自動化岸邊集裝箱起重機模擬操作系統設計

黃志偉

作為碼頭前沿的關鍵裝卸設備，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在世界各地蓬勃興起，自動化岸橋廣泛應用于新建自動化集裝箱碼頭。自動化岸橋應用于新建碼頭可能存在以下問題：一是岸橋司機和設備工程師對自動化岸橋不熟悉，需要實操培訓后才能上崗，從而在無形中導致碼頭運營成本上升;二是自動化岸橋作業采用遠程操作模式，不正確的操作流程和方法不僅會降低碼頭作業效率，而且存在極大的安全隱患。為了避免在應用自動化岸橋的過程中出現上述問題，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四期自動化集裝箱碼頭等均向岸橋設備生產商采購自動化岸橋模擬操作系統。

1 自動化岸橋模擬操作系統架構

1.1 硬件架構

1.1.1 遠程操作臺

自動化岸橋模擬操作系統配備的遠程操作臺（見圖1）與碼頭中控室遠程操作臺規格相同，由6臺顯示器、1塊觸摸屏和遠程操作面板組成，其中：5臺顯示器用于模擬顯示攝像頭拍攝的岸橋現場作業畫面;1臺顯示器用于顯示DataView軟件界面，內容包括岸橋各機構狀態信息、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的岸橋各機構狀態信息和部分自動化流程界面等，可提供不同的畫面選項;遠程操作面板配置相應的手柄、按鈕、旋鈕和指示燈等，與碼頭中控室遠程操作臺的遠程操作面板完全相同。遠程操作臺有升降功能，操作人員可根據需要調節其高度。

1.1.2 講師臺

講師臺可通過配置相應的參數完成以下操作：（1）設置自動化岸橋作業場景、外部操作環境（如天氣、光照等）、故障觸發條件等;（2）實現與可編程邏輯控制器之間數據交互、閉路電視監控系統畫面顯示和存儲、各子系統之間通信搭建以及數據庫存儲和交互等;（3）啟動模擬仿真測試;（4）對學員測試評分。

1.1.3 服務器機群

服務器機群主要包含以下服務器：（1）岸橋遠程操作視頻圖像服務器，主要用于從不同視角呈現通過三維建模生成的岸橋現場作業畫面，能夠模擬岸橋上20多個攝像頭拍攝的岸橋現場作業畫面，并根據需要調用和呈現在遠程操作臺的5臺顯示器上;（2）模擬器工作站，主要用于生成岸橋作業場景，不僅能夠根據碼頭基建圖紙模擬自動化集裝箱碼頭作業現場、集裝箱船舶、水平運輸設備等，而且能夠根據用戶需要模擬雨天、霧天、夜間等場景;（3）碼頭操作系統模擬器及數據庫服務器，能夠根據真實的碼頭操作系統接口和功能，模擬碼頭操作系統生成作業任務、發送自動化指令等功能，并通過數據庫與岸橋管理系統等實現數據交互。自動化岸橋模擬操作系統服務器機群架構如圖2所示。

1.2 軟件架構

自動化岸橋模擬操作系統軟件架構（見圖3）包含：（1）作業計劃層軟件，主要為碼頭操作系統模擬器，用于生成自動化指令;（2）設備管理層軟件，主要為岸橋管理系統，用于分解自動化指令;（3）執行層軟件，主要包括自動化岸橋控制系統和可編程邏輯控制器等工程軟件，用于實現岸橋作業自動化;（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境和天氣等;（5）顯示軟件，主要包括DataView數據視圖軟件和評分系統顯示軟件等。基于上述軟件架構，自動化岸橋模擬操作系統不僅能夠模擬自動化岸橋操作流程，而且能夠模擬風速、潮汐、吊具傾回轉等因素對岸橋操作的影響，從而實現仿真環境下的岸橋司機實操培訓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流程

2.1 設置場景和作業類型

管理員可通過場景配置模塊來設置場景，可供設置的項目包括：（1）待作業船舶類型，如常規駁船、巴拿馬型集裝箱船舶等;（2）待作業集裝箱參數，如集裝箱積載層數、集裝箱規格、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）水平運輸設備，如集卡、自動導引車等。

學員可選擇岸橋作業類型，可供選擇的作業類型包括裝船作業或卸船作業、甲板作業或艙內作業、按層遞進作業或挖坑式作業等。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

岸橋模擬作業啟動后，碼頭操作系統模擬器基于船舶配積載信息生成相應的作業任務，并將這些作業任務暫存在數據庫中，其中包含集裝箱的起始位置、終點位置、箱型、箱號等信息。碼頭操作系統模擬器將作業任務發送至岸橋管理系統，岸橋管理系統將作業任務分解為自動化指令，并將自動化指令逐條發送至自動化岸橋控制系統，通過學員的操作，最終由可編程邏輯控制器軟件控制岸橋各機構執行相應指令。在此過程中，自動化岸橋模擬操作系統通過遠程操作臺上的顯示器呈現岸橋模擬作業場景及光照、陰影、霧氣和雨滴等模擬作業環境，從而為學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評分

（1）模擬仿真測試 由于自動化岸橋模擬操作系統在軟件架構上與真機完全一致，在真機軟件更新前，可利用自動化岸橋模擬操作系統對岸橋管理系統程序、自動化岸橋控制系統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延誤，并減少軟件更新可能帶來的安全隱患。

（2）實操培訓評分 學員按要求完成岸橋模擬操作后，自動化岸橋模擬操作系統根據學員的表現，針對碰撞、誤操作和低效率等問題扣減相應分數，最終得出實操培訓成績和相應的分析曲線。學員的實操培訓成績全部保存在系統中，并生成學員個人培訓效果圖，從而便于從橫向和縱向對學員培訓效果進行比較和總結，有利于提高培訓效率。

3 結束語

自動化岸橋模擬操作系統基于三維建模和模擬仿真技術，結合實際應用的自動化岸橋控制軟件，通過模擬岸橋作業場景和各種工況，為岸橋司機實操培訓和相關軟件測試提供高度還原現實場景的模擬操作環境，有利于提高岸橋司機培訓效率和相關軟件更新迭代效率，降低岸橋司機培訓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，具有較好的應用效果和較高的應用價值。

（編輯：張敏 收稿日期：2021-02-12）