CN110683463B - 一种双起重机的实时调度-控制级联系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双起重机的实时调度‑控制级联系统及方法，该系统包括：调度层，接收双起重机调度的任务信息并进行重组调度和实时优化，获得调度计划；控制层，输入端与调度层级联结构连接，输出端与起重机的主电机连接，根据调度计划进行计算，生成最佳控制值，并根据所述最佳控制值实时调控起重机。此系统解决了调度计划的实时性差、效率低和控制系统的准确性和平稳性差的问题，实现了调度计划与控制方案参数共享，相互反馈协调，保证了故障发生时系统保持持续作业的平稳性和准确性。

Description

一种双起重机的实时调度-控制级联系统及方法

技术领域

本发明涉及自动化集装箱码头堆场起重机调度领域，具体涉及一种双起重机的实时调度-控制级联系统及方法。

背景技术

自动化集装箱码头堆场通常有若干箱区组成，每个箱区配置一个或多个起重机，用于集装箱的装卸作业。码头主要有进口箱、出口箱以及中转箱三种作业流程。目前，由于双起重机配置的作业灵活度较高，所以进、出口集装箱在箱区内大多采用混合堆存模式，提升堆场的作业效率。

目前，自动化集装箱码头堆场的进、出口箱混合堆存，分散在箱区对应的贝位与排位上。箱区配置的两台自动化堆场起重机(海侧起重机和陆侧起重机)同轨运行，海侧起重机主要负责与卸船流程相关的作业，陆侧起重机主要负责与外集卡提箱相关的作业，两台起重机通过接力的方式协同作业，若其中一台起重机因故障而停机，另一台起重机可接替作业。箱区两端各有一个交接区，每个交接区有若干个交接位，集装箱在交接位进出堆场。

实时、高效的起重机调度计划是码头运作优化的前提。目前码头管理者通常以静态方式制定起重机的调度计划，但这种作业模式的时效性较差，如果作业中断或者新任务到达，既定的调度方案的最优性将被打破，执行效率降低。

准确、平稳的控制方案是起重机正常作业的保障。由于两台起重机同轨作业，不可避免地产生干扰，如果不及时处理干扰，将产生冲突，造成作业中断，影响自动化码头的整体性能。因此，规避双起重机的冲突是起重机正常有序作业的必要条件。对于每一个调度任务的执行而言，控制系统的设定值由任务的目标位置确定的，控制的目标是在扰动(干扰)条件下，系统的输出值快速跟随期望设定值。然而，现有的控制系统的设定值在离线状态下给定，不具备最优性，若出现扰动，稳态误差较大，起重机之间容易因为干扰规避失败而发生冲突。

综上，现有的调度计划不具备实时性，调度效率较低；控制方案中控制系统的设定值不具备最优性，系统输出的准确性和平稳性较差。另外，调度计划与控制方案是相互分离、各自独立的，不具备反馈与调节功能。在故障发生时没有考虑相应的容错方案，造成作业的不可持续性，影响自动化码头的整体性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种双起重机的实时调度-控制级联系统及方法。该系统及方法旨在解决调度计划的实时性差、效率低和控制系统的准确性和平稳性差的问题，实现调度计划与控制方案参数共享，相互反馈协调，保证故障发生时系统保持持续作业的平稳性和准确性。

为达到上述目的，本发明提供了一种双起重机的实时调度-控制级联系统，该系统包括：

调度层，接收双起重机调度的任务信息并进行重组调度和实时优化，获得调度计划；

控制层，输入端与调度层级联结构连接，输出端与起重机的主电机连接，根据调度计划进行计算，生成最佳控制值，并根据最佳控制值实时调控起重机。

最优选的，调度层包括任务接收模块、检测模块、重组模块和优化模块；任务接收模块接收双起重机需要调度的任务信息；检测模块的输入端与任务接收模块连接，检测任务信息是否响应动态任务；重组模块的输入端与检测模块的第一输出端连接，将响应动态任务后的任务信息进行重组调度；优化模块的第一输入端与重组模块的输出端连接，第二输入端与检测模块的第二输出端连接，输出端与控制层连接，将未响应动态任务/响应动态任务后完成重组调度的任务信息进行实时优化。

最优选的，控制层包括选择模块、位置传感器和控制器；位置传感器的输入端与起重机连接，实时监测起重机的实时位置信息；选择模块的第一输入端与优化模块级联结构连接，第二输入端与位置传感器连接，对调度计划进行选择，选取出最优设定值，并根据最优设定值与实时位置信息进行偏差计算，生成最佳控制值；控制器的输入端与选择模块连接，输出端与起重机的主电机连接，根据最佳控制值进行控制，并输出实时操纵变量；起重机的主电机与起重机连接，根据实时操纵变量实时驱动起重机运动；选择模块、控制器、起重机的主电机、起重机和位置传感器依序连接形成闭环负反馈回路。

最优选的，控制层还包括自适应控制器，其输入端与位置传感器连接，输出端与控制器连接，实时监测起重机是否发生扰动，并调节控制器参数，保证该系统的稳定性和准确性。

最优选的，控制层还包括故障容错模块，其输入端与起重机连接，输出端与控制器连接，实时检测位置传感器是否发生故障，并调控控制器，避免双起重机发生冲突。

最优选的，故障容错模块还包括串联的故障容错控制器和故障检测器；故障检测器的输入端与起重机连接，实时检测起重机是否发生故障；故障容错控制器的输出端与控制器连接，若故障检测器未检测到起重机故障，故障容错控制器不工作；若故障检测器检测到起重机故障，故障容错控制器调整控制器的输出，防止故障造成双起重机冲突。

最优选的，位置传感器上还设置有激光测距仪；起重机的主电机上还设置有编码器；通过激光测距仪和编码器共同检测并反馈起重机的实时位置信息。

本发明还提供了一种双起重机的实时调度-控制级联方法，包括以下步骤：

步骤1：根据调度层接收双起重机需要调度的任务信息，并对任务信息进行重组调度和实时优化，生成双起重机的调度计划；

步骤2：将调度计划传输至控制层进行实时调控计算，输出实时操纵变量；

步骤3：将实时操纵变量传输至起重机的主电机进行计算，生成实时操纵变量相对应的力矩信息，起重机的主电机根据力矩信息实时驱动起重机运动。

最优选的，重组调度和实时优化还包括以下步骤：

步骤1.1：将任务接收模块接收的任务信息传输至检测模块中，检测任务信息是否响应动态任务；

步骤1.2：若任务信息无动态任务响应，将无动态任务响应的任务信息传输至优化模块；若任务信息有动态任务响应，将有动态任务响应的任务信息传输至重组模块，进行重组调度生成重组任务信息；

步骤1.3：将无动态任务响应的任务信息/重组任务信息传输至优化模块，进行实时优化，生成调度计划。

最优选的，实时调控计算还包括以下步骤：

步骤2.1：位置传感器实时监测并反馈起重机的实时位置信息；

步骤2.2：将调度计划传输至选择模块进行选择处理，选取出最优设定值；

步骤2.3：将实时位置信息和最优设定值传输至选择模块，进行偏差计算，生成最佳控制值；

步骤2.4：将最佳控制值输入控制器进行控制，并输出实时操纵变量。

运用此发明，解决了调度计划的实时性差、效率低和控制系统的准确性和平稳性差的问题，实现了调度计划与控制方案参数共享，相互反馈协调，保证了故障发生时系统保持持续作业的平稳性和准确性。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明系统通过调度-控制级联结构实现起重机的分配、调度和控制，逻辑结构简明、严谨，易于实现。

2、本发明系统调度-控制级联结构中，调度层和控制层参数共享、相互协调，共同完成起重机调度计划的制定、执行与反馈。

3、本发明系统调度层能够检测任务信息有临时任务插入或初始任务的变更，完成任务信息的重组调度；

4、本发明系统采用故障容错和自适应控制方案，故障容错模块为了防止起重机故障导致控制器误判造成冲突，自适应控制器在控制系统受扰后校正控制器参数，维持控制系统的稳定性和准确性。

附图说明

图1为本发明提供的自动化码头堆场箱区双起重机调度布局图；

图2为本发明提供的实时调度-控制级联系统结构示意图；

图3为本发明提供的激光测距仪检测起重机实时位置信息流程图；

图4为本发明提供的编码器故障检测流程图；

图5为本发明提供的实时调度-控制级联方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

如图1为自动化码头堆场箱区的布局，海侧起重机和和陆侧起重机横跨箱区，运行在同一条轨道上，不可跨越。有两种类型的任务，存箱任务与取箱任务，作业过程为：1)当执行存箱作业时，起重机将集装箱从两端交接位提起并运送到对应的存箱位；2)当执行取箱作业时，起重机将集装箱从取箱位提起并运送到两端对应的交接位。

为了缩短单台起重机的往返行走距离，提高装卸船高峰期系统作业效率，采用“接力作业”模式。在箱区中间的某一位置设置缓冲区，其中一台起重机将集装箱从交接区提箱后，移交到缓冲区；随后由另一台起重机在缓冲区接管该集装箱，运送到目标位置，完成接力作业。

本发明是一种双起重机的实时调度-控制级联系统，如图2所示，该系统包括级联结构连接的调度层和控制层；调度层接收双起重机调度的任务信息并进行重组调度和实时优化，获得调度计划；控制层的输出端与起重机的主电机7连接，根据调度计划进行计算，生成最佳控制值，并根据最佳控制值实时调控起重机8。

其中，调度层包括任务接收模块1、检测模块2、重组模块3和优化模块4；任务接收模块1接收双起重机需要调度的任务信息；检测模块2的输入端与任务接收模块1连接，检测任务信息是否响应动态任务；重组模块3的输入端与检测模块2的第一输出端连接，将响应动态任务后的任务信息进行重组调度；优化模块4的第一输入端与重组模块3的输出端连接，第二输入端与检测模块2的第二输出端连接，输出端与控制层连接，将未响应动态任务/响应动态任务后完成重组调度的任务信息进行实时优化；实时优化是为缩短起重机的空载时间，同时提高动态任务的响应效率，最小化任务完成时间，提升自动化码头的作业效率。

检测模块2中检测任务信息是否响应动态任务的标准是判断任务信息是否有该周期内的临时任务插入或初始任务的变更；若存在该周期内的临时任务插入或初始任务的变更的情况，则响应动态任务；若不存在该周期内的临时任务插入或初始任务的变更的情况，则不响应动态任务。

在同一调度周期内，为了便于起重机8的周转，调度计划的制定周期应大于起重机8作业第一个任务的平均时长，以便在下次调度时，执行本次任务的起重机8处于可再次调度的状态。

控制层包括选择模块5、位置传感器9、控制器6、自适应控制器10和故障容错模块；位置传感器9的输入端与起重机8连接，实时监测起重机8的实时位置信息；选择模块5的第一输入端与优化模块4级联结构连接，第二输入端与位置传感器9连接，对调度计划进行选择，选取出最优设定值，并根据最优设定值与实时位置信息进行偏差计算，生成最佳控制值；控制器6的输入端与选择模块5连接，输出端与起重机的主电机7连接，根据最佳控制值进行控制，并输出实时操纵变量；起重机的主电机7与起重机8连接，根据实时操纵变量生成相对应的力矩信息实时驱动起重机8运动；选择模块5、控制器6、起重机的主电机7、起重机8和位置传感器9依序连接形成闭环负反馈回路。

自适应控制器10的输入端与位置传感器9连接，输出端与控制器6连接，实时监测起重机8是否发生扰动、控制器6参数漂移等现象，并根据扰动的类型和扰动的程度在线调节控制器6的参数，保证该系统的稳定性和准确性；校正后的控制器6输出准确指令给起重机的主电机7，确定安全的起重机8运行轨迹。

故障容错模块的输入端与起重机8连接，输出端与控制器6连接，实时检测起重机8是否发生故障，并调控控制器6，避免双起重机发生冲突。

其中，故障容错模块还包括串联的故障容错控制器12和故障检测器11；故障检测器11的输入端与起重机8连接，实时检测起重机8是否发生故障；故障容错控制器12的输出端与控制器6连接，若故障检测器11未检测到起重机8故障，故障容错控制器12不工作；若故障检测器11检测到起重机8故障，故障容错控制器12调整控制器6的输出，防止故障造成双起重机冲突。

起重机8故障对控制系统的冲击很大，将导致控制器6误判，输出质量较差甚至相反的结果，导致起重机8发生碰撞等重大事故。如果故障发生，在未得到解决之前，通过故障容错控制器12校正控制参数，以防止起重机8控制出现重大偏差而导致事故的发生。

位置传感器9上还设置有激光测距仪；起重机的主电机7上还设置有编码器；通过激光测距仪和编码器共同检测并反馈起重机8的实时位置信息。

如图3所示，激光测距仪有两组，每组两个分别为激光测距仪A和激光测距仪B，分别设置在两台起重机8的两侧，通过冗余形式检测起重机8每个时刻的位置，并取数据的位置平均值，获得起重机8的实时位置信息L_AB；编码器为旋转编码器，实时计算起重机8的实时位置L_C；根据激光测距仪检测的起重机8的实时位置信息L_AB和旋转编码器计算的起重机8的实时位置L_C做差进行比较，当两者的做差结果在允许的误差范围P内，则接受激光测距仪检测的实时位置信息L_AB，测距有效，起重机8正常运行；当两者的做差结果超出允许的误差范围P，则需要检查激光测距仪是否出现故障问题。

如图4所示，采用固定位置定位方式检查旋转编码器是否正常工作，在海侧、陆侧及海陆分界位置安装限位开关，分别当编码器经过这三个位置时，触发限位开关，使编码器在这些位置所测的数据：数据e、数据f与数据g与实际位置进行比对，如果存在多于一个数据超出允许的误差范围，则判定编码器故障；否则，编码器正常，作业继续进行。

本发明还提供了一种双起重机的实时调度-控制级联方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤1：根据调度层接收双起重机需要调度的任务信息，并对任务信息进行重组调度和实时优化，生成双起重机的调度计划；重组调度和实时优化还包括以下步骤：

步骤1.1：将任务接收模块1接收的任务信息传输至检测模块2中，检测任务信息是否响应动态任务；

步骤1.2：若任务信息无动态任务响应，将无动态任务响应的任务信息传输至优化模块4；若任务信息有动态任务响应，将有动态任务响应的任务信息传输至重组模块3，进行重组调度生成重组任务信息；

步骤1.3：将无动态任务响应的任务信息/重组任务信息传输至优化模块4，进行实时优化，生成调度计划。

步骤2：将调度计划传输至控制层进行实时调控计算，输出实时操纵变量；实时调控计算还包括以下步骤：

步骤2.1：位置传感器9实时监测并反馈起重机8的实时位置信息；

步骤2.2：将调度计划传输至选择模块5进行选择处理，选取出最优设定值；

步骤2.3：将实时位置信息和最优设定值传输至选择模块5，进行偏差计算，生成最佳控制值；

步骤2.4：将最佳控制值输入控制器进行控制，并输出:实时操纵变量。步骤3：将实时操纵变量传输至起重机的主电机7进行计算，生成实时操纵变量相对应的力矩信息，起重机的主电机7根据实时操纵变量相对应的力矩信息实时驱动起重机8运动。

本发明的工作原理：

根据调度层接收双起重机需要调度的任务信息，并对任务信息进行重组调度和实时优化，生成双起重机的调度计划；将调度计划传输至控制层进行实时调控计算，输出实时操纵变量；将实时操纵变量传输至起重机的主电机进行计算，生成实时操纵变量相对应的力矩信息，起重机的主电机根据力矩信息实时驱动起重机运动。

综上所述，本发明解决了调度计划的实时性差、效率低和控制系统的准确性和平稳性差的问题，实现了调度计划与控制方案参数共享，相互反馈协调，保证了故障发生时系统保持持续作业的平稳性和准确性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种双起重机的实时调度-控制级联系统，其特征在于，该系统包括：

调度层，接收双起重机调度的任务信息并进行重组调度和实时优化，获得调度计划；

控制层，输入端与所述调度层级联结构连接，输出端与起重机的主电机连接，根据所述调度计划进行计算，生成最佳控制值，并根据所述最佳控制值实时调控起重机；

所述控制层包括：

位置传感器，输入端与起重机连接，实时监测起重机的实时位置信息；

选择模块，第一输入端与优化模块级联结构连接，第二输入端与所述位置传感器连接，对所述调度计划进行选择，选取出最优设定值，并根据所述最优设定值与所述实时位置信息进行偏差计算，生成最佳控制值；

控制器，输入端与所述选择模块连接，输出端与起重机的主电机连接，根据所述最佳控制值进行控制，并输出实时操纵变量；

所述起重机的主电机与所述起重机连接，根据所述实时操纵变量实时驱动所述起重机运动；所述选择模块、控制器、起重机的主电机、起重机和位置传感器依序连接形成闭环负反馈回路。

2.如权利要求1所述的双起重机的实时调度-控制级联系统，其特征在于，所述调度层包括：

任务接收模块，接收双起重机需要调度的任务信息；

检测模块，输入端与所述任务接收模块连接，检测所述任务信息是否响应动态任务；

重组模块，输入端与所述检测模块的第一输出端连接，将响应动态任务后的所述任务信息进行重组调度；

优化模块，第一输入端与所述重组模块的输出端连接，第二输入端与所述检测模块的第二输出端连接，输出端与所述控制层连接，将未响应动态任务/响应动态任务后完成重组调度的任务信息进行实时优化。

3.如权利要求1所述的双起重机的实时调度-控制级联系统，其特征在于，所述控制层还包括自适应控制器，其输入端与所述位置传感器连接，输出端与所述控制器连接，实时监测起重机是否发生扰动，并调节所述控制器参数，保证该系统的稳定性和准确性。

4.如权利要求1所述的双起重机的实时调度-控制级联系统，其特征在于，所述控制层还包括故障容错模块，其输入端与起重机连接，输出端与所述控制器连接，实时检测起重机是否发生故障，并调控所述控制器，避免双起重机发生冲突。

5.如权利要求4所述的双起重机的实时调度-控制级联系统，其特征在于，所述故障容错模块还包括串联的故障容错控制器和故障检测器；所述故障检测器的输入端与起重机连接，实时检测起重机是否发生故障；所述故障容错控制器的输出端与所述控制器连接，若所述故障检测器未检测到起重机故障，所述故障容错控制器不工作；若所述故障检测器检测到起重机故障，所述故障容错控制器调整所述控制器的输出，防止故障造成双起重机冲突。

6.如权利要求1所述的双起重机的实时调度-控制级联系统，其特征在于，所述位置传感器上还设置有激光测距仪；起重机的主电机上还设置有编码器；通过所述激光测距仪和所述编码器共同检测并反馈起重机的实时位置信息。

7.一种双起重机的实时调度-控制级联方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据调度层接收双起重机需要调度的任务信息，并对所述任务信息进行重组调度和实时优化，生成双起重机的调度计划；

步骤2：将所述调度计划传输至控制层进行实时调控计算，输出实时操纵变量；

步骤3：将所述实时操纵变量传输至起重机的主电机进行计算，生成所述实时操纵变量相对应的力矩信息，起重机的主电机根据所述力矩信息实时驱动起重机运动；

所述实时调控计算还包括以下步骤：

步骤2.1：位置传感器实时监测并反馈起重机的实时位置信息；

步骤2.2：将所述调度计划传输至选择模块进行选择处理，选取出最优设定值；

步骤2.3：将所述实时位置信息和所述最优设定值传输至选择模块，进行偏差计算，生成最佳控制值；

步骤2.4：将最佳控制值输入控制器进行控制，并输出实时操纵变量。

8.如权利要求7所述的双起重机的实时调度-控制级联方法，其特征在于，所述重组调度和实时优化还包括以下步骤：

步骤1.1：将任务接收模块接收的任务信息传输至检测模块中，检测所述任务信息是否响应动态任务；

步骤1.2：若所述任务信息无动态任务响应，将无动态任务响应的任务信息传输至优化模块；若所述任务信息有动态任务响应，将有动态任务响应的任务信息传输至重组模块，进行重组调度生成重组任务信息；

步骤1.3：将所述无动态任务响应的任务信息/所述重组任务信息传输至优化模块，进行实时优化，生成调度计划。

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