集裝箱碼頭的數字孿生

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

隨著港口集裝箱起重機自動化及遠程控制技術的日趨成熟，國內外各大港口集團籌建全新遠程自動化碼頭或將現有碼頭設備改造成遠程自動化碼頭的熱潮也是愈演愈烈。對于遠程自動化碼頭而言，所有現場的碼頭岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)及堆場裝卸起重機(以下簡稱場橋)都將由在距現場幾公里外的遠程辦公室內的司機來操控，這就意味著碼頭的設備作業及運營管理都集中到了遠程辦公室端。于是，集裝箱碼頭的數字孿生應運而生，其融合了TOS 碼頭管理系統、RCMS起重機管理系統、堆場CCTV 監控系統、流動機械定位、實時氣象預報、人員實時定位等信息，將真實的碼頭運營情況以三維圖像的形式完完整整地呈現在虛擬世界中，從而讓碼頭管理人員能夠更方便快捷地獲知碼頭當前的整體運營情況。

1 系統整體架構

集裝箱碼頭數字孿生主要由計算機軟件開發完成，并由數據接口、數據存儲、數據分析、三維圖像模型、環境渲染、畫面顯示等模塊組成。軟件架構見圖1。

圖1 系統整體架構圖

1）數據接口模塊主要負責與其他各系統對接，收集所有碼頭內的設備信息、集裝箱信息、水平運輸機械信息等等，并將所有數據轉移到數據存儲模塊進行儲存。

2）數據存儲模塊主要負責所采數據的存儲及轉發，是整套系統的數據基礎，最終可視化圖像中的數據來源均是從數據存儲模塊中調用。

3）數據分析模塊主要負責將所采集的起重機設備信息做一些必要的統計分析，并將結果傳回數據存儲模塊進行存儲。

4）三維圖像模型主要負責碼頭內所有物體的物理模型構建，大到起重機、樓宇，小到工作人員、路標。

5）環境渲染模塊主要負責碼頭虛擬場景中的視覺特效，比如氣候、光照等。

6）畫面顯示模塊主要負責整個數字孿生的可視化呈現，最終投放到指定的人機界面上。

2 數據接口模塊

利用現有的標準協議或開發特定的接口協議可實現接口模塊和所有系統之間的數據對接，從而將所需信息得以收集。

1）與TOS 碼頭管理系統對接可獲得作業計劃、作業任務列表、堆場內集裝箱分布、集裝箱箱號等信息。

2）與起重機管理系統對接可獲得起重機實時作業信息，如起升、小車、大車等主要機構的實時位置、運行速度，吊具空載/帶載情況，集裝箱尺寸、實際質量，風速，設備的實時故障，操作員工作ID 等。

3）與堆場CCTV 監控系統對接可實現調用所有堆場內監控攝像機的實時拍攝畫面或是歷史回放畫面。

4）與GPS 定位系統對接可獲得流動機械、水平運輸機械的實時位置及碼頭工作人員穿戴設備的實時位置。

5）與網絡管理軟件對接可獲得碼頭網絡的實時流量、鏈路故障、無線覆蓋區域、網絡攻擊報警等信息。

6）與時間服務器對接可獲知當地時區和時刻。

3 數據存儲模塊

數據存儲模塊利用數據庫管理軟件（SQL Server）將上述接口模塊所采集的所有數據進行存儲，并將所有數據根據采集的渠道或用途進行分類管理。此外，數據存儲模塊也是數據分析模塊的數據來源，經過分析模塊處理后的統計數據結果會返回給存儲模塊進行存儲歸檔。數據存儲模塊是整個數字孿生系統的數據來源，最終可視化圖像中的原始數據或是統計分析數據均是從該模塊中進行調用讀取。

4 數據分析模塊

布置于遠端中央的數據分析模塊會將數據庫中采集到的起重機作業數據通過預先制定的算法邏輯進行數據統計及分析處理，從而有助于碼頭管理人員對設備的效率、故障率、產量等關鍵指標有一個清晰的認識。同時，處理后的數據仍會回饋給數據存儲模塊進行存儲歸檔。

所分析的數據內容可根據碼頭用戶的關注點來定制，包括但不限于：起重機操作員日度/月度/年度產量統計；起重機操作員平均裝箱/卸箱用時及每小時效率；起重機月度/年度產量統計；岸邊集裝箱起重機等待陸側水平運輸機械用時統計；起重機操作員手動介入操作的用時統計；起重機的故障總數、故障頻率、相鄰故障間的有效作業箱數（MMBF，Mean Moves Between Failure）；起重機非計劃內的停機時間統計；起重機主要機構運行時間統計；當前船舶作業用時統計等。

5 三維圖像模型

三維圖像模塊所構建的物理模型主要包括集裝箱碼頭、起重機、水平運輸機械、集裝箱等部分。其中，集裝箱碼頭的物理模型包含岸線、堆場、閘口、樓宇、路標、燈塔、圍欄等；起重機模型包括岸橋、輪胎起重機或軌道起重機、流動機械等；水平運輸機械模型包括集卡、自動引導小車AGV（Automated Guided Vehicle）等。

根據碼頭的二維平面圖紙，可構建1:1 尺寸的碼頭三維模型，并配合現場實地取景采照，可收集到所有碼頭內細節信息。在模型灰盒外，進行外觀貼圖和材質調配。在環境渲染系統中，即可顯示出與真實極其接近的外觀質感效果。

圖2 港口三維模型

根據起重機或水平運輸機械的機械設計圖紙，可搭建1:1 尺寸的模型，同樣在模型灰盒外，進行外觀貼圖和材質調配。在環境渲染模塊中，可展示出逼真的外觀質感效果。

不僅如此，起重機模型中的各大運動機構，如起升、小車、大車、俯仰、吊具等均與真實機器一樣可以活動。在模型接收到起重機管理系統傳輸過來的實時數據（譬如起升速度、吊具尺寸、開閉鎖狀態、大車位置等）后，模型即可進行同步圖像呈現。

圖3 岸橋三維模型

6 環境渲染模塊

僅僅擁有以上物理模型還不能呈現逼真的視覺效果，系統必須擁有環節渲染模塊，用以呈現天色、光照、氣候等環境效果。

與碼頭時間服務器進行時間同步后，環境渲染模塊可獲知碼頭當地的時刻信息，進而可以調整天色，如早上藍天，傍晚夕陽，還可根據時刻調整太陽的位置，得到不同角度的光照效果。

圖4 光照渲染

與互聯網氣象信息同步后，環境渲染模塊可獲知碼頭當地的實時氣候信息（如晴天、多云、下雨、大雪、大霧、大風等），從而可以調用系統內部預設的環境特效，疊加進整個虛擬場景中，使數字孿生更貼近真實。

圖5 霧雨天氣

7 畫面顯示模塊

模型及虛擬場景構建完成后，系統將生成可視化圖像傳送給畫面顯示模塊，該可視化圖像將實現圖像和文字的疊加，使碼頭運營信息一目了然。為達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。通常默認顯示碼頭的經典視角，可以從海側向陸側觀察所有岸橋裝卸情況，或從陸側向海側的觀察場橋的作業情況。用戶視角可使用鼠標在場景中進行自由的移動、旋轉、縮放等操作，以方便觀看更多細節信息。同時，用戶也可以雙擊選擇場景中的某個設備，如岸橋、軌道起重機，或某個CCTV 攝像機，可以查看該設備的當前運行情況或所拍攝的實時畫面。

圖6 畫面分布顯示

8 結束語

集裝箱碼頭的數字孿生為碼頭的日常運營管理工作提供了一站式的解決方案，讓碼頭傳統的管理方式得以改變，可有效提升碼頭運營管理效率。將來，該系統拓展移動端應用后，遠程辦公將變得可能，碼頭管理人員可隨時隨地掌握碼頭實時的運營情況，極大程度減小遇到應急情況的響應時間，從而大幅提升工作的時效性，為集裝箱碼頭的高效可靠運營提供了強有力的保障。