摘 要：針對機場貨運站雙ETV任務調度涉及到任務優先級、出入庫作業比例、任務均勻分配、ETV相互避讓、雙板作業等復雜問題，提出了一種基于專家系統的機場貨運站雙ETV任務調度方法。該方法歸納總結了機場貨運站雙ETV任務調度原則，建立了專家系統的知識庫，分析了知識庫的特征和機場貨運站雙ETV任務調度的特點，建立了相應的推理機制。算例仿真結果表明，基于專家系統的機場貨運站雙ETV任務調度方法，能夠較好地提高貨運站的作業效率。

　　關鍵詞：核心期刊論文發表,專家系統,機場貨運站,ETV,任務調度

　　Abstract： In order to solve the complex issues of Two-ETV task scheduling of airport cargo terminal， such as the task priority， the proportion of warehousing operations， uniform distribution of tasks， ETV mutual avoidance， double-plate operations， A methods of Two-ETV task scheduling of airport cargo terminal based expert system is proposed. In this method， the principles of Two-ETV task scheduling of airport cargo terminal are summarize， expert system knowledge base is established， the features of the knowledge base and the characteristics of Two-ETV task scheduling of airport cargo terminal are analyzed， and appropriate reasoning mechanisms are established. The examples simulation result shows that methods of Two-ETV task scheduling of airport cargo terminal based expert system can better improve the operating efficiency of the freight station.

　　Key words： expert system; airport cargo terminal; elevating transfer vehicle; task scheduling

　　近年來，隨著航空貨運需求的快速發展，國內大型機場都相繼建設了自動化的貨運站。大型自動化立體倉儲系統是機場貨運站的主要設施，用于航空貨運集裝設備(Unit Load Device， ULD)的存放和輸送。升降式轉運車(Elevating Transfer Vehicle， ETV)是輸送和存儲ULD的主要設備，作用和自動化立體倉庫中堆垛機類似。由于機場貨運站作業要求高效、低故障的要求，一般大型的機場貨運站自動化立體倉儲系統都配備兩臺或兩臺以上的ETV。機場貨運站雙ETV任務調度具有一般自動化立體倉庫任務優化調度的共性特征，同時具有其自身的特點。所謂“雙ETV”是指在同一個巷道內，有兩臺ETV共同完成貨物堆垛輸送任務。兩臺ETV互為備份，相互配合。近年來，自動化立體倉庫作業優化調度問題得到了廣泛深入的研究，所采用的方法包括模擬退火、遺傳算法、神經網絡、Petri網等[1-3]。文獻[4]、[5]運用專家系統，對常見的自動化立體倉庫作業調度和貨位分配原則進行了分析研究。文獻[6]、[7]對機場貨運站的任務調度進行了分析研究。對于機場貨運站雙ETV任務調度的研究，很少有文獻涉及。專家系統是一種在相關領域中具有專家水平解題能力的智能程序系統，它能應用專家多年積累的經驗與專門知識，模擬人類專家的思維過程，求解需要專家才能解決的困難問題。本文運用基于規則的專家系統的方法，對機場貨運站雙ETV任務調度進行了分析歸納，建立了專家系統的知識庫和推理機制，通過算例，驗證了專家系統能夠較好地提高機場貨運站雙ETV任務執行的效率。

　　1 機場貨運站的主要設備及任務

　　機場貨運站的主要設備包括輸送系統、ETV、貨架等部分，一般布局平面圖如圖1所示。其中輸送系統負責將ULD輸送至ETV與輸送系統交接臺，輸送系統包括機場貨運站陸側輸送系統和空側輸送系統。

　　機場貨運站的任務包括入庫、出庫、直通、倒庫和盤庫等。入庫是將待出發的或到達的ULD暫時存儲到貨架上的作業。出庫是將貨架上的ULD下架后，輸送到空側準備發運，或輸送到陸側拆解。直通是將ULD直接由陸側輸送到空側發運或直接由空側輸送到陸側拆解。倒庫是在ETV沒有出入庫、直通和盤庫任務時，將ULD盡量搬運到離出口近的位置存放，或將一個航空公司的ULD集中存放。

　　2 雙ETV任務調度專家系統的建立

　　2.1 雙ETV任務調度專家系統基本構成

　　一般的專家系統有6個組成部分：輸入部分、知識庫、推理子系統、綜合數據庫、解釋子系統和知識獲取系統。如圖2所示。

　　知識庫存儲從專家那里得到的關于機場貨運站雙ETV任務調度的專門知識;推理子系統具有依據一定調度策略進行推理的能力，即能夠依據知識庫推導出結論而不是簡單地去搜索現成的答案;綜合數據庫用于存放系統運行過程中所需要和產生的所有信息，包括問題的描述、中間結果、解題過程的記錄等信息;解釋子系統負責回答用戶提出的各種問題;知識獲取子系統負責管理知識庫中的知識，包括根據需要修改、刪去或添加知識及由此引起的一切必要的改動，維持知識庫的一致性、完整性等。 　　2.2 雙ETV任務調度專家系統知識庫的建立

　　機場貨運站雙ETV任務調度主要是作業任務調度，即將眾多待執行的任務進行排序。重點解決兩臺ETV協調工作，達到效率最高。知識庫就是在作業調度原則的基礎上建立的。

　　2.2.1 作業調度原則

　　(1)先到先服務原則：這是作業調度的基本原則之一，不考慮任務類型和優先級等因素，先到的任務申請先處理。這種原理適用于同類任務或優先權對系統影響很小的系統。

　　(2)優先權原則：將任務賦予優先權，在處理任務時，按優先級的高低排序，優先響應優先權最高的任務。

　　(3)聯合作業原則：在有多項出庫和入庫任務時，適當把出庫任務和入庫任務進行優化組合，滿足條件的出庫任務和入庫任務組合成聯合作業，可縮短存取周期，提高存取效率。

　　(4)雙板作業原則：ETV能夠同時輸送兩個5英尺的集裝箱，在執行雙板作業時，要保證兩個作業不能沖突，而且要求不能增加ETV作業時間。

　　(5)兩臺ETV避讓原則：如果ETV在執行任務時，另一臺ETV停在本臺ETV執行任務的路徑上，就需要另一臺ETV先執行避讓移動操作。在兩臺ETV任務分配時，盡量減少執行避讓操作時間。

　　(6)出入庫作業按比例分配原則：對于ETV任務同時有入庫和出庫作業時，可以按比例分配任務，保證出入庫作業按需求動態調整。

　　(7)倒庫原則：ETV沒有出入庫、盤庫、直通等作業時，可以執行倒庫操作，倒庫的原則是將貨物盡量移到離ETV與輸送系統交接臺比較近的位置。

　　2.2.2 作業調度說明

　　本文設計的機場貨運站雙ETV任務調度方法將整個巷道劃分為兩個區域，每臺ETV主要負責處理一個區域的任務。當作業任務集中在一個區域內或一臺ETV不在全自動模式時，自動調整ETV的工作區域。對于5英尺的小箱，ETV一次可以取兩個(即雙板作業)，在任務調度過程中，本方法能夠實現雙板作業。兩臺ETV工作過程中，可能會出現作業路徑沖突，本方法能夠實現ETV自動避讓。

　　本文設計的調度方法說明：(1)ETV安全距離：兩臺ETV在運行過程中，需要間隔一定的距離，這個距離是ETV設計時的一個固定參數。(2)工作區域：根據調度需要，將巷道劃分為不同的區域，包括ETV1主工作區域、ETV2主工作區域、ETV1增援工作區域、ETV2增援工作區域。(3)ETV工作狀態：ETV的工作狀態分為空閑、取上一個貨、取上兩個貨。(4)ETV任務類型：ETV任務類型包括避讓移動、入庫、出庫、直通、倒庫、盤庫，其中盤庫任務包括盤庫移動、盤庫取貨、盤庫放貨3部分。(5)ETV出入庫作業比例：物流系統貨物處理過程中，出庫任務一般優先入庫任務執行，要求出入庫作業按比例執行，比如出入庫按1∶3執行，先執行3個出庫作業，再執行1個入庫作業。根據作業任務情況，出入庫作業比例可做調整。直通任務認為是入庫任務，倒庫和盤庫任務不計算在出入庫作業比例中。(6)作業任務優先級：ETV作業任務生成時，都有一個默認的優先級別。如果有些任務比較緊急時，操作員會調整作業的優先級別，將比較緊急的任務優先級別提高，雖然這些任務可能是后生成的，但任務調度系統會優先將比較緊急的任務分配給ETV去執行。對于同一優先級別的任務，按照任務生成的先后順序執行。本文中的優先級是任務優先級別和生成順序兩項指標的綜合值，每條任務都有唯一的優先級。

　　2.2.3 知識庫的建立

　　知識庫的建立好壞，直接影響推理機制的速度及效率。本專家系統知識庫的建立采用產生式規則表示法(又稱規則表示法)。產生式規則的基本形式是：P-Q或者IF P THEN Q，其含義是：如果前提P滿足，則可推出結論Q或執行Q所規定的操作。

　　根據以上形式和原則，建立機場貨運站雙ETV任務調度專家系統的知識庫。

　　知識庫中的部分規則表示如下：R1：IF ETV1模式為全自動，THEN判斷ETV1的狀態，根據ETV1的狀態，給ETV1分配任務;R2：IF ETV1狀態為空閑，THEN進入分配任務模塊，給ETV1分配任務;R3：IF ETV1狀態為取上一個貨，THEN進入判斷執行雙板作業模塊，判斷能否執行雙板作業;R4：IF ETV1狀態為取上兩個貨，THEN進入判斷先放哪個貨模塊，判斷先哪個貨;R5：IF ETV1有移動避讓任務，THEN判斷能否通過執行一條出入庫任務達到避讓目的;R6：IF ETV1能夠通過執行一條出入庫任務達到避讓目的，THEN刪除移動避讓任務，執行出入庫任務;R7：IF ETV1不能通過執行一條出入庫任務達到避讓目的，THEN執行移動避讓任務;R8：IF ETV1沒有移動避讓任務，THEN分配其他任務;R9：IF ETV1有盤庫任務，THEN判段執行盤庫任務是否需要ETV2避讓;R10：IF ETV1執行盤庫任務需要ETV2避讓，THEN給ETV2生成一條避讓任務;R11：IF ETV1執行盤庫任務不需要ETV2避讓，THEN ETV1執行盤庫任務;R12：IF ETV1沒有盤庫任務，THEN確定ETV1執行任務的區域;

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　　ETV2任務調度方法和ETV1類似，系統輪流對ETV1和ETV2的任務進行調度。

　　2.3 推理機制的選擇

　　推理子系統負責整個專家系統的運行，實現機場貨運站雙ETV任務的調度。其主要工作是：按一定的策略從知識庫中選擇規則前提與綜合數據庫中的已知事實進行匹配。如果前提與綜合數據庫的某條信息一致，則認為匹配成功，將結論加入到綜合數據庫，或執行前提所得的操作。其正向推理流程框圖如圖3所示，其工作過程是：先將基本信息輸入綜合數據庫，即將綜合數據庫初始化，然后從規則庫中取出第一條規則R1，檢查其前提是否可與綜合數據庫中的已知事實匹配。如果事實與R1前提不匹配，則R1不參與推理。取出R2等進行同樣的工作，并且一直循環，直到得到最終的結論。 　　 這種求解過程是一個不斷地從規則庫中選取可用規則與綜合數據庫中的已有事實進行匹配，規則的每一次匹配成功都使綜合數據庫增加了新的內容，并朝著問題的求解方向前進了一步。

　　2.4 任務的執行

　　一批任務的執行程序示意圖如圖4所示。首先根據ETV的工作狀態，確定ETV執行什么動作，包括取貨、取雙板、放貨等;然后根據任務分布情況和另一臺ETV工作模式，確定任務分配范圍和作業類型，任務范圍包括主工作區域和增援工作區域，作業類型包括出入庫或其它;再根據優先級和任務執行條件，確定執行哪條任務。在整個過程中，任務調度分配通過專家系統中推理機制來確定。

　　3 算 例

　　初始化綜合數據庫。假設ETV1和ETV2都為全自動模式，有3個入庫任務，5個出庫任務，2個倒庫任務。ETV的水平速度為0～120m/min(無級變速)，垂直速度為0～20m/min(無級變速)，ETV每執行一次取放操作任務的時間為10s。ETV任務的相關參數如表1。

　　假設1～23列為ETV1的主工作區域，24～45列為ETV2的主工作區域，兩臺ETV之間的安全距離為4列，14～23列為ETV1的增援區域，24～32列為ETV1的增援區域，ETV1的初始位置為3列，ETV2的初始位置為28列，ETV1和ETV2都無故障，且在全自動模式下，出入庫作業比例為1∶3。根據知識庫中的規則和推理機制，計算機兩臺ETV執行表1中的10條任務過程如下：(1)任務1的起始位置為2列，應該由ETV1來執行，但ETV2在28列，必須要求ETV2先執行移動避讓，ETV1才能執行任務1。(2)任務2的起始位置為6列，應該由ETV1來執行，并且不需要ETV2執行移動避讓。(3)任務3的起始位置為32列，應該由ETV2來執行，并且不需要ETV1執行移動避讓。(4)因此，ETV1執行任務2，同時ETV2執行任務3。(5)ETV1執行完任務2后，由于按出入庫作業比例執行任務，ETV1執行任務6。由于任務6和任務7滿足雙板作業條件，ETV1執行雙板作業，兩條任務合計用時2分鐘。(6)ETV2執行完任務3后，執行任務8。(7)ETV1執行完任務6和7后，執行任務1。(8)ETV2執行完任務8后，執行任務9。(9)ETV2執行完任務9后，執行任務10。(10)ETV1執行完任務1后，執行任務4。(11)ETV2執行完任務10后，等待ETV1執行完任務1后，執行任務5。

　　ETV1執行任務花費總時間為8.2分鐘，ETV2執行任務花費總時間為9.1分鐘，系統花費的總時間為9.1分鐘。

　　如果不采用本文設計的調度方法，而直接按順序執行任務ETV1執行任務花費總時間為10.4分鐘，ETV2執行任務花費總時間為8.5分鐘，系統花費的總時間為10.4分鐘。因此，采用直接按順序執行任務的方法，不僅耗時比較長，而且不能滿足實際需求。一般情況下，出庫任務比較緊急，如果按順序直接執行任務，任務7的完成時間遠遠大于本文所采用的方法的時間。

　　4 結 論

　　本文運用基于規則的專家系統的方法，分析了機場貨運站雙ETV任務調度問題，建立了專家系統的知識庫和推理機制，編制了算法程序，實現了基于專家系統的機場貨運站雙ETV任務調度。通過算例結果分析對比，表明基于專家系統的機場貨運站雙ETV任務調度方法能夠較好地解決復雜的任務調度，較好地提高系統的作業效率。

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