SISTEMA DE COMUNICACIONES PARA EL CONTROL
AUTOMÁTICO DE UNA TERMINAL DE CONTENEDORES
José Luis Poza Luján
Departamento de Informática de Sistemas y Computadoras, [email protected] Juan Luis Posadas Yagüe
Departamento de Informática de Sistemas y Computadoras, [email protected] José E. Simó Ten
Departamento de Informática de Sistemas y Computadoras, jsimo @disca.upv.es Alfons Crespo Lorente
Departamento de Informática de Sistemas y Computadoras, [email protected] Universidad Politécnica de Valencia
Camino de Vera s/n - 46022 Valencia
Resumen
La gestión de una terminal de contenedores es un problema complejo. La complejidad inherente al sistema dificulta la automatización. El sistema de automatización empleado se basa en agentes. Los agentes se encargan de realizar diversas tareas, cada una de ellas puede abarcar varias áreas de actuación, como la carga o descarga de barcos. Para comunicar los agentes se emplea un sistema de comunicaciones basado en una pizarra distribuida. Las características de este sistema de comunicaciones lo hacen ideal para automatizar un sistema industrial distribuido.
En este artículo se describen las aplicaciones ventajosas del sistema que se obtienen gracias al sistema de comunicaciones
Palabras Clave : Terminales de contenedores, sistemas distribuidos industriales, automatización de sistemas industriales.
1
INTRODUCCIÓN
Una terminal marítima de contenedores es la conexión entre el transporte marítimo y el transporte por tierra de los contenedores. Para llevar a cabo este proceso, es necesario almacenar en la planta temporalmente los contenedores. El movimiento de los contendores lo realizan máquinas dedicadas expresamente a ello. Los contenedores permanecen en la planta hasta que son enviados a su destino.
Figura 1. Terminal de contenedores de Valencia. Las terminales son habitualmente extensas, y debido al impacto ambiental de los puertos y el alto coste del almacenamiento, es necesario optimizar la utilización del espacio y de los recursos involucrados en la gestión de los contenedores. En la figura 1 se puede observar una imagen de la terminal de contenedores de Valencia (España) sobre la que se ha implantado el sistema.
Consecuentemente, una terminal de contenedores es un sistema muy complejo. Esta complejidad hace que la gestión automática de la terminal se deba abordar de forma modular. Cada módulo debe estar especializado en realizar tareas concretas de la terminal. Por ello, la solución más adecuada para la gestión, pasa por el desarrollo de un sistema multiagente [1]. Por ejemplo, la gestión de las máquinas encargadas de transportar los contenedores dentro de la terminal, la llevan a cabo los agentes de máquinas, estos conocen las características de la máquina que gestionan y actúan en consecuencia a la hora de ejecutar órdenes. La adaptación de un sistema multiagente a un sistema industrial complejo, precisa de una estructuración del sistema basada en la organización del mismo. Esta estructura determinará las tareas a realizar por cada agente. En un principio, los agentes son los que
determinan la organización del sistema, estando enmarcados en un ámbito de actuación muy concreto. Por ejemplo, la ubicación en la planta de los contenedores, se realiza por medio de un agente dedicado a la ubicación en planta. Este tipo de ubicaciones difiere a las que se realizan en los barcos. Por ello, existe un agente de ubicación terrestre y un agente de ubicación marítimo.
Existen diversos protocolos que permiten realizar la comunicación entre agentes de forma eficiente. En el caso concreto de la terminal, los agentes pueden comunicarse datos entre ellos o con una base de datos. El hecho de que la organización de los agentes esté relacionada de una forma muy sólida con la organización del sistema, hace que las comunicaciones entre ellos deban proporcionar la máxima flexibilidad a los agentes a la hora de que se puedan adaptar al sistema sobre el que trabajan. Esta necesidad que debe tener el sistema de comunicaciones puede hacerlo depender mucho del sistema sobre el que actúa.
En este artículo se describe el sistema de comunicaciones desarrollado e implantado en la terminal de contenedores del muelle Príncipe Felipe de Valencia (España). Este sistema de comunicaciones está basado en el modelo de pizarra distribuida [2].
2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
2.1 COMPONENTES DEL SISTEMA
El conjunto de operaciones que se deben realizar en una terminal de contenedores es muy amplio. La mayoría de las aproximaciones identifican los mismos sistemas comunes [3]. Estos sistemas se pueden ver en la figura 2.
A continuación se describen detalladamente cada uno de estos sistemas.
SISTEMA DE MOVIMIENTO DE CONTENEDORES SISTEMA DE ENTRADA Y SALIDA DE CONTENEDORES SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE CONTENDORES
Figura 2. Sistemas comunes de una terminal de contenedores.
2.1.1 Sistema de entrada/salida.
Este sistema consiste en la interfaz de la terminal con los medios de transporte encargados de mover los contenedores entre terminales o entre clientes. Generalmente se ha distinguido dos tipos de interfaces: la marina y la terrestre.
La interfaz marina tiene su principal dificultad en la gestión de la carga y descarga de los contenedores, ya q u e los barcos tienen una disposición interior de contenedores muy poco flexible y determinada por multitud de factores no controlados por la terminal. A esta disposición se añade el problema de tener que cargar y descargar varios contenedores seguidos. El proceso de carga y descarga computerizado se ha estudiado ampliamente [4].
La interfaz terrestre consiste en la conexión de la terminal con los medios terrestres, estos son camiones o trenes. La gestión de este tipo de interfaz es mucho más sencilla, ya que los camiones transportan uno o dos contenedores y la carga y descarga de trenes no implica configuraciones restrictivas, como ocurría con la interfaz marina.
2.1.2 Sistema de transporte.
El sistema de transporte es el encargado de mo ver los contenedores desde cualquiera de los sistemas de desde los diversos sistemas de entrada/salida a la ubicación donde el contenedor permanecerá almacenado. El método empleado para mover los contendores es el uso de máquinas dedicadas. Existe una gran variedad de modelos que se pueden emplear, desde camiones que circulan exclusivamente por dentro de la terminal para cambiar contenedores entre grúas de operativa marítima, hasta transtainers o máquinas dedicadas a acumular los contenedores almacenados.
Las aproximaciones que se han venido realizando para resolver los problemas relacionados con la gestión de las máquinas, se han orientado principalmente a la investigación operativa [5].
2.1.3 Sistema de almacenamiento
El objetivo principal del sistema de almacenamiento consiste en ubicar y controlar los contenedores que permanecen en la terminal a la espera de ser transportados. Habitualmente las aplicaciones encargadas de gestionar las terminales, dividen el trabajo en dos tareas principales [6]: configuración de planta y ubicación automática de contenedores. Estas tareas son, habitualmente, realizadas por dos agentes diferenciados.
a
Transporte por carretera
Transporte por tren
Transporte por mar
Almacenamiento terrestre
Almacenamiento marítimo Grúa Portainer Grúa Transtainer Grúa terrestre SISTEMA DE ENTRADA Y SALIDA DE CONTENEDORES SISTEMA DE MOVIMIENTO DE CONTENEDORES SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE CONTENEDORES OPERATIVA TERRESTRE OPERATIVA MARÍTIMA Base de datos Sistema de comunicaciones i d f g b j c k e h
Figura 3. Interconexión de agentes. La configuración de planta implica la gestión de la
ubicación de los contenedores en función de parámetros concretos de eficiencia, como proximidad al muelle de carga, o agrupamiento por destinos o compañías.
La ubicación automática implica determinar la posición en la que deberá almacenarse el contenedor. Esta posición viene determinada, generalmente, por los mismos factores que determinan la política de configuración. El sistema de ubicación debe tener en cuenta la situación real y actualizada de la planta como datos extras aparte de los proporcionados por el sistema de configuración.
2.2 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Originalmente el sistema se diseñó en función de los requerimientos de automatización [7]. Estas necesidades de automatización implican cambios, habitualmente ampliaciones, en la información que los agentes requieren para poder funcionar. La información necesaria para el funcionamiento de los agentes está almacenada en un sistema gestor de base de datos IBM AS/400. Por ejemplo, si se desea gestionar la posición de una grúa, es necesario tener una tabla de posiciones, pro ejemplo, en la base de datos.
El hecho de que la base de datos controle por completo la automatización de la terminal hace que
el diseño de tablas sea un reflejo fiel del sistema de automatización. Esta dependencia de la base de datos supone un inconveniente a la hora de tener un sistema flexible y abierto.
Para evitar la dependencia estructural que el sistema tiene de la base de datos, se agregó el sistema de comunicaciones, de manera que éste envuelve a la base de datos y proporciona el aislamiento del sistema industrial sobre la base de datos. Este aislamiento se puede contemplar en la figura 3. El funcionamiento del sistema consiste en el procesado de la información en función de la operativa y del sistema involucrado. Para este procesado, la información deberá transmitirse entre agentes, por medio de eventos, o bien a la base de datos bajo demanda del propio agente.
Cuando un contenedor llega a la terminal, lo hace siempre por medio del sistema de entrada/salida de contendores. La entrada se puede hacer por medio de cualquiera de los tipos de transporte existentes, y el agente encargado de esa interfaz almacenará con la base de datos, por medio del sistema de comunicaciones, la información del contendor entrante (figura 3-a, b y c).
Dependiendo del tipo de operativa por el que ha entrado el contendor, éste será tratado por uno u otro agente (figura 3-d ó e). Estos agentes toman las
decisiones sobre la ubicación del contenedor en la planta.
Una vez tomada la decisión sobre la ubicación, los agentes se encargarán de avisar de la ubicación del contenedor a la base de datos. Esta información es transmitida por medio del sistema de comunicaciones, de esta forma los agentes de entrada pueden conocer qué ha sucedido con el contenedor del que dieron aviso. Los agentes de maquinaria (figura 3-f, g y h) pasan a gestionar los movimientos necesarios para almacenar el contendor entrante. En el caso de ser un contenedor saliente, son los agentes de entrada/salida los que indican al sistema que hay que recoger un contenedor. Estos agentes actúan incluso antes de que los contenedores precisen ser movidos, es decir, si se conoce el instante concreto en que un contendor debe dejar la planta, el agente de entrada/salida correspondiente proporciona la información para que los agentes de ubicación localicen al contenedor y los agentes de maquinaria estén dispuestos a hacer los movimientos necesarios en cuanto sea necesario.
Para la toma de decisiones, de todas las acciones anteriores, se requiere de una información sobre el estado de la planta. Esta información se encuentra en la base de datos. La comunicación con la base de datos la hace el agente por iniciativa propia, y requerirá de un canal dedicado a la comunicación con una base de datos. Para la coordinación de los agentes durante todo el proceso se precisa de una comunicación de eventos. Estos eventos requerirán de un canal de eventos. La iniciativa en el envío de un evento, la toma el agente que envía, por lo el agente que recibe debe estar conectado al canal en todo momento.
3. ARQUITECTURA DEL SISTEMA DE
COMUNICACIONES
En el sistema industrial distribuido presentado en el apartado anterior, los agentes tienen dos tipos de comunicación, la información de la base de datos se puede solicitar bajo demanda, mientras que los mensajes entre agentes son comunicados por medio de eventos. Esto da lugar a un sistema de comunicaciones compuesto por dos capas diferenciadas (figura 4).
Para la comunicación de los eventos, los agentes deben estar conectados entre sí, mientras que para la comunicación de datos los agentes están conectados directamente a los almacenes de datos. Un agente que necesite interactuar con otros, precisa conocer con qué agentes va a tener que conectarse.
BASE DE DATOS mensaje Datos Datos Datos AGENTE Canal de eventos Canal de datos AGENTE AGENTE mensaje mensaje
Figura 4. Canales de comunicación.
La conectividad entre los agentes está determinada por las relaciones entre ellos, lo que hace que la topología de conexiones sea una representación fiel del funcionamiento de la terminal.
4. SOPORTE PROPORCIONADO POR
LAS COMUNICACIONES
El hecho de emplear un sistema de comunicaciones basado en una pizarra distribuida hace que se obtengan algunas ventajas inherentes al sistema, sin que esto suponga una carga sobre el mismo.
4.1 MODELADO DEL SISTEMA
Modelar un sistema puede tener varias ventajas, tanto para el diseño del mismo como para la evaluación de las características relevantes. Una de las principales ventajas de emplear un sistema de comunicaciones basado en una pizarra distribuida es la facilidad de representación de los agentes en función de las conexiones entre ellos.
En la figura 5 se puede observar cómo cada objeto puede representarse como un nodo de un grafo. Conociendo los agentes que se conectan a cada objeto SC, se puede ponderar los tiempos de cada agente en función de la frecuencia con la que escriben o leen del objeto SC.
Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC OPERATIVAS SISTEMAS Sistema de entrada y salida de contenedores Sistema de almacenamiento de contenedores Sistema de movimiento de contenedores Operativa terrestre Operativa marítima
Figura 5. Modelado del sistema por medio de un grafo de las comunicaciones .
(1) 1 (2) 1 (3) 1 (4) 1 (5) 1 Objeto SC (1) (2) (3) (4) (5) Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC
Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC
Figura 6. Modelado de una operación por medio de una ruta en el grafo de las comunicaciones . Para comprobar la coherencia de una operación concreta, se puede obtener todos los parámetros de gestión de tiempos por medio del análisis de los nodos del grafo que representen sólo los objetos SC involucrados en la operación (figura 6).
En el caso del sistema de agentes de automatización de la terminal de contenedores de Valencia, el modelado se ha empleado para comprobar las restricciones temporales del sistema [8].
4.2 SIMULACION DEL SISTEMA
El modelo de comunicaciones basado en pizarra distribuida, facilita la simulación del sistema, ya que ésta consistirá únicamente en simular el comportamiento de los agentes por medio de la actuación sobre los datos a los que estos están conectados. Por ejemplo, si se quiere simular el sistema de agentes, pero sin usar máquinas reales, entonces se puede inyectar los comportamientos de las mismas en los objetos SC a los que se conectarían en producción. Esto hace que los agentes no aprecien la ausencia de las máquinas reales, dado que a ellos les llega la información de la misma manera que si estas existiesen (figura 7).
Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC OPERATIVAS SISTEMAS Sistema de entrada y salida de contenedores Sistema de almacenamiento de contenedores Sistema de movimiento de contenedores Operativa terrestre Operativa marítima Agente de simulación de maquinaria Figura 7. Inyección de información a la pizarra
distribuida para la simulación de agentes .
OPERATIVA SISTEM A Objeto SC Objeto SC Terrestre Marítima Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC
Entrada/Salida Almacenamiento Movimiento
Monitor del Sistema de almacenamiento
Figura 8. Conexión a objetos SC para la monitorización de parte del sistema.
Si se simulan agentes, en lugar de simular el sistema completo, se puede probar el comportamiento de agentes reales interactuando con agentes simulados. La simulación ha sido uno de los puntos más importantes en el desarrollo del sistema. Se pueden encontrar todos los detalles y resultados en [9]. 4.3 MONITORIZACIÓN DEL SISTEMA
La monitorización del sistema es uno de los aspectos más importantes. Por medio del sistema de comunicaciones se tiene acceso a todos los mensajes que por este viajan.
El hecho de poder conectarse a un dato, sin necesidad de instalar un agente de monitorización en un nodo, hace que la monitorización no afecte al funcionamiento de los agentes.
Por ejemplo, si se desea monitorizar el sistema de almacenamiento de la operativa terrestre (grúas de movimiento interno, camiones o similares), basta con conectarse a los datos empleados por los agentes (figura 8). De esta forma, se puede acceder a toda la información que el sistema emplea para automatizar esta operativa. La explicación detallada del sistema de monitorización se puede localizar en [10].
OPERATIVA SISTEMA Objeto SC Objeto SC Terrestre Marítima Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC
Entrada/Salida Almacenamiento Movimiento Computador Inicial Agente Terrestre Computador Final Agente Terrestre
Figura 9. Movimiento de un agente de automatización sin afectar al sistema .
OPERATIVA SISTEMA Objeto SC Objeto SC Terrestre Marítima Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC Objeto SC
Entrada/Salida Almacenamiento Movimiento
Agente aéreo
Objeto SC Objeto SC
Nueva Operativa aérea
Figura 10. Ampliación del sistema.
4.4 ADAPTACION DE AGENTES:
FLEXIBILIDAD
La adaptación de un agente es inmediata, debido fundamentalmente a la independencia que existe entre los agentes. Esta independencia entre agentes supone una dependencia de los mismos con el sistema de comunicaciones.
Esta dependencia del sistema de agentes del sistema de comunicaciones es empleada como método de estandarización de los agentes. Cuando un agente cambia alguna de las características de funcionamiento que lo definen, por ejemplo, de operativa marítima a operativa terrestre, es te cambio no implica cambios en el resto del sistema, únicamente cambiarán los objetos SC a los que deberá conectarse el agente.
Esta flexibilidad de adaptación es especialmente interesante cuando se trata de movilidad de agentes o de crear un sistema duplicado, Por ejemplo, si un agente debe moverse, o duplicarse, basta con que se conecte al mismo dato SC (figura 9). De esta forma, la visión que tiene el sistema del control que se hace sobre él, no muestra estos cambios de los agentes controladores.
4.5 AMPLIACION DEL SISTEMA: ESCALABILIDAD
La forma de ampliar el sistema, es a base de ampliar los agentes y ampliar los datos SC que van a emplear los agentes.
Si los objetos SC, necesarios para que el nuevo agente trabaje, ya exis ten, el agente sólo deberá conectarse a ellos. Si los objetos SC no existen, estos se crearán, pero esta creación no supone una variación de la topología que anteriormente existiera en el sistema.
Por ejemplo, si se desea hacer una operativa nueva (por ejemplo, de transporte aéreo), se deberán agregar los objetos SC correspondientes, y a partir de ahí, todo consiste en conectar los agentes a dichos objetos (figura 10).
5. CONCLUSIONES
En el presente artículo, se ha presentado el sistema de comunicaciones diseñado y probado en la terminal de contenedores del Muelle Príncipe Felipe de Valencia (España).
Este sistema de comunicaciones está basado en el modelo de pizarra distribuida. Por medio de este sistema de comunicaciones se ha podido dar soporte al modelado, monitorización y simulación del sistema.
El sistema de comunicaciones permite la traslación de agentes sin apenas realizar variaciones en el comportamiento de los agentes. Estos cambios de ubicación de los agentes permiten dar una flexibilidad muy grande al sistema.
La ampliación del sistema tampoco es problemática, dado que sólo consiste en la inclusión de los agentes y la creación de los objetos SC que los interconecten con el resto del sistema.
Agradecimientos
Los autores queremos agradecer a Eduardo Orellana de Marítima Valenciana S.A. su ayuda en la realización del trabajo.
Este trabajo ha sido financiado por la CICYT y la Comisión Europea a través del proyecto FEDERCICYT - 1FD97-2158-C04-0x y por la empresa Marítima Valenciana S.A
Referencias
[1] N. Jennings, M. Wooldridge. Applications of Intelligent Agents. Queen Mary & Westfield College. University of London, 1998.
[2] H. Penny. Blackboard Architectures and Applications. Editado por V. Jagannathan, Rajendra Dodhiawala, Lawrence S. Baum. 1989.
[3] J Holguín-Veras y S. Jara-Díaz. Optimal pricing for priority service and space allocation in container ports, Transportation Research, Part B 33:81-106. 1999.
[4] J.J. Shields, “Containership Stowage: A Computer-Aided Preplanning System”, Marine Technology, Vol. 4, 21:370-383, 1984.
[5] D.E. Beliech. A Proposed Method for Efficient Preload Planning for Containerised Cargo Ships, Master’s thesis, Naval Postgraduate School, Monterey, California, 1974..
[6] Recent developments in information technology for container terminal, Cargo Systems, 1999. [7] M. Rebollo, V. Julián, C. Carrascosa, V. Botti,
“A Multiagent System for the Automation of a Port Container Terminal,” in Proceeding Agents in Industry Workshop. Autonomous Agents. FIPAPDM 2000.
[8] J.L. Poza, J.L. Posadas, J.E. Simó, A. Crespo. Data And Event Management In A Maritime Terminal Of Containers,. in: IFAC Conference on New Technologies for Computer Control. NTCC’2001.
[9] Simarro, R.; De La Fuente, M.A.; Figueroa, J.M.; Desarrollo y validación de herramientas para la gestión de la operativa terrestre en una terminal marítima de contenedores. XXII Jornadas de Automática, Bellaterra.2001. [10] J.L. Poza, R. Simarro, M.A. de la Fuente, J.
Simo, A. Crespo. Real-Time Control And Monitoring In A Container Terminal. IFAC 2002.
