自動(dòng)化集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

楊 榮 寧為玉 張 煜 徐 揚(yáng)

1天津港第二集裝箱碼頭有限公司 天津 300450 2武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063 3武漢理工大學(xué)韶關(guān)研究院 韶關(guān) 512100

0 引言

為不斷提高自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸效率，在硬件建設(shè)方面，各類裝卸設(shè)備的自動(dòng)化水平逐步提高；在軟件方面，各種新型數(shù)據(jù)集成及管理的應(yīng)用也必不可少，其中數(shù)字孿生技術(shù)在港口中的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)港口管控一張圖[1]。自動(dòng)化集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)包括虛擬碼頭在線仿真、真實(shí)碼頭實(shí)時(shí)控制、孿生數(shù)據(jù)融合、現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證4部分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)碼頭的遠(yuǎn)程操控，不僅表現(xiàn)在碼頭各種設(shè)施、設(shè)備及作業(yè)的數(shù)據(jù)采集，還體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的加工、處理及分析，最終實(shí)現(xiàn)決策支持、通過(guò)孿生碼頭控制真實(shí)碼頭的目的。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于數(shù)字孿生碼頭的相關(guān)研究逐漸增多，Szpytko J等[2]構(gòu)建了岸邊集裝箱起重機(jī)的數(shù)字孿生模型，并通過(guò)粒子群優(yōu)化算法，提高了岸邊集裝箱起重機(jī)的作業(yè)效率；Yuan J等[3]研究了基于數(shù)字孿生技術(shù)的碼頭系統(tǒng)及評(píng)估方法，該方法實(shí)現(xiàn)了碼頭功能完整性等相關(guān)仿真測(cè)試，能夠降低真實(shí)測(cè)試成本；張氫等[4]提出了基于VTK可視化引擎技術(shù)的港口起重機(jī)數(shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了岸邊集裝箱起重機(jī)動(dòng)力學(xué)特征的實(shí)時(shí)映射；魏世橋等[5]提出了客貨滾裝港口數(shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了安檢計(jì)重、船舶配載和票務(wù)的三位一體智能管控；聞佳華[6]提出了一種集裝箱碼頭的數(shù)字孿生系統(tǒng)，能夠反映真實(shí)碼頭所有數(shù)據(jù)信息，為管理人員遠(yuǎn)程提供碼頭實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)情況。以上研究大都涉及碼頭單設(shè)備的數(shù)字孿生或側(cè)重碼頭數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋，對(duì)數(shù)據(jù)處理、分析及應(yīng)用方面研究不夠深入，并未直接為管理者提供決策支持。

本文提出了一種集數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用和可視化展示于一體的自動(dòng)化集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)。該數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)真實(shí)碼頭中各裝卸設(shè)備，如岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）、人工智能運(yùn)輸機(jī)器人（Artificial Intelligence Robot of Transportation，ART）、自動(dòng)化軌道式起重機(jī)（Automated Rail Mounted Gantry Crane，ARMG）、外集卡以及其他設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)定位、監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集，利用大數(shù)據(jù)分析和商務(wù)智能（Business Intelligence，BI）分析，找出影響碼頭運(yùn)行效率的關(guān)鍵并提供相關(guān)決策支持，通過(guò)可視化建模與圖像處理等，實(shí)現(xiàn)碼頭管控一體化處理及展示。

1 自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)流程

為了更好地說(shuō)明自動(dòng)化碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)自動(dòng)化碼頭作業(yè)流程有所了解。如圖1所示碼頭布局，以進(jìn)口箱為例說(shuō)明自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)流程，首先是海側(cè)作業(yè)：1）船舶到達(dá)目標(biāo)泊位，岸橋進(jìn)行卸船作業(yè)，將集裝箱裝載到ART上；2）ART將集裝箱運(yùn)輸至堆場(chǎng)中指定卸貨位；3）ARMG將集裝箱放在指定箱位。其次是陸側(cè)作業(yè)流程：1）外集卡通過(guò)進(jìn)港閘口進(jìn)入碼頭，行駛至堆場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)集裝箱的所在箱位；2）ARMG將集裝箱運(yùn)輸?shù)酵饧ㄉ希?）外集卡駛出堆場(chǎng)，經(jīng)出港閘口駛離碼頭。

圖1 自動(dòng)化集裝箱碼頭布局圖

2 數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體框架

如圖2所示，自動(dòng)化集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)由數(shù)據(jù)感知模塊、數(shù)據(jù)接入模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊和系統(tǒng)展示模塊等組成。

圖2 數(shù)字孿生系統(tǒng)整體框架

2.2 各模塊功能及關(guān)系

1）數(shù)據(jù)感知模塊

數(shù)據(jù)感知模塊即數(shù)據(jù)源與自動(dòng)化集裝箱碼頭的工控網(wǎng)（ECS系統(tǒng)）數(shù)據(jù)接口、核心系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口、輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口等進(jìn)行對(duì)接，收集碼頭內(nèi)所有設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和所有作業(yè)相關(guān)的信息，并將這些數(shù)據(jù)信息傳輸至數(shù)據(jù)接入模塊。其中，核心系統(tǒng)包括碼頭管理系統(tǒng)（TOS）、水平運(yùn)輸系統(tǒng)、智能閘口系統(tǒng)、智能理貨系統(tǒng)、冷藏箱管理系統(tǒng)等；輔助系統(tǒng)包括智能樓宇系統(tǒng)、能源管控系統(tǒng)、清潔能源系統(tǒng)、綜合管控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。

如圖3所示，工控網(wǎng)（ECS系統(tǒng)）負(fù)責(zé)收集岸橋、ARMG及ART的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。岸橋與ARMG通過(guò)設(shè)備自身的可編程邏輯控制器（PLC）收集位置和作業(yè)狀態(tài)信息，利用外部起重機(jī)控制器（External Crane Controller，XCC）數(shù)據(jù)接口傳輸至各設(shè)備對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)控臺(tái)，各遠(yuǎn)控臺(tái)將數(shù)據(jù)輸送至OPC server服務(wù)器，進(jìn)一步通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）邊緣計(jì)算模塊將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)感知模塊；ART則通過(guò)自身數(shù)據(jù)傳輸中間件將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)感知模塊。同時(shí)，岸橋與ARMG的遠(yuǎn)控臺(tái)會(huì)將數(shù)據(jù)傳輸至各自的外部作業(yè)調(diào)度器（External Job Dispatcher，XJD）數(shù)據(jù)采集控制模塊，碼頭管理系統(tǒng)（TOS）可通過(guò)XJD數(shù)據(jù)采集控制模塊對(duì)岸橋和ARMG進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度；ART將數(shù)據(jù)傳輸至MQTT服務(wù)器，水平運(yùn)輸系統(tǒng)可通過(guò)MQTT服務(wù)器對(duì)ART進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度。

圖3 工控網(wǎng)架構(gòu)圖

2）數(shù)據(jù)接入模塊

數(shù)據(jù)接入模塊提取數(shù)據(jù)感知模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并接入數(shù)字孿生系統(tǒng)，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存儲(chǔ)、備份。

3）數(shù)據(jù)服務(wù)模塊

數(shù)據(jù)服務(wù)模塊提供各種數(shù)據(jù)服務(wù)：①數(shù)據(jù)規(guī)劃服務(wù)，依據(jù)數(shù)字孿生系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的來(lái)源與用途對(duì)其進(jìn)行分類管理；②數(shù)據(jù)安全保障服務(wù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的安全管理等級(jí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控與安全加固；③數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)服務(wù)，依據(jù)碼頭管理的需要進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算（如各設(shè)備的作業(yè)效率、泊位利用率、閘口直通率、在場(chǎng)箱數(shù)量統(tǒng)計(jì)、堆存期統(tǒng)計(jì)等）；統(tǒng)計(jì)的指標(biāo)數(shù)據(jù)會(huì)反饋給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行歸檔，同時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊便于其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

4）數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊

數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊負(fù)責(zé)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和BI分析。大數(shù)據(jù)分析主要針對(duì)岸橋、ARMG、ART及船舶的作業(yè)效率與作業(yè)能耗進(jìn)行分析；BI分析主要針對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)訂單、設(shè)備信息、交易賬目及客戶信息等現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行盈利分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、客戶關(guān)系管理及信用等級(jí)評(píng)定等，提供相關(guān)決策支持，實(shí)現(xiàn)智慧經(jīng)營(yíng)。

5）系統(tǒng)展示模塊

圖4為系統(tǒng)展示模塊的結(jié)構(gòu)圖，該模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)感知模塊采集的數(shù)據(jù)同步至數(shù)字模型，利用圖形工作站進(jìn)行圖像的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、三維動(dòng)畫和可視化等處理（圖5為岸橋三維模型）。

圖4 系統(tǒng)展示模塊結(jié)構(gòu)圖

圖5 岸橋三維模型

圖像融合器用來(lái)融合碼頭實(shí)景圖像，并將融合后的圖像傳送至投影融合大屏、孿生大屏及三維可視化大屏，實(shí)現(xiàn)整個(gè)碼頭的可視化，圖6為自動(dòng)化碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)可視化界面。

圖6 自動(dòng)化集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)可視化界面

3 數(shù)字孿生碼頭智慧決策

由于人工決策需要一定的時(shí)間，而碼頭內(nèi)作業(yè)情況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。因此，決策必須具有時(shí)效性，數(shù)字孿生技術(shù)在自動(dòng)化集裝箱碼頭中的應(yīng)用能根據(jù)碼頭實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)情況迅速提供智慧決策。如圖7所示，自動(dòng)化碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)可顯示車輛數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、設(shè)施管理等信息，并提供相關(guān)決策支持，這些智慧決策包括進(jìn)/出港作業(yè)管控、生產(chǎn)操作和設(shè)備管理等。

圖7 自動(dòng)化集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)界面

3.1 進(jìn)/出港作業(yè)管控

外集卡到港時(shí)間具有不確定性，不能提前精準(zhǔn)規(guī)劃外集卡作業(yè)計(jì)劃表，為提高外集卡作業(yè)效率，數(shù)字孿生系統(tǒng)可通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)碼頭內(nèi)外集卡的出入信息（見(jiàn)圖8），結(jié)合預(yù)約管理系統(tǒng)進(jìn)行智能交通管理，預(yù)測(cè)交通高峰期，并在出現(xiàn)堵塞后及時(shí)提供疏解方案。當(dāng)外集卡進(jìn)入碼頭到達(dá)進(jìn)港閘口處時(shí)，孿生系統(tǒng)根據(jù)預(yù)約信息判斷是否放行，并依據(jù)當(dāng)前碼頭內(nèi)交通狀況和ARMG繁忙程度規(guī)劃出合理的路徑發(fā)送至預(yù)約系統(tǒng)，進(jìn)而反饋給外集卡司機(jī)。當(dāng)外集卡完成作業(yè)出港時(shí)，在出港閘口處變更業(yè)務(wù)完成狀態(tài)。

圖8 數(shù)字孿生系統(tǒng)出入管控界面

3.2 生產(chǎn)操作

生產(chǎn)操作相關(guān)的智慧決策主要包含泊位計(jì)劃、堆場(chǎng)管理、智能閘口及各裝卸設(shè)備的調(diào)度等。

1）智能泊位計(jì)劃通過(guò)對(duì)船舶歷史吞吐量、泊位利用率、各設(shè)備作業(yè)效率等數(shù)據(jù)分析并生成智能泊位計(jì)劃，結(jié)合實(shí)時(shí)在港船舶信息及碼頭內(nèi)部其他作業(yè)環(huán)節(jié)的繁忙程度實(shí)時(shí)調(diào)整泊位計(jì)劃，比人工泊位計(jì)劃提高了準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性及合理性。

2）堆場(chǎng)管理主要針對(duì)集裝箱存儲(chǔ)位置提供決策，數(shù)字孿生系統(tǒng)結(jié)合集裝箱存儲(chǔ)要求和場(chǎng)存實(shí)際分布等，合理安排集裝箱箱位，減少翻倒箱次數(shù)。

3）智能閘口用于協(xié)調(diào)堆場(chǎng)內(nèi)ART與外集卡在交叉口處的通行，孿生系統(tǒng)對(duì)交叉口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，調(diào)控閘口開關(guān)，保證ART優(yōu)先通行。

4）各裝卸設(shè)備的調(diào)度方案包含對(duì)岸橋、ARMG、ART及外集卡的調(diào)度，利用這些設(shè)備的實(shí)時(shí)位置、作業(yè)情況等信息，TOS系統(tǒng)和水平運(yùn)輸系統(tǒng)向?qū)\生系統(tǒng)提供合理調(diào)度方案，孿生系統(tǒng)對(duì)這些方案進(jìn)行評(píng)估、完善后，下達(dá)至各操作設(shè)備執(zhí)行。

3.3 設(shè)備管理

如圖9所示，設(shè)備管理主要包括各種操作設(shè)備的故障預(yù)測(cè)、隱患排查和應(yīng)急處理等。通過(guò)對(duì)各操作設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、歷史故障信息和碼頭異常信息的綜合分析，預(yù)測(cè)各操作設(shè)備發(fā)生故障的可能性，及時(shí)進(jìn)行檢修。若出現(xiàn)隱患，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)隱患類別并結(jié)合實(shí)際情況，出具一套解決方案供工作人員參考。

圖9 數(shù)字孿生系統(tǒng)隱患排查與告警事件

4 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)流程分析，提出了一種自動(dòng)化集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架，闡述了各模塊之間的關(guān)系及功能，最后給出該系統(tǒng)能夠提供的主要智慧決策。本文提出的數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠?qū)⒋a頭所有作業(yè)相關(guān)信息同步至孿生碼頭，可以根據(jù)碼頭實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)情況迅速產(chǎn)生合理的決策方案，提高了碼頭可視化程度，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控真實(shí)碼頭的目標(biāo)，極大地提高了碼頭作業(yè)效率。