自動化集裝箱碼頭數字孿生系統設計研究

楊 榮 寧為玉 張 煜 徐 揚

1天津港第二集裝箱碼頭有限公司 天津 300450 2武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430063 3武漢理工大學韶關研究院 韶關 512100

0 引言

為不斷提高自動化集裝箱碼頭裝卸效率，在硬件建設方面，各類裝卸設備的自動化水平逐步提高；在軟件方面，各種新型數據集成及管理的應用也必不可少，其中數字孿生技術在港口中的應用有助于實現港口管控一張圖[1]。自動化集裝箱碼頭數字孿生系統包括虛擬碼頭在線仿真、真實碼頭實時控制、孿生數據融合、現實系統測試驗證4部分，可實現對真實碼頭的遠程操控，不僅表現在碼頭各種設施、設備及作業的數據采集，還體現在數據的加工、處理及分析，最終實現決策支持、通過孿生碼頭控制真實碼頭的目的。

近年來，國內外學者對于數字孿生碼頭的相關研究逐漸增多，Szpytko J等[2]構建了岸邊集裝箱起重機的數字孿生模型，并通過粒子群優化算法，提高了岸邊集裝箱起重機的作業效率；Yuan J等[3]研究了基于數字孿生技術的碼頭系統及評估方法，該方法實現了碼頭功能完整性等相關仿真測試，能夠降低真實測試成本；張氫等[4]提出了基于VTK可視化引擎技術的港口起重機數字孿生系統，實現了岸邊集裝箱起重機動力學特征的實時映射；魏世橋等[5]提出了客貨滾裝港口數字孿生系統，實現了安檢計重、船舶配載和票務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字孿生系統，能夠反映真實碼頭所有數據信息，為管理人員遠程提供碼頭實時運營情況。以上研究大都涉及碼頭單設備的數字孿生或側重碼頭數據的實時反饋，對數據處理、分析及應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據感知、數據存儲、數據服務、數據應用和可視化展示于一體的自動化集裝箱碼頭數字孿生系統。該數字孿生系統對真實碼頭中各裝卸設備，如岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）、人工智能運輸機器人（Artificial Intelligence Robot of Transportation，ART）、自動化軌道式起重機（Automated Rail Mounted Gantry Crane，ARMG）、外集卡以及其他設施進行實時定位、監控、數據采集，利用大數據分析和商務智能（Business Intelligence，BI）分析，找出影響碼頭運行效率的關鍵并提供相關決策支持，通過可視化建模與圖像處理等，實現碼頭管控一體化處理及展示。

1 自動化集裝箱碼頭作業流程

為了更好地說明自動化碼頭數字孿生系統的設計，應對自動化碼頭作業流程有所了解。如圖1所示碼頭布局，以進口箱為例說明自動化集裝箱碼頭作業流程，首先是海側作業：1）船舶到達目標泊位，岸橋進行卸船作業，將集裝箱裝載到ART上；2）ART將集裝箱運輸至堆場中指定卸貨位；3）ARMG將集裝箱放在指定箱位。其次是陸側作業流程：1）外集卡通過進港閘口進入碼頭，行駛至堆場內目標集裝箱的所在箱位；2）ARMG將集裝箱運輸到外集卡上；3）外集卡駛出堆場，經出港閘口駛離碼頭。

圖1 自動化集裝箱碼頭布局圖

2 數字孿生系統設計

2.1 系統整體框架

如圖2所示，自動化集裝箱碼頭數字孿生系統由數據感知模塊、數據接入模塊、數據存儲模塊、數據服務模塊、數據應用模塊和系統展示模塊等組成。

圖2 數字孿生系統整體框架

2.2 各模塊功能及關系

1）數據感知模塊

數據感知模塊即數據源與自動化集裝箱碼頭的工控網（ECS系統）數據接口、核心系統數據接口、輔助系統數據接口等進行對接，收集碼頭內所有設備的實時運行數據和所有作業相關的信息，并將這些數據信息傳輸至數據接入模塊。其中，核心系統包括碼頭管理系統（TOS）、水平運輸系統、智能閘口系統、智能理貨系統、冷藏箱管理系統等；輔助系統包括智能樓宇系統、能源管控系統、清潔能源系統、綜合管控系統、視頻監控系統等。

如圖3所示，工控網（ECS系統）負責收集岸橋、ARMG及ART的實時數據。岸橋與ARMG通過設備自身的可編程邏輯控制器（PLC）收集位置和作業狀態信息，利用外部起重機控制器（External Crane Controller，XCC）數據接口傳輸至各設備對應的遠控臺，各遠控臺將數據輸送至OPC server服務器，進一步通過物聯網（Internet of Things，IOT）邊緣計算模塊將數據傳送至數據感知模塊；ART則通過自身數據傳輸中間件將數據發送至數據感知模塊。同時，岸橋與ARMG的遠控臺會將數據傳輸至各自的外部作業調度器（External Job Dispatcher，XJD）數據采集控制模塊，碼頭管理系統（TOS）可通過XJD數據采集控制模塊對岸橋和ARMG進行實時調度；ART將數據傳輸至MQTT服務器，水平運輸系統可通過MQTT服務器對ART進行實時調度。

圖3 工控網架構圖

2）數據接入模塊

數據接入模塊提取數據感知模塊發來的數據，并接入數字孿生系統，同時將數據傳輸至數據存儲模塊進行存儲、備份。

3）數據服務模塊

數據服務模塊提供各種數據服務：①數據規劃服務，依據數字孿生系統內數據的來源與用途對其進行分類管理；②數據安全保障服務，根據數據的安全管理等級對數據進行監控與安全加固；③數據統計服務，依據碼頭管理的需要進行相關指標的計算（如各設備的作業效率、泊位利用率、閘口直通率、在場箱數量統計、堆存期統計等）；統計的指標數據會反饋給數據存儲模塊進行歸檔，同時傳輸至數據應用模塊便于其進行數據分析。

4）數據應用模塊

數據應用模塊負責將存儲的數據進行大數據分析和BI分析。大數據分析主要針對岸橋、ARMG、ART及船舶的作業效率與作業能耗進行分析；BI分析主要針對業務系統訂單、設備信息、交易賬目及客戶信息等現有數據進行盈利分析、風險評估、客戶關系管理及信用等級評定等，提供相關決策支持，實現智慧經營。

5）系統展示模塊

圖4為系統展示模塊的結構圖，該模塊負責將數據感知模塊采集的數據同步至數字模型，利用圖形工作站進行圖像的靜態、動態、三維動畫和可視化等處理（圖5為岸橋三維模型）。

圖4 系統展示模塊結構圖

圖5 岸橋三維模型

圖像融合器用來融合碼頭實景圖像，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，實現整個碼頭的可視化，圖6為自動化碼頭數字孿生系統可視化界面。

圖6 自動化集裝箱碼頭數字孿生系統可視化界面

3 數字孿生碼頭智慧決策

由于人工決策需要一定的時間，而碼頭內作業情況實時動態變化。因此，決策必須具有時效性，數字孿生技術在自動化集裝箱碼頭中的應用能根據碼頭實時運轉情況迅速提供智慧決策。如圖7所示，自動化碼頭數字孿生系統可顯示車輛數據、生產數據、業務數據、設施管理等信息，并提供相關決策支持，這些智慧決策包括進/出港作業管控、生產操作和設備管理等。

圖7 自動化集裝箱碼頭數字孿生系統數據統計界面

3.1 進/出港作業管控

外集卡到港時間具有不確定性，不能提前精準規劃外集卡作業計劃表，為提高外集卡作業效率，數字孿生系統可通過監控系統實時監測碼頭內外集卡的出入信息（見圖8），結合預約管理系統進行智能交通管理，預測交通高峰期，并在出現堵塞后及時提供疏解方案。當外集卡進入碼頭到達進港閘口處時，孿生系統根據預約信息判斷是否放行，并依據當前碼頭內交通狀況和ARMG繁忙程度規劃出合理的路徑發送至預約系統，進而反饋給外集卡司機。當外集卡完成作業出港時，在出港閘口處變更業務完成狀態。

圖8 數字孿生系統出入管控界面

3.2 生產操作

生產操作相關的智慧決策主要包含泊位計劃、堆場管理、智能閘口及各裝卸設備的調度等。

1）智能泊位計劃通過對船舶歷史吞吐量、泊位利用率、各設備作業效率等數據分析并生成智能泊位計劃，結合實時在港船舶信息及碼頭內部其他作業環節的繁忙程度實時調整泊位計劃，比人工泊位計劃提高了準確性、實時性及合理性。

2）堆場管理主要針對集裝箱存儲位置提供決策，數字孿生系統結合集裝箱存儲要求和場存實際分布等，合理安排集裝箱箱位，減少翻倒箱次數。

3）智能閘口用于協調堆場內ART與外集卡在交叉口處的通行，孿生系統對交叉口進行實時監測，調控閘口開關，保證ART優先通行。

4）各裝卸設備的調度方案包含對岸橋、ARMG、ART及外集卡的調度，利用這些設備的實時位置、作業情況等信息，TOS系統和水平運輸系統向孿生系統提供合理調度方案，孿生系統對這些方案進行評估、完善后，下達至各操作設備執行。

3.3 設備管理

如圖9所示，設備管理主要包括各種操作設備的故障預測、隱患排查和應急處理等。通過對各操作設備運行時長、當前運行狀態、歷史故障信息和碼頭異常信息的綜合分析，預測各操作設備發生故障的可能性，及時進行檢修。若出現隱患，系統會根據隱患類別并結合實際情況，出具一套解決方案供工作人員參考。

圖9 數字孿生系統隱患排查與告警事件

4 總結

本文通過對自動化集裝箱碼頭作業流程分析，提出了一種自動化集裝箱碼頭數字孿生系統的設計框架，闡述了各模塊之間的關系及功能，最后給出該系統能夠提供的主要智慧決策。本文提出的數字孿生系統能夠將碼頭所有作業相關信息同步至孿生碼頭，可以根據碼頭實時運轉情況迅速產生合理的決策方案，提高了碼頭可視化程度，實現了遠程操控真實碼頭的目標，極大地提高了碼頭作業效率。