哈佛体系结构下的集装箱码头操作系统计算模型与仿真分析

哈佛体系结构下的集装箱码头操作系统计算模型与仿真分析内容摘要：

哈佛体系结构下的集装箱码头操作系统计算模型与仿真分析 李斌+1,2 ，杨家其 1 (1.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063；2.福建工程学院 交通运输系，福建 福州 350108) 摘要：根据面向哈佛体系结构对集装箱码头物流系统进行建模优化的思想方法，对集装箱码头操作 系统（Container Terminal Operation Systems，CTOS）的任务调度与资源分配体系与机制进行了探 讨，提出了一个 CTOS 计算模型。在广义计算机集成制造系统的理论框架下，将 CTOS 的控制决策视 为多控制进程间的协同并行计算，基于计算机操作系统（ Operating Systems，OS）的设计理念得出 CTOS 的计算概念视图，进而融合 OS 分层、微内核、外核、虚拟机和客户/服务器计算等设计思想，建 立 CTOS 的计算模型，并给出相应的控制决策计算框架与模式。最后，利用一个典型的集装箱码头生 产作业实例，融合 OS 作业组织思想，自定义多种调度策略，从任务延迟、通过能力和负载均衡等角 度对港口物流作业性能进行了评估和分析，对所提出计算模型的可行性和可信性进行了验证。 关键词：集装箱码头操作系统；哈佛体系结构；计算模型；生产调度；负载均衡； 中图分类号：TP271.8；TP278 文献标识码：A Computational Model and Simulation Analysis for Container Terminal Operation Systems within Harvard Architecture LI Bin+1,2，YANG Jia-qi1 (1. School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China； 2. Department of Transportation, Fujian University of Technology, Fuzhou 350108, China) Abstract ： Within the methodology of modeling and optimization of container terminal logistics systems based on Harvard architecture, the framework and mechanism of task scheduling and resource allocation in container terminal operation systems (CTOS) were discussed, thereupon a kind of CTOS computational model was proposed. On the fundamental principles of the generalized computer integrated manufacturing systems, the control and decision in CTOS was treated as cooperative and concurrent computation among multi-process, and the conceptual perspective of CTOS was obtained based on the principal of design in computer operating systems (OS). The thinking about delamination, microkernel, exokernel, virtual machine and client/server computation in OS were integrated to establish computational model for CTOS and the corresponding control decision framework and paradigm was presented as well. The operation organization pattern in OS were fused to form several user-defined scheduling policies which were applied to a typical production case at a container terminal, and the container terminal logistics service performance was evaluated and analyzed according to the task latency, throughout, load balancing and so on. That validates the feasibility and creditability of the CTOS computational model effectively. Key words：container terminal operation systems; Harvard architecture; computational model; scheduling; load balancing 收稿日期：2012 年 09 月 27 日；修订日期：2013 年 01 月 12 日。Received Sept. 27, 2012; revised Jan. 12, 2013; accepted . 基金项目：中国博士后科学基金面上资助项目（ No. 2012M511695）；教育部人文社会科学研究青年基金资助项目 （No. 11YJC630089）；福建省自然科学基金目资助项目(No. 2012J05108)；福建省高校杰出青年科研人才培育计划 资助项目 (No. JA12268S)。 0 引言 集装箱码头操作系统（Container Terminal Operation Systems，CTOS）主要负责港口的作业组织、任务调 度、资源分配和管理决策，是集装箱码头物流系统（Container Terminal Logistics Systems，CTLS）生产运作的 控制中枢。由于 CTLS 自身所具有的高复杂性，各作业环节间的强耦合性，以及所处生产环境中固有的动态、 随机、不确定性因素，欲设计和实现敏捷、高效和鲁棒的 CTOS，必须首先对 CTLS 的结构行为、调度控制和资 源分配进行完备健壮的建模和分析。 CTLS 的生产调度涉及系统工程、控制工程、工业工程和软件工程等多个学科，故一直是相关领域的研究 重点和难点。由于集装箱码头单环节（或单资源）的运筹管理问题就已经具有 NP-Hard 特性，以往研究多面 向 CTLS 中单环节的计划控制进行研究。Akio Imai 等就针对船舶日益大型化的港航背景提出了大型集装箱码 头前沿新的泊位布局模式，并提出相应的泊位调度启发式算法[1]。但近年来，为满足港口生产实践的需要，越 来越多的研究开始将港口多个核心生产环节的统筹考虑和协同决策作为研究方向。Frank Meisel 等将船舶配载 和岸桥调度进行统一考虑 [2]，杨春霞等将泊位指派和岸桥分配进行了建模优化 [3]，陈璐等将岸桥和集卡进行了 统筹规划[4]。部分研究者则进一步对集装箱码头的整体生产作业进行了初步的建模与分析，张煜等从一体化调 度层面展开了对 CTLS 相关的国内外研究进行综述，并采用复杂作业车间调度问题的描述方法，给出了一体 化调度问题的描述原型，且构建了相应的解决方案 [5]，陆志强等通过拓展传统析取图建立了码头装卸设备集 成调度问题的析取图模型，并分析了其阻塞和死锁情况 [6]，陈超等运用系统工程优化理论，提出 CTLS 的混 合交叉作业集成调度方法与同步优化技术 [7]，Armando Cartenì[8]和 Zhuo Sun[9]等分别建立了 CTLS 生产作业的 仿真模型。同时，部分研究开始将人工智能引入到集装箱码头的调度决策中，Miguel A[10]和刘彦斌[11]就分别基 于元启发式算法和计算智能建立了大型集装箱海港物流服务的智能决策支持系统原型。 由上可知，目前 CTLS 的生产调度研究多集中于运筹规划与仿真优化的理论探讨，距离生产实践中港口 CTOS 的设计实现具有较大的差距，同时 CTOS 又一直缺乏完备理论体系支撑的系统解决方案。同时在集装箱 船舶日益大型化和港口装卸工艺日新月异的行业环境中，港口调度控制复杂度激增，要高效组织码头生产， 亟需提高 CTOS 的智能化和自动化水平。 于是本文在笔者以往提出的基于哈佛体系结构对 CTLS 进行建模优化的思想体系下，将计算机操作系统 （Operating Systems，OS）的设计思想引入到 CTOS 的理论探讨与设计实现中，建立 CTOS 的计算模型，并 给出相应的控制决策计算框架与模式，从而为大中型港口的生产控制和决策支持提供了新的一体化调度解决 方案，同时也为高速重载装卸工艺和/或全自动化集装箱码头 CTOS 的设计与实现提供了有益的参考。 1 集装箱码头操作系统的广义计算概念视图 1.1 面向哈佛体系结构的集装箱码头物流系统建模体系 在集装箱码头的物流服务过程中，数据处理、通信和存储是信息空间中的计算，而港口中的装卸、运输、 堆码、集疏运和拆拼箱同样可视为是物理世界中的一种广义“计算”。在此定义基础上，笔者已经在以往的研究 中对 CTLS 和计算机系统（面向哈佛体系结构）进行了详细的类比，发现两者在系统体系结构和运作机制等 方面都表现出了类似的空间有序、时间有序和功能有序，即 CTLS 与计算机系统具有高相似度的序结构[12]。同 时，两者在信息作用方面也存在较高的相似性，只是 CTLS 中的装卸生产更多的是符合机械工程中所涉及的 力学、机构学等学科，而计算机系统的运行则是更多涉及微电子学、固体电子学等专业，使得两者只是在物理 机制和运转速度上有所差异，但从运筹管理和控制决策的抽象视角来看，两者都可以得出类似的形式化抽象 模型。于是在文献[13]中对 CTLS 和基于哈佛体系结构的计算机系统之间在空间有序方面进行了详细的对比和 分析，论述了两者在结构和功能上的映射关系，从而提供了利用计算机系统体系结构和操作系统资源调度思 想展开对 CTLS 进行建模和控制的理论基础，其建模体系如图 1 所示。 在面向哈佛体系结构的 CTLS 建模体系下，整个 CTLS 的生产作业就是一种物理/