安國(guó)利　舒帆

1 集裝箱碼頭協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)概述及應(yīng)用難點(diǎn)

集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)涉及多種作業(yè)資源的配置、計(jì)劃和調(diào)度，屬于復(fù)雜系統(tǒng)。裝卸設(shè)備之間合作的有效性是集裝箱碼頭運(yùn)作效率的決定因素，因此，集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)本質(zhì)上是協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境下，集裝箱碼頭主要依賴人的經(jīng)驗(yàn)或預(yù)定的程序?qū)ψ鳂I(yè)任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃和調(diào)度，并形成確定的作業(yè)序列，其中“計(jì)劃”是碼頭運(yùn)作過(guò)程中的重點(diǎn)；然而，集裝箱碼頭的作業(yè)任務(wù)和作業(yè)環(huán)境具有隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性，確定的“計(jì)劃”必然導(dǎo)致作業(yè)主體之間無(wú)法及時(shí)、有效地協(xié)同，進(jìn)而造成碼頭作業(yè)效率低下和資源浪費(fèi)。實(shí)現(xiàn)集裝箱碼頭作業(yè)主體之間動(dòng)態(tài)協(xié)同作業(yè)，以解決碼頭靜態(tài)集中計(jì)劃與動(dòng)態(tài)分布式作業(yè)過(guò)程的沖突等問(wèn)題，是提高碼頭作業(yè)效率的重要課題之一。隨著傳統(tǒng)集裝箱碼頭逐步向自動(dòng)化集裝箱碼頭演變，作業(yè)資源的自主協(xié)同性也日益受到關(guān)注并得以發(fā)展。

智能體技術(shù)是人工智能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。智能體具有自主性和智能性，能對(duì)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境做出自適應(yīng)行為，并能與其他智能體通信，相互協(xié)作完成復(fù)雜任務(wù)。智能體技術(shù)使集裝箱碼頭作業(yè)主體在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的協(xié)同作業(yè)成為可能，但“智能性”同時(shí)也意味著大量的邏輯運(yùn)算，這給作業(yè)設(shè)備的硬件和實(shí)時(shí)通信帶來(lái)挑戰(zhàn)，要求集裝箱碼頭改變現(xiàn)有的軟硬件架構(gòu)和布局。

本文從智能體系統(tǒng)應(yīng)用于集裝箱碼頭作業(yè)的實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，研究集裝箱碼頭協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)軟硬件智能體部署模式：結(jié)合集裝箱碼頭的應(yīng)用環(huán)境，分析整體式部署模式的優(yōu)缺點(diǎn)，并基于碼頭企業(yè)數(shù)據(jù)中心向云計(jì)算平臺(tái)發(fā)展的趨勢(shì)，提出分體式和混合式的新型部署模式。

2 集裝箱碼頭協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)軟硬件部署模式

如圖1所示，集裝箱碼頭智能體設(shè)備在軟硬件實(shí)現(xiàn)上分為軟件智能體和硬件智能體。軟件智能體是智能體設(shè)備的大腦，主要負(fù)責(zé)智能計(jì)算以及與其他智能體交互協(xié)同；硬件智能體是智能體設(shè)備的硬件實(shí)體，主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互、環(huán)境感知、無(wú)線通信以及機(jī)械控制等。

2.1 整體式部署模式

2.1.1 概述

在整體式部署模式下：硬件智能體與軟件智能體整合在一起，安裝在碼頭作業(yè)資源（如集卡、場(chǎng)吊、橋吊等機(jī)械）上；軟件智能體在硬件智能體上運(yùn)行，就像軟件在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行一樣。

集裝箱碼頭整體式智能體系統(tǒng)部署環(huán)境如圖2所示：碼頭機(jī)械上同時(shí)部署軟件智能體和硬件智能體，從而組成一套完整的智能設(shè)備；智能設(shè)備之間在協(xié)同作業(yè)中通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行頻繁通信；管理智能體（或智能體管理系統(tǒng)）在碼頭企業(yè)的云計(jì)算中心服務(wù)器上運(yùn)行，其通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與碼頭機(jī)械通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械的管理。

2.1.2 優(yōu)點(diǎn)

整體式部署模式使碼頭機(jī)械成為典型的、完全意義上的智能體。這種部署模式簡(jiǎn)單易行：新加入的智能體設(shè)備只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單配置就能快速入網(wǎng)，與其他智能體設(shè)備協(xié)同工作；即使智能體設(shè)備與外部聯(lián)系中斷，也能獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)。

2.1.3 缺點(diǎn)

（1）硬件要求較高。由于軟件智能體要實(shí)時(shí)進(jìn)行復(fù)雜的人工智能計(jì)算，硬件智能體必須具備足夠的計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間支持軟件運(yùn)行。目前碼頭機(jī)械常用的嵌入式設(shè)備往往難以滿足這樣的計(jì)算要求。

（2）網(wǎng)絡(luò)要求較高。智能體設(shè)備之間的協(xié)同工作需要高速、穩(wěn)定的無(wú)線通信帶寬，這就要求集裝箱碼頭部署高質(zhì)量的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

（3）設(shè)備制造和維護(hù)成本較高。由于整體式模式下智能設(shè)備的軟硬件技術(shù)含量較高，且必須適應(yīng)集裝箱碼頭的戶外工作環(huán)境，導(dǎo)致設(shè)備制造和維護(hù)成本較高。

2.2 分體式部署模式

2.2.1 概述

硬件智能體的功能相對(duì)簡(jiǎn)單且發(fā)展較為成熟，因此，可以采取分體式部署模式，將集裝箱碼頭智能設(shè)備中的軟件智能體與硬件智能體分開(kāi)部署：硬件智能體安裝在碼頭機(jī)械上，對(duì)應(yīng)的軟件智能體在碼頭企業(yè)的云計(jì)算中心服務(wù)器上運(yùn)行。

集裝箱碼頭分體式智能體系統(tǒng)部署環(huán)境如圖3所示：碼頭機(jī)械上僅安裝智能設(shè)備的硬件智能體組件，對(duì)應(yīng)的軟件智能體組件部署在碼頭企業(yè)云計(jì)算中心；智能設(shè)備的軟硬件智能體之間通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信以傳輸參數(shù)和結(jié)果；碼頭機(jī)械的軟件智能體和系統(tǒng)的管理智能體（或智能體管理系統(tǒng)）分布在碼頭企業(yè)云計(jì)算中心的高性能服務(wù)器上，進(jìn)行復(fù)雜的協(xié)同智能計(jì)算。

2.2.2 優(yōu)點(diǎn)

（1）智能體設(shè)備的硬件要求較低，碼頭機(jī)械常用的嵌入式設(shè)備完全能滿足需求。

（2）智能設(shè)備的軟件智能體在遠(yuǎn)程云計(jì)算服務(wù)器上運(yùn)行，其強(qiáng)大的計(jì)算能力和大容量的存儲(chǔ)空間能滿足人工智能算法的要求。

（3）云計(jì)算中心的服務(wù)器之間通過(guò)高速以太網(wǎng)連接，具有高帶寬和高可靠性，能支持大量智能體之間的復(fù)雜協(xié)同和決策需求。

（4）軟件智能體統(tǒng)一部署在云計(jì)算中心，能充分發(fā)揮云計(jì)算平臺(tái)安全、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，便于統(tǒng)一管理和維護(hù)軟件，保證智能體的數(shù)據(jù)庫(kù)安全。

（5）碼頭機(jī)械之間的無(wú)線通信量較小，而智能設(shè)備的硬件智能體只與其對(duì)應(yīng)的軟件智能體通信，對(duì)碼頭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求較低。

綜上所述，分體式部署模式的性價(jià)比較高，有利于智能體設(shè)備的應(yīng)用和推廣，能夠使當(dāng)前技術(shù)條件下的碼頭機(jī)械快速升級(jí)，具備智能化運(yùn)行能力。

2.2.3 缺點(diǎn)

在分體式部署模式下，必須保證智能設(shè)備的硬件智能體與軟件智能體之間的通信，如果兩者之間的網(wǎng)絡(luò)連接中斷，將導(dǎo)致智能設(shè)備失去智能；因此，分體式部署模式適用于硬件智能體與軟件智能體之間通信量較小且實(shí)時(shí)性要求不高的情況（例如傳輸協(xié)同算法的參數(shù)和計(jì)算結(jié)果等），而對(duì)高清視頻信息的實(shí)時(shí)傳輸和控制則不一定適用。不過(guò)，從集卡、場(chǎng)吊、橋吊等碼頭機(jī)械協(xié)同作業(yè)的實(shí)時(shí)性要求來(lái)看，分體式部署模式在大多數(shù)情況下能夠滿足要求。此外，分體式智能體設(shè)備的部署比較復(fù)雜，新的智能機(jī)械進(jìn)場(chǎng)后，需要在碼頭企業(yè)的云計(jì)算中心安裝相應(yīng)的軟件智能體并完成相關(guān)配置才能開(kāi)始運(yùn)行。

2.3 混合式部署模式

針對(duì)分體式部署模式下存在的軟件智能體與硬件智能體連接可靠性的問(wèn)題，為確保智能設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)的情況下依然能自主或部分自主地運(yùn)行，可以考慮在硬件智能體上運(yùn)行從軟件智能體，主要負(fù)責(zé)簡(jiǎn)單的智能計(jì)算（例如某些啟發(fā)式算法或隨機(jī)算法）、緩存服務(wù)器端的主軟件智能體的計(jì)算結(jié)果等，用以在網(wǎng)絡(luò)中斷或?qū)崟r(shí)性要求較高的情況下實(shí)現(xiàn)自主智能處理。此種模式為混合式智能體系統(tǒng)部署模式（見(jiàn)圖4）。

（編輯：張敏 收稿日期：2014-04-27）