卸船任務(wù)中選擇岸橋的裝卸船的效率為觀測指標(biāo)。集港,提箱任務(wù),當(dāng)注入場橋的故障時,外集卡會等待場橋作業(yè)。所以集箱提箱任務(wù)中選擇外集卡平均等待時間指標(biāo)為觀測指標(biāo)

        每次仿真時長24個小時。場橋在7h時和19h時的注入故障,仿真次數(shù)為20次。通過設(shè)置船舶需要的作業(yè)箱量以及外集卡到達(dá)時間間隔負(fù)指數(shù)分布的λ設(shè)置兩種碼頭忙碌程度。仿真初始設(shè)置如表3所示,20次注入的故障編號如表4所示。

        表3 仿真初始輸入設(shè)置

        表4 常見故障注入編號

        5.3 仿真結(jié)果

        優(yōu)化前的實驗結(jié)果如圖3-7所示,在普通狀態(tài)下,如圖3所示,裝卸船任務(wù)未注入故障時,20次仿真結(jié)果岸橋平均裝船效率約為25TEU/h左右,卸船效率約為28TEU/h,故障注入后20次仿真結(jié)果岸橋平均裝船效率下降為14TEU/h左右,卸船效率下降為15TEU/h。故障注入下,平均每臺岸橋的效率下降約50%。如圖4所示,普通狀態(tài)下的集港,提箱任務(wù)中,在未注入故障時外集卡等待時間為420s左右,故障注入后外集卡平均等待時間為530s左右,等待時間上升25%。當(dāng)設(shè)置成繁忙狀態(tài)時,如圖5和圖6,故障注入時,在四種任務(wù)中,裝卸船任務(wù)岸橋效率下降64%。集箱,提箱任務(wù)外集卡等待時間上升28%。

        圖3 普通狀態(tài)下的岸橋裝卸船任務(wù)效率

        圖4 普通狀態(tài)下的集箱提箱外集卡等待時間

        圖5 繁忙狀態(tài)下的岸橋裝卸船任務(wù)效率

        圖6 繁忙狀態(tài)下的進(jìn)提箱外集卡等待時間

        針對以上這種情況,需要在ECS系統(tǒng)中增加判斷機(jī)制,針對在場橋發(fā)生故障時,分配無故障的場橋完成作業(yè)。優(yōu)化后如圖7-10所示,普通狀態(tài)下在故障注入時,岸橋作業(yè)效率未出現(xiàn)明顯的下降,外集卡等待時間未出現(xiàn)明顯的上升。對于繁忙狀態(tài)下的作業(yè),裝卸船任務(wù)時,岸橋的的作業(yè)效率出現(xiàn)小幅度的下降,下降程度為28%。集箱,提箱任務(wù),外集卡等待時間上升10%。比優(yōu)化前的有明顯的好轉(zhuǎn)。

        圖7 優(yōu)化后普通狀態(tài)下的岸橋裝卸船任務(wù)效率

        圖8 優(yōu)化后普通狀態(tài)下外集卡等待時間

        圖9 優(yōu)化后繁忙狀態(tài)下的岸橋裝卸船任務(wù)效率

        圖10 優(yōu)化后繁忙狀態(tài)下的進(jìn)提箱外集卡等待時間

        該實驗在本文提出的仿真方法下以國內(nèi)某碼頭為例,調(diào)試該碼頭的自動化系統(tǒng)。無需碼頭設(shè)備和用戶的配合,在一臺計算機(jī)上可以實現(xiàn)自動化系統(tǒng)邏輯的修改和驗證,縮短了調(diào)試優(yōu)化周期,降低了成本。

        6 總結(jié)與展望

        本文提出一種半實物仿真方法,即使用仿真手段實現(xiàn)自動化系統(tǒng)與設(shè)備分離。利用該方法,以國內(nèi)某碼頭為例,搭建該碼頭的仿真環(huán)境,接入碼頭自動化系統(tǒng),在故障注入下,該自動化系統(tǒng)優(yōu)化前和優(yōu)化后輸出統(tǒng)計指標(biāo)的變化說明,該方法可以用于碼頭自動化系統(tǒng)的調(diào)試。解決了傳統(tǒng)碼頭在現(xiàn)場調(diào)試周期長調(diào)試成本高的問題,實現(xiàn)了技術(shù)人員不在碼頭現(xiàn)場也可以調(diào)試碼頭自動化系統(tǒng)。

        該方法以國內(nèi)某個碼頭為例進(jìn)行仿真建模,對于其它碼頭自動化碼頭系統(tǒng)的調(diào)試可以參照上述方法。在未來也可以接入更多的碼頭自動化系統(tǒng),用于測試和完善系統(tǒng)。

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