自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作智能模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張躍 黃森海 彭恒 張果達(dá) 王業(yè)海 賈衛(wèi)杰 張鈺潔 宓超

港機(jī)操作人員培訓(xùn)是港口作業(yè)正常開展的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的港機(jī)操作人員培訓(xùn)方式以實(shí)機(jī)操作訓(xùn)練為主，存在耗時(shí)較長(zhǎng)、受天氣影響較大、容易引發(fā)安全事故[1]和人力物力成本較高[2]等缺點(diǎn)，目前已逐漸被模擬操作訓(xùn)練與實(shí)機(jī)操作訓(xùn)練相結(jié)合的培訓(xùn)方式所取代。隨著集裝箱岸橋（以下簡(jiǎn)稱“岸橋”）作業(yè)全面進(jìn)入遠(yuǎn)程自動(dòng)化時(shí)代[3]，岸橋操作逐漸由現(xiàn)場(chǎng)操作轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)程操作;但現(xiàn)有岸橋操作模擬器仍然采用岸橋司機(jī)室操作模擬形式[4-5]，與真實(shí)場(chǎng)景下的自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作存在較大差異[6]，難以滿足自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作培訓(xùn)需求。為此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作智能模擬系統(tǒng)，在不改變現(xiàn)有自動(dòng)化岸橋控制系統(tǒng)硬件的條件下，將智能模擬系統(tǒng)軟件嵌入遠(yuǎn)程操作臺(tái)，通過打通智能模擬系統(tǒng)與自動(dòng)化岸橋控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)鏈路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化岸橋的真實(shí)操作與模擬操作一鍵切換，從而不僅最大程度地在線還原自動(dòng)化岸橋操作真實(shí)場(chǎng)景，滿足實(shí)機(jī)操作訓(xùn)練需求，而且達(dá)到閑時(shí)培訓(xùn)、忙時(shí)作業(yè)的效果。

1 自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作智能模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作智能模擬系統(tǒng)結(jié)合三維虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字化信息處理、機(jī)器視覺、軟件工程、傳感器、自動(dòng)化控制和無線通信等技術(shù)，在借鑒現(xiàn)有岸橋操作模擬器技術(shù)的基礎(chǔ)上，搭建與自動(dòng)化岸橋通信的數(shù)據(jù)傳輸模塊，并基于人工智能算法，通過集成大量虛擬傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化岸橋操作數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控仿真，從而解決現(xiàn)有岸橋操作模擬器存在的操作數(shù)據(jù)真實(shí)性不足的問題。如圖1所示，自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作智能模擬系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程操作臺(tái)、可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）控制系統(tǒng)和港機(jī)控制器組成，其中：遠(yuǎn)程操作臺(tái)作為信號(hào)輸入端，提供手柄、按鈕和觸摸屏等控制信號(hào)，并采用6通道軟件無縫拼接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與實(shí)機(jī)操作相同的視景屏幕顯示（見圖2）;PLC控制系統(tǒng)采集到控制信號(hào)后，按照內(nèi)部程序邏輯生成對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并輸出至港機(jī)控制器;港機(jī)控制器包括虛擬岸橋模擬控制器和真實(shí)岸橋自動(dòng)化控制器，兩種控制器分別基于面向過程控制的對(duì)象鏈接與嵌入（object linking and embedding for process control，OPC）統(tǒng)一架構(gòu)通信協(xié)議和PLC控制總線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與PLC之間的雙向通信，從而既能接收來自PLC的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，又能將虛擬岸橋或真實(shí)岸橋的狀態(tài)和故障信號(hào)反饋給PLC，并且兩種控制器可一鍵切換，從而滿足自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作培訓(xùn)考核需求和實(shí)際作業(yè)需求。

1.2 系統(tǒng)原理

自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作智能模擬系統(tǒng)沿用岸橋?qū)嶋H作業(yè)使用的遠(yuǎn)程操作臺(tái)，通過讀取手柄和觸摸屏信號(hào)控制岸橋作業(yè)，從而為操作人員提供高保真、高還原度的自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作體驗(yàn)。

收到手柄信號(hào)后，岸橋模型產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，虛擬傳感器將感知到的岸橋模型位置等參數(shù)信息發(fā)送至外部PLC控制系統(tǒng)。模擬器采用安川PLC控制系統(tǒng)，并通過KEPServerEX OPC軟件采集控制信號(hào)。輸入信號(hào)通過編碼器返回運(yùn)行信息后，模擬器通過以太網(wǎng)獲取信息并展示小車移動(dòng)速度、吊具起升高度等實(shí)時(shí)工況。

遠(yuǎn)程起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)采集到的真實(shí)作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算和集中顯示。模擬器集成多種虛擬傳感器，通過對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真擬合，模擬數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，從而提高模擬器對(duì)實(shí)機(jī)操作的還原度。此外，通過監(jiān)控模擬數(shù)據(jù)，可以整合分析操作人員的培訓(xùn)數(shù)據(jù)，據(jù)此調(diào)整培訓(xùn)方案。

自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作智能模擬系統(tǒng)參考真實(shí)的碼頭作業(yè)場(chǎng)景，利用三維建模軟件顯示三維視景，等比例還原現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況。此外，系統(tǒng)擁有完備的三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫，并搭建模型資源子系統(tǒng)，從而滿足多種規(guī)格集裝箱裝卸操作培訓(xùn)需求。

2 自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作智能模擬系統(tǒng)基本功能

自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作智能模擬系統(tǒng)功能模塊包括模型物理引擎模塊、模型運(yùn)動(dòng)控制模塊和遠(yuǎn)程起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊（見圖3）。

（1）模型物理引擎模塊 自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作智能模擬系統(tǒng)采用實(shí)景三維仿真模型，根據(jù)碼頭多尺度、多模態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體化建模。在構(gòu)建岸橋和集裝箱船舶等運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，按照剛體系統(tǒng)力學(xué)原理高度還原實(shí)際工況，基于真實(shí)世界中的岸橋運(yùn)動(dòng)規(guī)則確定參數(shù)，包括大車和小車質(zhì)量、集裝箱質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦力和各組件碰撞反應(yīng)等，并通過高精度物理引擎呈現(xiàn)岸橋裝卸作業(yè)過程中的大車和小車移動(dòng)、吊具起升和變幅等運(yùn)動(dòng)（見圖4）。

（2）模型運(yùn)動(dòng)控制模塊 模型運(yùn)動(dòng)控制模塊的主要作用是還原自動(dòng)化岸橋裝卸作業(yè)流程和相關(guān)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作細(xì)節(jié)。在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行操作命令的過程中，PLC將點(diǎn)位數(shù)據(jù)通過OPC統(tǒng)一架構(gòu)發(fā)送至系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)讀取數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)構(gòu)實(shí)施運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)大車運(yùn)動(dòng)、小車運(yùn)動(dòng)以及集卡駛?cè)?、駛離等（見圖5）。

（3）遠(yuǎn)程起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊 自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作智能模擬系統(tǒng)完整還原真實(shí)岸橋遠(yuǎn)程操作所用的遠(yuǎn)程起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并通過構(gòu)建遠(yuǎn)程起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊，實(shí)現(xiàn)虛擬岸橋作業(yè)數(shù)據(jù)的可視化。該模塊具備碼頭操作系統(tǒng)指令管理、虛擬岸橋傳感器狀態(tài)檢測(cè)、虛擬岸橋故障報(bào)警等功能，可對(duì)岸橋狀態(tài)實(shí)施在線編程、遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷。

3 自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作智能模擬系統(tǒng)運(yùn)行效果

從自動(dòng)化岸橋遠(yuǎn)程操作智能模擬系統(tǒng)在寧波舟山港穿山港區(qū)集裝箱碼頭的實(shí)際應(yīng)用情況來看：該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化岸橋模擬操作功能與實(shí)機(jī)操作功能的一鍵快速切換（見圖6），達(dá)到閑時(shí)培訓(xùn)、忙時(shí)作業(yè)的效果，具有模擬效果和操作體驗(yàn)真實(shí)、改造成本和運(yùn)行成本較低等優(yōu)點(diǎn)。

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（編輯：張敏 收稿日期：2022-06-03）