集裝箱碼頭的數(shù)字孿生

文/王庚雨 劉世棟

引言：

數(shù)字孿生在集裝箱碼頭中具有重要應用，有助于對碼頭的整體運營狀況進行了解，對碼頭信息進行全面地構(gòu)建，進而提高對集裝箱碼頭的控制效果。

1 、集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)需求分析

1.1 智能裝載布局。數(shù)字孿生系統(tǒng)需要具有自動裝載的功能，能夠根據(jù)訂單任務對裝載過程進行布局，提高裝載管理的智能化水平，提高裝載管理的質(zhì)量。在裝載過程中，應采用多元化的管理形式，以此來滿足貨物的配送需求，建立完善的獲取供應條件。貨物的裝箱條件較為復雜，在裝載過程中，需要合理地進行布局，對裝載角度、體積等進行布置，建立完善的裝載形式，保證集裝箱裝載的質(zhì)量，提高集裝箱的裝載效果。在智能裝載布局的作用下，可以提高集裝箱的裝載效率，使裝箱布局得到有效調(diào)整[1]。

1.2 裝載方案檢測。為了確保配送方案的可行性，需要做好裝載方案的檢測工作，裝載方案檢測過程中需要進行如下考慮：一方面，需要考慮到效率因素，需要為貨物裝箱效率提供保證，對貨物進行合理擺放，確保貨物能夠迅速完成裝箱。另一方面，需要保證裝載的安全性，構(gòu)建完善的裝載條件，同時做好貨物重心的控制工作，防止集裝箱運輸過程中貨物發(fā)生傾斜，導致貨物發(fā)生損傷或箱體出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象，影響集裝箱運輸?shù)陌踩浴?/p>

1.3 配送路線規(guī)劃。集裝箱運輸過程中，需要做好配送路線的規(guī)劃工作，使運輸路線能夠得到合理規(guī)劃，確保貨物能夠運輸?shù)街付ǖ牡攸c，提高貨物的運輸效率。一方面，需要做好裝箱順序的控制工作，避免貨物之間發(fā)生混亂，使貨物能夠按照順利運出碼頭，實現(xiàn)貨物的快速裝配。另一方面，需要對配送路線進行規(guī)劃，縮短貨物的運輸時間，使貨物能夠得到全面地管理。

1.4 基本信息管理。集裝箱碼頭需要做好基本信息的管理工作，將基本信息保存在數(shù)字孿生系統(tǒng)中。集裝箱碼頭管理較為復雜，需要對碼頭狀況進行全面地掌握，建立完善的碼頭管理措施，提高碼頭的管理質(zhì)量。通過基本信息管理，可以為集裝箱運輸過程提供依據(jù)，對貨物的裝載時間進行安排，使貨物能夠及時排入裝運計劃，對貨物實施有效的裝箱服務。

2 、集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)設計

集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)設計如下圖所示：

2.1物理層。物理層是實現(xiàn)控制指令的關(guān)鍵，物理層具有接收數(shù)字孿生系統(tǒng)指令的功能，由物理網(wǎng)層對指令進行傳輸，保障貨物運輸情況能夠充分地完成調(diào)配，使運輸設備得到有效地管理。在物理層的作用下，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，獲取集裝箱碼頭的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。而且，通過物理層可以實現(xiàn)集裝箱碼頭的實時管理，有助于配送信息的合理規(guī)劃，處理好集裝箱與運輸設備的調(diào)配關(guān)系，使物理層能夠充分發(fā)揮作用[2]。

2.2 數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是實現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵，需要合理對數(shù)據(jù)層進行搭建，形成完善的數(shù)據(jù)存儲環(huán)境。數(shù)據(jù)層的核心在于數(shù)據(jù)庫的搭建，本系統(tǒng)采用SQL Server 2019、Redis、MongoDB作為數(shù)據(jù)庫，可以對數(shù)據(jù)庫進行集成化管理，便于對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行展開設計，提高數(shù)據(jù)庫設計的準確性。

2.3 模型層。模型層需要基于數(shù)字孿生配送管理進行實現(xiàn)，需要對模型庫進行構(gòu)建，保障管理服務形式能夠更好地執(zhí)行，使集裝箱管理過程更加的形象。模型層有助于裝箱規(guī)劃過程的進行，需要通過路徑規(guī)劃算法進行實現(xiàn)，對模型的配送過程進行優(yōu)化，進而建立穩(wěn)定的裝箱規(guī)劃模型，使模型層能夠得到合理運用。

2.4 運維服務層。數(shù)字孿生系統(tǒng)需要運維服務層的支持，對功能服務進行集成化，使集裝箱碼頭具有完善的管理形式，提高運輸服務層對碼頭的控制效果。為了保證運輸服務層的功能實現(xiàn)，需要將物理層、數(shù)據(jù)層、模型層結(jié)合起來，提高碼頭運輸管理的可視化水平，提高運維服務信息的配置水平，保障配送數(shù)據(jù)的管理效果。

3 、集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)模塊設計

3.1 數(shù)據(jù)接口模塊。數(shù)據(jù)接口模塊是實現(xiàn)數(shù)據(jù)導入的關(guān)鍵，需要為數(shù)字孿生系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，使集裝箱碼頭數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)较到y(tǒng)中，提高數(shù)據(jù)的收集效率，為集裝箱的管理提供依據(jù)。數(shù)據(jù)接口模塊對碼頭信息具有較高要求，應保證信息獲取的全面性，使碼頭信息管理更加的可靠。作業(yè)計劃、集裝箱編號等信息需要通過數(shù)據(jù)接口模塊導入到數(shù)字孿生系統(tǒng)中，使孿生系統(tǒng)具有充分的基礎數(shù)據(jù)，使集裝箱管理計劃能夠順利地執(zhí)行，提高集裝碼頭的管理效果。另外，監(jiān)控系統(tǒng)會對現(xiàn)場畫面進行實時拍攝，將畫面信息通過數(shù)據(jù)接口模塊進行存儲，并且對集裝箱裝載情況進行判斷，使數(shù)據(jù)接口模塊得到有效地利用[3]。

3.2 數(shù)據(jù)存儲模塊。數(shù)字孿生系統(tǒng)需要具有數(shù)據(jù)存儲的功能，對集裝箱碼頭數(shù)據(jù)進行記錄，為數(shù)據(jù)的分析過程提供保證。數(shù)據(jù)存儲過程中，需要做好數(shù)據(jù)的分類處理，將同一類型數(shù)據(jù)信息存儲到相同的表中，這樣可以統(tǒng)一對數(shù)據(jù)進行管理，并且提高集裝箱碼頭數(shù)據(jù)的存儲效率。同時，需要做好數(shù)據(jù)來源的存儲工作，便于對數(shù)據(jù)來源進行跟蹤，使數(shù)據(jù)能夠得到充分地審查，確保數(shù)據(jù)來源的可靠性。

3.3 數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)分析模塊主要對集裝箱碼頭數(shù)據(jù)進行處理，通過數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)對裝載運輸設備的控制，使設備的操控更加的精準。數(shù)據(jù)分析模塊以數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)，通過預先制定的算法對裝載運輸設備進行控制，進而實現(xiàn)集裝箱的穩(wěn)定裝載。在數(shù)字孿生系統(tǒng)的作用下，可以對集裝箱數(shù)據(jù)進行準確檢測，將集裝箱的質(zhì)量、規(guī)格等信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，再由數(shù)據(jù)分析模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)用，這樣便可以實現(xiàn)裝載量的統(tǒng)計，提高集裝箱碼頭信息的處理效率。通過數(shù)據(jù)分析模塊可以對設備進行綜合利用，降低設備的空閑時間，使設備能夠全面投入到集裝箱碼頭搬運中，提高設備的工作效率。

3.4 三維圖像模塊。通過三維圖像模塊，可以構(gòu)建集裝箱碼頭的三維模型，便于對碼頭狀況進行全面觀察，提高對碼頭貨物的處理效率，使真實場景得到有效地還原。在三維圖像模塊設計時，首先，需要做好取景工作，對集裝箱碼頭進行全面取景，包括岸橋、輪胎起重機、流動機械等，保障三維圖像模型中擁有碼頭的基本要素，使模型具有完整的碼頭外觀。其次，需要對模型的細節(jié)進行處理，在模型灰盒外進行貼圖，提高模型外觀與真實碼頭的相似度，使三維模型具有良好的質(zhì)感，能夠更加真實地反映碼頭的實際裝載情況。最后，需要使運動構(gòu)件更加的真實化，如起升、小車、吊具等，需要模擬真實的機械進行運動，以此來模擬設備的真實工作狀態(tài)，同時應注重運動狀態(tài)的同步顯示，使三維模型看起來更加的逼真[4]。

3.5 環(huán)境渲染模塊。僅僅通過三維圖像模塊無法反映出真實的視覺效果，還需要注重環(huán)境渲染模塊的應用，使模型能夠反映出周邊環(huán)境的變化情況，使數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠更好地投入使用。在環(huán)境渲染模塊的作用下，可以呈現(xiàn)出天氣、光照、氣候等環(huán)境效果，使三維圖像的環(huán)境效果與集裝箱碼頭相符，提高模型的真實性，使模型能夠得到充分地利用。環(huán)境渲染需要與碼頭時間服務器同步，需要符合碼頭的真實景象信息，使環(huán)境渲染效果能夠得到有效生成。通過環(huán)境渲染模塊可以按照時刻對天色進行調(diào)節(jié)，能夠?qū)b箱碼頭的天色狀態(tài)進行判斷，使碼頭能夠更好地投入使用。而且，可以通過天色的變化對照明設備進行控制，使集裝箱運輸過程能夠順利地進行，提高對碼頭環(huán)境的控制效果。另外，環(huán)境渲染模塊應與互聯(lián)網(wǎng)氣象信息相結(jié)合，將氣象信息（如晴天、下雨、大霧等）融入到三維圖像中，使數(shù)字孿生更加的真實。

3.6 畫面顯示模塊。通過畫面顯示模塊可以對集裝箱碼頭的三維圖像進行顯示，使畫面能夠呈現(xiàn)在工作人員面前，使碼頭運輸狀況能夠一目了然。為了對碼頭狀況進行全面顯示，需要合理對顯示屏進行布置，將多塊顯示屏拼接在一起，使碼頭畫面能夠得到全面地展現(xiàn)。通過畫面顯示模塊，可以對畫面的視角進行切換，便于從最佳視角對碼頭的作業(yè)情況進行觀察。工作人員可以通過鼠標對場景進行控制，如移動、旋轉(zhuǎn)、縮放等，使場景的觀察更加的到位，進而對場景中的細節(jié)進行判斷。另外，工作人員可以對畫面中的設備進行點擊，對設備的運行狀態(tài)進行觀察，保障設備能夠穩(wěn)定地工作，使設備運行狀態(tài)更加的可靠。畫面顯示模塊是實現(xiàn)畫面控制的關(guān)鍵，需要保障畫面能夠穩(wěn)定地工作，為工作人員提供不同的畫面視角，對集裝箱碼頭狀態(tài)進行全面掌控。

結(jié)論：

綜上所述，數(shù)字孿生在集裝箱碼頭管理中具有重要作用，需要對系統(tǒng)需求、構(gòu)架及模塊設計進行分析，使數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠得到合理設計，提高碼頭狀況的控制效果。數(shù)字孿生系統(tǒng)是提高碼頭運營管理的關(guān)鍵，有助于碼頭狀況的實時掌握，提高碼頭的管理效果，使碼頭能夠更好地投入使用，提高集裝箱運輸?shù)男省?/p>

引用出處

[1]鄧建新,衛(wèi)世豐,石先蓮,等.基于數(shù)字孿生的配送管理系統(tǒng)研究[J].計算機集成制造系統(tǒng),2021,27(02):585-604.

[2]吳強,竇亞君,杜學強,等.集裝箱碼頭電子沙盤系統(tǒng)設計[J].港口科技,2021(09):1-3+8.

[3]陳培,劉超,蔡黃河.基于Unity 3D的集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)設計[J].港口科技,2021(07):8-10+42.

[4]聞佳華.集裝箱碼頭的數(shù)字孿生[J].起重運輸機械,2021(01):83-86.