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摘要
由于大量的车辆使用相同的基础设施，集装箱码头的自动引导车辆（AGV）交通控制对系统性能尤为重要。本文提出了一种新的建模技术，成功地对交通控制的相关方面进行了建模。这种控制可以通过使用所谓的信号量的分层系统来实施，因此在设计交通控制配置时可以遵循结构方法。该技术已用于基本终端配置的建模，并在仿真模型中进行了测试。
关键词：集装箱码头、自动引导车辆（AGV）、交通控制、智能巡航控制系统
Abstract
Because a large number of vehicles use the same infrastructural facilities, the control of aut-omated guided vehicle (AGV) traffic at a container terminal is crucial to the system perfor-mance. A new modelling technique which has been used to successfully model the relevant aspects of traffic control is presented in this paper. The control can be imposed by using a hierarchical system of so called semaphores,thus it is possible to follow a structural approach in the design ofa traffic control configuration. The technique has been used to model an elementary terminal configuration and tested in a simulation model.
Keywords: container terminal, AGV, traffic control, intelligent cruise control system
目录
第1章 概述
这项研究的背景是集装箱码头在使用自动导航车辆（AGV）的运输过程，其设置如图1.1所示。本研究的主题是“交通控制”模块，该模块控制AGV在物理基础设施（即道路、交叉口、停车场等）上的移动。“智能巡航控制系统”可产生更多的自主车辆，被视为“交通控制”的一部分。
图1.1 集装箱运输过程的层次结构
交通控制系统的建立可以考虑两个概念[12]：中央交通控制（CT控制）和分布式交通控制（DT控制）。如果在AGV级别或基础设施的单独区域级别没有可用的情报（从信息处理的意义上讲），我们就谈到CT控制，这意味着所有的移动都由系统中央交通控制器直接引导。在DT控制的概念中，AGV以及一些（关键的）领域被赋予了一种智能形式，使得与AGV的通信被简化为附带指令，除此之外，总体控制被简化为总体协调。
尽管现在使用的控制形式和组合多种多样，但最流行的区域控制形式是：区域内的移动单独控制，并集中控制，以便与系统中的其他区域连接。一般规则是一个区域只能有一辆车[12]。本文描述了一种装置，其中几个AGV可以同时进入一个临界区域，因此，内部区域控制必须确保AGV不会在该区域内碰撞。
正如在鹿特丹的ECT三角洲/海陆码头*所观察到的那样，一个拥有50个AGV的自动化集装箱码头可以由CT控制系统成功控制。然而，在无线通信和总体交通控制方面，似乎已经达到了临界边界。
本研究的目的是：
（1）发展一种通用的形式化工具，从分布式的角度来描述交通基础设施（道路、交叉口、控制接口等）交通控制；
（2）制定一些基本的分布式控制概念；
（3）借助于基本终端配置的模拟来评估该设备。本研究仅限于概念模型的发展。
第2章 结构化交通控制网络
在文献中，可以找到基于Petri网的AGV系统建模技术[6]。这种技术中的一个基本实体是一个区域（以轨道交叉点的形式），该区域通过互斥进行控制。这意味着在任何时候都只允许一辆AGV通过该区域，即使最终的布局可能会显示具有多条相邻车道的区域，这可以保证基础设施容量的高利用率。在这种情况下，互斥可能导致不可接受的容量使用减少。因此，我们引入了信号量的概念，作为一个交通灯的抽象概念，它单独控制接近车辆的通行，但接受车辆的数量不会超过某个规定的最大值；这个最大值称为信号量的容量。
信号量的概念借鉴了计算机科学[3]；应用也可以在在线生产控制系统中找到[9]。根据[1]的抽象形式描述，在这种情况下，信号量是一个非负整数值变量，例如S，具有自由容量的解释，在自由容量上定义了两个操作：“等待”和“信号量”。当车辆到达受保护设施时执行“等待”操作，而当车辆离开受保护设施时执行“信号”操作。操作定义如下：
（a）等待：如果5gt;0，则放置S:-S-1（并允许访问）否则将阻止对此信号量的访问。
（b）信号量：如果这个信号灯上有阻塞的车辆，允许进入其中一个，否则放S:-S 1。
注意，信号操作激活一辆等待的车辆，但定义未指定必须激活的车辆。可以定义许多激活条件，如排序规则或优先级规则。一个信号量必须有一个非负的初始值，即它的容量。对于容量为2的简单轨道，工作如图2.1所示。
图2.1 基本轨道上的信号量操作
然而，操作“等待（S）”和“信号量（S）”经常重复，信号量S的值保持非负。信号量的概念有几个变体；一个有趣的扩展提供了概念监视器[5][1]。交通基础设施的这种形式化允许应用并发和分布式编程理论。
大型交通基础设施将由多个交叉口、码头车道和可能的多条合流车道组成。许多迁移运动将同时发生，这将导致许多相互作用，特别是在关键区域。操作的依赖项数量随着流量强度的增加而急剧增加，并可能导致无法管理的情况。
原则上，这种复杂性可以通过使用与终端布局的分段设置相对应的分布式控制概念来避免。如图2.2所示，利用其停车容量，两个控制区域之间的轨道（可能被赋予信号量）可以用作解耦合容量。这意味着，各地区之间的在线互动可能会被离线协调所取代。层次结构原理可以提供一种实现分布式交通控制的有效方法。
图2.2 解耦合原理
这些考虑导致建模技术只使用四种类型的实体：节点、跟踪和信号量作为基本类型，区域作为层次组合类型。一个区域由节点、轨道和可能也包括子区域的配置组成；图2.3中给出了一个示例。节点由圆圈表示，信号量由标志表示。
图2.3 区域的表示
在图2.3的示例中，每条轨迹被描绘为实线（不需要直线）；其端点在节点处连接。轨迹可以是定向的，在这种情况下用箭头表示。轨迹表示道路的分段，节点表示两条或多条道路之间的交叉点。虚线表示区域的边界，但它不是正式系统的一部分。在本例中，编号为1、2、5、6和7的节点被分类为外部节点。更准确地说，区域的形式边界是由其外部节点和外部信号量指定的。在本例中，编号为3和4的节点被分类为内部节点。一个区域中的每个信号量都与该区域中的一个或多个节点相关。节点可以用作声明节点或释放节点。声明节点激活操作“等待”，而释放节点激活操作“信号量”。一个节点可能与无、一个或多个信号量相关。在图2.3的示例中，所有外部节点都作为声明节点和释放节点与信号量S（l）相关。下一节将讨论如何使用信号量来控制通信量。
一个区域可以包含一个或多个子区域。图2.4给出了一个例子。包含组成区域A和B。组成区域的内部结构隐藏在超级区域的级别上；只有具有相关外部信号量的外部节点才可见。这样，从超级区域的角度来看，组成区域是黑盒。
图2.4 由两个区域组成的综合区域
组成区域的外部实体（信号量和节点）可以由区域的标识符表示，后跟外部实体的标识符。在图2.4的示例中，区域A的外部节点可以用n（A；1）、n（A；2）、n（A；5）、n（A；6）和n（A；7）表示；外部信号量可以用s（A；1）表示。n（A；6）和n（B；6）之间的轨道交通由信号量s（C；2）控制，其中n（A；6）和n（B；6）作为请求节点和释放节点同时相关。以类似的方式，信号灯s（C；3）、s（C；4）和s（C；5）控制各自轨道上的交通。通过节点n（C；2）、n（C；3）、n（C；5）和n（C，6）访问超级区域C由信号量s（C；1）控制。两个节点之间的双线表示距离为零的虚拟轨迹。潜在的现实是一个单独的节点，为了参考的目的，被赋予两个标识符。例如，关于节点n（C；2）和n（A；1），这意味着对区域C的访问直接通过n（A；1）运行，而事实上，信号量s（C，l）作用于n（A；1）。反过来，由于建模技术的层次特性，图2.4的区域可以是更大区域内的组成区域。我们称之为结构化交通控制网络（STC网络）。
原则上，整个终端可以在单个合成区域的级别上聚合。如图2.5所示，可以引入两个终端的概念性集成，并将这些终端内的相互交通与传输操作协调。
图2.5 综合终端控制（独立的终端内Ramp;A Ramp;A之间的终端间）
该模型的物理实现可以通过灵活的AGV导航技术FROG*（在网格上自由测距）来实现。该系统还可以为集装箱码头定义灵活的布局。该系统基于里程计的位置估计（测量车轮方向和旋转所行驶的距离），并结合在应答器（无源电子元件）的点阵上的位置校准。当车辆通过应答器时，应答器由车下的天线激活，从而确定电网上的绝对位置，并校准估计位置。系统的灵活性主要是由于能够动态地重新安排线路布局。图2.6显示了从应答器A到应答器B的多条路由，这些路由可以动态选择。
图2.6 应答器网格上的多条路由
在软件层面上，集装箱码头的布局可以根据正在处理的船舶的大小和数量而改变（见图2.7）。这个方面可以通过FROG实现，并且可以在STC网络的帮助下轻松建模。
图2.7 灵活的码头配置
第3章 利用信号量控制通信量
图3.1的情况可以借助于一个二进制信号量（例如S）来管理，即容量为1的信号灯。当车辆接近N时，操作等待被激活：如果S = 0
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