集装箱码头协同作业系统软硬件部署模式

安国利　舒帆

1 集装箱码头协同作业系统概述及应用难点

集装箱码头生产作业系统涉及多种作业资源的配置、计划和调度，属于复杂系统。装卸设备之间合作的有效性是集装箱码头运作效率的决定因素，因此，集装箱码头生产作业系统本质上是协同作业系统。在传统的作业环境下，集装箱码头主要依赖人的经验或预定的程序对作业任务进行规划和调度，并形成确定的作业序列，其中“计划”是码头运作过程中的重点；然而，集装箱码头的作业任务和作业环境具有随机性和动态性，确定的“计划”必然导致作业主体之间无法及时、有效地协同，进而造成码头作业效率低下和资源浪费。实现集装箱码头作业主体之间动态协同作业，以解决码头静态集中计划与动态分布式作业过程的冲突等问题，是提高码头作业效率的重要课题之一。随着传统集装箱码头逐步向自动化集装箱码头演变，作业资源的自主协同性也日益受到关注并得以发展。

智能体技术是人工智能领域的研究热点。智能体具有自主性和智能性，能对动态变化的环境做出自适应行为，并能与其他智能体通信，相互协作完成复杂任务。智能体技术使集装箱码头作业主体在动态环境下的协同作业成为可能，但“智能性”同时也意味着大量的逻辑运算，这给作业设备的硬件和实时通信带来挑战，要求集装箱码头改变现有的软硬件架构和布局。

本文从智能体系统应用于集装箱码头作业的实际问题出发，研究集装箱码头协同作业系统软硬件智能体部署模式：结合集装箱码头的应用环境，分析整体式部署模式的优缺点，并基于码头企业数据中心向云计算平台发展的趋势，提出分体式和混合式的新型部署模式。

2 集装箱码头协同作业系统软硬件部署模式

如图1所示，集装箱码头智能体设备在软硬件实现上分为软件智能体和硬件智能体。软件智能体是智能体设备的大脑，主要负责智能计算以及与其他智能体交互协同；硬件智能体是智能体设备的硬件实体，主要负责人机交互、环境感知、无线通信以及机械控制等。

2.1 整体式部署模式

2.1.1 概述

在整体式部署模式下：硬件智能体与软件智能体整合在一起，安装在码头作业资源（如集卡、场吊、桥吊等机械）上；软件智能体在硬件智能体上运行，就像软件在计算机中运行一样。

集装箱码头整体式智能体系统部署环境如图2所示：码头机械上同时部署软件智能体和硬件智能体，从而组成一套完整的智能设备；智能设备之间在协同作业中通过无线网络进行频繁通信；管理智能体（或智能体管理系统）在码头企业的云计算中心服务器上运行，其通过无线网络与码头机械通信，实现对机械的管理。

2.1.2 优点

整体式部署模式使码头机械成为典型的、完全意义上的智能体。这种部署模式简单易行：新加入的智能体设备只要经过简单配置就能快速入网，与其他智能体设备协同工作；即使智能体设备与外部联系中断，也能独立执行任务。

2.1.3 缺点

（1）硬件要求较高。由于软件智能体要实时进行复杂的人工智能计算，硬件智能体必须具备足够的计算能力和存储空间支持软件运行。目前码头机械常用的嵌入式设备往往难以满足这样的计算要求。

（2）网络要求较高。智能体设备之间的协同工作需要高速、稳定的无线通信带宽，这就要求集装箱码头部署高质量的无线网络。

（3）设备制造和维护成本较高。由于整体式模式下智能设备的软硬件技术含量较高，且必须适应集装箱码头的户外工作环境，导致设备制造和维护成本较高。

2.2 分体式部署模式

2.2.1 概述

硬件智能体的功能相对简单且发展较为成熟，因此，可以采取分体式部署模式，将集装箱码头智能设备中的软件智能体与硬件智能体分开部署：硬件智能体安装在码头机械上，对应的软件智能体在码头企业的云计算中心服务器上运行。

集装箱码头分体式智能体系统部署环境如图3所示：码头机械上仅安装智能设备的硬件智能体组件，对应的软件智能体组件部署在码头企业云计算中心；智能设备的软硬件智能体之间通过无线网络通信以传输参数和结果；码头机械的软件智能体和系统的管理智能体（或智能体管理系统）分布在码头企业云计算中心的高性能服务器上，进行复杂的协同智能计算。

2.2.2 优点

（1）智能体设备的硬件要求较低，码头机械常用的嵌入式设备完全能满足需求。

（2）智能设备的软件智能体在远程云计算服务器上运行，其强大的计算能力和大容量的存储空间能满足人工智能算法的要求。

（3）云计算中心的服务器之间通过高速以太网连接，具有高带宽和高可靠性，能支持大量智能体之间的复杂协同和决策需求。

（4）软件智能体统一部署在云计算中心，能充分发挥云计算平台安全、经济的优势，便于统一管理和维护软件，保证智能体的数据库安全。

（5）码头机械之间的无线通信量较小，而智能设备的硬件智能体只与其对应的软件智能体通信，对码头无线网络覆盖的要求较低。

综上所述，分体式部署模式的性价比较高，有利于智能体设备的应用和推广，能够使当前技术条件下的码头机械快速升级，具备智能化运行能力。

2.2.3 缺点

在分体式部署模式下，必须保证智能设备的硬件智能体与软件智能体之间的通信，如果两者之间的网络连接中断，将导致智能设备失去智能；因此，分体式部署模式适用于硬件智能体与软件智能体之间通信量较小且实时性要求不高的情况（例如传输协同算法的参数和计算结果等），而对高清视频信息的实时传输和控制则不一定适用。不过，从集卡、场吊、桥吊等码头机械协同作业的实时性要求来看，分体式部署模式在大多数情况下能够满足要求。此外，分体式智能体设备的部署比较复杂，新的智能机械进场后，需要在码头企业的云计算中心安装相应的软件智能体并完成相关配置才能开始运行。

2.3 混合式部署模式

针对分体式部署模式下存在的软件智能体与硬件智能体连接可靠性的问题，为确保智能设备在网络断开的情况下依然能自主或部分自主地运行，可以考虑在硬件智能体上运行从软件智能体，主要负责简单的智能计算（例如某些启发式算法或随机算法）、缓存服务器端的主软件智能体的计算结果等，用以在网络中断或实时性要求较高的情况下实现自主智能处理。此种模式为混合式智能体系统部署模式（见图4）。

（编辑：张敏 收稿日期：2014-04-27）