數(shù)字孿生技術在廈門遠海碼頭的落地應用

林建喜， 宗 堯， 湯俊奇

(1. 廈門遠海集裝箱碼頭有限公司， 福建 廈門 361026； 2. 中遠海運科技股份有限公司， 上海 200135)

0 引 言

黨的十九大報告提出的建設交通強國的戰(zhàn)略要求為交通運輸業(yè)的發(fā)展指明了方向，在國內(nèi)經(jīng)濟與國際經(jīng)濟雙循環(huán)、相互促進的新發(fā)展階段，交通強國建設是促進經(jīng)濟發(fā)展的內(nèi)在需求，是交通運輸行業(yè)發(fā)展和壯大的必然要求。

港口是交通運輸體系的重要組成部分，在支撐和引領經(jīng)濟社會發(fā)展、全方位對外開放和維護國家經(jīng)濟安全等方面發(fā)揮著重要作用。雖然我國目前已是港口大國，但港口發(fā)展水平總體上不高，在保障能力、競爭力和服務能力等方面還存在不足。因此，為提升港口的服務能力和效率，需對其進行自動化升級，而在升級過程中會碰到諸多歷史遺留問題和現(xiàn)代技術銜接問題等，這些問題不僅會直接影響升級前期各項技術工作，而且會直接影響后期的管理和控制。隨著數(shù)字孿生(Digital Twin)技術的不斷發(fā)展，通過對該技術進行深入研究，并將其引入港口升級業(yè)務中，有助于快速、高效地完成升級過程，提升我國港口的整體服務水平。

本文主要以廈門遠海集裝箱碼頭(以下簡稱“遠海碼頭”)為例，對數(shù)字孿生技術及其在港口的應用進行介紹。通過開展數(shù)字孿生項目，幫助傳統(tǒng)碼頭在不改變原有運營模式的前提下，完成自動化、智能化改造升級工作。

1 數(shù)字孿生的概念

數(shù)字孿生最早是由美國密歇根大學的Michael Grieves教授與美國國家航空航天局專家John Vickers提出的，是一種集成多學科、多尺度，借助模型技術和物聯(lián)網(wǎng)技術，結合數(shù)字化數(shù)據(jù)在虛擬空間中完成對物理空間的數(shù)字映射，并通過數(shù)據(jù)雙向映射實現(xiàn)虛擬空間模型與物理模型的實時交互的技術，其核心功能包括數(shù)字化模型映射、空間分析、自學習仿真、物聯(lián)感知控制和虛實空間互動。

1.1 數(shù)字化模型映射

通過非結構化和結構化2種模型，將物理空間的實體以三維模型的形式體現(xiàn)出來；通過對地面、水域和天空等不同層面、不同級別的數(shù)據(jù)進行采集，實現(xiàn)從建筑到設備、從室外到室內(nèi)的孿生還原；結合物聯(lián)感知控制功能，在虛擬空間內(nèi)實現(xiàn)數(shù)字空間與物理空間的一一精準映射，將碼頭真實地映射到數(shù)字系統(tǒng)中，在計算機內(nèi)按真實比率還原碼頭的全貌，為后續(xù)碼頭的升級規(guī)劃、業(yè)務模擬和監(jiān)視控制打下基礎。

1.2 空間分析

通過對碼頭生產(chǎn)設備(包括岸橋、場橋和水平運輸集卡等)進行三維建模，結合定位服務和業(yè)務操作需求，實時對空間數(shù)據(jù)進行計算、分析和展示。通過采用數(shù)字孿生技術，實現(xiàn)業(yè)務可視化調度、業(yè)務對象搜索定位追逐和生產(chǎn)作業(yè)安全預警，提升碼頭業(yè)務的智能化水平。

1.3 自學習仿真

數(shù)字孿生技術結合機器學習和人工智能技術，根據(jù)感知的全要素數(shù)據(jù)，采用函數(shù)擬合等算法對業(yè)務行為進行擬合計算和數(shù)據(jù)推演，為作業(yè)計劃、管理方案和改造方案的模擬提供參考。與物理真實世界相比，數(shù)字虛擬世界的仿真具有可逆性和可重復性，模擬仿真成本低，仿真過程可控，可為作業(yè)計劃、設備作業(yè)過程、作業(yè)演練評估和優(yōu)化提供量化、直觀的分析和結論。

a) 建設前

b) 建設后

1.4 物聯(lián)感知控制

通過各種傳感器、定位系統(tǒng)、紅外感應、射頻識別和低功率藍牙定位等裝置或技術，實時采集一切需被連接、操控、互動和監(jiān)控的物體，實現(xiàn)物與物、物與人和物與系統(tǒng)的泛在連接，并具備對物體進行識別、管理和控制的能力。

物聯(lián)感知控制通過感知物理真實的港口全要素，實現(xiàn)對人員、設備和建筑等要素的位置和軌跡的追溯，并對設備和資源進行統(tǒng)一管理。

1.5 虛實空間互動

在數(shù)字孿生場景內(nèi)的操作可直接影響物理世界，物理世界的行為會反作用于數(shù)字孿生的虛擬場景，實現(xiàn)虛擬場景與現(xiàn)實場景的互操作和互動，二者之間具有實時、自動、動態(tài)和互動屬性。

2 數(shù)字孿生在遠海碼頭的應用價值

與普通碼頭相比，遠海碼頭的一個特殊之處是其具有一個封閉式全自動化泊位，該泊位是采用自動化輪胎式龍門吊起重機(以下簡稱“輪胎吊”)與無人集卡和人工集卡混行的思路建設的。該碼頭的改造工作存在比其他碼頭更多、更復雜的客觀因素，數(shù)字孿生技術在該碼頭的作業(yè)效率提升、安全管理和改造方案制訂等方面發(fā)揮了重要作用(見圖1)。

2.1 在作業(yè)效率提升方面的作用

該碼頭的作業(yè)有貨物堆存和船舶裝卸作業(yè)2個核心計劃，需調用大量的裝卸設備完成，同時每項任務中集裝箱執(zhí)行的前后順序會影響箱區(qū)存取位置的合理性、碼頭的作業(yè)效率和碼頭成本等。

根據(jù)傳統(tǒng)流程，碼頭操作系統(tǒng)(Terminal Operating System, TOS)按設定的規(guī)則制訂出作業(yè)計劃之后按時實施。在原模式下，只有在計劃正式實施并完成之后，才能清晰地了解整個計劃的具體情況和實施效率，只能先進行事后分析，再優(yōu)化后續(xù)計劃。采用數(shù)字孿生技術之后，為保證每次作業(yè)的效率都最優(yōu)，將TOS制訂的作業(yè)計劃接入系統(tǒng)中。通過對港口進行全模型映射，利用數(shù)字孿生的模擬仿真能力，在系統(tǒng)中對未來要實施的作業(yè)計劃進行仿真，按時間軸進度模式直觀地展示計劃中涉及的裝卸設備和集裝箱堆存的細節(jié)。通過模擬執(zhí)行，使管理人員和調度人員直觀地看到未來計劃實施的詳細過程、設備的運動和作業(yè)軌跡，直觀地感受和觀察計劃的合理性。同時，模擬過程可隨時暫停，人工調整作業(yè)計劃中的作業(yè)順序、設備數(shù)量和堆存規(guī)則等參數(shù)。通過不斷地模擬和調整，最終形成一個高效合理的作業(yè)計劃，并將其投入到實際的集裝箱裝卸業(yè)務中實施，提升遠海碼頭的集裝箱作業(yè)效率。

2.2 在安全管理方面的作用

保證碼頭安全運營是遠海碼頭的首要工作。以該碼頭的自動化泊位為例，該類型泊位屬于無人作業(yè)泊位，除了保障作業(yè)的及時性和高效性之外，尤其要保障箱區(qū)的安全性，除非開展必要的維修工作，不能有人進入。同時，在檢查泊位高速行駛區(qū)域的地基時，要保證AGV(Automated Guided Vehicle)等自動化設備不進入檢查區(qū)域。通過設定數(shù)字孿生應用的安全區(qū)域，并將其傳遞到自動化設備上，保證自動化設備不進入電子圍欄，保障安全區(qū)域內(nèi)人員的安全。

通過將遠海碼頭自動化設備運行過程參數(shù)全部接入系統(tǒng)中，可通過應用數(shù)字孿生技術實時看到吊裝設備的作業(yè)位置、作業(yè)狀態(tài)和運行參數(shù)等，為調度人員和管理人員開展工作提供幫助。同時，可結合設備自身的預警規(guī)則，實時判斷設備的運行狀態(tài)，當達到閾值時，通過報警提示彈窗提醒工作人員進行干預，及時排除風險，保障各項業(yè)務的正常開展。

2.3 在改造方案制訂方面的作用

遠海碼頭的基礎設施是平行于岸線設計建造的，混合了自動化泊位和人工泊位。該碼頭計劃對人工作業(yè)箱區(qū)進行自動化改造。改造工作要在正常生產(chǎn)不受影響的前提下進行。生產(chǎn)設備需逐步、分批次進行自動化、智能化升級改造。

遠海碼頭起初的設計方案是以最大化堆存集裝箱為目標，因此在箱區(qū)之間預留的空間狹小，相鄰作業(yè)車道之間狹小的間距給自動化改造方案的制訂帶來了諸多困難。以自動化輪胎吊與無人/人工集卡混行改造為例，在制訂改造方案過程中遇到了以下問題：

1) 集裝箱堆存總量減少。為保證車道行駛的安全性，目前正在使用的輪胎吊的機械結構無法在跨距的外部進行裝卸操作，需撤掉至少1排箱位供超車使用，采用自動裝卸工藝是目前最安全的方式。若每個箱區(qū)都撤掉1排箱位，會直接導致碼頭堆場的集裝箱堆存量大幅減少。自動化升級前后碼頭堆場集裝箱堆存量對比見圖2。

a) 升級前

b) 升級后

2) 箱區(qū)之間集卡行駛存在安全風險。在自動化改造方案中，每個箱區(qū)都布置1臺或多臺自動化輪胎吊，輪胎吊的龍道和行走機構要與箱區(qū)兩邊的排保留 30～50 cm的距離，這時在箱區(qū)間行駛的集卡的空間就會被擠占，當某車道有集卡在作業(yè)時，后續(xù)的集卡若要等待，就會降低系統(tǒng)整體的運行效率。因此，等待的集卡，尤其是有人駕駛的集卡，大概率會借旁邊的車道行駛，這時會存在很大的安全風險。自動化改造車道外部超車示意見圖3。

圖3 自動化改造車道外部超車示意

除了上述突出問題之外，還有外部集卡無法定位導致其與無人化設備之間的行駛安全性無法精確估計等問題。因此，在設計方案初期引入數(shù)字孿生技術并開展模擬試驗，驗證方案的可行性。通過對數(shù)字孿生技術的功能進行模擬仿真，驗證遠海碼頭箱區(qū)改造方案的可行性，降低或減少升級改造方案帶來的風險和安全問題。

1) 改造方案可行性驗證。

利用數(shù)字孿生技術的功能，按真實的位置和比例將碼頭模型映射到數(shù)字孿生系統(tǒng)中。同時，收集業(yè)務數(shù)據(jù)和設備數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中模擬碼頭的實際運行場景。通過參數(shù)驅動輪胎吊，自動化模擬吊裝作業(yè)，檢驗改造之后的自動化箱區(qū)是否符合投產(chǎn)和碼頭的作業(yè)需求。在數(shù)字孿生中，可通過不斷調整參數(shù)，觀察和論證自動化碼頭改造方案，降低實施風險。

2) 設備作業(yè)安全性驗證。

通過對設備進行建模，并將其映射到數(shù)字孿生系統(tǒng)中，導入歷史作業(yè)計劃，利用自學習仿真能力和空間分析能力，在系統(tǒng)中動態(tài)模擬自動化輪胎吊與集卡運輸?shù)淖鳂I(yè)交互情況，直觀地觀察和模擬數(shù)據(jù)的變化情況。在此基礎上，管理人員直接發(fā)現(xiàn)所有安全風險，并通過調整模型和限制業(yè)務規(guī)則，不停地迭代模擬，最終消除所有可能存在的風險，同時根據(jù)調整結果形成人工箱區(qū)自動化改造方案，在集裝箱堆存量不變的前提下排除安全風險。

3 遠海碼頭數(shù)字孿生應用的特色

在碼頭應用數(shù)字孿生系統(tǒng)時，需從全局全要素的角度定義整個系統(tǒng)。純粹的數(shù)字孿生遵循“數(shù)字在先，孿生在后”的原則，而在實踐中，往往不是所有要素都已具備數(shù)字化條件。因此，遠海碼頭對數(shù)字孿生的理解是以現(xiàn)有的數(shù)字化要素為基礎，對人工集卡的駕駛習慣和行駛路線等不可控要素進行模擬。通過管理制度完善漏洞，最終隨著碼頭自動化和智能化建設的不斷推進，實現(xiàn)全面數(shù)字化，形成富有遠海碼頭特色的港口數(shù)字化轉型模式和案例。

外集卡作為社會車輛來港提貨或卸貨是碼頭作業(yè)的一部分，碼頭無法參與到車輛的硬件部署中。但是，集卡作為全要素中的關鍵要素之一，不論是數(shù)字孿生建設，還是場內(nèi)自動化改造建設，獲取其位置并規(guī)范其駕駛行為是推進碼頭自動化和智能化的重要需求。遠海碼頭的數(shù)字孿生系統(tǒng)通過路徑規(guī)劃算法和避碰算法，配合相應的安全管理制度滿足該需求。

1) 路徑規(guī)劃算法。

數(shù)字孿生通過人工智能(Artificial Intelligence, AI)算法模擬無法直接獲取數(shù)據(jù)用以孿生的部分，其代表是外集卡的路徑規(guī)劃。在進行路徑規(guī)劃過程中，主要開展以下3項工作：

(1) 環(huán)境建模。環(huán)境建模是路徑規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)，目的是建立一個便于利用計算機進行路徑規(guī)劃的環(huán)境模型，即將實際的物理空間抽象成算法能處理的抽象空間，實現(xiàn)相互間的映射。

(2) 路徑搜索。路徑搜索是指在環(huán)境模型的基礎上，采用相應算法尋找一條路徑，使預定的性能函數(shù)取得最優(yōu)值。

(3) 路徑平滑。通過相應算法搜索出的路徑并不一定是運動體能行走的路徑，需對其作進一步的處理和平滑，從而使其成為實際可行的路徑。

結合以上3項工作，通過神經(jīng)網(wǎng)絡算法和柵格法進行路徑規(guī)劃，利用柵格的路徑規(guī)劃能力和神經(jīng)網(wǎng)絡的學習能力對路徑進行計算和優(yōu)化，為系統(tǒng)提供最佳的路徑顯示。通過機器學習、累計算法和數(shù)據(jù)鍛煉，對堆場內(nèi)集卡的駕駛行為進行分析、規(guī)劃和引導。神經(jīng)網(wǎng)絡學習過程示意見圖4。

2) 避碰算法。

遠海碼頭為堆場內(nèi)的集卡安裝了車載設備(On Board Unit，OBU)，用以規(guī)范其駕駛行為和獲取其位置。OBU通過定時定向的方式向數(shù)字孿生系統(tǒng)輸出GPS(Global Positioning System)數(shù)據(jù)。GPS數(shù)據(jù)是物理數(shù)據(jù)，而外集卡的規(guī)劃數(shù)據(jù)是邏輯數(shù)據(jù)，因此當2種數(shù)據(jù)在堆場的地圖上相遇時，數(shù)據(jù)展示界面可能會出現(xiàn)碰撞的問題。司機通過剎車制動或轉向避免車輛會遇時發(fā)生碰撞，但系統(tǒng)需通過算法過濾獲取不到足量數(shù)據(jù)引起的錯誤信息反饋。通過Alpha算法，以同一個時間軸的規(guī)劃路徑和內(nèi)集卡GPS數(shù)據(jù)對位置及路線進行分析，按每秒的位置信息獲取相關數(shù)據(jù)，若計算出來當前方向5 s內(nèi)有邏輯碰撞風險，則重新規(guī)劃路徑。集卡避碰算法的路徑規(guī)劃示意見圖5。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡學習過程示意

避碰算法是用來對碼頭的集卡掛車行駛軌跡進行優(yōu)化的技術，結合模擬掛車軌跡動畫算法，解決目前作業(yè)區(qū)域內(nèi)密集停車作業(yè)場景中，GPS數(shù)據(jù)漂移或車頭方向數(shù)據(jù)發(fā)送時間間隙引起的誤報導致的誤碰問題。

在建設自動化混合運行模式的碼頭時，不能僅依靠技術，還要配合管理制度彌補技術的不足。通過總結可知，路徑規(guī)劃算法和避碰算法都不足以應對社會集卡進入碼頭作業(yè)區(qū)之后，人為因素帶來的安全隱患。在建設數(shù)字孿生系統(tǒng)之前，集卡安全制度建設受制于查證的困難。當前，可通過孿生抓取違規(guī)操作，輔以安全管理制度規(guī)范操作，開展安全工藝培訓，為消除自動化混合運營改造過程中人為因素帶來的安全隱患提供幫助。

4 結 語

隨著國內(nèi)智慧港口建設的不斷推進，各碼頭紛紛開展了自動化和智能化應用技術研究。數(shù)字孿生技術是港口數(shù)字化轉型過程中用到的一項重要技術。通過合理利用該技術，能促進生產(chǎn)業(yè)務數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)數(shù)據(jù)和外部環(huán)境數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，使物理環(huán)境與虛擬模型高度融合，提升港口的管理效率。

未來，數(shù)字孿生技術將與分布式和云端技術相結合，實現(xiàn)滿足單個港口需求的單體式數(shù)字化應用到云端租賃式服務的擴展，逐步實現(xiàn)模型更新編輯服務和仿真算法自定義服務等，形成一個功能開發(fā)和應用創(chuàng)新平臺，從而實現(xiàn)平臺級滿足多港口服務需求的集約式應用，同時打通港口上下游，統(tǒng)一到數(shù)字孿生平臺上，實現(xiàn)對港口供應鏈的統(tǒng)一管理。在國家建設交通強國的戰(zhàn)略要求下，數(shù)字孿生將為提升港口的運營效率提供重要的技術保障。