CN112429648A - 一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法 - Google Patents

一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多轨道吊防撞领域的一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法，该安全作业方法包括以下步骤：算法初始化；计算设备权重和生成权重树；计划位置广播；运动范围和设备状态更新，重新计算优先级，和调整权重树；计算目标位置；算法输出。该安全作业方法可以避免堆场有多台自动化起重机因为重叠引发的碰撞，来控制设备间的安全作业。

Description

一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法
技术领域
本发明涉及多轨道吊防撞领域，更具体地，涉及一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法。
背景技术
在一个堆场两台轨道吊的避让防撞策略基础上加以拓展，使之可以支持多台设备作业的工况。双机的协作方法是根据两台机的当前位置，目标位置结合设备和任务状态，判断是否存在避让，并根据业务规则决定哪台先作业，从而计算避让指令。自动化码头通常含多个堆场，同一个堆场的设备的运动范围在一个水平线上，而当堆场有多台自动化起重机时会出现多台设备的作业或停留区域有重叠，为了避免这种因为重叠引发的碰撞就需要一套避让方法来控制设备间的安全作业，对于多台轨道吊作业的安全协作问题，一种思路是由上层调度预先规划好适当的作业设备，作业位置和作业时机，包括需要被驱赶的设备，避免产生同一时刻轨道吊运动路径重叠的情况，而执行层拒绝需要跨越设备的任务，直到满足安全条件。此方法对调度层要求较高，若调度不合理会严重影响执行效率。另一种是将堆场划分作业区域给不同的设备，只有在两个区域交接处作业时会存在需要驱赶避让的情况，且这种避让或驱赶的行为不会影响到第三台设备，因此可以转化为双机协作的问题。但由于需要堆场划分，这种方法限制了应用场景，无法满足需要多台机靠近作业，设备频繁交换区域等工况，不具备普遍性。因此需要一种能兼容大部分作业工况的方式，可以理论上支持任意多个设备同时作业而且保证作业安全。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法，当堆场有多台自动化起重机时会出现多台设备的作业或停留区域有重叠时，通过对多台设备进行数学算法输入和输出，通过科学计算，避免这种因为重叠引发的碰撞来控制设备间的安全作业。
为达到上述目的，本发明技术方案如下：
一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法，包括以下步骤：
步骤1：算法初始化：根据每台设备下一步的计划大车目标位置，结合自身及其他设备的状况，计算每台设备到达的位置，进行算法初始化；
步骤2：计算设备权重，生成权重树：根据上述步骤1的设备和任务状态生成一个32Bit的正整数，进行编码，计算设备权重，按照大车位置从小到大的顺序，生成权重树；
步骤3：计划位置广播：从上述步骤2中权重树判断是否满足广播条件，满足广播条件则广播该设备的目标位置，其他设备收到该目标位置后，依次广播计划位置；
步骤4：运动范围和设备状态更新，重新计算优先级和调整权重树：根据上述步骤3中广播设备的位置和满足的数学运算条件，更新设备运动范围，更新设备状态，重新计算优先级，调整二叉树结构，后续广播顺序采用最新的结构进行遍历；
步骤5：计算目标位置：根据计算目标位置的设备先后策略，以发送过广播的设备作为隔断点，把设备列表分段，设备目标位置计算逻辑分类讨论；
步骤6：算法输出：根据设备允许目标位置列表、异常代码列表和运动序列列表对算法进行算法输出。
进一步的，所述步骤1中算法初始化的主要参数包括设备工作区[Xmin,Xmax]，当前大车位置Xcurrent，目标大车位置Xtarget，是否可用标记Brunnable，大车到位误差σgantry,是否正在执行指令标记Bcmd，是否强制在当前位置作业标记Bforce，任务执行状态Sjob，任务优先级Pjob,允许抓放箱标记Bpermission，最小安全距离Dmin，推荐避让距离Dsuggest。
进一步的，所述步骤3中广播的条件包括设备有任务或者有正在执行的指令且计划位置在当前运动范围内或者设备不可移动。
进一步的，所述步骤4中广播设备的位置和满足数学运算条件为：当设备在广播设备的左侧，广播位置-[(Dmin*(间隔的设备数+1)]<设备当前运动范围的最大值Xmax，更新设备运动范围的最大值Xmax；当设备在广播设备右侧，更新设备运动范围最小值Xmin，当运动范围被缩小时，记录下广播源设备。
进一步的，所述步骤5的设备先后策略在每一分段中包括：若最左侧设备被其左侧设备压缩运动范围，最右侧设备没有被其右侧设备压缩运动范围，则从左向右依次计算目标位置；若最左侧设备没有被其左侧设备压缩运动范围，最右侧设备被其右侧设备压缩运动范围，则从右向左依次计算目标位置。
进一步的，所述步骤5的设备先后策略在每一分段中还包括：若最左侧设备被其左侧设备压缩运动范围且最右侧设备被其右侧设备压缩运动范围，则从两边向中间依次计算目标位置，比较该分段外左右两侧设备的优先级，确定从最左侧还是从最右侧开始，若左右都没有被设备压缩运动范围，则从左向右依次计算。
进一步的，所述步骤5中的设备目标位置计算逻辑包括：设备被左侧其他设备压缩运动范围、设备被右侧其他设备压缩运动范围、设备没有被其他设备压缩运动范围以及设备被左侧及右侧设备压缩运动范围。
进一步的，设备被其左侧其他设备或者右侧其他设备压缩运动范围均分为三种情况：设备当前位置小于运动范围最小值；设备当前位置在运动范围内和设备当前位置大于运动范围最大值。
进一步的，设备没有被其他设备压缩运动范围包括两种情况：目标位置小于运动范围最小值，目标位置改为运动范围最小值；目标位置大于运动范围最大值，目标位置改为运动范围最大值。
进一步的，设备被左侧及右侧设备压缩运动范围包括左侧设备向右移动和左侧设备向左移动或原地；所述左侧设备向右移动和所述左侧设备向左移动或原地均包括三种情况：设备当前位置小于运动范围最小值；设备当前位置在运动范围内和设备当前位置大于运动范围最大值。
进一步的，所述步骤6中设备允许目标位置列表，顺序与输入的设备信息列表一致；异常代码列表，顺序与输入的设备信息列表一致；运动序列列表，标记需要顺序执行的设备序号，多个顺序序列组成列表，列表间的顺序序列可并行执行，同一组内的设备为同向运行的一组连续排列的设备，序列顺序按照被驱赶顺序排列。
采用上述技术方案，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法，通过对堆场有多台自动化起重机设备进行参数设置，并进行数学运算，通过算法的输入和输出计算出多台机靠近作业，设备频繁交换区域等工况，设计出一种能兼容大部分作业工况的方法，可以支持任意多个设备同时作业而保证作业安全，适用范围广、实用性强。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法的流程图；
图2是本发明实施例的二叉树的示意图；
图3是本发明实施例的运动范围的示意图；
图4是本发明实施例的运动范围更新的示意图；
图5是本发明实施例的重新调整后的权重树的结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案进行具体说明。
以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
实施例
请参阅图1所示，本发明的基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法，包括以下步骤：
步骤1：算法初始化
根据每台设备下一步的计划大车目标位置，结合自身及其他设备当前位置，工作区，任务状态，指令执行状态等计算每台设备可以到达的位置，若需要避让的给出避让位置。指令目标位置即为指令解析后得出的指令大车位置。如果该设备已经正在执行指令，则以当前指令作为目标指令。处于手动或故障状态的设备不需要生成指令，目标位置取当前位置。
其中：算法的输入参数包括每个设备的状态，设备任务状态，设备指令状态，安全距离设定等信息。主要参数为设备工作区[Xmin,Xmax]，当前大车位置Xcurrent，目标大车位置Xtarget，是否可用标记Brunnable，大车到位误差σgantry,是否正在执行指令标记Bcmd，是否强制在当前位置作业标记Bforce，任务执行状态Sjob，任务优先级Pjob,允许抓放箱标记Bpermission，最小安全距离Dmin，推荐避让距离Dsuggest等。具体的计算步骤如下：
步骤2：计算设备权重和生成权重树
计算设备权重：根据设备和任务状态生成一个32Bit的正整数，编码方式如表1所示：
表1：设备的编码方式
Figure BDA0002788731520000051
生成权重树：根据设备生成的权重，按照大车位置从小到大的顺序，生成二叉树，权重最高的设备作为根节点，根节点左侧的所有设备生成左子树，子树的根节点为这些设备中权重最高的设备，以此类推。根节点右侧的所有设备生成右子树，子树的根节点为这些设备中权重最高的设备，以此类推。
在一个实施例中，有五台设备，按大车位置坐标从小到大排列，依次为A,B,C,D,E。计算得到的权重假设为100，300，200，400，100。其中B,C,D有任务需要执行，则生成的二叉树如图2所示；
从图2中可以看出由于D的权重最大，作为树的根节点，在D的左侧设备中，B的权重最大，作为D的左子节点和A、C的父节点，D的右侧设备只有E，作为D的右子节点。
步骤3：计划位置广播
从根节点开始判断是否满足广播条件，如果满足则广播该设备的目标位置。其他设备收到该位置后与当前运动范围比较，更新自己的运动范围所有设备更新完成后，从左子树的根节点开始，依次广播计划位置。
其中：计划位置可以广播的条件：设备有任务或者有正在执行的指令且计划位置在当前运动范围内，或者设备不可移动。
步骤4：运动范围和设备更新，重新计算优先级和调整权重树
运动范围更新：当设备在广播设备的左侧，如果广播位置-[Dmin*(间隔的设备数+1)]<设备当前运动范围的最大值Xmax，则更新设备运动范围的最大值Xmax，反之当设备在广播设备右侧，更新设备运动范围最小值Xmin。当运动范围被缩小时，记录下广播源设备。
在一个实施例中，假设A,B,C,D,E五台设备运动范围如图3所示，从图3中看出D的优先级最高，第一个广播。假设D是不可用的设备，其当前位置Xcurrent为500，最小安全距离Dmin＝10，那么它的目标位置Xtarget＝500。将该位置向下广播，其余节点更新后的运动范围如图4所示。
更新设备状态，重新计算优先级：根据上面调整后的运动范围，更新设备状态，计算优先级。
重新调整权重树：在一个实施例中，在每次设备广播并更新各自运动范围后，根据新的设备优先级调整二叉树结构。后续广播顺序采用最新的结构进行遍历。假设B的运动范围缩小后无法满足作业条件，优先级降为150，则重新调整后的权重树如下图5所示，从图5可以看出出现在设备C开始广播其目标位置Xtarget，由于A,E无任务，B也无法执行任务，在所有节点收到C的广播并更新了自己的优先级，重新调整权重树后，此阶段结束。
步骤5：计算目标位置
计算目标位置的设备先后策略如下：
以发送过广播的设备作为隔断点，把设备列表分段。在每一分段中，若最左侧设备被其左侧设备压缩运动范围，最右侧设备没有被其右侧设备压缩运动范围，则从左向右依次计算目标位置。若最左侧设备没有被其左侧设备压缩运动范围，最右侧设备被其右侧设备压缩运动范围，则从右向左依次计算目标位置。若最左侧设备被其左侧设备压缩运动范围且最右侧设备被其右侧设备压缩运动范围，则从两边向中间依次计算目标位置，比较该分段外左右两侧设备的优先级，确定从最左侧还是从最右侧开始。若左右都没有被设备压缩运动范围，则从左向右依次计算。
设备目标位置计算逻辑按下列情况分类讨论：
1.设备被左侧其他设备压缩运动范围：
1.1如果设备当前位置小于运动范围最小值：
1.1.1如果设备目标位置大于运动范围最大值，则目标位置改为运动范围最大值
1.1.2如果设备目标位置小于运动范围最大值，则目标位置改为运动范围最小值加上(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最大值取较小的值
1.2如果设备当前位置在运动范围内：
1.2.1如果设备目标位置大于运动范围最大值，则目标位置改为运动范围最大值
1.2.2如果设备目标位置小于运动范围最小值，则目标位置改为运动范围最小值加上(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最大值取较小的值
1.2.3如果设备目标位置在运动范围内，则目标位置改为运动范围最小值加上(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最大值取较小的值再与当前位置比较取最大值
1.3如果设备当前位置大于运动范围最大值：
1.3.1如果目标位置大于等于当前位置，则目标位置改为运动范围最大值
1.3.2如果目标位置小于当前位置，则目标位置改为运动范围最小值加上(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最大值取较小的值。
2.设备被右侧其他设备压缩运动范围：
2.1如果设备当前位置小于运动范围最小值
2.1.1如果目标位置大于当前位置，则目标位置改为运动范围最大值减去(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最小值取较大的值
2.1.2如果目标位置小于等于当前位置，则目标位置改为目标位置最小值
2.2如果设备当前位置在运动范围内：
2.2.1如果目标位置大于运动范围最大值，则目标位置改为运动范围最大值减去(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最小值取较大的值
2.2.2如果目标位置小于运动范围最小值，则目标位置改为运动范围最小值
2.2.3如果目标位置在运动范围内，则目标位置改为运动范围最大值减去(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最小值取较大的值，再与当前位置比较取较小值
2.3如果设备当前位置大于运动范围最大值：
2.3.1如果目标位置大于等于运动范围最小值，则目标位置改为运动范围最大值减去(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最小值取较大的值
2.3.2如果目标位置小于运动范围最小值，则目标位置改为运动范围最小值
3.设备没有被其他设备压缩运动范围
3.1如果目标位置小于运动范围最小值，则目标位置改为运动范围最小值
3.2如果目标位置大于运动范围最大值，则目标位置改为运动范围最大值
4.设备被左侧及右侧设备压缩运动范围
4.1左侧设备向右移动：
4.1.1如果当前位置小于运动范围最小值，则目标位置改为运动范围最小值加上(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最大值取较小的值
4.1.2如果当前位置在运动范围内：
4.1.2.1如果右侧设备向左移动
4.1.2.1.1如果目标位置大于当前位置，则目标位置改为运动范围最大值减去(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最小值取较大的值，再与当前位置比较取较小值。
4.1.2.1.2如果目标位置小于当前位置，则目标位置改为运动范围最小值加上(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最大值取较小的值再与当前位置比较取最大值。
4.1.2.2如果右侧设备向右移动或在原地，则目标位置改为运动范围最小值加上(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最大值取较小的值再与当前位置比较取最大值。
4.1.3如果当前位置大于运动范围最大值：
4.1.3.1如果右侧设备向左移动，则目标位置改为运动范围最大值减去(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最小值取较大的值
4.1.3.2如果右侧设备向右移动或原地：
4.1.3.2.1如果目标位置大于当前位置，则目标位置改为运动范围最大值。
4.1.3.2.2如果目标位置小于当前位置，则目标位置改为运动范围最小值加上(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最大值取较小的值。
4.2左侧设备向左移动或原地：
4.2.1如果当前位置小于运动范围最小值：
4.2.1.1如果右侧设备向右移动或原地：
4.2.1.1.1如果目标位置大于当前位置，则目标位置改为运动范围最小值加上(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最大值取较小的值。
4.2.1.1.2如果目标位置小于等于当前位置，则目标位置改为运动范围最小值。
4.2.1.2如果右侧设备向左移动，则目标位置改为运动范围最小值
4.2.2如果当前位置在运动范围内：
4.2.2.1如果右侧设备向右移动或原地：
4.2.2.1.1如果目标位置大于当前位置，则目标位置改为运动范围最小值加上(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最大值取较小的值再与当前位置比较取最大值
4.2.2.1.2如果目标位置小于当前位置，则目标位置改为运动范围最大值减去(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最小值取较大的值，再与当前位置比较取较小值。
4.2.3如果当前位置大于运动范围最大值：
4.2.3.1如果右侧设备向右移动或原地：
4.2.3.1.1如果目标位置大于当前位置，则目标位置改为运动范围最大值。
4.2.3.1.2如果目标位置小于当前位置，则目标位置改为运动范围最大值减去(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最小值取较大的值。
4.2.3.2如果右侧设备向左移动，则目标位置改为运动范围最大值减去(推荐避让距离-最小安全距离)与运动范围最小值取较大的值。
在一台设备计算完成后，需要把结果传递给该分段内相邻的设备。相邻设备再次调整其工作范围。在所有设备计算完成后，算法执行结束。
步骤6：算法输出
1.设备允许目标位置列表，顺序与输入的设备信息列表一致；
2.异常代码列表，顺序与输入的设备信息列表一致；
3.运动序列列表，标记需要顺序执行的设备序号，多个顺序序列组成列表，列表间的顺序序列可并行执行，同一组内的设备为同向运行的一组连续排列的设备。序列顺序按照被驱赶顺序排列，即序列的第N个设备的当前位置阻挡在第N+1个设备的指令移动路径上，因此第N个设备必须比第N+1个设备先移动。
最后，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，在不脱离本发明构思的前提下还可以作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (11)

1.一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：算法初始化，根据每台设备下一步的计划大车目标位置，结合自身及其他设备的状况，计算每台设备到达的位置，进行算法初始化；
步骤2：计算设备权重，生成权重树：根据上述步骤1的设备和任务状态生成一个32Bit的正整数，进行编码，计算设备权重，按照大车位置从小到大的顺序，生成权重树；
步骤3：计划位置广播，从上述步骤2中权重树判断是否满足广播条件，满足广播条件则广播该设备的目标位置，其他设备收到该目标位置后，依次广播计划位置；
步骤4：运动范围和设备状态更新，重新计算优先级和调整权重树：根据上述步骤3中广播设备的位置和满足的数学运算条件，更新设备运动范围，更新设备状态，重新计算优先级，调整二叉树结构，后续广播顺序采用最新的结构进行遍历；
步骤5：计算目标位置，根据计算目标位置的设备先后策略，以发送过广播的设备作为隔断点，把设备列表分段，设备目标位置计算逻辑分类讨论；
步骤6：算法输出，根据设备允许目标位置列表、异常代码列表和运动序列列表对算法进行算法输出。
2.如权利要求1所述的一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法，其特征在于，所述步骤1中算法初始化的主要参数包括设备工作区[Xmin，Xmax]，当前大车位置Xcurrent，目标大车位置Xtarget，是否可用标记Brunnable，大车到位误差σgantry，是否正在执行指令标记Bcmd，是否强制在当前位置作业标记Bforce，任务执行状态Sjob，任务优先级Pjob，允许抓放箱标记Bpermission，最小安全距离Dmin，推荐避让距离Dsuggest。
3.如权利要求1所述的一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法，其特征在于，所述步骤3中广播的条件包括设备有任务或者有正在执行的指令且计划位置在当前运动范围内或者设备不可移动。
4.如权利要求1所述的一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法，其特征在于，所述步骤4中广播设备的位置和满足数学运算条件是，当设备在广播设备的左侧，广播位置-[Dmin*(间隔的设备数+1)]＜设备当前运动范围的最大值Xmax，更新设备运动范围的最大值Xmax；当设备在广播设备右侧，更新设备运动范围最小值Xmin，当运动范围被缩小时，记录下广播源设备。
5.如权利要求1所述的一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法，其特征在于，所述步骤5的设备先后策略在每一分段中包括：若最左侧设备被其左侧设备压缩运动范围，最右侧设备没有被其右侧设备压缩运动范围，则从左向右依次计算目标位置；若最左侧设备没有被其左侧设备压缩运动范围，最右侧设备被其右侧设备压缩运动范围，则从右向左依次计算目标位置。
6.如权利要求5所述的一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法，其特征在于，所述步骤5的设备先后策略在每一分段中还包括：若最左侧设备被其左侧设备压缩运动范围且最右侧设备被其右侧设备压缩运动范围，则从两边向中间依次计算目标位置，比较该分段外左右两侧设备的优先级，确定从最左侧还是从最右侧开始，若左右都没有被设备压缩运动范围，则从左向右依次计算。
7.如权利要求1所述的一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法，其特征在于，所述步骤5中的设备目标位置计算逻辑包括：设备被左侧其他设备压缩运动范围、设备被右侧其他设备压缩运动范围、设备没有被其他设备压缩运动范围以及设备被左侧及右侧设备压缩运动范围。
8.如权利要求7所述的一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法，其特征在于，设备被其左侧其他设备或者右侧其他设备压缩运动范围均分为三种情况：设备当前位置小于运动范围最小值；设备当前位置在运动范围内和设备当前位置大于运动范围最大值。
9.如权利要求7所述的一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法，其特征在于，设备没有被其他设备压缩运动范围包括两种情况：目标位置小于运动范围最小值，目标位置改为运动范围最小值；目标位置大于运动范围最大值，目标位置改为运动范围最大值。
10.如权利要求7所述的一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法，其特征在于，设备被左侧及右侧设备压缩运动范围包括左侧设备向右移动和左侧设备向左移动或原地；所述左侧设备向右移动和所述左侧设备向左移动或原地均包括三种情况：设备当前位置小于运动范围最小值；设备当前位置在运动范围内和设备当前位置大于运动范围最大值。
11.如权利要求1所述的一种基于自动化堆场多轨道吊的安全作业方法，其特征在于，所述步骤6中设备允许目标位置列表，顺序与输入的设备信息列表一致；异常代码列表，顺序与输入的设备信息列表一致；运动序列列表，标记需要顺序执行的设备序号，多个顺序序列组成列表，列表间的顺序序列可并行执行，同一组内的设备为同向运行的一组连续排列的设备，序列顺序按照被驱赶顺序排列。
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