同济大学硕士学位论文范文-格式排版最新要求 - 图文

职业型硕士博士（打印时删除）

硕士学位论文

（专业学位）

集装箱码头

智能化生产作业系统的

研究与实现

姓 名： 学 号：

所在院系： 软件学院 职业类型： 工程硕士 专业领域： 软件工程 指导教师： 副指导教师：

二〇一一年六月

A dissertation submitted to

Tongji University in conformity with the requirements for

the degree of Master of Engineering

The Research and Realization of The Container Terminal Intelligent

Operation System

Candidate:

Student Number:

Master of Engineering Software Engineering

School/Department: Software Engineering Discipline: Major:

Supervisor:

June, 2011

集装箱码头 智能化生产作业系统的 研究与实现 同济大学

学位论文版权使用授权书

本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。

学位论文作者签名：

年 月 日

同济大学学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。

学位论文作者签名：

年 月 日

同济大学 硕士学位论文 摘要

摘要

天津港的集装箱码头始建于1980年，经过30多年的工作实践，已经积累了丰富的集装箱装卸、疏运作业经验。

本文试以天津港集装箱码头不断引进和开发智能化的计算机生产作业系统，阐明船舶的装卸作业、进出口集装箱的集疏港、特种箱管理、航陆运杂作业等已经具备了现代化集装箱码头的管理水平。

文章通过研究天津港集装箱码头的标准作业流程，论述如何利用高效的网络通信、成熟的计算机控制、先进的程序算法、智能的业务处理等提升生产过程的重要环节，使其更加自动化和智能化，促进码头的实际生产作业。

文章基于已投产的集装箱码头生产作业系统，研究其程序内部的数据流程和业务逻辑，遵照现行的生产管理方式，全面提升软件性能，尽可能的实现自动化和智能化操作，例如：码头堆场的可视化监控、GPS辅助龙门吊装卸、模拟集卡行驶路线、智能闸口自动化收提箱、射频卡无线数据传输、出口船图的自动配载、EDI电子报文自动接收和发送等。实现减免部分人工操作，逐步自动化和智能化生产作业系统。

文章立足于标准的集装箱作业工艺和生产流程，探讨怎样通过成熟的开发模式和先进的开发工具，发挥先进的硬件设备和软件程序相结合带来的优越性，向统一的、更加智能和自动的生产操作发展。集装箱码头的生产作业系统作为港口业务的核心内容，可以提高整个港口的集装箱吞吐量和客户服务水平，进而提升港口的综合竞争实力。

最后，对生产作业系统自动化和智能化开发和应用方面进行了总结和展望。

专业排版，专业论文写作修改 降低论文重复率 制作答辩幻灯片 免费提供论文下载 论文指导等服务 免费咨询请联系淘宝旺旺：文交天下友 淘宝搜索 @文天下

http://wentianxia.taobao.com/

关键词：数据库、软件开发工具、可视化、GPS定位、智能闸口、射频卡、箱号识别、EDI自动化

I

Tongji University Master of Engineering Abstract

ABSTRACT

Established in 1980, the container terminal of Tianjin Port has already accumulated plentiful experience of container handling and transport in the past over 30 years.

The thesis tries to clarify that container terminals have had advanced level of management in container ship's loading and discharging, import and export containers’ handling, special container operating and other vessel stevedoring, through the development of the computer operation system.

In terms of the standard technological process, the thesis discusses how to improve the whole production procedure and make operations automated and intellectualized by using efficient networking, mature computer control, advanced algorithm, intellective business processing. And it had promoted the production of the port.

Based on the application of the container terminal operation system, the thesis researches the inside program flow and business logic, and makes great efforts to achieve the automatic operation in some respects, such as: the container yard visualization, GPS to Rubber Tired Gantry Crane, container truck tracking, auto-gate, RFID card, auto planning of BAPLIE, EDI files auto sending and receiving. It can reduce manual work and complete the automatic and intelligent management system gradually.

On the basis of the container administration standardization, the thesis indicates that the good software development tool and model combined with sophisticated equipment and program can make the manufacturing management more and more automatic. The operation system of container terminal is essential to the port operations, and can not only raise standards of service but also help us to compete with other countries for global marine market.

At last, the problems requiring further studies are discussed briefly.

Key Words: database, software development tool, visualization, GPS, auto-gate, RFID, container number auto-recognition, automated EDI

II

同济大学 硕士学位论文 目录

目录

第1章 引言 ......................................................... 1 1．1 概述 ......................................................... 1 1．2 国内外的研究现状 ............................................. 2 1．3 论文的主要研究内容 ........................................... 2 1．4 论文的章节结构 ............................................... 3 第2章 系统开发环境 ................................................. 4 2．1 CTIOS的软件开发工具 ......................................... 4 2．1．1 微软公司的C++开发工具 ................................... 4 2．1．2 SYBASE公司的PowerBuilder开发工具 ....................... 5 2．2 CTIOS的数据库平台 ........................................... 6 2．2．1 Oracle 10g产品的技术优势 ................................ 7 2．2．2 Oracle 10g产品的安全性 .................................. 7 2．2．3 Oracle的强大后台运算能力 ................................ 8 2．2．4 Oracle的管理存储程序 .................................... 9 2．3 集装箱码头智能化生产作业系统的应用现状和运行环境 ............ 10 2．3．1 CTIOS的自动化和智能化方面 .............................. 10 2．3．2 CTIOS的运行模式和环境 .................................. 10 2．3．3 CTIOS系统运行的环境拓扑图 .............................. 11 第3章 系统需求分析 ................................................ 12 3．1 用户提出需求 ................................................ 13 3．1．1 集装箱码头的可视化生产控制系统 ......................... 14 3．1．2 集装箱码头的闸口自动化系统 ............................. 14 3．1．3 集装箱码头的自动配载系统 ............................... 15 3．1．4 集装箱码头的EDI自动发送接收系统 ....................... 16 3．2 可行性研究 .................................................. 16 3．2．1 经济可行性分析 ......................................... 16 3．2．2 技术可行性分析 ......................................... 18 3．3 需求分析 .................................................... 20 3．3．1 码头可视化生产控制系统的需求分析 ....................... 20 3．3．2 码头闸口自动化系统的需求分析 ........................... 21 3．3．3 出口集装箱自动配载系统的需求分析 ....................... 23 3．3．4 EDI自动发送接收系统的需求分析 .......................... 24 3．4 非功能需求 .................................................. 25 3．5 运行环境需求 ................................................ 26

III

同济大学 硕士学位论文 目录

3．5．1 软件环境 ............................................... 26 3．5．2 硬件环境 ............................................... 26 第4章 系统智能化模块设计 .......................................... 27 4．1 系统设计思路 ................................................ 27 4．2 系统设计目标 ................................................ 27 4．3 系统设计原则 ................................................ 27 4．4 系统开发平台、体系结构和开发模式 ............................ 28 4．4．1 系统开发平台 ........................................... 28 4．4．2 系统体系结构 ........................................... 28 4．4．3 系统开发模式 ........................................... 29 4．5 系统模块设计 ................................................ 30 4．5．1 可视化生产控制系统的核心功能设计 ....................... 30 4．5．2 闸口自动化系统的主要功能设计 ........................... 31 4．5．3 自动配载系统关键功能的设计 ............................. 33 4．5．4 EDI自动发送接收主要功能的设计 .......................... 37 4．6 系统数据库设计 .............................................. 39 4．6．1 数据库的选择 ........................................... 39 4．6．2 数据库的设计规范 ....................................... 39 4．6．3 可视化生产控制系统核心功能的标准设计 ................... 40 4．6．4 闸口自动化系统主要功能的标准设计 ....................... 42 4．6．5 自动配载系统关键功能的标准设计 ......................... 44 4．6．6 EDI自动发送接收系统的标准设计 .......................... 47 第5章 系统模块实现 ................................................ 51 5．1 可视化生产控制系统核心功能实现 .............................. 51 5．1．1 堆场及集装箱分布图的数据表创建 ......................... 51 5．1．2 机械运行状态的更新过程 ................................. 51 5．2 闸口自动化系统主要功能实现 .................................. 52 5．2．1 箱号自动识别的接口实现 ................................. 52 5．2．2 系统接收箱号的代码实现 ................................. 53 5．2．3 系统传送收箱数据进行找位的实现 ......................... 54 5．2．4 后台实现找位 ........................................... 54 5．3 自动配载系统关键功能的实现 .................................. 55 5．3．1 自动配载系统校验船型结构 ............................... 55 5．3．2 自动配载系统校验船图 ................................... 56 5．4 EDI自动发送接收系统的实现 .................................. 57 5．4．1 EDI报文格式定义 ........................................ 57 5．4．2 EDI自动发送参数配置 .................................... 57

IV

同济大学 硕士学位论文 目录

5．4．3 EDI自动发送报文的指令生成 .............................. 58 5．4．4 EDI自动接收的实现 ...................................... 58 第6章 系统模块测试和绩效分析 ...................................... 60 6．1 确定系统测试的方法和测试用例 ................................ 60 6．2 可视化生产控制系统核心功能的测试 ............................ 60 6．2．1 堆场集装箱分布画面 ..................................... 60 6．2．2 龙门起重机（RTG）定位和操作画面 ........................ 61 6．2．3 集装箱拖车的分布图 ..................................... 62 6．2．4 GPS辅助龙门吊装卸集装箱的详细过程 ...................... 62 6．2．5 可视化生产控制系统的测试结果分析 ....................... 63 6．3 闸口自动化系统主要功能的测试 ................................ 63 6．3．1 闸口自动化系统的前端数据采集 ........................... 63 6．3．2 闸口自动化系统的集中控制中心 ........................... 64 6．3．3 闸口自动化系统的集中验残 ............................... 65 6．3．4 闸口自动化系统的缓冲区管理 ............................. 66 6．3．5 闸口自动化系统的测试结果分析 ........................... 66 6．4 船舶自动配载关键功能的测试 .................................. 66 6．4．1 自动配载的预配分组 ..................................... 66 6．4．2 自动配载的参数设置 ..................................... 67 6．4．3 运行自动配载 ........................................... 68 6．4．4 配载图的检验 ........................................... 68 6．4．5 自动配载测试结果的分析 ................................. 69 6．5 EDI自动发送接收系统的测试 .................................. 69 6．5．1 EDI自动发送报文格式 .................................... 69 6．5．2 EDI自动发送参数设置 .................................... 70 6．5．3 EDI自动接收设置参数 .................................... 71 6．5．4 EDI自动发送接收系统的测试结果分析 ...................... 71 6．6 绩效分析 .................................................... 72 6．6．1 可视化生产控制系统核心功能的绩效分析 ................... 72 6．6．2 闸口自动化系统主要功能的绩效分析 ....................... 72 6．6．3 自动配载主要功能的绩效分析 ............................. 73 6．6．4 EDI自动发送接收系统主要功能的绩效分析 .................. 73 6．6．5 总体绩效分析 ........................................... 73 第7章 结论和展望 .................................................. 74 7．1 结论 ........................................................ 74 7．2 进一步工作方向 .............................................. 75 致谢 ............................................................... 76

V

同济大学 硕士学位论文 目录

参考文献 ........................................................... 77 附录A 个人论文发表情况 ............................................ 78 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果 ......................... 79

VI

第1章 引言

第1章 引言

1．1 概述

党中央、国务院将滨海新区纳入国家总体发展战略布局，为天津和滨海新区的发展带来了难得的历史性机遇。天津港位于渤海湾上的海河入海口，处于京津城市带和环渤海经济圈的交汇点上，是环渤海港口中与华北、西北等内陆地区距离最短的港口，是首都北京和天津市的海上门户，也是亚欧大陆桥的东端起点。天津港同世界上的180多个国家和地区的400多个港口有贸易往来，每月集装箱航班400余班，包括韩国、日本、香港、东南亚、波斯湾、地中海、欧洲、美国及加拿大等国家和地区；并与日本、韩国、美国、荷兰等国家的12个港口建立了友好港关系。天津港是中国最大的人工海港，是我国对外贸易的重要口岸。现有水陆域面积近200平方公里，陆域面积47平方公里，规划到2011年港口陆域总面积达100平方公里。目前，天津港航道最大可进出25万吨级船舶，水深最深达-19.5米。天津港主要分为北疆、南疆、东疆、海河四大港区，天津港集团公司所属公用泊位85个，岸线长度18.1公里。北疆港区以集装箱和件杂货作业为主；南疆港区以干散货和液体散货作业为主；海河港区以5000吨级以下小型船舶作业为主；东疆港区为天津港的一个新港区，规划面积为30平方公里。目前，天津港吞吐量位居世界港口第六位，国内港口第四位，北方港口第一位；集装箱吞吐量位居世界港口第十六位，国内港口第六位。连续多年入选全国500强企业，港口行业第二位。

随着全球经济一体化与信息技术的突飞猛进，特别是现代物流业的蓬勃发展，现代港口竞争因素日趋多元化、经营变得国际化，港口只有依靠信息化和数字化，才能立足于各大港口之间的激烈竞争，这种竞争不只局限于生产、设备、场地、人力等有形资源，更主要的是港口的信息化管理能力。所谓的信息化管理就是利用计算机和系统程序等先进技术进行码头作业的管理和调配，极尽可能的使用现代化设备来代替传统的人工录入、核对、分析、设计等工作，真正使计算机成为人的大脑、眼睛和手脚。正如开篇所示，集装箱吞吐量占全港总吞吐量的比例很大，加上集装箱的装卸作业较为标准化，所以集装箱码头在全港的生产业务里最能体现企业的工作能力和作业效率，集装箱码头生产作业系统当然也就成为了港口服务的核心平台，对提高码头的进出口吞吐量、提升企业服务质量、增加码头的凝聚力和竞争力，起了至关重要的作用。

1

第1章 引言

1．2 国内外的研究现状

世界上比较著名的集装箱码头生产作业系统应该是比利时的COSMOS系统。其最大的特点应该是智能性和整体性，它非常具体的囊括了一条船舶的所有工作，包括：船型结构、船期编排、集港收箱、提箱等。如果是较为理想的状态，那么船舶的装卸速度和质量、码头的泊位和场位利用率都会很高。其次是美国NAVIS软件公司开发的码头系统。该系统最为核心的是图形化船舶配载和堆场管理控制系统——SPARCS和集装箱基本信息系统——EXPRESS。它最大程度的节省人力、优化堆场空间，而且还能确保码头所有信息数据的安全和准确性，全面提高码头的作业能力。这两家公司保持着集装箱码头生产系统的“领头”地位。COSMOS产品应用于堆场管理的较多，NAVIS更侧重于船舶的配载和装卸指令管理。彼此各有千秋，它们都汇聚了各业务环节、各科技领域的专家，共同研究如何提高场地的利用率、提升机械运行效率、增强集装箱船舶的积载稳性等，使码头的船舶操作更加高效和安全。

1．3 论文的主要研究内容

现代化的集装箱码头需要具备智能化的生产作业系统，而这个“智能化”经历了几代人的努力和奋斗，从最开始的人工纸面记录模板操作，逐步升级为计算机终端信息处理。此后，随着计算机的日益普及，客户端全部应用单机系统，这使得客户端的信息处理能力加强，降低了服务器端的数据处理压力。随着码头信息化水平稳步提高，码头的生产操作不仅依靠计算机的先进管理，而且愈来愈多的人工智能被应用到码头的作业过程。

论文立足于标准的天津港集装箱装卸作业和疏运流程，结合目前正在使用的天津港集装箱码头生产作业系统，总结出与国外先进集装箱码头作业系统的不同之处和有待提高的方面，提高程序自动化能力和人工智能化水平。

在智能化方面，综合利用统计运筹、工控模拟等信息技术，建立健全码头的管理理念和业务流程，整理出科学的智能化算法，使场内的各类机械资源在任何环境和作业条件下，得到最有效和合理的调配，降低了人工操作环节所带来的风险，提高了机械的生产效率，提升了码头的资源利用率。例如：智能化的无人集装箱闸口。利用电子信息技术、图像识别技术与集装箱射频卡合理整合，自动识别箱号和获取车辆信息，程序会根据业务的各个环节控制，通过视频监控集装箱的残损情况，与核心服务器进行数据交换，实现集装箱闸口的无人化管理，提高闸口的车辆通行速度。出口集装箱的自动化配图。集装箱自动配载系统是模拟人

2

第1章 引言

脑、具有智能计算功能的集装箱配载系统，包含集装箱船舶领域的专业知识和船舶积载的实际经验，具有人的思维能力，可以针对集装箱出口数据处理量多、计算难度高、各类条件多、限制因素复杂等要求，根据集装箱船舶的参数属性、堆场集装箱分布情况、预配要求等，完成符合船舶稳性、倒箱量低的出口船图。

1．4 论文的章节结构

针对以上研究内容，论文分为五大章节，每个章节内容如下： 第1章：引言。主要说明了论文的研究背景、研究内容和方向等。 第2章：系统开发环境。主要描述了集装箱码头生产作业系统的架构和研发过程中所涉及的开发工具、开发平台以及相关的理论依据等。

第3章：系统需求分析。按照码头装卸集装箱的实际工作流程，系统说明业务管理流程，阐述客户化需求，充分使用用例图说明系统的实现要求和目的。

第4章：系统智能化模块设计。依据天津港集装箱码头的标准生产规范和作业流程，结合现有投产系统的功能特点，分析设计出可以提高生产效率、作业能力的智能化功能模块。

第5章：系统模块实现。挑选具有代表性的关键代码和后台过程，描述主要功能模块的实现方法。

第6章：系统模块测试和绩效分析。选择典型功能界面，测试程序的运行情况和执行结果。

第7章：结论和展望。

3

第2章 系统开发环境

第2章 系统开发环境

本章主要介绍天津港集装箱码头智能化生产作业系统（Tianjin Port Container Terminal Intelligent Operation System），以下简称CTIOS的系统架构和研发过程中所用到的软件工具、系统平台以及相应的数据库后台等技术条件。

2．1 CTIOS的软件开发工具

生产作业系统如果按照与用户交互方面区分，主要包括可视化图形操作和基础数据维护两大部分。前者依据计算机视觉科学原理充分发挥出计算机模拟实际场景的强大能力，应用美国微软公司的MS Visual C++进行设计开发，最终形成可以模拟实际场地布局、集装箱堆放和机械运行的图形化管理系统。基础数据维护采用擅长数据库通信的美国赛贝斯公司PowerBuilder开发工具，通过PowerBuilder数据窗口功能可以快速的维护和查询记录，界面友好并支持多客户端的并发数据操作。

2．1．1 微软公司的C++开发工具

C++软件开发工具使用相当广泛，它是一种静态数据类型检查、支持多范型的通用程序设计语言。C++支持过程化程序设计、数据抽象化、面向对象程序设计、泛型程序设计、基于原则设计等多种程序设计理念。

从本质上说，C++是从C语句中继承而来的。C++的发展壮大，主要是因为程序方法的发展。程序设计方法的发展，主要是计算机应用范围的扩大和编程规模的扩大。早期的编程，其目的主要是解决某些科学计算问题。C++以其高度的灵巧性和实现上的高效性比其它语言更胜一筹，因为计算问题愈加复杂多样，难于用简单通用的数据类型来描述，而且它更需要在时间和空间上的合理运筹，以及算法上的高度技巧来完成[1]。

C++附带提供一个集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE），包括程序源代码编辑器、代码编译器、程序调试器和图形用户界面控件工具，集成了代码编写、错误分析、编译调试、运行查看等全部功能的软件开发环境。也就是说，程序员可以在该图形界面中，编写源文件并逐个编译调试源代码，装配和部署全部源文件及资源文件，直到顺利运行。

新版本的C++提供了功能更加丰富的MFC（Microsoft Foundation Class）编

4

第2章 系统开发环境

写 Windows应用程序。它是建立在Windows API之上的C++类库（C++ Class Library），目的是让Windows程序的设计编写更快，更加符合面向对象的要求；MFC可以编写应用程序的C++类集，其按照层次结构来组织，封装了很多功能强大的API函数和视窗控件[2]。MFC功能甚至包含到整个Windows操作系统。MFC向开发者提供图形操作系统下所有程序的应用框架以及它们的组件构成。所以，利用C++的可视化设计环境和丰富的MFC类库，开发程序周期大大缩短，编写难度降低很多，程序代码具有较强的可靠性和复用性。

早期的MFC版本只有非图形类和图形类两种类型，用于应用程序的图形界面接口就是GDI（Graphics Device Interface）。最新的MFC版本已经囊括了上百种类，不同的类实现不同的功能。它们之间相辅相成，不同的层次结构对应Windows系统的不同接口。接口有：窗口类、对象链接类、GDI类、文件类、OLE嵌入类、异常处理类等。

利用C++的MFC图形设计类可以绘制出用户需要的各种图形，甚至可以创造出三维效果的立体图形。目前主流的两大图形接口是OpenGL和Direct3D。Direct3D主要应用于游戏的开发，OpenGL则专门处理图形应用系统，如：GIS地理信息系统、模拟集装箱堆场三维场景、码头装卸生产过程等。

OpenGL是目前最新的开放式的三维图形标准，用OpenGL编写的程序不仅可以在SGI、DEC、SUN、HP等图形工作站上运行，而且可以在微机环境下运行。我们生活在一个充满三维物体的三维世界中，为了使计算机能精确地再现这些物体，我们必须能在三维空间描绘这些物体。能否尽快地理解并运用这些信息将直接影响事业的成败，所以我们需要用一种最直接的形式来表示这些信息。最近几年计算机图形学的发展使得三维表现技术得以形成，这些三维表现技术使我们能够再现三维世界中的物体，能够用三维形体来表示复杂的信息，这种技术就是可视化( Visualization ) 技术。可视化技术使人能够在三维图形世界中直接对具有形体的信息进行操作，和计算机直接交流。这种技术已经把人和机器的力量以一种直觉而自然的方式加以统一，这种革命性的变化无疑将极大地提高人们的工作效率[3]。

2．1．2 SYBASE公司的PowerBuilder开发工具

Sybase 公司经过二十多年的进取开拓，取得了令世人瞩目的成绩。PB可以安全、可靠地管理信息和交互数据，提供最先进的信息管理、开发和集成解决方案。PowerBuilder是面向对象的可视化编程工具，相对于传统的面向过程语言，可以更好的实现系统功能，而不用在界面上花费很多时间。

PowerBuilder是一个面向对象的图形应用开发环境。使用PowerBuilder可以

5

第2章 系统开发环境

容易的开发功能强大的图形界面程序访问数据库。PowerBuilder应用程序由窗口组成，这些窗口包含用户交互控件。开发人员可以使用标准控件，如：命令钮、复选框、下拉式框、文本框等，以及高级自定义控件，使应用程序更易于开发和使用。PowerBuilder可以通过传统的图形客户/服务器两层应用，访问服务器数据库[4]。

PowerBuilder最强大的控件是数据窗口（DATA WINDOW），通过数据窗口控件可以快速的存储读取记录。而且，定义数据窗口对象时，可以呈现多种样式和不同的数据源。界面样式包含报表通用模板和数据多种显示方式，记录呈现样式包括：

? Tabular：表格形式的数据列，标题在列头，每次显示几条记录。 ? Freeform：自由显示各数据字段，每次只显示一条记录。 ? Grid：行列格式，类似表单格式，可以调整边框。 ? Label：每个标签显示一条记录。

? N-Up：每页有两条或多条记录，用于区间数据。

? Group：标题下有行分组的表格样式，每组带有统计值的计算域。 ? Composite：可包含多个数据窗口。 ? Graph：图形显示数据的方式。 ? Crosstab：行列格式，有数据统计值。 ? Rich Text：具有超文本数据列的文本段。 ? OLE：嵌入和链接OLE对象。

数据窗口对象的数据源定义了如何取记录，数据可以绑定到数据库表，也可以从文件导入，或者利用SQL语句定义。可以随时修改SQL语句改变记录源。数据窗口的数据源包括：

? Quick Select：记录来自SQL数据库的一个或多个表，表通过外键关联。 ? SQL Select：定义的Select语句，可以随时修改语句，定义分组、计算

列等。

? Query：创建一个查询对象。

? Stored Procedure：利用数据库存储过程查询记录。 ? Externam：从外部文件导入记录。

由于PB的数据窗口可以很好的与数据库交互数据，功能强大、方便快捷。所以CTIOS基本数据管理模块采用PowerBuilder 10.0工具开发。

2．2 CTIOS的数据库平台

6

第2章 系统开发环境

生产作业系统的数据存储和数据挖掘是实现码头智能化生产的基础和保障。有了稳健的数据仓库、高效的数据通信、良好的后台并发控制、丰富的存储过程管理等，才会更好的实现码头作业过程中的人工智能。所以，CTIOS的数据库采用当今世界一流的美国甲骨文公司Oracle Database 10g产品。

2．2．1 Oracle 10g产品的技术优势

Oracle 10g数据库是第一个为企业级网格计算而设计的数据库。提供了众多特性支持企业网格计算。Oracle数据库是数据单元的集合，数据库的目的是存储和提取相关信息。数据库服务器能够解决信息管理的问题，能够在多用户环境下管理大量的数据，使得这些用户能够同时访问一致的数据记录。数据库服务器提供了高稳定性和安全特性，防止未经授权的用户访问企业重要的信息资源[5]。

企业级网格计算目的是创建大型的存储器和服务器池。利用这种体系结构，所有应用系统都可以从组件池中快速得到供应，不需要根据高峰负载来确定系统规模。可以方便地增加和重新分配容量。企业级网格计算在各方面都降低了成本，不仅可以使用低成本的组件提高资源利用率，而且可以使用同样的设计图来构建应用系统，通过集中化管理工具统筹维护应用程序。网格计算是新兴科学，企业可以将各类服务器、存储机器和客户端联合组成一个庞大系统，进而能够优化计算利用数据，把所有资源集中通过局域网络资源共享。

2．2．2 Oracle 10g产品的安全性

数据库中的数据是企业最为重要的资源，一旦发生故障，可能无法挽回。但是，如果过分的加入安全控制反而会影响到数据库本身的效率。所以，必须选择一个适当的安全策略，即可以限制员工访问敏感记录，又能保证数据库工作稳定。

Oracle提供了完善的权限、角色和安全规则，可以建立相应的安全策略和某些高级安全特性。数据安全解决方案包括：

a) 数据的并发性和一致性：多个用户可以同时查询出相同的记录。客户修

改数据时，不必关心其它用户修改同样的记录，多个并行事务的语句会排队更新相同的记录。完全一样的事务同时执行，数据库会自动创建事务隔离模型，称为串行化。事务的串行化就是保证事务按时间先后顺序执行。

b) 数据的锁：避免相同数据访问时事务之间的有害性交互。语句被执行时，

Oracle都会自动加锁，发挥其最底层的限制功能，保护数据并发性和完整性。锁分为独占和共享两种。每当修改数据，独占锁可以防止当前资

7

第2章 系统开发环境

源被共用，只有事务释放才能被修改。共享锁可以防止书写器同时访问，只允许多用户一起读数据。

c) FLASHBACK查询：能够查看和修复历史记录。用户通过简单配置就可

以实现数据库内多长时间的记录恢复。

d) 数据的完整性：避免非法信息入侵，增强数据规范性。完整性规则定义

在表，存储在数据字典。任何应用系统的数据都满足了一样的表完整约束，所以表就保证的数据的合法性。完整性约束包括：NULL是否空、UNIQUE唯一性、Primary Key主键、Foreign Key参考完整性和CHECK复杂完整性。此外，用户可以使用触发器定义等增加特殊类型的约束规则。

e) 认证、权限、角色和安全规则：通过操作系统、网络服务、数据库管理

来多层授权用户。多层环境中，数据库位于中间层通过限制权限、保留所有层的客户标识来审计管制用户。权限是执行某种类型SQL语句或访问其它用户对象的权力，包括：连接数据库、建表、查询修改数据等。角色指用户在每个表上的特定访问授权。

2．2．3 Oracle的强大后台运算能力

Oracle具有强大的后台操作管理，其中内嵌的PL/SQL语言为用户提供了方便的数据操作接口。我们可以使用SQL语言操作和管理记录，但SQL语言正如其名Structured Query Language结构化查询语言，仅能存取记录及更新、管理关系数据库，没有任何编程功能，不可能写套完整的数据库应用程序。为此，Oracle创建了一种过程化编程语言PL/SQL（Procedural Language/SQL）。PL/SQL是Oracle数据库对SQL语句的扩展，在普通SQL语句的使用上增加了编程语言的特点，所以PL/SQL就是把数据操作和查询语句组织在PL/SQL代码的过程性单元中，通过逻辑判断、循环等操作实现复杂的功能或者计算的程序语言。PL/SQL中可以使用过程控制语句、定义常量和变量，也能够内嵌SQL语句交互数据库[6]。

熟练PL/SQL语法规则，就能编写很多涉及底层高级功能的应用程序。也许多个SQL语句也会实现相同的功能，但相比之下，PL/SQL更具备编程语言的优点：

a) 可以模块化批量SQL语句的程序实现功能。

b) 具有可移植性，PL/SQL编写的后台程序可以执行在任何一个Oracle数

据库。

c) 使用了标准的过程化控制语句。

d) 能够自动捕获程序执行过程中的意外和错误，不会造成系统流程中断。

8

第2章 系统开发环境

e) 都是在服务器端执行，所以集成性、安全性和效率都比较高。 假如使用一组SQL语句实现特定功能，C/S结构的系统程序首先要传递每条语句，之后还要交互每条语句的执行结果。不仅浪费时间，而且浪费了网络资源，被传递的内容都是语句执行时的过程数据，并不是最终的执行结果。由于PL/SQL程序代码存储在数据库内部，程序调用、分析、执行等过程完全封闭进行，客户端只需执行调用PL/SQL的命令，数据库负责执行并返回结果。程序执行的过程中，网络基本没什么流量，性能非常强大。

2．2．4 Oracle的管理存储程序

使用Oracle的PL/SQL语言可以编写函数（Function）、过程（Procedure）、触发器（Trigger）、包体（Package）等存储程序。

存储函数和存储过程都是具有特定功能完成某种任务的PL/SQL语言块，区别是函数会返回一个值给调用者。它俩都是通过预编译存储在内存，执行时不需要再编译，可以直接执行，速度相当快。普通SQL语句发出后，提交数据库需要解析、编译、执行等，速度慢很多，所以存储函数和过程保证了数据库系统的高效管理和运行。存储过程可以减少SQL注入式攻击，提高了系统安全性，没有一定权限的用户不能执行相应的存储过程。如果同时进行主从表或多表间的数据有效性验证和操作时，存储过程会更方便的利用SQL中的事务处理机制。

程序包可以把过程和函数封闭起来，作为一个独立的单元，以完成相应的操作。它含有两个部分：规范说明和程序包体。规范说明包含了程序包的信息、过程和函数列表。程序包体中包含了实际的代码[7]。它可以把过程和函数放在逻辑分组中，存在两个部分：即包说明（规范、包头）和包体（程序主体）。它们都被存储在数据字典中，程序包同过程、函数相比，它仅能存储在非本地的数据库中。除了允许相关的对象结合为组之外，包与依赖性较强的存储子程序相比其所收的限制较少。本质讲包是一个命名的声明部分，任何出现在块声明中的SQL语句都能在包中使用，这些语句包括过程、函数、游标、类型、常量和变量等。它们都存储在包体内，用户就能任意从别的PL/SQL块中引用，可以理解为程序包内的全局变量和函数功能。因此，调用程序包完成工作效率是最快的。

触发器比较特殊，它只能由事件触发，附着在数据库表实体的PL/SQL程序，随着表记录的变化调用相应的程序指令。也可以查询操作其他表，包含更为复杂的 SQL 语句。甚至可以强制服从复杂的业务需要和规则，例如强制引用完整性约束，以便在多个表中同时添加、更新或删除行，保证这些表之间事先定义的关系[8]。触发器能够利用库结构里的关联表进行级联操作，通过级联调用完整性约束较好的进行变更操作。所以，触发器可以使用比CHECK 约束更复杂的约束。

9

第2章 系统开发环境

触发器可以使用另一个表中的 SELECT 比较插入或更新的数据，以及执行其它操作，如修改数据或显示用户定义错误信息。触发器也可以评估数据修改前后的表状态，并根据其差异采取对策。一个表中的多个同类触发器（INSERT、UPDATE 或 DELETE）允许采取多个不同的对策以响应同一个修改语句。触发器相对约束来说，在特殊情况下更具优势，尤其可以包含使用 TRANSACT-SQL 代码的复杂处理逻辑。触发器可以支持约束的所有功能，在约束所支持的功能无法满足应用程序的功能要求时，触发器就极为有用。

2．3 集装箱码头智能化生产作业系统的应用现状和运行环境

天津港集装箱码头的智能化生产作业系统CTIOS在开始研发时就已经制定了着重使用Oracle后台的管理机制。再配以图形化界面的前端管理程序、多任务消息处理机制、千兆光纤局域网、2.4Ghz无线网络通信、400Mhz手持机等，充分保证了系统的稳定性、灵活性、便捷性。CTIOS采用图形化操作方式，通过先进的控制平台和各种优化算法，实现了动态实时显示码头作业情况、自动编排船舶计划和场地计划、智能预演和回放、多种样式的报表和支持用户自定义报表。通过对泊位、堆场空间和机械设备等资源进行智慧化操作，充分考虑了岸桥等各种设备和操作工艺的特点，可以更好的适应各种规模的集装箱码头，满足码头对于计算机辅助生产作业的智能化要求。

2．3．1 CTIOS的自动化和智能化方面

天津港已经有三家大规模集装箱码头应用了此系统。长时间实践证明其可以充分满足码头日常的装卸和疏运作业，而且在智能化方面发挥了强大的作用。例如：投产运行的码头可视化生产控制系统、刚刚投产的闸口自动化系统、研发成功的船舶自动化指泊、自动配载系统、智能机械调度等。这些项目的攻关都本着节约人力成本、提高生产效率的原则，经过细致的系统调研、可行性分析、需求分析、软件设计开发、系统测试等，力争达到最好的效果，博得客户的广泛好评。

2．3．2 CTIOS的运行模式和环境

集装箱码头的业务量非常大，所以相应的数据读取和存储量也相当惊人。一个集装箱码头平均每天装卸2000标准箱（Teu）以上，还有计费、提箱、转运、集港等陆运作业，所以对数据库及网络的访问非常频繁，是典型的“点多、面广、压力大”。为此，CTIOS采用C/S系统模式，C/S解决码头生产作业过程里的数

10

第2章 系统开发环境

据管理和交互，使用C++和PB工具开发，负责整个生产作业流程的控制管理。同时WEB网站提供了充足的外围客户功能，发布码头相关信息和功能。

2．3．3 CTIOS系统运行的环境拓扑图

图2.1 CTIOS系统运行环境布局图

a) 服务器数据库：Oracle Database 10g

b) 系统软件开发工具：Visual C++6.0，PowerBuilder 10.0 c) 服务器：IBM小型机P590，AIX操作系统 d) 网络：千兆以太网

11

第3章 系统需求分析

第3章 系统需求分析

顾名思义，系统需求分析就是针对所要完成工作任务或者达到某些目标的具体分析。它从客户的使用方角度出发，依据规定的计划和目标，逐渐创建和完善系统，尤其注重系统的性能、参数、动作等。最开始的应该是可行性分析，其中的需求调研最为基础，包括：调研对象和调研方法。调研对象指人与人、人与事物、事物与事物等。调研方法关键是明确业务流程和知识点，需要咨询行业专家或专业顾问。良好的调研人员解决问题的同时还能获取更丰富的知识，最终成为业内专家。程序的设计开发必须具有坚实的系统需求调研和分析，细致入微的需求分析会使程序设计更加合理和人性化。

按照软件工程的标准，需求分析应该是较为重要的环节。如果没有务实的需求调研和详细的系统分析，根本不能符合用户的实际要求，更谈不上编程和使用了。软件工程的目标是提高系统程序的质量与生产率，最终实现软件的工业化生产。质量是软件需求最关心的问题，而生产率是软件供应方最关心的问题。软件工程的步骤分为：人员管理、项目管理、可行性与需求分析、系统设计、程序编码、测试、维护等。

图3.1 软件工程的组织环节和线性模型

软件工程指导软件开发和维护。软件的开发模型包括：快速原型模型、增量模型、螺旋模型、喷泉模型等[9]。针对投产系统的智能化改良和升级都有稳定的系统基础和扎实的实践基础，所以采用了最为稳妥的增量模型。

12

第3章 系统需求分析

图3.2 典型的增量模型

3．1 用户提出需求

天津港的各大集装箱码头都比较注重“科技兴产”。顺利完成集团分配的工作任务之外，还不遗余力的将生产流程中的重要环节优化完善，使生产效率不断提高、安全性得到加强。不仅如此，对于集装箱周转运输过程里可以省钱、省时、省人力的方面，从集团层面直到市政府、海关等主管部门也是竭尽全力的提供各种软、硬件条件，全面配合码头作业生产过程的智能化研发。

经过长时间的实践工作和摸索研究，天津港集装箱码头的业务专家们在生产的各个环节都提出了更加人性化、科学化的改进要求，例如：如何通过计算机远程监控全场机械的运行情况，使全码头的固定和活动对象都在屏幕上显示出来？怎么实现码头闸口的自动通车，不需要人为录入确认收提箱工作？能否尝试计算机系统自动配载出口船图，降低传统人工配图的工作强度和压力？尽可能的将EDI电子传输变成计算机自动控制，做到实时、准确的提供和接收电子报文。??

软件开发时，无论采用哪种开发方法和模型，都需要用例图从用户角度描述系统功能。用例图能够更好地描述系统应该具备什么样的功能，它由开发人员和用户经过多次商讨共同完成，以每一个参与系统开发的人员都可以理解的方式列举系统的业务需求。用例图驱动了需求分析之后各阶段的开发工作，不仅在开发过程中保证了系统所有功能的实现，而且被用于验证和检测所开发的系统，从而

13

第3章 系统需求分析

影响到开发工作台的各个阶段。用例图显示执行者、用例和用例之间的关系[10]。

3．1．1 集装箱码头的可视化生产控制系统

系统需要调度监控和机械GPS定位两个方面，结合多媒体和LED大屏显示等科技，业务调度可在中央控制室实时观察岸桥、场桥、正面吊、堆高机、拖车等堆场内全部作业情况。系统可以使用二维或者三维动画模式实时显示所有现场作业。调度员监控每台机械的运行状态，还能监视整个码头的作业现场。通过GPS全球定位技术，业务员能够直观掌握每部作业机械的位置和设备状态。可以实现装卸集装箱的精确定位、避免生产过程中的机械碰撞、系统指令自动确认等功能。实现对集装箱码头的计划管理、生产调度、过程控制、精确定位、动态跟踪和可视化管理，最终降低码头运营成本。

集装箱堆码扩展发现安全隐患岸桥作业情况监控全场拖车行驶路线监控调度员场桥装卸箱机械司机 图3.3 可视化生产控制系统的用例图

3．1．2 集装箱码头的闸口自动化系统

集装箱码头的闸口自动化系统不仅是码头单方面的生产技术革新，还需要整个口岸的信息化提升。自动化闸口所需要的RFID射频卡通信、电子装箱单等，就是天津海关为了落实无纸化办公而实施的项目。也可以理解为，政府执能部门的一系列先进举措促进了天津港集装箱码头的技术提升。智能闸口目的要提高闸口的通行速度。智能闸口拟采用红外探测、地感线圈等传感技术、无线射频卡、箱号自动识别、视频监控、过磅自动称重等，无缝结合集装箱码头基础数据系统，通过采集的车号、箱号、箱型代码、箱重、残损等数据，达到快速检查错误和处理业务流程，完成道口的自动化管理、降低人员成本、提高闸口通车效率。

14

第3章 系统需求分析

自动箱号识别数据采集系统集控中心监控员RFID采集信息视频检查箱损自动称重检查数据正确错误处理缓冲区处理员业务数据处理包含

图3.4 闸口自动化系统的用例图

3．1．3 集装箱码头的自动配载系统

一艘集装箱船舶的装卸过程里，最重要的是出口配载。指的是将船公司承运的所有出口集装箱按照要求和规则放置在船舶的相关位置，也就是“计划配置装载”。制作的预配船图用来指导后来的实际装船作业。当今的集装箱船舶愈来愈大型化，装载上万标准箱的船舶已很常见。如果完全人工将几千集装箱一个一个配载上船，那至少需要前后两个班次两个熟练单船计划员共同完成。如果船公司调整部分集装箱的位置，或者因为退关、晚到等客观因素造成变更，船图的整个贝位或者舱位都会调整，费时费力。所以，业务专家们一直探讨通过程序自动配置和生成出口船图，降低人工操作的错误率。

导入预配船图核对在场箱集装箱放行船舶计划员自动计划配图分配岸桥装卸调度员生成装卸顺序装船

图3.5 自动配载系统的用例图

15

第3章 系统需求分析

3．1．4 集装箱码头的EDI自动发送接收系统

集装箱码头顺利完成船舶所有集装箱的装卸后，就要给客户发送EDI报文。EDI（Electric Data Interchange）电子数据交换，是具有法定格式，遵循一定行业标准和业务流程的电子文件传输。其报文包括出入闸报文、装卸船报文、船图报文、海关进出口放行信息报文、海关查验报文、装箱单报文等数十种，每种文件的格式都不相同，代表的意义也不一样。这些报文由业务员在固定时间点击程序生成并发送给客户。但是，随着集装箱业务量加大，人工处理报文费时费力，客户要求实现定时发送EDI报文。所以，码头需要一套EDI报文自动生成发送系统来自动处理某些报文。当然，也要求自动接收一些实时性较强的报文，如：海关进出口放行信息、海关查验信息、电子装箱单等。

设置报文结构含包使用设置报文自动机制单证管理员包含包含配置收发频率配置收发方式使用使用调用不同的程序监控自动执行情况使用程序运行日志扩展定点自动执行日志检查员

图3.6 EDI自动发送接收系统的用例图

3．2 可行性研究

通过理论与实践相结合的方法，对企业提出的涉及生产作业流程中某些环节减少人为操作、实现计算机控制的智能化想法，做出全面的可行性分析论证。在经济方面考虑是否值得这样做，技术上是否真的具有能力完成。

3．2．1 经济可行性分析

集装箱码头作业环节中的智能化改进和建设基本上需要人员和设备两方面投入。码头人才济济，新一代业务骨干大都是大学毕业，在各工作岗位发挥出大

16

第3章 系统需求分析

学生的能力和才华。老一代码头专家有的走上了领导岗位，有的在一线基层继续着带头模范作用，将多年积累的实践经验无偿传授给年轻人。有了年轻人的理论和科技知识，加上多年积累的工作经验，可以实现对作业流程的改进和生产环节的完善。码头的人才资源相当丰富，除业务精英之外，每家单位都拥有自己的计算机部，专门开发适合生产作业流程的软件程序，各部分的程序代码编写测试成功后，组织在一起就构成了码头系统的智能化生产模块。硬件设备方面需要一定的资金投入，这里的硬件设备平均最少也能使用5年时间，一次性的投入换取多年的使用，成本相对而言不高。

举例：以天津港的自动化无人闸口为例说明智能化改造所需要投入的硬件成本。（注：成本是大概数据）

图3.7 自动化闸口的设备运行图 表3.1 自动化闸口的硬件设备表

硬件名称 前端地感应器及挡杆 后端地感应器及挡杆 红外对射器 条码扫描器 触屏工控机 对讲器 RFID射频读取器 投入成本 单价（万元）*台数 0.5*4 0.5*4 0.05*8 0.08*4 2*4 0.02*8 0.8*4 2 2 0.4 0.32 8 0.16 3.2 5年 5年 2年 3年 10年 5年 10年 总计（万元） 预计使用年限（年） 17

第3章 系统需求分析

箱号自动识别 工控机 硬件总成本 20*4 1.5*4 80 6 约为102.8 5年 10年 自动化闸口的硬件成本大约可以控制在100万元左右，如果按照平均使用寿命8年计算，每年需要负担的成本约为十几万元，也就相当于几个普通员工的年薪。虽然，这只是一个比较简单的计算方法，没有核算折旧成本、维护费用、保养费用、施工费用等等，但是也能反映出码头的智能化升级举措是可行的，不论是近期效益还是远期收益都是不错的。

3．2．2 技术可行性分析

正如经济可行性分析中提到的码头人才充足，码头各企业的专业技术人员的确具有一定的技术基础和开发实力。但由于身处的企业毕竟属于交通运输服务性行业，缺乏较好的研究环境和较高的开发水平，只能开发一些功能适中的应用系统，但可以完成详细的流程改进方案、用户需求分析，在实际工作方面提供最全面的资料和档案。虽然关键核心的技术不是自己研发的，但也可以参与专业的研发团队，逐渐熟悉和掌握技术的核心。码头最庞大的CTIOS系统也是由多个程序模块、无数个程序功能代码组成的。CTIOS虽然规模宏大，但也是由最基本的数据维护、信息操作构成的，由成千上万个功能不同的程序代码模块组成。码头技术人员完全有能力进行核心系统周边功能的完善和开发。

当今的计算机科技水平空前发达，无论是在硬件速度和稳定性上，还是在软件开发模式方面，都有了革命性的进步。诸如：DGPS差分卫星定位技术、计算机视觉技术、计算机图形图像学、RFID无线射频、双箱称重技术、构件化的软件开发平台等，无一不是科技发展的产物。技术人员利用计算机新技术满足生产工作中的科技创新。正如下图的软件开发模式，现在的软件开发可以面向对象、分模块进行构件化的工作。构件是系统中有价值、独立存在并可替换的一个部分，在定义好的体系结构语境内可以满足一定的功能。构件是软件系统中具有相对独立功能、可以明确标识、接口由规约指定、与语境有明显依赖关系、可独立部署、且多由第三方提供的可组装软件实体；软件构件须承载有用的功能，并遵循某种构件模型；可复用构件是指具有可复用价值的构件[11]。

18

第3章 系统需求分析

图3.8 软件开发的构件模式

建造构件的目的是为了以后复用构件，建造构件时必须遵循抽象、逐步求精、信息隐蔽、功能独立、结构化程序设计的思想和原则，而且构件应该比较通用和灵活可变。面向对象的模块化方法具有封闭性和继承性等优点，所以可以很好的进行构件复用。继承就是指在变化点上创建指定抽象类型或抽象类的子类型或子类。可以在对象构件过程中的变化点或扩展点上附加变化或扩展，用于模板、框架和宏的类型和类。根据应用系统的实际需要可以进行构件特化，对其的变化点设置特殊的变体，这种变体可以自行开发。如果构件不能满足应用系统的功能需求，可以修改调整构件的内容。如果构件没有按照标准化开发，也可以按照通用标准将它包装起来。特化并且鉴定合格的构件就能组成应用系统。使用构件进行软件开发可以提高开发速度和质量，降低开发和维护成本。下图描述了软件开发过程中的构件化实施方法。

图3.9 构件化的软件开发过程

19

第3章 系统需求分析

3．3 需求分析

需求分析应该是软件研发初始阶段的最后一步，处于软件定义的末尾。它必须搞清楚系统到底完成什么任务。

上述3.2的可行性研究已经大致掌握了用户的要求，并提出了相应的可行性方案。但还是没有准确细致的解答很多细节性问题。需求分析正是确定系统的具体工作内容，对目标系统提出全面、清晰、准确、具体的要求。应该确定对系统的各种要求，包括：系统的功能、性能、运行和扩展要求等。系统处理的数据和系统产生的数据很大程度上决定了系统的成败，对软件设计有很大影响，一般建立概念模型来分析系统数据[12]。

图3.10 装卸集装箱的实体关系图

3．3．1 码头可视化生产控制系统的需求分析

可视化管理并不是简单的显示一下全场的集装箱和机械状态，而是真正的实现对机械的操作控制。既要通过计算机远程控制桥吊装卸集装箱时的开闭锁，又能对全场的机械进行工作调度和位置调配。

实现对码头内（除桥吊外）主要作业机械的精确定位、动态跟踪、过程控制、数据采集以及可视化管理；集卡安装GPS / GPRS车载终端，通过数字报文和语音通讯，实现对集装箱运输卡车的实时位置监控、状态跟踪和作业智能化管理，以达到提高集卡运输效率、降低集卡空载率、节约运营成本、提升管理水平的目的。技术难点在于如何应用计算机视觉技术将整个堆场的情况，无论是运动机械还是堆放的集装箱以平面或立体方式缩小显示在屏幕。并且，可以通过无线控制信号对机械的装卸动作进行锁控，防止误操作。

20

第3章 系统需求分析

图3.11 可视化生产控制系统的业务流程图

3．3．2 码头闸口自动化系统的需求分析

实现集装箱码头闸口的全自动通车放行和数据采集并非易事，不仅硬件设备要升级、收提箱流程也要改进，而且整个港口的进出口物流环节需要配合完善。集装箱的自动出闸较为容易，难点在于如何保证出口集装箱顺利的自动通过闸口。技术难题的攻关包含自动读取箱号、箱型尺寸，识别残损，自动称重，自动生成场位，提箱自动选箱等。集装箱卡车重载到达闸口时，传统的纸面装箱单、设备交接单因为无人接收录入而无法继续核对的功能，只能依靠系统程序校验。那么，必须改造传统的出口集装箱作业流程才能保证自动化收箱的顺利实施。

a) 出口收箱的流程改造

集港收箱前，由天津海关监管的装箱堆场或称录入点将纸面《装箱单》数据录入计算机，写入集卡车辆的RFID射频卡，并将电子装箱单报文传送到码头。码头根据电子装箱单信息进行场地策划，预先安排箱位，可以有效减少集装箱的翻倒。集装箱入闸时，闸口通过射频卡进行信息采集，与已经接收的电子装箱单信息进行核对，并由计算机提供场位后放行，加快集车通过速度。技术关键是利用RFID技术的工作原理。RFID是英文Radio Frequency Identification的缩写。即：无线射频识别。它由电子标签和阅读器两部分组成。阅读器将低频的加密数据载波信号经发射天线向外发送；射频卡进入低频的发射天线工作区域后被激活，同时将载有目标识别码的信号发射出去；接收天线接收到射频卡发来的载波信号，经阅读器接收处理后，提取目标识别码送至计算机，完成预设的系统功能

21

第3章 系统需求分析

和自动识别，实现目标的自动化管理[13]。

表3.2 射频卡存储的信息结构

射频卡写入信息标准——2008年新版试行 序号 字段名 长度 代码 注释 1 车队名称 8 Y 2 集卡车牌照号 7 3 集卡车自重 4 单位：吨 4 船名-1 12 Y 代码 5 航次-1 6 6 集装箱箱号-1 12 7 箱重-1 4 单位：吨 8 卸货港-1 5 Y 9 IMDG号-1 4 危险品分类等级,国际标准 10 冷箱信息-1 1 0非冷箱、1冷箱 11 船名-2 12 Y 代码 12 航次-2 6 13 集装箱箱号-2 12 14 箱重-2 4 单位：吨 15 卸货港-2 5 Y 16 IMDG号-1 4 危险品分类等级,国际标准 17 冷箱信息-1 1 0非冷箱 、1冷箱 天津港贯彻执行海关“运抵后报关”的政策，外贸出口集装箱必须先运送到天津港内部的海关监管堆场，相当于入港就布控。等到外贸船舶的集港时间，由天津港内部或者协议车队到监管堆场装集装箱去码头装船。此时车辆必须携带RFID卡，一车一卡。集卡出堆场时，堆场将集装箱数据写入RFID卡；抵达码头闸口后，可直接读取RFID内的数据，减免录入工作。

图3.12 基于RFID陆运作业的业务流程图

22

第3章 系统需求分析

b) 闸口的升级改造

包括前端数据采集、集中控制中心、统一业务处理、缓冲区管理和验残。 前端数据采集负责闸口的视频设备控制和信息数据收集。每个自动收箱的道口都独立拥有工控机系统，保证输入输出设备完成基本信息的采集和传输，并把结果输出打印。专门配有对讲机，如果出现异常错误，可以和集控中心通话联系。

集控中心有业务人员集中监控各道口的生产情况，如果有异常情况，可以人工干预补录和修改数据。也可以发出初始化指令，使前端采集系统进行软复位。

统一业务处理接收每个自动道口传送的数据包，采用FIFO机制排队处理业务请求，并将处理结果返回给相应道口。如果不符合入场作业条件，系统将会产生一条缓冲区任务，由缓冲区管理系统处理。

缓冲区管理集成人工闸口收提箱功能，结合智能闸口前端系统采集的信息，配备人员处理错误，保证正常的收提箱工作，以及智能闸口无法处理的其他特殊业务流程。

图3.13闸口自动化系统的业务流程图

3．3．3 出口集装箱自动配载系统的需求分析

做到系统自动编排集装箱的装载贝位计划是所有码头想要达到的宏大目标。在所有的智能化研发项目里，出口自动配载是最具挑战性。系统可以按照集装箱的各种属性，如：卸货港、重量、箱型尺寸、是否特种箱等，以及它们的堆场实际位置，编排计划出符合船的整体稳性的出口船图。系统必须遵循自上而下、由外到里、先重后轻的取箱顺序，生成由底到顶、从船舷内侧到海侧一层一层平铺放到预留舱位的装船作业顺序。集装箱班轮的每一艘次装载都有不同要求，系统根据实际收箱情况和放行状态，将集装箱即将要装到的船舶贝位提前计算和编排

23

第3章 系统需求分析

出来。

出口配载的质量高低直接影响码头的实际装船效率。不同的计划员因为自身技术能力、工作责任心、业务素养等方面参差不齐，面对相同的集装箱船舶结构、场地堆存情况大致相似时，工作效果也不尽相同，甚至大相径庭，严重时会影响船舶准时离港。所以，要充分发挥计算机的运算能力，融入大量工作经验、船舶配载历史数据，使系统学会思考，成为集装箱配载专家。工作经验包含了集装箱航运领域的专业知识和计划配载专家的宝贵经验，学会人的逻辑思考能力。可以通过船公司集装箱船舶的配载数据、规范限制条件等，根据船型结构贝位图和堆场的集装箱分布结合当前班次积载计划和预配要求，分港口自动完成符合船舶稳性和负载强度的出口船图，同时也要降低堆场的倒箱率。

单船计划员核对在场集装箱N海关放行？Y三单核对表和可配载清单接收预配船图三单验证放行模块分配岸桥手工设定作业线自动配载初始化设定自动配载参数实际箱量与计划箱量相同？Y根据箱属性和配载规则自动分配船舶贝位船舶稳性、计划检查数据、作业方式、重量检查、优先级、效率等N报错并提示修改配载参数

图3.14 自动化配载系统的业务流程图

3．3．4 EDI自动发送接收系统的需求分析

对于客户要求的实现报文定时自动发送，至少应该具备三个基本功能。首先是电子报文的格式设置；其次是电子报文自动收发机制；最后是收发报文的日志检查。虽然界面较为普通，复杂度也一般，但真正实现实时处理报文，分钞不差和一字不丢的连续性发送接收，也要解决几个难点。怎么针对不同的船公司实现

24

第3章 系统需求分析

同种报文规范和格式的复用？如何使定点发送的电子报文的业务数据连续不间断？快速检测并接收电子报文。形成完整的报文自动处理日志。

单证员设置EDI自动发送系统规则和参数录入船公司、箱属公司、目的地址、发送时间和频率等设置报文格式和数据源提取规则生成报文自动发送指令启动自动发送程序程序开始待命自动执行单证员检查程序执行日志系统定时扫描有无指令需要执行单证员设置EDI自动接收系统规则和参数指定文件读取目录指定程序执行时间间隔系统定时自动扫描目录N存在报文？Y导入系统单证员检查程序执行日志EDI自动发送系统流程EDI自动接收系统流程

图3.15 EDI自动发送接收系统的业务流程图

3．4 非功能需求

软件的非功能需求又叫约束或者质量需求，是限制解决方案的需求[14]。主要包括了：性能需求、可维护需求、安全性需求、可靠性需求等。

a) 性能需求：指智能化开发项目所要达到的能力指标，它是由系统分析员

与客户的沟通和调研决定。系统允许多用户同时操作数据，提高容错性和并行性。

b) 可维护需求：是软件的灵活性特点。程序应该具有良好的可扩充性、可

延伸性和可扩展性。理解为当软件修改错误和完善功能时的工作难易程度。

c) 安全性需求：用户具有权限级别的设置，不同的人员拥有不同的操作模

块。

25

第3章 系统需求分析

d) 可靠性需求：软件无故障运行一段时间的概率。用户操作简便快捷，不

易报错中断。

3．5 运行环境需求

系统良好运行所具备的软硬件条件。

3．5．1 软件环境

a）客户端操作系统：Windows XP Professional或者更高。 b）服务器操作系统：IBM AIX 5.2 UNIX操作系统。 c）数据库：Oracle Database 10g。

d）程序运行环境：微软C++运行库及PowerBuilder系统运行资源。

3．5．2 硬件环境

a）客户端机器：双核CPU或者更高、 1Gb内存、60Gb硬盘。 b）服务器：IBM小型机P590。IBM磁盘阵列大型存储10-20Tb。 c）网络：千兆局域网。互联网4M接入。

d）无线网络：802.11b/g标准2.4GHz频段Wi-Fi，400MHz无线手持机。

26

第4章 系统智能化模块设计

第4章 系统智能化模块设计

4．1 系统设计思路

按照用户提出的功能需求和相应的业务要求，确定了智能化模块的开发必须节省人力、提高码头机械可控性、促进集装箱装卸效率、增强码头客户满意度等。集装箱码头的基本生产系统采用成熟稳健的C/S应用模式，所以智能化模块的开发继续此模式。这样可以更好的结合原有的生产系统，促进完善原有生产系统的重要功能，使之更加自动化和智能化。

4．2 系统设计目标

随着世界航运业的不断发展壮大，我国出现了愈来愈多的集装箱码头，它们不仅从地理位置、设施基建、机械设备等硬件方面竞争，还应用了先进的集装箱码头生产作业系统，并根据各自不同特点和需求进行完善开发，尤其是对自动化和无人化管理方面的研究应用。天津港的集装箱吞吐量名列前茅，应当利用自动化技术，适当融入智能化的元素，努力创新工艺流程、改善管理方式，开发适应本港集装箱物流发展、更加人性化、有智慧的集装箱生产系统。

借助滨海新区蓬勃发展的大好形势，使天津港得以迅速发展，智能化模块开发应用必将使码头生产更加稳定和高效。新技术的应用和新项目的研发要降低码头的经营成本；减少和避免人工操作的失误率；适当由电脑代替人员工作；增强机械的操作精度和安全性；完善集装箱操作的日志管理等。

4．3 系统设计原则

为了使智能化模块顺利取代现有系统的部分功能，使其充分和其它系统模块完美结合，要遵循以下几方面原则：

a) 统一设计原则

统筹规划业务流程和统一设计系统结构。立足于现有生产系统的总体框架结构，符合数据库存储结构、数据模型、扩展接口等方面。

b) 先进性原则

采用国际上较为成熟的科学技术，如：计算机视觉技术、OCR字符识别技

27

第4章 系统智能化模块设计

术、视频监控技术、GPS全球定位技术、GIS地理信息系统、电子数据交换等，按照国际标准和规范，借鉴国内外同类产品的设计方案和应用成果，保证系统的前沿科技水平。

c) 安全性原则

采用用户授权加密机制，用户级别不同操作权限也不同。网络层至应用层采取多层安防措施，防止外部用户非法入侵。

d) 标准化原则

应用国际标准的通用硬件接口，开发统一的软件调用方法。 e) 适应性原则

满足现有系统的业务需求和功能要求，替换原有系统模块或者升级改造旧有功能时，符合后台数据字典、适合程序业务流程和数据流程。

f) 可扩展性原则

避免程序应用的片面性，充分考虑未来生产系统可能会完善改进的环节，使智能化项目可以满足多种需求，降低项目的二次开发率。

4．4 系统开发平台、体系结构和开发模式

4．4．1 系统开发平台

码头系统的数据访问压力较大，需要强大的数据库服务器和应用程序服务器。数据库部署在性能卓越的IBM小型机。应用程序服务器采用IBM刀片服务器，操作系统是Windows Server 2003。客户端采用Windows XP Professional。Windows是图形用户接口（GUI），有时称为“可视接口”或“图形窗口环境”[15]。视窗XP系统应用最为广泛，技术相当成熟，兼容性很好，除有很好的网络通信和数据交互能力，在图形化和多媒体方面也相当出色。

4．4．2 系统体系结构

天津港集装箱码头生产作业系统采用的是客户机/服务器体系架构，即C/S架构。所以，升级优化的系统模块也采用经典的CLIENT/SERVER模式。

C/S结构的客户机和服务器之间通讯是以“请求——响应”的方式进行[16]。它们虽然物理布局分开，但却是一个信息整体。客户机和服务器之间用连接部件支持。客户机提供给用户应用程序，向数据库服务器发出数据请求，处理后向用户显示出来。服务器管理数据记录以及网络通信设备，响应和处理用户请求。连接是指网络连接、通讯协议、应用接口??。C/S架构的服务器还担负了计算和

28

第4章 系统智能化模块设计

通讯工作。工作的负担如计算或通信功能由Client和Server各自负担一部分，这种模式可以说是当前最优的结构之一[17]。其优点如下：

a）实现快速检索数据。客户端直接连通服务器，不会存在中间环节带来的“瓶颈”现象，服务器处理完毕直接反馈给客户机数据。并且，如果存在多台服务器，这几台服务器会均衡分布此请求的负载。那么，一项任务会被多个服务器并行执行，处理效率相当高，事务吞吐量也随之加大。

b）可以共享资源。一个客户机可以访问多台服务器的资源，所以对于客户端来说，本地资源和工作站资源都可以共享。服务器将各种信息集中管理，任何用户都可以访问。

c）事务处理能力强。可以实现复杂的业务流程，充分考虑和发挥两端硬件配置高低，合理分配任务到Client端和Server端共同执行，降低网络开销，高效完成事务。

d）应用界面美观。可以满足个性化要求，创建多种多样的程序界面。

图4.1 C/S模式的访问方式

4．4．3 系统开发模式

Visual C++的软件开发采用MFC模式。MFC不仅为用户提供了Windows图形环境下应用程序的框架，而且还提供了创建应用程序的组件[18]。通过MFC类库，C++可以方便的进行代码重用，代码重用是指利用原先已有的基类派生新的C++类。MFC正好提供了大量的基类供程序员开发和扩充。

MFC属于C++语言的一个安全子集，它所体现的类库结构可以将Windows程序所需的各种功能模块有效组合，当之无愧为面向Windows系统开发程序的基本构架。

29

第4章 系统智能化模块设计

图4.2 MFC类层次关系图

MFC中的应用程序体系类比较重要，它构造了应用程序的主体框架，提供各种公共功能。应用程序体系结构包括了命令相关类、窗口程序类、文档/视图类和线程基类。其次，使用最多的是可视对象类，有窗口类、视类、菜单类、对话框类、控件类、控件条类、绘画对象类、设备描述类和CGdiObject类（封装绘图工具的类）等。

4．5 系统模块设计

4．5．1 可视化生产控制系统的核心功能设计

集装箱码头的可视化生产控制系统主要实现龙门吊GPS定位辅助吊箱和拖车位置显示。通过大量的历史作业记录模拟和重现机械的作业过程和运行轨迹。

调度监控模块可视化生产控制系统机械GPS定位模块 图4.3 可视化生产控制系统的核心模块

30

第4章 系统智能化模块设计

a）调度监控模块

码头调度监控模块是通过计算机视觉技术，发挥无线视频和GPS全球定位技术的优势，实时观察掌握码头堆场内的集装箱堆存、龙门吊位移分布、运行状态、集装箱拖车待时等情况。计算机视觉就是用各种成像系统代替视觉器官作为输入敏感手段，由计算机来代替大脑完成处理和解释，计算机视觉使用计算机及相关设备对生物视觉的一种模拟，是通过对采集的图片或视频进行处理以获得相应场景的三维信息，仿真达到实际生产作业场景，实现对生产的实时监控、模拟分析和科学管理[19]。

其中，关键是针对龙门吊工作状态的掌握，诸如：其机械大车、小车、行驶方向、速度和运行时间等。调度员通过程序界面里的所有要素，例如：堆场、码头前沿、港池、场地标记、田位贝标、集装箱、龙门吊、集装箱拖车、机械状态等切换显示场内情况，也能自由组合条件，实现多层翻屏、放大／缩小、拖拉／漫游、自动跟踪显示。使堆场内集装箱作业达到实时的可视化管理。调度监控软件通过系统业务数据结合GPS精确位置，将码头、堆场、集装箱、吊车、流机等实时分布、运行状态（包括大车、小车、行驶速度、方向及时间）、集卡待时信息以图文形式动态实现码头、堆场集装箱作业可视化。

b）机械GPS定位模块

GPS是全球定位系统的简称，英文是Global Positioning System。它利用了全球24颗卫星对地表和空间物体进行定位[20]。码头把需要监控的机械装上GPS模块，实时探测位置信息后传送到中央机房的计算机可视化处理系统，通过精确的换算后显示在电脑图形场地界面。

移动机械GPS定位模块紧密结合于生产作业系统，充分利用龙门吊、集装箱拖车上的系统操作软件的信息接口，实现堆场集装箱显示、机械位移跟踪、集装箱实时定位、司机操作控制、吊车防碰撞、模块状态显示、集卡跟踪、通讯功能等。根据传送的GPS位置参数，系统实时模拟场桥、岸桥、拖车、叉车等机械的作业，实现对生产过程的实时监控。根据记录模拟作业过程，根据作业计划预想未来的集装箱堆码规模。在系统里实现机械、集装箱等在场目标对象的属性信息查询和数量统计，以及码头堆场空余信息统计。通过相应的龙门吊PLC控制芯片，系统可以控制龙门吊的开/闭锁，实现对机械的锁定/解锁操作，防止司机误操作。而且，面对雨、风、雾、雪等恶劣天气，龙门吊可以通过GPS辅助定位装卸集装箱，避免事故发生。

4．5．2 闸口自动化系统的主要功能设计

码头闸口自动化系统使用了很多先进技术，例如：RFID无线射频卡，OCR

31

第4章 系统智能化模块设计

文字图形识别，SOCKET通信技术和自动化控制??。它和生产业务系统紧密融为一体，实现集装箱闸口的无人化操作，使集卡车辆快速通过。可以自动捕捉集装箱箱号和箱型代码，通过RFID和条形码扫描获取计划预约数据，结合堆场内的机械作业和堆存状况，实现集港和提箱的自动确认入闸。还有集中监控系统和集中验残系统，处理车辆自动进闸时的异常情况，允许人工干预解决问题和判断箱体残损。如果发现无法操作的违规车和错误箱，可以在缓冲区管理系统人工解决。

前端数据采集系统集中控制中心系统无人闸口自动化系统集中业务处理系统集中箱体验残系统缓冲区管理系统 图4.4 闸口自动化系统的主要模块

a）前端数据采集系统

主要控制数字化设备和视频设备采集业务数据。功能有：

? 日来箱号识别：以服务端模式通过SOCKET通讯监听获得箱号、箱型代码。具有图像拍摄和分析功能。图像拍摄从集装箱的正面、侧面和顶面拍照箱体并压缩图片文件。分析处理照片，取出对应的字母和数字。箱号识别主要经过“图像采集”“图像处理”“图像分割”“字符分隔”“字符识别”“字符校验”六步[21]。分析处理源照片包括灰度化图像、降噪滤波。色彩RGB模型R=G=B的值叫灰度值，将彩色图像三分量的亮度作为三个灰度图像的灰度值，可根据应用需要选取一种灰度图像。调整后的彩色图像剩下了灰度数据，就是黑白图像[22]。常用的降噪方式是中值滤波。中值滤波是一种非线性平滑技术，它将每一像素点的灰度值设为该点邻域窗口内的所有像素点灰度值的中值，也就是将黑白图片的亮度进行均衡化处理。图像进一步处理采用图像的二值化，使图像变得简单，数据量减小，能凸显出目标的轮廓[23]。进而使用边缘分析提取集装箱号码区域，将包含字符的图像从复杂的背景里分离出来，形成着重处理的图像部分。最后通过OCR识别字符。集装箱箱号是4个大写英文+6个数字+1位数字校验码，而且字

32

第4章 系统智能化模块设计

体、大小、间距等都统一标准。所以，清晰的字符图像很容易被解读为正确的字母和数字。

? 日来箱体图片采集：以服务端模式通过SOCKET通讯监听获得箱体照片。

? RFID读取：前端车检器发出信号后，读取卡内车信息和船名航次信息。 ? 条形码扫描器：集卡车辆提箱时，读取计划预约信息。

? 车检器：使用金属地感线圈采集车辆到达和驶离的信号，集卡车头到达车检器时发出。前端信号启动一个新服务，尾端信号结束服务。

? 电子档杆：业务系统允许进闸，档杆自动抬起，车辆驶离后，档杆回落。 ? 双箱称重：根据车辆车型参数，应用TOLEDO地磅双箱称重接口计算车身重、前箱重和后箱重。

? 小票打印机：数据正常时，自动打印提箱和收箱小票；如果发生错误，打印缓冲区小票，说明错误原因和解决问题的方法。 b）集中控制中心系统

监控前端数据采集的全过程，校验数据的有效性和完整性。提供了人工补录功能，如果采集的数据存在差异，或者发现业务错误，都可以通过人性化的界面维护生产数据。还可以检查自动小票打印机是否缺纸。

c）集中业务处理系统

包括数据收发和业务处理两部分。系统采用FIFO排队机制接收每个道口发送的数据包，并实时返回给各个道口处理结果。发现不能入场，业务处理会生成一条缓冲区任务，交由人工解决。

d）集中箱体验残系统

闸口摄像机拍摄集装箱的五个箱面照片后，除提供箱号自动识别外，还可以进行箱体表面是否完整无缺的探测。系统利用计算机视觉技术分析箱体图片是否成规则图像像素分布，如果发现照片有部分区域的颜色形状明显区别于周围，就会报出错误交由人工处理。箱体表面的探测难度远远大于箱号识别，由于受到光照、湿度的环境影响，箱体表面成像效果往往不十分精确，影响了图像像元的平滑和稳定。所以，多数情况需要人工观察箱体照片，发现并维护残损。

e）缓冲区管理系统

含有传统人工闸口的所有业务功能，人工解决发现的“问题箱”以及更为特殊的业务流程。可以处理自动闸口失败的进门操作，辅助自动化系统，提高整体通闸效率。

4．5．3 自动配载系统关键功能的设计

33

第4章 系统智能化模块设计

符合船舶装载规定和码头场存情况，系统可以自动预编出口集装箱的装载计划位置。按照船舶的船型结构和集装箱箱位情况，以及当前出口航次的预配要求，如：卸货港、中转港、箱型尺寸、特种箱作业等，自动编制适应船舶稳性船舶积载图。

预配分组模块配载参数设定模块船舶自动配载系统自动配载参数设定模块自动配载模块配载校验模块 图4.5 自动配载系统的主要模块

a） 预配分组模块

预配图是船公司预配中心根据航线各挂靠港的舱位分配情况和单航次在各港口出口集装箱的具体分卸货港箱数及特殊箱分港数，按卸货港、尺寸分类，标明不同类别集装箱在船上积载位置的文件[24]。

预配分组是创建最基本的自动配载方案，将出口集装箱按照卸货港分组，对于每个分组详细设置箱数、箱型、尺寸、空重、是否冷箱、是否危品、危品等级、国际危规号、特殊箱配载要求、重量等级等。

b）配载参数设定模块

考虑预配、箱型、卸货港、重量、堆场位置、集装箱是否到场和预计到场、集装箱空重等因素，设置配载参数。包括：船贝图显示、船资料选项、配载选项、作业规则。船贝图显示主要设置了集装箱的图标格式以及船型结构的显示方案。船资料选项指定了打印贝图的方式。配载选项指明了是否允许重压轻、小箱压大箱、危险品箱隔离隔离规则、双吊具高度差等。作业规则含有是否计划时指定桥吊司机、是否允许不配载装船、是否可以侧视图改变配载顺序等。

c）自动配载参数设定模块

制定自动配载的一些基本要求和规范。设定船舶重量等级保证船体平衡、配载自动检查海关是否放行、有无箱锁、危险品隔离措施。还包括检查船图的列重和列高，以防超重超高。设定堆场提箱的发箱顺序，按层（平铺）还是按排（起摞）。设置重量等级优先性，按照船体稳性数据还是考虑堆场箱子翻倒率。还要

34

第4章 系统智能化模块设计

满足集装箱船舶的各种强度要求：剪切强度、横向强度、扭转强度、局部强度和纵向强度[25]。

d）自动配载模块

将预配分组、设置配载参数等后，就可以执行自动配载。 具体步骤：

STEP 1：初始化各项变量定义。

STEP 2：按照横向稳性贝位重量的设置参数，对所有箱子进行重量等级的分类。

STEP 3：依据当前航次的港序和相关重量等级降序排列需要配载的集装箱种类。

STEP 4：判断当前卸货港相关重量等级的20英尺集装箱是否已经分配，没有分配则先分配20英尺箱，分配完毕就分配40英尺箱，并判断当前要配载的集装箱类型，对应的堆场集装箱组和船上的贝位单元块。

STEP 5：如何找出堆场的集装箱组对应配载到船上的单元块，规则如下： RULE 1：如果一个堆场集装箱组对应多个船上的单元块，挑选距离最短的单元块。

RULE 2：如果多个堆场集装箱组对应一个船上的单元块，选择距离最短的堆场集装箱组。

图4.6 自动配载算法规则图

按照先RULE 1后RULE 2的顺序挑选，得到堆场集装箱组和船上单元块一对一对应的情况，进行分配。如果堆场集装箱组要分配的集装箱数比船上的单元块空位数大，将船上的单元块空位用完；如果堆场集装箱组要分配的集装箱数比

35

第4章 系统智能化模块设计

船上的单元块空位数小，将堆场集装箱组要分配的集装箱全部分配。

STEP 6：更新相关参数，判断是否当前种类的集装箱分配完毕，完毕转到STEP 3，没有完毕则继续判断是否存在Xij=1的情况，存在则回到STEP 5，如果不存在则进行STEP 7。

STEP 7：即不存在Xij=1情况，每个相关堆场集装箱组分配到距离最短的船上的单元块分配。规则如下：

RULE 3：存在多个堆场集装箱组对应一个船上的单元块的情况，优先分配距离短的，直到这多个堆场集装箱组或者这个船上的单元块分配完毕。

STEP 8：更新相关参数，判断是否当前重量等级的集装箱分配完毕，完毕转到STEP 9，未完毕继续判断是否存在Xijx=1的情况，存在则回到STEP 5，如果不存在则进行STEP 7。

STEP 9：判断当前配载港序是否分配完成，完毕转到STEP 10，如果未完毕，继续下一个重量等级，转到STEP 3。

STEP 10：判断是否所有集装箱分配完成，完毕转到STEP 11，如果未完毕，继续下一个港序，转到STEP 2。

STEP 11：得到分配方案。

图4.7 自动配载算法流程图

e）配载校验模块

36

第4章 系统智能化模块设计

配载校验模块集成传统手工配图的全部功能。可以人工检查各项配载结果。包括对翻倒箱统计、已配载船图的撤消和修改、未配箱统计显示、配载堆场一览表、分贝图和总贝图打印、根据停靠方式改变配载序号、改变配载结果、配载校验、左右平衡计算、分港分类型数量统计、堆场箱显示重量、超高箱等特殊箱型校验、配载的稳性计算、船舶每层设置重量界限等。

4．5．4 EDI自动发送接收主要功能的设计

EDI自动化就是把手工发送接收变为系统自动控制，使得报文发送和异常处理都可以自动完成，建立事务处理的自动化机制。它将工作环节中的人工因素减到最少，如若存在问题可以自行处理，不会中断工作。不同的EDI报文实现自动处理，所使用的方法和技术也会不同。

EDI报文格式定义模块EDI报文自动发送配置EDI自动发送接收系统EDI报文自动接收模块EDI报文自动发送模块EDI报文日志监控模块 图4.8 EDI自动系统的主要模块

a）EDI报文格式定义模块

符合交通部和国际标准的通用EDI格式定义，包括多种报文的整体结构、数据字段、内容属性的设置。集装箱码头实现自动处理的报文有很多种，包括：进出门报文、装卸船报文、堆存报文、出口船图、船期报文、海关进出口放行信息、海关查验信息报文等。前五种是码头提供给船公司的电子文件，是对集装箱船舶和集装箱的作业状态的信息报告。后两种是码头接收的报文，可以快速响应政府部门的布控要求。

表4.1 交通部出入闸报文格式的简例

交通部标准的出入闸报文 箱信息记录行描述 记录50 CONTAINER INFORMATION 描述箱信息的有关项目 序号 字段名 格式 注释 1 RECORD ID 记录类型标识 9(2) 50

37

M 标记 M 第4章 系统智能化模块设计

2 CTN. NO. 箱号 X(12) 3 CTN. SIZE & TYPE 集装箱尺寸类型 X(4) 4 CTN. STATUS 集装箱状态 X(1) E=空 F=整 L=拼 N=新 5 PPS. OF GATE IN/OUT 进出场目的 X(1) I=进口 E=出口 6 EIR NO. 设备交接单号 X(17) 7 B/L NO. 提单号 X(20) 8 GROSS WEIGHT 箱毛重 9(5).9 9 SEAL NO. 铅封号 X(10) 10 GATE IN TIME 进门时间 9(12) CCYYMMDDHHMM 11 GATE OUT TIME 出门时间 9(12) CCYYMMDDHHMM 12 SPEC. CTN. FLAG 特种箱标记 X(3) R=冷藏箱 D=危险品箱 注 ：对进门箱只填进门时间 ,出门箱只填出门时间。 报文记录结构 00 头记录 M1 01 其他接收方 C1 10 船舶及经营人信息 C1 50 箱信息 M999 51 残损信息 C9 52 集疏运承运人信息 C1 53 该箱的船舶及箱经营人信息 C1 99 尾记录 M1 M M M M C C C C M/C M/C C b）EDI报文自动发送配置

根据船公司不同的要求，分别设置相应的报文种类和发送方式。可以设置E-Mail和FTP专线两种发送方式。主要针对船公司进行详细的发送设置，哪种报文、报文的发送时间、报文的发送间隔、有效周期等。

报文无论多长时间发一次、分几次发送，都要保证数据的准确性和连接性。准确性需要设置箱公司代码、提单规则、时间范围等条件，连续性就是不能多发一个集装箱数据，也不能少发送。程序产生多条指令来实现连续发送报文，每个指令包括了数据提取条件、格式标准、发送时间、时间范围等。

c）EDI自动接收模块

自动接收实现比较单纯，没有复杂的配置，只是将海关放行报文和查验报文实时导入数据库。EDI程序服务器24小时实时接收天津港信息中心转发的海关报文。程序通过Timer控件实时扫描接收目录中有无文件，如果存在文件，就调用报文解析函数将报文内容转换成数据记录插入系统。程序详细分析每一提单的数据内容，如果文件结构错误、放行信息不完全、文件中断、接收方错误等均转移到错误备份目录。

d）EDI自动发送模块

自动发送会实时检索指令表中是否存在待发送的指令，只要系统时间超过发送指令记录中的发送时间，就立即生成报文。报文生成成功后，会调用设置的发送方式将报文发送出去。

38

第4章 系统智能化模块设计

e）EDI日志监控模块

实现简单的发送接收的日志记录，包括发送对象、报文种类、是否成功、报文名称、时间等。

IBM船公司1Data GeneralData General船公司2???船公司nData General海关数据机发送和接收专属光纤网络CISCOSYSTEMS交换机防火墙港务局接收和分配局光纤专属光纤网络港务局接收分配Internet国际网集装箱码头服务器24Hs不间断自动程序集装箱码头EDI专属服务器24Hs不间断自动程序cisco防火墙企业网

图4.9.1 EDI自动发送

Com终端1Com???终端2Com终端n图4.9.2 EDI自动接收

图4.9 EDI自动发送接收系统结构图

4．6 系统数据库设计

4．6．1 数据库的选择

数据库的设计是如何将数据进行组织化和结构化的过程，是指在特定的应用环境里构造出良好的数据库模式，创建数据库结构及其后台应用，达到有效的数据管理，快速增、删、查、改等操作。Oracle是当前应用最广泛的关系型数据库，而且Oralce被设计为一个相当可移植的数据库，在当前所有平台上都能运行，从Windows到UNIX再到大型机都支持Oracle[26]。对于系统的开发和测试工作非常方便灵活。

4．6．2 数据库的设计规范

数据库的字符命名规范决定了系统的可读性和可扩展性。可以采用26个大写英文字母和0-9个自然数，加上下划线‘_’组成，共37个字符[27]。

命名的对象包括：TABLE（表名）、FIELD NAME（字段名）、DATA TYPE

39

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0xkp.html