自動化岸邊集裝箱起重機模擬操作系統(tǒng)設(shè)計

黃志偉

作為碼頭前沿的關(guān)鍵裝卸設(shè)備，岸邊集裝箱起重機（以下簡稱“岸橋”）的裝卸效率在一定程度上決定著集裝箱碼頭的裝卸效率。隨著自動化集裝箱碼頭建設(shè)在世界各地蓬勃興起，自動化岸橋廣泛應(yīng)用于新建自動化集裝箱碼頭。自動化岸橋應(yīng)用于新建碼頭可能存在以下問題：一是岸橋司機和設(shè)備工程師對自動化岸橋不熟悉，需要實操培訓(xùn)后才能上崗，從而在無形中導(dǎo)致碼頭運營成本上升;二是自動化岸橋作業(yè)采用遠(yuǎn)程操作模式，不正確的操作流程和方法不僅會降低碼頭作業(yè)效率，而且存在極大的安全隱患。為了避免在應(yīng)用自動化岸橋的過程中出現(xiàn)上述問題，鹿特丹港MV2自動化集裝箱碼頭、丹吉爾港TM2自動化集裝箱碼頭、上海港洋山深水港區(qū)四期自動化集裝箱碼頭等均向岸橋設(shè)備生產(chǎn)商采購自動化岸橋模擬操作系統(tǒng)。

1 自動化岸橋模擬操作系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 硬件架構(gòu)

1.1.1 遠(yuǎn)程操作臺

自動化岸橋模擬操作系統(tǒng)配備的遠(yuǎn)程操作臺（見圖1）與碼頭中控室遠(yuǎn)程操作臺規(guī)格相同，由6臺顯示器、1塊觸摸屏和遠(yuǎn)程操作面板組成，其中：5臺顯示器用于模擬顯示攝像頭拍攝的岸橋現(xiàn)場作業(yè)畫面;1臺顯示器用于顯示DataView軟件界面，內(nèi)容包括岸橋各機構(gòu)狀態(tài)信息、岸橋故障信息、岸橋

指令信息和船型掃描畫面等;觸摸屏用于顯示更為精確和詳細(xì)的岸橋各機構(gòu)狀態(tài)信息和部分自動化流程界面等，可提供不同的畫面選項;遠(yuǎn)程操作面板配置相應(yīng)的手柄、按鈕、旋鈕和指示燈等，與碼頭中控室遠(yuǎn)程操作臺的遠(yuǎn)程操作面板完全相同。遠(yuǎn)程操作臺有升降功能，操作人員可根據(jù)需要調(diào)節(jié)其高度。

1.1.2 講師臺

講師臺可通過配置相應(yīng)的參數(shù)完成以下操作：（1）設(shè)置自動化岸橋作業(yè)場景、外部操作環(huán)境（如天氣、光照等）、故障觸發(fā)條件等;（2）實現(xiàn)與可編程邏輯控制器之間數(shù)據(jù)交互、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)畫面顯示和存儲、各子系統(tǒng)之間通信搭建以及數(shù)據(jù)庫存儲和交互等;（3）啟動模擬仿真測試;（4）對學(xué)員測試評分。

1.1.3 服務(wù)器機群

服務(wù)器機群主要包含以下服務(wù)器：（1）岸橋遠(yuǎn)程操作視頻圖像服務(wù)器，主要用于從不同視角呈現(xiàn)通過三維建模生成的岸橋現(xiàn)場作業(yè)畫面，能夠模擬岸橋上20多個攝像頭拍攝的岸橋現(xiàn)場作業(yè)畫面，并根據(jù)需要調(diào)用和呈現(xiàn)在遠(yuǎn)程操作臺的5臺顯示器上;（2）模擬器工作站，主要用于生成岸橋作業(yè)場景，不僅能夠根據(jù)碼頭基建圖紙模擬自動化集裝箱碼頭作業(yè)現(xiàn)場、集裝箱船舶、水平運輸設(shè)備等，而且能夠根據(jù)用戶需要模擬雨天、霧天、夜間等場景;（3）碼頭操作系統(tǒng)模擬器及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，能夠根據(jù)真實的碼頭操作系統(tǒng)接口和功能，模擬碼頭操作系統(tǒng)生成作業(yè)任務(wù)、發(fā)送自動化指令等功能，并通過數(shù)據(jù)庫與岸橋管理系統(tǒng)等實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。自動化岸橋模擬操作系統(tǒng)服務(wù)器機群架構(gòu)如圖2所示。

1.2 軟件架構(gòu)

自動化岸橋模擬操作系統(tǒng)軟件架構(gòu)（見圖3）包含：（1）作業(yè)計劃層軟件，主要為碼頭操作系統(tǒng)模擬器，用于生成自動化指令;（2）設(shè)備管理層軟件，主要為岸橋管理系統(tǒng)，用于分解自動化指令;（3）執(zhí)行層軟件，主要包括自動化岸橋控制系統(tǒng)和可編程邏輯控制器等工程軟件，用于實現(xiàn)岸橋作業(yè)自動化;（4）場景模擬軟件，用于生成岸橋、碼頭、船舶等三維模擬圖像及渲染環(huán)境和天氣等;（5）顯示軟件，主要包括DataView數(shù)據(jù)視圖軟件和評分系統(tǒng)顯示軟件等?；谏鲜鲕浖軜?gòu)，自動化岸橋模擬操作系統(tǒng)不僅能夠模擬自動化岸橋操作流程，而且能夠模擬風(fēng)速、潮汐、吊具傾回轉(zhuǎn)等因素對岸橋操作的影響，從而實現(xiàn)仿真環(huán)境下的岸橋司機實操培訓(xùn)和自動化岸橋控制軟件仿真測試。

2 自動化岸橋模擬操作系統(tǒng)流程

2.1 設(shè)置場景和作業(yè)類型

管理員可通過場景配置模塊來設(shè)置場景，可供設(shè)置的項目包括：（1）待作業(yè)船舶類型，如常規(guī)駁船、巴拿馬型集裝箱船舶等;（2）待作業(yè)集裝箱參數(shù)，如集裝箱積載層數(shù)、集裝箱規(guī)格、集裝箱載貨情況（超重或偏載）、集裝箱積載位置、集裝箱裝卸位置等;（3）水平運輸設(shè)備，如集卡、自動導(dǎo)引車等。

學(xué)員可選擇岸橋作業(yè)類型，可供選擇的作業(yè)類型包括裝船作業(yè)或卸船作業(yè)、甲板作業(yè)或艙內(nèi)作業(yè)、按層遞進作業(yè)或挖坑式作業(yè)等。岸橋模擬操作工況和流程均與實際操作相同。

2.2 啟動岸橋模擬作業(yè)

岸橋模擬作業(yè)啟動后，碼頭操作系統(tǒng)模擬器基于船舶配積載信息生成相應(yīng)的作業(yè)任務(wù)，并將這些作業(yè)任務(wù)暫存在數(shù)據(jù)庫中，其中包含集裝箱的起始位置、終點位置、箱型、箱號等信息。碼頭操作系統(tǒng)模擬器將作業(yè)任務(wù)發(fā)送至岸橋管理系統(tǒng)，岸橋管理系統(tǒng)將作業(yè)任務(wù)分解為自動化指令，并將自動化指令逐條發(fā)送至自動化岸橋控制系統(tǒng)，通過學(xué)員的操作，最終由可編程邏輯控制器軟件控制岸橋各機構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)指令。在此過程中，自動化岸橋模擬操作系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程操作臺上的顯示器呈現(xiàn)岸橋模擬作業(yè)場景及光照、陰影、霧氣和雨滴等模擬作業(yè)環(huán)境，從而為學(xué)員帶來逼真的自動化岸橋操作體驗。

2.3 模擬仿真測試及實操培訓(xùn)評分

（1）模擬仿真測試 由于自動化岸橋模擬操作系統(tǒng)在軟件架構(gòu)上與真機完全一致，在真機軟件更新前，可利用自動化岸橋模擬操作系統(tǒng)對岸橋管理系統(tǒng)程序、自動化岸橋控制系統(tǒng)程序和可編程邏輯控制器程序等實施模擬仿真測試，從而避免因真機軟件更新測試而造成碼頭生產(chǎn)延誤，并減少軟件更新可能帶來的安全隱患。

（2）實操培訓(xùn)評分 學(xué)員按要求完成岸橋模擬操作后，自動化岸橋模擬操作系統(tǒng)根據(jù)學(xué)員的表現(xiàn)，針對碰撞、誤操作和低效率等問題扣減相應(yīng)分?jǐn)?shù)，最終得出實操培訓(xùn)成績和相應(yīng)的分析曲線。學(xué)員的實操培訓(xùn)成績?nèi)勘４嬖谙到y(tǒng)中，并生成學(xué)員個人培訓(xùn)效果圖，從而便于從橫向和縱向?qū)W(xué)員培訓(xùn)效果進行比較和總結(jié)，有利于提高培訓(xùn)效率。

3 結(jié)束語

自動化岸橋模擬操作系統(tǒng)基于三維建模和模擬仿真技術(shù)，結(jié)合實際應(yīng)用的自動化岸橋控制軟件，通過模擬岸橋作業(yè)場景和各種工況，為岸橋司機實操培訓(xùn)和相關(guān)軟件測試提供高度還原現(xiàn)實場景的模擬操作環(huán)境，有利于提高岸橋司機培訓(xùn)效率和相關(guān)軟件更新迭代效率，降低岸橋司機培訓(xùn)成本和軟件更新測試成本，減少軟件更新可能帶來的安全隱患，具有較好的應(yīng)用效果和較高的應(yīng)用價值。

（編輯：張敏 收稿日期：2021-02-12）