集裝箱碼頭的數(shù)字孿生

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

隨著港口集裝箱起重機(jī)自動(dòng)化及遠(yuǎn)程控制技術(shù)的日趨成熟，國內(nèi)外各大港口集團(tuán)籌建全新遠(yuǎn)程自動(dòng)化碼頭或?qū)F(xiàn)有碼頭設(shè)備改造成遠(yuǎn)程自動(dòng)化碼頭的熱潮也是愈演愈烈。對(duì)于遠(yuǎn)程自動(dòng)化碼頭而言，所有現(xiàn)場(chǎng)的碼頭岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡稱岸橋)及堆場(chǎng)裝卸起重機(jī)(以下簡稱場(chǎng)橋)都將由在距現(xiàn)場(chǎng)幾公里外的遠(yuǎn)程辦公室內(nèi)的司機(jī)來操控，這就意味著碼頭的設(shè)備作業(yè)及運(yùn)營管理都集中到了遠(yuǎn)程辦公室端。于是，集裝箱碼頭的數(shù)字孿生應(yīng)運(yùn)而生，其融合了TOS 碼頭管理系統(tǒng)、RCMS起重機(jī)管理系統(tǒng)、堆場(chǎng)CCTV 監(jiān)控系統(tǒng)、流動(dòng)機(jī)械定位、實(shí)時(shí)氣象預(yù)報(bào)、人員實(shí)時(shí)定位等信息，將真實(shí)的碼頭運(yùn)營情況以三維圖像的形式完完整整地呈現(xiàn)在虛擬世界中，從而讓碼頭管理人員能夠更方便快捷地獲知碼頭當(dāng)前的整體運(yùn)營情況。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

集裝箱碼頭數(shù)字孿生主要由計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)完成，并由數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、三維圖像模型、環(huán)境渲染、畫面顯示等模塊組成。軟件架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

1）數(shù)據(jù)接口模塊主要負(fù)責(zé)與其他各系統(tǒng)對(duì)接，收集所有碼頭內(nèi)的設(shè)備信息、集裝箱信息、水平運(yùn)輸機(jī)械信息等等，并將所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行儲(chǔ)存。

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要負(fù)責(zé)所采數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)發(fā)，是整套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，最終可視化圖像中的數(shù)據(jù)來源均是從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中調(diào)用。

3）數(shù)據(jù)分析模塊主要負(fù)責(zé)將所采集的起重機(jī)設(shè)備信息做一些必要的統(tǒng)計(jì)分析，并將結(jié)果傳回?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存儲(chǔ)。

4）三維圖像模型主要負(fù)責(zé)碼頭內(nèi)所有物體的物理模型構(gòu)建，大到起重機(jī)、樓宇，小到工作人員、路標(biāo)。

5）環(huán)境渲染模塊主要負(fù)責(zé)碼頭虛擬場(chǎng)景中的視覺特效，比如氣候、光照等。

6）畫面顯示模塊主要負(fù)責(zé)整個(gè)數(shù)字孿生的可視化呈現(xiàn)，最終投放到指定的人機(jī)界面上。

2 數(shù)據(jù)接口模塊

利用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議或開發(fā)特定的接口協(xié)議可實(shí)現(xiàn)接口模塊和所有系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)對(duì)接，從而將所需信息得以收集。

1）與TOS 碼頭管理系統(tǒng)對(duì)接可獲得作業(yè)計(jì)劃、作業(yè)任務(wù)列表、堆場(chǎng)內(nèi)集裝箱分布、集裝箱箱號(hào)等信息。

2）與起重機(jī)管理系統(tǒng)對(duì)接可獲得起重機(jī)實(shí)時(shí)作業(yè)信息，如起升、小車、大車等主要機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)位置、運(yùn)行速度，吊具空載/帶載情況，集裝箱尺寸、實(shí)際質(zhì)量，風(fēng)速，設(shè)備的實(shí)時(shí)故障，操作員工作ID 等。

3）與堆場(chǎng)CCTV 監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)接可實(shí)現(xiàn)調(diào)用所有堆場(chǎng)內(nèi)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的實(shí)時(shí)拍攝畫面或是歷史回放畫面。

4）與GPS 定位系統(tǒng)對(duì)接可獲得流動(dòng)機(jī)械、水平運(yùn)輸機(jī)械的實(shí)時(shí)位置及碼頭工作人員穿戴設(shè)備的實(shí)時(shí)位置。

5）與網(wǎng)絡(luò)管理軟件對(duì)接可獲得碼頭網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)流量、鏈路故障、無線覆蓋區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)攻擊報(bào)警等信息。

6）與時(shí)間服務(wù)器對(duì)接可獲知當(dāng)?shù)貢r(shí)區(qū)和時(shí)刻。

3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊利用數(shù)據(jù)庫管理軟件（SQL Server）將上述接口模塊所采集的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并將所有數(shù)據(jù)根據(jù)采集的渠道或用途進(jìn)行分類管理。此外，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊也是數(shù)據(jù)分析模塊的數(shù)據(jù)來源，經(jīng)過分析模塊處理后的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果會(huì)返回給存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存儲(chǔ)歸檔。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，最終可視化圖像中的原始數(shù)據(jù)或是統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)均是從該模塊中進(jìn)行調(diào)用讀取。

4 數(shù)據(jù)分析模塊

布置于遠(yuǎn)端中央的數(shù)據(jù)分析模塊會(huì)將數(shù)據(jù)庫中采集到的起重機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)通過預(yù)先制定的算法邏輯進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析處理，從而有助于碼頭管理人員對(duì)設(shè)備的效率、故障率、產(chǎn)量等關(guān)鍵指標(biāo)有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，處理后的數(shù)據(jù)仍會(huì)回饋給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存儲(chǔ)歸檔。

所分析的數(shù)據(jù)內(nèi)容可根據(jù)碼頭用戶的關(guān)注點(diǎn)來定制，包括但不限于：起重機(jī)操作員日度/月度/年度產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)；起重機(jī)操作員平均裝箱/卸箱用時(shí)及每小時(shí)效率；起重機(jī)月度/年度產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)；岸邊集裝箱起重機(jī)等待陸側(cè)水平運(yùn)輸機(jī)械用時(shí)統(tǒng)計(jì)；起重機(jī)操作員手動(dòng)介入操作的用時(shí)統(tǒng)計(jì)；起重機(jī)的故障總數(shù)、故障頻率、相鄰故障間的有效作業(yè)箱數(shù)（MMBF，Mean Moves Between Failure）；起重機(jī)非計(jì)劃內(nèi)的停機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì)；起重機(jī)主要機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)；當(dāng)前船舶作業(yè)用時(shí)統(tǒng)計(jì)等。

5 三維圖像模型

三維圖像模塊所構(gòu)建的物理模型主要包括集裝箱碼頭、起重機(jī)、水平運(yùn)輸機(jī)械、集裝箱等部分。其中，集裝箱碼頭的物理模型包含岸線、堆場(chǎng)、閘口、樓宇、路標(biāo)、燈塔、圍欄等；起重機(jī)模型包括岸橋、輪胎起重機(jī)或軌道起重機(jī)、流動(dòng)機(jī)械等；水平運(yùn)輸機(jī)械模型包括集卡、自動(dòng)引導(dǎo)小車AGV（Automated Guided Vehicle）等。

根據(jù)碼頭的二維平面圖紙，可構(gòu)建1:1 尺寸的碼頭三維模型，并配合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地取景采照，可收集到所有碼頭內(nèi)細(xì)節(jié)信息。在模型灰盒外，進(jìn)行外觀貼圖和材質(zhì)調(diào)配。在環(huán)境渲染系統(tǒng)中，即可顯示出與真實(shí)極其接近的外觀質(zhì)感效果。

圖2 港口三維模型

根據(jù)起重機(jī)或水平運(yùn)輸機(jī)械的機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙，可搭建1:1 尺寸的模型，同樣在模型灰盒外，進(jìn)行外觀貼圖和材質(zhì)調(diào)配。在環(huán)境渲染模塊中，可展示出逼真的外觀質(zhì)感效果。

不僅如此，起重機(jī)模型中的各大運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如起升、小車、大車、俯仰、吊具等均與真實(shí)機(jī)器一樣可以活動(dòng)。在模型接收到起重機(jī)管理系統(tǒng)傳輸過來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（譬如起升速度、吊具尺寸、開閉鎖狀態(tài)、大車位置等）后，模型即可進(jìn)行同步圖像呈現(xiàn)。

圖3 岸橋三維模型

6 環(huán)境渲染模塊

僅僅擁有以上物理模型還不能呈現(xiàn)逼真的視覺效果，系統(tǒng)必須擁有環(huán)節(jié)渲染模塊，用以呈現(xiàn)天色、光照、氣候等環(huán)境效果。

與碼頭時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步后，環(huán)境渲染模塊可獲知碼頭當(dāng)?shù)氐臅r(shí)刻信息，進(jìn)而可以調(diào)整天色，如早上藍(lán)天，傍晚夕陽，還可根據(jù)時(shí)刻調(diào)整太陽的位置，得到不同角度的光照效果。

圖4 光照渲染

與互聯(lián)網(wǎng)氣象信息同步后，環(huán)境渲染模塊可獲知碼頭當(dāng)?shù)氐膶?shí)時(shí)氣候信息（如晴天、多云、下雨、大雪、大霧、大風(fēng)等），從而可以調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)設(shè)的環(huán)境特效，疊加進(jìn)整個(gè)虛擬場(chǎng)景中，使數(shù)字孿生更貼近真實(shí)。

圖5 霧雨天氣

7 畫面顯示模塊

模型及虛擬場(chǎng)景構(gòu)建完成后，系統(tǒng)將生成可視化圖像傳送給畫面顯示模塊，該可視化圖像將實(shí)現(xiàn)圖像和文字的疊加，使碼頭運(yùn)營信息一目了然。為達(dá)到理想的可視化效果，畫面顯示模塊通常采用多顯示屏布置方案，拼接屏或曲面屏兩可。通常默認(rèn)顯示碼頭的經(jīng)典視角，可以從海側(cè)向陸側(cè)觀察所有岸橋裝卸情況，或從陸側(cè)向海側(cè)的觀察場(chǎng)橋的作業(yè)情況。用戶視角可使用鼠標(biāo)在場(chǎng)景中進(jìn)行自由的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，以方便觀看更多細(xì)節(jié)信息。同時(shí)，用戶也可以雙擊選擇場(chǎng)景中的某個(gè)設(shè)備，如岸橋、軌道起重機(jī)，或某個(gè)CCTV 攝像機(jī)，可以查看該設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行情況或所拍攝的實(shí)時(shí)畫面。

圖6 畫面分布顯示

8 結(jié)束語

集裝箱碼頭的數(shù)字孿生為碼頭的日常運(yùn)營管理工作提供了一站式的解決方案，讓碼頭傳統(tǒng)的管理方式得以改變，可有效提升碼頭運(yùn)營管理效率。將來，該系統(tǒng)拓展移動(dòng)端應(yīng)用后，遠(yuǎn)程辦公將變得可能，碼頭管理人員可隨時(shí)隨地掌握碼頭實(shí)時(shí)的運(yùn)營情況，極大程度減小遇到應(yīng)急情況的響應(yīng)時(shí)間，從而大幅提升工作的時(shí)效性，為集裝箱碼頭的高效可靠運(yùn)營提供了強(qiáng)有力的保障。