集裝箱碼頭的數字孿生

文/王庚雨 劉世棟

引言：

數字孿生在集裝箱碼頭中具有重要應用，有助于對碼頭的整體運營狀況進行了解，對碼頭信息進行全面地構建，進而提高對集裝箱碼頭的控制效果。

1 、集裝箱碼頭數字孿生系統需求分析

1.1 智能裝載布局。數字孿生系統需要具有自動裝載的功能，能夠根據訂單任務對裝載過程進行布局，提高裝載管理的智能化水平，提高裝載管理的質量。在裝載過程中，應采用多元化的管理形式，以此來滿足貨物的配送需求，建立完善的獲取供應條件。貨物的裝箱條件較為復雜，在裝載過程中，需要合理地進行布局，對裝載角度、體積等進行布置，建立完善的裝載形式，保證集裝箱裝載的質量，提高集裝箱的裝載效果。在智能裝載布局的作用下，可以提高集裝箱的裝載效率，使裝箱布局得到有效調整[1]。

1.2 裝載方案檢測。為了確保配送方案的可行性，需要做好裝載方案的檢測工作，裝載方案檢測過程中需要進行如下考慮：一方面，需要考慮到效率因素，需要為貨物裝箱效率提供保證，對貨物進行合理擺放，確保貨物能夠迅速完成裝箱。另一方面，需要保證裝載的安全性，構建完善的裝載條件，同時做好貨物重心的控制工作，防止集裝箱運輸過程中貨物發生傾斜，導致貨物發生損傷或箱體出現脫落的現象，影響集裝箱運輸的安全性。

1.3 配送路線規劃。集裝箱運輸過程中，需要做好配送路線的規劃工作，使運輸路線能夠得到合理規劃，確保貨物能夠運輸到指定的地點，提高貨物的運輸效率。一方面，需要做好裝箱順序的控制工作，避免貨物之間發生混亂，使貨物能夠按照順利運出碼頭，實現貨物的快速裝配。另一方面，需要對配送路線進行規劃，縮短貨物的運輸時間，使貨物能夠得到全面地管理。

1.4 基本信息管理。集裝箱碼頭需要做好基本信息的管理工作，將基本信息保存在數字孿生系統中。集裝箱碼頭管理較為復雜，需要對碼頭狀況進行全面地掌握，建立完善的碼頭管理措施，提高碼頭的管理質量。通過基本信息管理，可以為集裝箱運輸過程提供依據，對貨物的裝載時間進行安排，使貨物能夠及時排入裝運計劃，對貨物實施有效的裝箱服務。

2 、集裝箱碼頭數字孿生系統架構設計

集裝箱碼頭數字孿生系統架構設計如下圖所示：

2.1物理層。物理層是實現控制指令的關鍵，物理層具有接收數字孿生系統指令的功能，由物理網層對指令進行傳輸，保障貨物運輸情況能夠充分地完成調配，使運輸設備得到有效地管理。在物理層的作用下，可以實現數據的采集，獲取集裝箱碼頭的相關數據信息。而且，通過物理層可以實現集裝箱碼頭的實時管理，有助于配送信息的合理規劃，處理好集裝箱與運輸設備的調配關系，使物理層能夠充分發揮作用[2]。

2.2 數據層。數據層是實現數字孿生系統數據處理的關鍵，需要合理對數據層進行搭建，形成完善的數據存儲環境。數據層的核心在于數據庫的搭建，本系統采用SQL Server 2019、Redis、MongoDB作為數據庫，可以對數據庫進行集成化管理，便于對數據結構進行展開設計，提高數據庫設計的準確性。

2.3 模型層。模型層需要基于數字孿生配送管理進行實現，需要對模型庫進行構建，保障管理服務形式能夠更好地執行，使集裝箱管理過程更加的形象。模型層有助于裝箱規劃過程的進行，需要通過路徑規劃算法進行實現，對模型的配送過程進行優化，進而建立穩定的裝箱規劃模型，使模型層能夠得到合理運用。

2.4 運維服務層。數字孿生系統需要運維服務層的支持，對功能服務進行集成化，使集裝箱碼頭具有完善的管理形式，提高運輸服務層對碼頭的控制效果。為了保證運輸服務層的功能實現，需要將物理層、數據層、模型層結合起來，提高碼頭運輸管理的可視化水平，提高運維服務信息的配置水平，保障配送數據的管理效果。

3 、集裝箱碼頭數字孿生系統模塊設計

3.1 數據接口模塊。數據接口模塊是實現數據導入的關鍵，需要為數字孿生系統提供數據傳輸的接口，使集裝箱碼頭數據能夠傳輸到系統中，提高數據的收集效率，為集裝箱的管理提供依據。數據接口模塊對碼頭信息具有較高要求，應保證信息獲取的全面性，使碼頭信息管理更加的可靠。作業計劃、集裝箱編號等信息需要通過數據接口模塊導入到數字孿生系統中，使孿生系統具有充分的基礎數據，使集裝箱管理計劃能夠順利地執行，提高集裝碼頭的管理效果。另外，監控系統會對現場畫面進行實時拍攝，將畫面信息通過數據接口模塊進行存儲，并且對集裝箱裝載情況進行判斷，使數據接口模塊得到有效地利用[3]。

3.2 數據存儲模塊。數字孿生系統需要具有數據存儲的功能，對集裝箱碼頭數據進行記錄，為數據的分析過程提供保證。數據存儲過程中，需要做好數據的分類處理，將同一類型數據信息存儲到相同的表中，這樣可以統一對數據進行管理，并且提高集裝箱碼頭數據的存儲效率。同時，需要做好數據來源的存儲工作，便于對數據來源進行跟蹤，使數據能夠得到充分地審查，確保數據來源的可靠性。

3.3 數據分析模塊。數據分析模塊主要對集裝箱碼頭數據進行處理，通過數據分析實現對裝載運輸設備的控制，使設備的操控更加的精準。數據分析模塊以數據庫中的數據作為分析依據，通過預先制定的算法對裝載運輸設備進行控制，進而實現集裝箱的穩定裝載。在數字孿生系統的作用下，可以對集裝箱數據進行準確檢測，將集裝箱的質量、規格等信息存儲在數據庫中，再由數據分析模塊實現數據的調用，這樣便可以實現裝載量的統計，提高集裝箱碼頭信息的處理效率。通過數據分析模塊可以對設備進行綜合利用，降低設備的空閑時間，使設備能夠全面投入到集裝箱碼頭搬運中，提高設備的工作效率。

3.4 三維圖像模塊。通過三維圖像模塊，可以構建集裝箱碼頭的三維模型，便于對碼頭狀況進行全面觀察，提高對碼頭貨物的處理效率，使真實場景得到有效地還原。在三維圖像模塊設計時，首先，需要做好取景工作，對集裝箱碼頭進行全面取景，包括岸橋、輪胎起重機、流動機械等，保障三維圖像模型中擁有碼頭的基本要素，使模型具有完整的碼頭外觀。其次，需要對模型的細節進行處理，在模型灰盒外進行貼圖，提高模型外觀與真實碼頭的相似度，使三維模型具有良好的質感，能夠更加真實地反映碼頭的實際裝載情況。最后，需要使運動構件更加的真實化，如起升、小車、吊具等，需要模擬真實的機械進行運動，以此來模擬設備的真實工作狀態，同時應注重運動狀態的同步顯示，使三維模型看起來更加的逼真[4]。

3.5 環境渲染模塊。僅僅通過三維圖像模塊無法反映出真實的視覺效果，還需要注重環境渲染模塊的應用，使模型能夠反映出周邊環境的變化情況，使數字孿生系統能夠更好地投入使用。在環境渲染模塊的作用下，可以呈現出天氣、光照、氣候等環境效果，使三維圖像的環境效果與集裝箱碼頭相符，提高模型的真實性，使模型能夠得到充分地利用。環境渲染需要與碼頭時間服務器同步，需要符合碼頭的真實景象信息，使環境渲染效果能夠得到有效生成。通過環境渲染模塊可以按照時刻對天色進行調節，能夠對集裝箱碼頭的天色狀態進行判斷，使碼頭能夠更好地投入使用。而且，可以通過天色的變化對照明設備進行控制，使集裝箱運輸過程能夠順利地進行，提高對碼頭環境的控制效果。另外，環境渲染模塊應與互聯網氣象信息相結合，將氣象信息（如晴天、下雨、大霧等）融入到三維圖像中，使數字孿生更加的真實。

3.6 畫面顯示模塊。通過畫面顯示模塊可以對集裝箱碼頭的三維圖像進行顯示，使畫面能夠呈現在工作人員面前，使碼頭運輸狀況能夠一目了然。為了對碼頭狀況進行全面顯示，需要合理對顯示屏進行布置，將多塊顯示屏拼接在一起，使碼頭畫面能夠得到全面地展現。通過畫面顯示模塊，可以對畫面的視角進行切換，便于從最佳視角對碼頭的作業情況進行觀察。工作人員可以通過鼠標對場景進行控制，如移動、旋轉、縮放等，使場景的觀察更加的到位，進而對場景中的細節進行判斷。另外，工作人員可以對畫面中的設備進行點擊，對設備的運行狀態進行觀察，保障設備能夠穩定地工作，使設備運行狀態更加的可靠。畫面顯示模塊是實現畫面控制的關鍵，需要保障畫面能夠穩定地工作，為工作人員提供不同的畫面視角，對集裝箱碼頭狀態進行全面掌控。

結論：

綜上所述，數字孿生在集裝箱碼頭管理中具有重要作用，需要對系統需求、構架及模塊設計進行分析，使數字孿生系統能夠得到合理設計，提高碼頭狀況的控制效果。數字孿生系統是提高碼頭運營管理的關鍵，有助于碼頭狀況的實時掌握，提高碼頭的管理效果，使碼頭能夠更好地投入使用，提高集裝箱運輸的效率。

引用出處

[1]鄧建新,衛世豐,石先蓮,等.基于數字孿生的配送管理系統研究[J].計算機集成制造系統,2021,27(02):585-604.

[2]吳強,竇亞君,杜學強,等.集裝箱碼頭電子沙盤系統設計[J].港口科技,2021(09):1-3+8.

[3]陳培,劉超,蔡黃河.基于Unity 3D的集裝箱碼頭數字孿生系統設計[J].港口科技,2021(07):8-10+42.

[4]聞佳華.集裝箱碼頭的數字孿生[J].起重運輸機械,2021(01):83-86.