本發(fā)明涉及電子信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于集裝箱自動(dòng)化碼頭協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)及卸載最短路徑搜索方法。

背景技術(shù)：

隨著集裝箱港口的發(fā)展，港口間的競爭也變得越來越激烈。港口的競爭優(yōu)勢(shì)除了來自于港口的地理位置和腹地經(jīng)濟(jì)條件之外，港口的技術(shù)條件、作業(yè)效率和管理水平也是體現(xiàn)其競爭力的重要因素，當(dāng)今90％的國際貨物要經(jīng)過海港，而80％的海上運(yùn)輸貨物通過集裝箱運(yùn)輸，集裝箱運(yùn)輸與信息化網(wǎng)絡(luò)已成為國際物流體系的兩大基礎(chǔ)。集裝箱碼頭是國際物流系統(tǒng)中聯(lián)結(jié)遠(yuǎn)洋、內(nèi)河船舶以及內(nèi)陸運(yùn)輸?shù)臉屑~，也是各種運(yùn)輸方式交匯的高效集散中心和功能強(qiáng)大的綜合型物流樞紐，在集裝箱運(yùn)輸乃至整個(gè)供應(yīng)鏈中都發(fā)揮著極其重要的作用。目前，基于mas的集裝箱碼頭調(diào)度研究集中在碼頭作業(yè)的各個(gè)階段，如泊位控制、集卡路徑優(yōu)化、堆場(chǎng)分配等，而作業(yè)系統(tǒng)集成化的研究成果較少，針對(duì)zmpc自動(dòng)化碼頭系統(tǒng)的研究更是鳳毛麟角。因此在zmpc集裝箱自動(dòng)化碼頭調(diào)度優(yōu)化中應(yīng)用mas從而實(shí)現(xiàn)碼頭協(xié)同作業(yè)必將為自動(dòng)化碼頭的建設(shè)運(yùn)營帶來實(shí)用性價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上問題，本發(fā)明基于zpmc集裝箱自動(dòng)化碼頭裝卸工藝提供了一種基于mas的集裝箱自動(dòng)化碼頭協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將裝卸設(shè)備抽象為一系列行為和屬性的智能體同時(shí)提出船舶、堆場(chǎng)、任務(wù)管理、設(shè)備管理等智能體，各子系統(tǒng)通過信息共享實(shí)現(xiàn)協(xié)商與合作。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于mas的集裝箱自動(dòng)化碼頭協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)，包括：zpmc集裝箱自動(dòng)化碼頭裝卸系統(tǒng)、裝卸系統(tǒng)agent層次模型、管理agent、設(shè)備agent和信息agent；所述zpmc集裝箱自動(dòng)化碼頭裝卸系統(tǒng)借助空中交叉進(jìn)行集裝箱的裝卸與運(yùn)輸，并依靠各個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的設(shè)備相互間動(dòng)作銜接完成裝卸任務(wù)；所述裝卸系統(tǒng)agent層次模型基于管理agent和設(shè)備agent構(gòu)建，通過信息agent實(shí)現(xiàn)通信，協(xié)調(diào)配合完成裝卸任務(wù)；所述管理agent用于裝卸任務(wù)的統(tǒng)一管理、系統(tǒng)資源的全局配置、各裝卸設(shè)備子系統(tǒng)的管理和調(diào)度；所述設(shè)備agent是zpmc集裝箱自動(dòng)化碼頭裝卸系統(tǒng)里面的具體執(zhí)行單元，是具體任務(wù)的執(zhí)行載體。

優(yōu)選的，zpmc集裝箱自動(dòng)化碼頭裝卸系統(tǒng)包括：在碼頭設(shè)置的低架橋軌道和地面軌道的垂直交叉結(jié)構(gòu)；自動(dòng)化碼頭將集裝箱裝卸過程分解為低價(jià)橋電動(dòng)車水平運(yùn)輸、低價(jià)橋起重機(jī)垂直運(yùn)輸和地面電動(dòng)車水平運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)空中交叉作業(yè)。

優(yōu)選的，主要裝卸設(shè)備包括：岸邊集裝箱起重機(jī)qc，低架橋電動(dòng)車tc，堆場(chǎng)起重機(jī)obc，堆場(chǎng)起重機(jī)gc，堆場(chǎng)起重機(jī)rmg。

優(yōu)選的，所述裝卸系統(tǒng)agent層次模型由管理agent、設(shè)備agent和信息agent組成，以信息agent為通訊中心實(shí)現(xiàn)信息在系統(tǒng)各級(jí)agent之間的交互；其中管理agent包含任務(wù)管理agent和設(shè)備管理agent；設(shè)備agent具體包括qcagent、tcagent、obcagent、gcagent、rmgagent、船舶agent以及堆場(chǎng)agent；初始任務(wù)生成后由任務(wù)管理agent對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解，分解后的子任務(wù)通過信息agent與設(shè)備管理agent之間進(jìn)行交互，設(shè)備管理agent分支下的qc管理agent、tc管理agent、rmg管理agent等子系統(tǒng)領(lǐng)取自己的子任務(wù)，隨后設(shè)備管理agent分支下的子系統(tǒng)再通過信息agent與各自對(duì)應(yīng)的設(shè)備agent進(jìn)行交互，同時(shí)各個(gè)設(shè)備agent之間也通過信息agent交互共同完成子任務(wù)。

優(yōu)選的，所述管理agent分為兩級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)包括任務(wù)管理agent和設(shè)備管理agent；所述第一級(jí)管理agent負(fù)責(zé)裝卸任務(wù)的統(tǒng)一管理、系統(tǒng)資源的全局配置；所述第二級(jí)管理agent負(fù)責(zé)各裝卸設(shè)備子系統(tǒng)的管理和調(diào)度，包括裝卸任務(wù)的領(lǐng)取、設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

優(yōu)選的，設(shè)備agent是具體任務(wù)的執(zhí)行載體，在二級(jí)管理agent的管理下完成具體的裝卸任務(wù)；所述設(shè)備agent按照功能劃分為：岸邊集裝箱起重機(jī)qcagent、低架橋電動(dòng)車tcagent、堆場(chǎng)起重機(jī)obcagent、堆場(chǎng)起重機(jī)gcagent、堆場(chǎng)起重機(jī)rmgagent、船舶agent以及堆場(chǎng)agent。

優(yōu)選的，所述岸邊集裝箱起重機(jī)qc負(fù)責(zé)船側(cè)與陸側(cè)之間的集裝箱裝卸工作；所述低架橋電動(dòng)車tc在低架橋軌道上雙向運(yùn)行；所述低架橋起重機(jī)obc卸船時(shí)將集裝箱從低架橋電動(dòng)車上提起，旋轉(zhuǎn)并落至地面軌道的電動(dòng)車上，裝船時(shí)動(dòng)作順序相反，可在低架橋軌道上雙向運(yùn)行；所述地面電動(dòng)車gc在地面軌道上雙向運(yùn)行；所述堆場(chǎng)起重機(jī)rmg卸船時(shí)將集裝箱從地面電動(dòng)車上提起，落至堆區(qū)指定位置，裝船時(shí)動(dòng)作順序相反，可在規(guī)定堆區(qū)軌道上雙向運(yùn)行。

另提供了一種卸載最短路徑搜索方法，集裝箱最短裝卸路徑的搜索采取就近原則以及時(shí)間估計(jì)策略相配合的方法，每個(gè)集裝箱的裝卸路徑在對(duì)其進(jìn)行操作之前生成。

優(yōu)選的，根據(jù)權(quán)利要求8所述的卸載最短路徑搜索方法，

采用就近原則與時(shí)間估計(jì)策略相配合的方法，每個(gè)集裝箱的裝卸路徑在對(duì)其進(jìn)行操作之前生成，搜索方案涉及變量如下：

yardposition:集裝箱堆存位置，場(chǎng)位；

hatchposition:集裝箱船艙位置，艙位；

qc_position(x,y)：qc位置；

tc_position(x,y)：tc位置；

obc_position(x,y)：obc位置；

state：設(shè)備狀態(tài)信息，分為忙、閑、故障；

shortestpath：最短路徑；

i:低架橋軌道數(shù)目

j：每條低架橋軌道上tc和obc的數(shù)量。

有益效果：本發(fā)明碼頭協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)將裝卸設(shè)備抽象為具有一系列行為和屬性的智能體，同時(shí)提出船舶、堆場(chǎng)、任務(wù)管理、設(shè)備管理等智能體，依據(jù)agent功能進(jìn)行分層構(gòu)建，各子系統(tǒng)通過信息共享實(shí)現(xiàn)協(xié)商與合作；所述基于mas的集裝箱自動(dòng)化碼頭協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)還包含一種集裝箱最短裝卸路徑搜索方法，該搜索方法采用就近原則與時(shí)間估計(jì)策略相配合的方法，將裝卸任務(wù)按照路徑進(jìn)行分解，子任務(wù)及協(xié)作agent的信息以消息的形式發(fā)送到各agent的消息隊(duì)列中，有效地避免了低架橋裝卸設(shè)備位置沖突問題。

附圖說明

圖1：為zpmc自動(dòng)化碼頭平面布局示意圖。

圖2：為本發(fā)明的協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)mas層次圖。

圖3：為本發(fā)明的基于mas集裝箱自動(dòng)化碼頭協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架。

圖4：為本發(fā)明的裝卸任務(wù)生成過程圖。

附圖標(biāo)識(shí)：1、船舶；2、低架橋；3、岸邊集裝箱起重機(jī)qc；4、低架橋電動(dòng)車tc；5、低架橋起重機(jī)obc；6、地面電動(dòng)車gc；7、堆場(chǎng)起重機(jī)rmg；8、場(chǎng)堆；9、底面軌道。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明是針對(duì)zpmc自動(dòng)化碼頭采用mas方法構(gòu)建其協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)，如圖1所示，碼頭使用低架橋軌道和電動(dòng)小車取代以往自動(dòng)化碼頭agv系統(tǒng)，將原agv的工作分解為多個(gè)起重設(shè)備和水平運(yùn)輸設(shè)備的協(xié)作，如圖1所示，zpmc集裝箱自動(dòng)化碼頭的主要裝卸設(shè)備包括：岸邊集裝箱起重機(jī)qc，低架橋電動(dòng)車tc，低架橋起重機(jī)obc，地面電動(dòng)車gc，堆場(chǎng)起重機(jī)rmg。

所述岸邊集裝箱起重機(jī)qc可同時(shí)吊起2個(gè)40英尺集裝箱(4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)箱)，負(fù)責(zé)船側(cè)與陸側(cè)之間的集裝箱裝卸工作；所述低架橋電動(dòng)車tc可裝載2個(gè)40英尺集裝箱在低架橋軌道上雙向運(yùn)行；所述低架橋起重機(jī)obc卸船時(shí)將集裝箱從低架橋電動(dòng)車上提起，旋轉(zhuǎn)并落至地面軌道的電動(dòng)車上，裝船時(shí)動(dòng)作順序相反，可在低架橋軌道上雙向運(yùn)行；所述地面電動(dòng)車gc可裝載2個(gè)40英尺集裝箱在地面軌道上雙向運(yùn)行；所述堆場(chǎng)起重機(jī)rmg卸船時(shí)將集裝箱從地面電動(dòng)車上提起，落至堆區(qū)指定位置，裝船時(shí)動(dòng)作順序相反，可在規(guī)定堆區(qū)軌道上雙向運(yùn)行。

圖2所示為本發(fā)明協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)mas層次圖，所述系統(tǒng)主要由管理agent、設(shè)備agent和信息agent組成；所述管理agent分為兩級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)包括任務(wù)管理agent和設(shè)備管理agent；所述第一級(jí)管理agent負(fù)責(zé)裝卸任務(wù)的統(tǒng)一管理、系統(tǒng)資源的全局配置；所述第二級(jí)管理agent負(fù)責(zé)各裝卸設(shè)備子系統(tǒng)的管理和調(diào)度，包括裝卸任務(wù)的領(lǐng)取、設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)等；所述設(shè)備agent是具體任務(wù)的執(zhí)行載體，在二級(jí)管理agent的管理下完成具體的裝卸任務(wù)；所述設(shè)備agent按照功能劃分為：qcagent、tcagent、obcagent、gcagent、rmgagent、船舶agent以及堆場(chǎng)agent；所述信息agent進(jìn)行信息的共享和傳遞。

圖3所示為所發(fā)明基于mas集裝箱自動(dòng)化碼頭協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架。以卸載為例，系統(tǒng)中各agent所擁有的方法、交互關(guān)系、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等信息都在圖3中呈現(xiàn)出來。

圖4所示為裝卸任務(wù)生成過程。各階段任務(wù)所包含數(shù)據(jù)如圖所示，在任務(wù)生成之后，由任務(wù)管理agent對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解，以qc子系統(tǒng)為例，由qc管理agent領(lǐng)取所有qc任務(wù)，對(duì)任務(wù)中所涉及qc的狀態(tài)和位置進(jìn)行查詢，當(dāng)qc空閑時(shí)，將激活任務(wù)，發(fā)送至qc消息隊(duì)列，該qc從消息隊(duì)列中領(lǐng)取已激活的任務(wù)并執(zhí)行；在任務(wù)執(zhí)行過程中，qc與本次任務(wù)中涉及的tc進(jìn)行交互，qc與該tc進(jìn)行關(guān)聯(lián)等待，完成任務(wù)交接。

集裝箱最短裝卸路徑搜索方法

所述基于mas集裝箱自動(dòng)化碼頭協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)集裝箱最短裝卸路徑搜索方法采用就近原則與時(shí)間估計(jì)策略相配合的方法，每個(gè)集裝箱的裝卸路徑在對(duì)其進(jìn)行操作之前生成，搜索方案涉及變量如下：

yardposition:集裝箱堆存位置，場(chǎng)位；

hatchposition:集裝箱船艙位置，艙位；

qc_position(x,y)：qc位置；

tc_position(x,y)：tc位置；

obc_position(x,y)：obc位置；

state：設(shè)備狀態(tài)信息，分為忙、閑、故障；

shortestpath：最短路徑；

i:低架橋軌道數(shù)目

j：每條低架橋軌道上tc和obc的數(shù)量

以卸船為例，最短路徑搜索過程如下：

(1)設(shè)備管理agent查詢所有tc的狀態(tài)和位置，搜索出距離qc最近的并且與該集裝箱場(chǎng)位同側(cè)的設(shè)備a，同時(shí)在所有空閑設(shè)備中搜索出距離qc最近的與該集裝箱場(chǎng)位同側(cè)設(shè)備b，進(jìn)行如下計(jì)算，得出tc-a的id，此處的i、j為所有設(shè)備的范圍：

min(|tcij_position.x-qc_position.xo|)

進(jìn)行如下計(jì)算得出tc-b的id，此處的i、j為空閑設(shè)備的范圍：

min(|tcij_position.x-qc_position.xo|)

(2)比較tc-a和tc-b的id，如果相同，則將此tc納入該集裝箱的shortestpath；如果不同，說明設(shè)備a一定處于忙碌狀態(tài)，設(shè)備管理agent作以下估算：(a)估算設(shè)備a執(zhí)行完本次任務(wù)的時(shí)間t1；(b)估算設(shè)備a從執(zhí)行完任務(wù)的地點(diǎn)運(yùn)行至qc位置所需的時(shí)間t2；(c)估算設(shè)備b運(yùn)行至qc位置所需時(shí)間t3。若t1+t2<t3，則將設(shè)備a納入集裝箱的shortestpath，否則將b納入集裝箱的shortestpath。當(dāng)tc確定時(shí)，即確定了低架橋軌道，只要選定該軌道上和該tc同側(cè)的obc即可。