無(wú)人集裝箱碼頭數(shù)字孿生建模方法研究

楊宇?yuàn)W，武殿梁，張入元

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海，200240)

1 引言

碼頭是綜合考慮航道、水文氣候以及內(nèi)陸腹地物流條件，利用河流或海洋建造的工程設(shè)施，是海上運(yùn)輸和陸地運(yùn)輸?shù)倪B接點(diǎn)。碼頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、前期投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)驗(yàn)證碼頭系統(tǒng)規(guī)劃，可減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和人力、物力的浪費(fèi)。

碼頭裝卸系統(tǒng)是多環(huán)節(jié)且相互平行的空間作業(yè)系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效運(yùn)作，應(yīng)配套合理的生產(chǎn)計(jì)劃及裝卸工藝。在碼頭作業(yè)計(jì)劃實(shí)施前，可使用仿真技術(shù)驗(yàn)證生產(chǎn)邏輯，找出工藝流程中限制碼頭運(yùn)作效率的瓶頸，加以改進(jìn)從而提高碼頭的經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)碼頭仿真系統(tǒng)接入實(shí)體碼頭狀態(tài)數(shù)據(jù)，就形成了實(shí)體碼頭的實(shí)時(shí)數(shù)字孿生體。虛擬港口運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)為港口的精細(xì)數(shù)字化管理提供了決策參考，使碼頭管理者可以合理調(diào)度設(shè)備，提高場(chǎng)地利用率及裝卸作業(yè)效率。

目前針對(duì)自動(dòng)化碼頭仿真作業(yè)系統(tǒng)的研究主要有：張清波使用仿真軟件 WITNESS 建立了集裝箱碼頭模型，在雙懸臂工藝模型基礎(chǔ)上仿真裝卸工藝；周鵬飛使用圖形化仿真建模軟件Plant Simulation搭建了回字型自動(dòng)化集裝箱碼頭，仿真不同工況下碼頭資源分配；澳大利亞的 Realtime Rusiness Solution Pty公司研發(fā)了港口仿真軟件Xwindow，以圖形化方式為設(shè)備調(diào)度、堆場(chǎng)管理提供了解決方案。現(xiàn)有技術(shù)均基于二維平面，將碼頭要素對(duì)象符號(hào)化，仿真效果不直觀，無(wú)法反映碼頭運(yùn)行過程中可能存在的干涉問題；且沒有與實(shí)際碼頭交互的信息接口。

本文基于數(shù)字孿生技術(shù)與離散事件理論，提出了一種無(wú)人集裝箱碼頭規(guī)劃、仿真與運(yùn)行監(jiān)控方案。使用面向?qū)ο蟮姆椒?，將碼頭關(guān)鍵要素抽象為具有屬性、方法的對(duì)象，并對(duì)要素的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、工作參數(shù)和作業(yè)功能進(jìn)行了描述；基于這些要素對(duì)象模型，搭建完整碼頭系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)碼頭系統(tǒng)的數(shù)字化建模，解決了復(fù)雜碼頭場(chǎng)景的規(guī)劃驗(yàn)證、工藝仿真及運(yùn)行監(jiān)控問題。

2 無(wú)人集裝箱碼頭規(guī)劃、仿真與運(yùn)行監(jiān)控方案

2.1 概述

碼頭是異步運(yùn)行的復(fù)雜耦合系統(tǒng)，難以通過單一的模型描述。本方案將實(shí)際碼頭中的物理場(chǎng)景與特征設(shè)備抽象成具有代表性的對(duì)象。通過數(shù)字化要素對(duì)象的組合，實(shí)現(xiàn)碼頭的快速規(guī)劃，解決復(fù)雜港口的生成問題。

3D數(shù)字化碼頭系統(tǒng)建立后，可在碼頭操作系統(tǒng)(TOS)和設(shè)備控制系統(tǒng)(ECS)驅(qū)動(dòng)下仿真裝卸工藝，驗(yàn)證TOS制定的裝卸生產(chǎn)物流邏輯。在實(shí)際生產(chǎn)中，數(shù)字化碼頭系統(tǒng)可作為實(shí)際碼頭的集成平臺(tái)與工作終端，監(jiān)控碼頭動(dòng)態(tài)進(jìn)程，對(duì)碼頭的生產(chǎn)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)實(shí)施干預(yù)。

2.2 基于要素對(duì)象的碼頭系統(tǒng)快速規(guī)劃

實(shí)際碼頭中的要素除地形地貌、河流海洋等自然條件外，可分為兩種類型：一是動(dòng)態(tài)設(shè)備及待運(yùn)輸貨物，包括碼頭裝卸設(shè)備如岸橋、場(chǎng)橋、AGV、船舶及上述設(shè)備運(yùn)載的集裝箱；二是靜態(tài)場(chǎng)地，包括集中堆放集裝箱的堆場(chǎng)、水平運(yùn)輸設(shè)備行駛的道路、船舶設(shè)備?？康暮０毒€、標(biāo)識(shí)道路坐標(biāo)的磁釘。

圖1 碼頭系統(tǒng)組成

根據(jù)場(chǎng)地布局圖紙及設(shè)備三維圖紙可快速初始化碼頭系統(tǒng)中各數(shù)字化要素對(duì)象，再結(jié)合數(shù)量信息及位置信息將已定義的諸碼頭要素組合排列，可快速搭建出與實(shí)際碼頭物理特征匹配的虛擬碼頭，完成碼頭規(guī)劃方案驗(yàn)證。

2.3 與TOS、ECS集成仿真與實(shí)際運(yùn)行監(jiān)控方案

基于要素對(duì)象的碼頭系統(tǒng)搭建完成后，可接入仿真形式的TOS及ECS信號(hào)，用于驗(yàn)證集裝箱裝卸工藝及生產(chǎn)計(jì)劃。若接入的TOS和ECS任務(wù)信號(hào)來(lái)源于實(shí)際碼頭，則該系統(tǒng)成為監(jiān)控碼頭實(shí)時(shí)運(yùn)行的終端平臺(tái)。

碼頭操作系統(tǒng)TOS負(fù)責(zé)制定船舶計(jì)劃及維護(hù)集裝箱庫(kù)存等任務(wù)。數(shù)字化碼頭通過通信接口獲取TOS工作指令，按規(guī)定作業(yè)順序?qū)⒀b卸任務(wù)下達(dá)至虛擬系統(tǒng)中的指定裝卸設(shè)備。該裝卸設(shè)備依照作業(yè)列表中的作業(yè)指令，在ECS信號(hào)的控制下完成對(duì)指定集裝箱對(duì)象的操作。

設(shè)備運(yùn)行控制系統(tǒng)ECS具有設(shè)備管理調(diào)度及控制功能，可規(guī)劃設(shè)備運(yùn)行路線并協(xié)調(diào)不同設(shè)備間交互作業(yè)。在數(shù)字化碼頭中，設(shè)備對(duì)象根據(jù)ECS控制信號(hào)變更運(yùn)行模式或?qū)b箱執(zhí)行抓取、釋放操作。從輸入的ECS信號(hào)可獲知最新的設(shè)備狀態(tài)、作業(yè)進(jìn)度及任務(wù)結(jié)果。

3 無(wú)人集裝箱碼頭關(guān)鍵要素建模

3.1 設(shè)備建模

集裝箱碼頭總體架構(gòu)由岸邊裝卸系統(tǒng)、水平運(yùn)輸系統(tǒng)及堆場(chǎng)作業(yè)系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)組成。岸邊裝卸系統(tǒng)的代表設(shè)備為岸橋和集裝箱船，負(fù)責(zé)到港集裝箱的裝卸；水平運(yùn)輸系統(tǒng)的代表設(shè)備為自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車AGV，負(fù)責(zé)集裝箱在水平區(qū)域的運(yùn)輸；堆場(chǎng)裝卸作業(yè)系統(tǒng)的代表設(shè)備為場(chǎng)橋，負(fù)責(zé)堆場(chǎng)區(qū)域集裝箱的存取。數(shù)字化碼頭系統(tǒng)中應(yīng)包括上述四種類型的設(shè)備對(duì)象。

圖2 集裝箱碼頭總體架構(gòu)

采用面向?qū)ο蟮慕７椒?，將設(shè)備抽象為具有特征屬性和運(yùn)動(dòng)方法的對(duì)象。特征屬性包括對(duì)象的組成構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副及設(shè)備參數(shù)，其中組成構(gòu)件是構(gòu)成設(shè)備結(jié)構(gòu)的單元，兩個(gè)或多個(gè)具有運(yùn)動(dòng)關(guān)系的構(gòu)件間存在運(yùn)動(dòng)副，從構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)副限制可推導(dǎo)設(shè)備對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方法。設(shè)備參數(shù)包括結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能參數(shù)，分別反映設(shè)備對(duì)象的結(jié)構(gòu)尺寸與運(yùn)行特性。

圖3 設(shè)備對(duì)象化建模

以岸橋?yàn)槔?，分析設(shè)備結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特性，得到岸橋設(shè)備模型表如表1所示。

表1 岸橋設(shè)備模型表

圖4 岸橋結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

上圖說明了參數(shù)化建模時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)含義。其中1為海側(cè)臂架高度，2為陸側(cè)臂架高度，3為海側(cè)小車軌道長(zhǎng)度，4為陸側(cè)小車軌道長(zhǎng)度，5為基距，6為軌距，7為臂架俯仰角，8為中轉(zhuǎn)平臺(tái)高度，9為海側(cè)吊具運(yùn)行范圍，10為陸側(cè)吊具運(yùn)行范圍，11為陸側(cè)吊具類型，12為海側(cè)吊具類型，13為海測(cè)臂架長(zhǎng)度。

圖5系統(tǒng)中描述岸橋性能參數(shù)的結(jié)構(gòu)體。不同型號(hào)的岸橋設(shè)備組成構(gòu)件及構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)副大致相同，但結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)動(dòng)性能存在顯著差異。因此數(shù)字化碼頭中的岸橋模型組成構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)副由系統(tǒng)默認(rèn)生成。當(dāng)需要構(gòu)造岸橋?qū)ο髸r(shí)，可使用默認(rèn)的參數(shù)值，也可根據(jù)設(shè)備實(shí)際型號(hào)自定義結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)。

圖5 岸橋性能參數(shù)結(jié)構(gòu)體

岸橋設(shè)備構(gòu)造完成后，可基于參數(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，模式包括位置驅(qū)動(dòng)、位移驅(qū)動(dòng)、勻速驅(qū)動(dòng)、變速驅(qū)動(dòng)。位置驅(qū)動(dòng)模式下，根據(jù)輸入的坐標(biāo)將岸橋快速移動(dòng)至指定位置；位移驅(qū)動(dòng)模式下，根據(jù)輸入的行走距離驅(qū)動(dòng)岸橋；勻速驅(qū)動(dòng)模式下，岸橋按照指定速度和時(shí)間運(yùn)動(dòng)；變速驅(qū)動(dòng)模式下，岸橋可實(shí)現(xiàn)指定時(shí)間內(nèi)的加減速運(yùn)動(dòng)。

3.2 道路建模

3D數(shù)字化碼頭系統(tǒng)使用道路對(duì)象描述實(shí)際碼頭中的水平運(yùn)輸區(qū)域。道路對(duì)象自頂向下由道路、道路軌跡線及車道三層邏輯構(gòu)成。道路對(duì)象下可創(chuàng)建直線型或曲線型道路軌跡線，多條軌跡線首尾相接，標(biāo)識(shí)出道路范圍；道路軌跡線的屬性包括編號(hào)、類型及起始點(diǎn)；單條軌跡線下自左向右連續(xù)分布多條車道，車道屬性包括編號(hào)、類型、方向及寬度。

圖6 道路示意圖

可根據(jù)實(shí)際碼頭場(chǎng)地布局圖紙，按照道路-軌跡線-車道樹狀結(jié)構(gòu)的邏輯建立道路對(duì)象模擬碼頭路網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3.3 堆場(chǎng)建模

3D數(shù)字化碼頭系統(tǒng)使用堆場(chǎng)對(duì)象描述碼頭中集中堆放集裝箱的區(qū)域。堆場(chǎng)對(duì)象屬性包括位置坐標(biāo)及朝向、長(zhǎng)寬及堆高限制、堆場(chǎng)內(nèi)軌道長(zhǎng)度及寬度、卸貨路標(biāo)識(shí)。堆場(chǎng)對(duì)象記錄了堆場(chǎng)箱位到堆場(chǎng)空間位置的映射，堆場(chǎng)對(duì)象的場(chǎng)箱位布局由堆場(chǎng)布局方法完成。堆場(chǎng)對(duì)象的貝位存儲(chǔ)信息可用于分析堆場(chǎng)的堆存作業(yè)能力和年通過能力。

堆場(chǎng)對(duì)象下轄的交換區(qū)配置有集裝箱緩沖支架，可模擬演示實(shí)際生產(chǎn)中各類水平運(yùn)輸設(shè)備的裝卸工藝邏輯，屬性包括支架編號(hào)、空閑及被占用緩沖支架數(shù)量。

可參照碼頭實(shí)際堆垛方案，初始化堆場(chǎng)堆高、堆寬、箱區(qū)長(zhǎng)度及貝位信息。

圖7 堆場(chǎng)示意圖

3.4 海岸線建模

3D數(shù)字化碼頭系統(tǒng)中使用海岸線對(duì)象描述碼頭岸壁區(qū)域的構(gòu)成。海岸線對(duì)象下轄海岸線段、軌道及泊位三個(gè)子類型。海岸線段類型屬性包括海岸線段編號(hào)、類型及起始點(diǎn)；軌道類型屬性包括軌道編號(hào)、寬度及起始點(diǎn)；泊位類型屬性包括泊位編號(hào)及起始點(diǎn)。

可參考實(shí)際碼頭的場(chǎng)地布局，使用海岸線類型描述碼頭的海側(cè)物理邊界；使用泊位類型描述停泊計(jì)劃規(guī)劃的船舶停靠區(qū)域；使用軌道類型描述集裝箱岸橋的行駛路徑。

圖8 海岸線示意圖

3.5 集裝箱建模

為了用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)描述碼頭中的集裝箱模型，3D數(shù)字化碼頭系統(tǒng)中構(gòu)建了集裝箱對(duì)象。集裝箱對(duì)象的屬性包括集裝箱編號(hào)、名稱、制造商信息、重量、箱尺寸、箱型、箱狀態(tài)、持箱人及場(chǎng)箱位。系統(tǒng)中的集裝箱狀態(tài)管理維護(hù)集裝箱的狀態(tài)信息并提供集裝箱查找方法，可根據(jù)集裝箱編號(hào)或名稱快速查找集裝箱在3D碼頭場(chǎng)景中的位置，還可查詢集裝箱外形尺寸及箱位狀態(tài)、生成整個(gè)碼頭的集裝箱裝卸報(bào)表。

3.6 磁釘建模

磁釘是一種無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽，呈矩陣型埋設(shè)在道路兩側(cè)，作為外部獨(dú)立信號(hào)源為水平運(yùn)輸設(shè)備提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航信息。單個(gè)磁釘對(duì)象的屬性包含編號(hào)、磁釘所處的道路編號(hào)及位置坐標(biāo)。3D數(shù)字化碼頭系統(tǒng)中的磁釘管理模塊負(fù)責(zé)記錄磁釘位置信息并提供磁釘多種查詢方法。

磁釘和集裝箱的創(chuàng)建都通過讀入具有規(guī)范格式的EXCEL文件實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)中磁釘和集裝箱的數(shù)量、規(guī)格及位置信息與真實(shí)碼頭相對(duì)應(yīng)。

4 應(yīng)用驗(yàn)證

根據(jù)方案所述，基于面向?qū)ο蠓椒ㄅc數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)原型系統(tǒng)。下文以洋山四期碼頭為案例，結(jié)合外部TOS及EOS信號(hào)驅(qū)動(dòng)驗(yàn)證原型系統(tǒng)功能。洋山四期無(wú)人集裝箱碼頭陸域平面形態(tài)呈長(zhǎng)條型，箱區(qū)垂直于碼頭布置。碼頭岸線長(zhǎng)2350m，縱深200～640m，建設(shè)7個(gè)深水泊位。港區(qū)采用了當(dāng)前行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的雙小車岸橋+AGV+ARMG裝卸方案。

參考洋山四期平布局圖，按照從海側(cè)至陸側(cè)的順序，構(gòu)造相應(yīng)數(shù)量的泊位、海岸線、岸橋軌道、道路及堆場(chǎng)對(duì)象，并按照平面圖的位置坐標(biāo)完成布局。隨后參考設(shè)備三維圖紙及設(shè)備運(yùn)行規(guī)律確定設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能參數(shù)，構(gòu)造設(shè)備對(duì)象加載到系統(tǒng)中指定位置。

按照上述積木式構(gòu)造方法，可快速搭建出與實(shí)際碼頭布局特征匹配的3D數(shù)字化碼頭系統(tǒng)。

圖9 洋山四期數(shù)字化碼頭系統(tǒng)

系統(tǒng)中所有設(shè)備模型由設(shè)備對(duì)象庫(kù)統(tǒng)一管理，庫(kù)中維護(hù)的屬性包括設(shè)備序號(hào)、名稱、占用狀態(tài)及顯示狀態(tài)。設(shè)備管理方法包括添加新設(shè)備、刪除系統(tǒng)中已存在設(shè)備及修改已存在設(shè)備的屬性參數(shù)。

圖10 設(shè)備管理界面

數(shù)字化碼頭系統(tǒng)可接入ECS及TOS信號(hào)仿真或監(jiān)控實(shí)體碼頭運(yùn)行。以下通過外部ECS及TOS信號(hào)驅(qū)動(dòng)，模擬將集裝箱從船舶存放至堆場(chǎng)的完整工藝流程：

第一步，系統(tǒng)讀取TOS的船舶計(jì)劃，將要進(jìn)行卸載操作的船舶設(shè)備對(duì)象停泊至作業(yè)計(jì)劃指定泊位。第二步，負(fù)責(zé)該泊位的岸橋?qū)ο笤贓CS指令控制下，調(diào)用海側(cè)小車平移方法與海側(cè)吊具升降方法將船舶中的集裝箱對(duì)象吊裝至岸橋?qū)ο笾修D(zhuǎn)平臺(tái)上，隨后岸橋?qū)ο笳{(diào)用陸側(cè)小車平移方法與陸側(cè)吊具升降方法將集裝箱對(duì)象吊裝至岸橋等候區(qū)內(nèi)的AGV對(duì)象上。第三步， AGV對(duì)象在ECS信號(hào)控制下沿車道運(yùn)行，將集裝箱對(duì)象運(yùn)送到TOS信號(hào)指定裝卸點(diǎn)。同一車道上行駛時(shí)，水平運(yùn)輸設(shè)備行駛方向保持不變；通過道路中的交叉路口時(shí)，水平運(yùn)輸設(shè)備可根據(jù)裝卸目標(biāo)點(diǎn)切換車道，磁釘對(duì)象輔助AGV實(shí)時(shí)定位。第四步， AGV對(duì)象調(diào)用頂升方法將集裝箱抬升至堆場(chǎng)海側(cè)緩沖區(qū)支架上，工作在堆場(chǎng)中的場(chǎng)橋?qū)ο笤贓CS的控制下，調(diào)用吊具的升降方法將緩沖支架上的集裝箱吊裝至堆場(chǎng)中指定貝位，并刷新貝位存儲(chǔ)信息。

圖11 碼頭設(shè)備與集裝箱交互

至此集裝箱對(duì)象從船舶存放至堆場(chǎng)的裝卸流程結(jié)束。在設(shè)定時(shí)間內(nèi)，碼頭中各要素對(duì)象在外部TOS和ECS信號(hào)的控制下協(xié)同作業(yè)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且運(yùn)行邏輯與預(yù)定集裝箱裝卸流程一致，未發(fā)現(xiàn)異常。

5 結(jié)論

本文針對(duì)無(wú)人集裝箱碼頭的快速建模與仿真問題，提出了面向集裝箱碼頭規(guī)劃、仿真與監(jiān)控的數(shù)字孿生建模與仿真方法。主要包括碼頭的關(guān)鍵要素建模、碼頭系統(tǒng)建模、與TOS及ECS接口方法，并據(jù)此開發(fā)了原型系統(tǒng)。本文的方法可用于碼頭規(guī)劃過程的快速、可視化建模與仿真，驗(yàn)證碼頭布局與功能設(shè)計(jì)的合理性；在碼頭實(shí)際運(yùn)行階段，可與TOS和ECS系統(tǒng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)實(shí)際碼頭系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、可視化運(yùn)行監(jiān)控。