自動化岸橋遠程操作智能模擬系統設計與實現

張躍 黃森海 彭恒 張果達 王業海 賈衛杰 張鈺潔 宓超

港機操作人員培訓是港口作業正常開展的重要基礎。傳統的港機操作人員培訓方式以實機操作訓練為主，存在耗時較長、受天氣影響較大、容易引發安全事故[1]和人力物力成本較高[2]等缺點，目前已逐漸被模擬操作訓練與實機操作訓練相結合的培訓方式所取代。隨著集裝箱岸橋（以下簡稱“岸橋”）作業全面進入遠程自動化時代[3]，岸橋操作逐漸由現場操作轉變為遠程操作;但現有岸橋操作模擬器仍然采用岸橋司機室操作模擬形式[4-5]，與真實場景下的自動化岸橋遠程操作存在較大差異[6]，難以滿足自動化岸橋遠程操作培訓需求。為此，本文設計并實現自動化岸橋遠程操作智能模擬系統，在不改變現有自動化岸橋控制系統硬件的條件下，將智能模擬系統軟件嵌入遠程操作臺，通過打通智能模擬系統與自動化岸橋控制系統之間的數據鏈路，實現自動化岸橋的真實操作與模擬操作一鍵切換，從而不僅最大程度地在線還原自動化岸橋操作真實場景，滿足實機操作訓練需求，而且達到閑時培訓、忙時作業的效果。

1 自動化岸橋遠程操作智能模擬系統設計方案

1.1 系統架構

自動化岸橋遠程操作智能模擬系統結合三維虛擬現實、數字化信息處理、機器視覺、軟件工程、傳感器、自動化控制和無線通信等技術，在借鑒現有岸橋操作模擬器技術的基礎上，搭建與自動化岸橋通信的數據傳輸模塊，并基于人工智能算法，通過集成大量虛擬傳感器，實現對自動化岸橋操作數據的實時監控仿真，從而解決現有岸橋操作模擬器存在的操作數據真實性不足的問題。如圖1所示，自動化岸橋遠程操作智能模擬系統主要由遠程操作臺、可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）控制系統和港機控制器組成，其中：遠程操作臺作為信號輸入端，提供手柄、按鈕和觸摸屏等控制信號，并采用6通道軟件無縫拼接技術，實現與實機操作相同的視景屏幕顯示（見圖2）;PLC控制系統采集到控制信號后，按照內部程序邏輯生成對應的機構驅動信號，并輸出至港機控制器;港機控制器包括虛擬岸橋模擬控制器和真實岸橋自動化控制器，兩種控制器分別基于面向過程控制的對象鏈接與嵌入（object linking and embedding for process control，OPC）統一架構通信協議和PLC控制總線通信協議，實現與PLC之間的雙向通信，從而既能接收來自PLC的機構驅動信號，又能將虛擬岸橋或真實岸橋的狀態和故障信號反饋給PLC，并且兩種控制器可一鍵切換，從而滿足自動化岸橋遠程操作培訓考核需求和實際作業需求。

1.2 系統原理

自動化岸橋遠程操作智能模擬系統沿用岸橋實際作業使用的遠程操作臺，通過讀取手柄和觸摸屏信號控制岸橋作業，從而為操作人員提供高保真、高還原度的自動化岸橋遠程操作體驗。

收到手柄信號后，岸橋模型產生相應運動，虛擬傳感器將感知到的岸橋模型位置等參數信息發送至外部PLC控制系統。模擬器采用安川PLC控制系統，并通過KEPServerEX OPC軟件采集控制信號。輸入信號通過編碼器返回運行信息后，模擬器通過以太網獲取信息并展示小車移動速度、吊具起升高度等實時工況。

遠程起重機監控系統可對采集到的真實作業數據進行優化計算和集中顯示。模擬器集成多種虛擬傳感器，通過對獲取的數據進行仿真擬合，模擬數據動態趨勢，從而提高模擬器對實機操作的還原度。此外，通過監控模擬數據，可以整合分析操作人員的培訓數據，據此調整培訓方案。

自動化岸橋遠程操作智能模擬系統參考真實的碼頭作業場景，利用三維建模軟件顯示三維視景，等比例還原現場作業情況。此外，系統擁有完備的三維場景數據庫，并搭建模型資源子系統，從而滿足多種規格集裝箱裝卸操作培訓需求。

2 自動化岸橋遠程操作智能模擬系統基本功能

自動化岸橋遠程操作智能模擬系統功能模塊包括模型物理引擎模塊、模型運動控制模塊和遠程起重機監控系統數據管理模塊（見圖3）。

（1）模型物理引擎模塊 自動化岸橋遠程操作智能模擬系統采用實景三維仿真模型，根據碼頭多尺度、多模態時空數據進行實體化建模。在構建岸橋和集裝箱船舶等運動模型時，按照剛體系統力學原理高度還原實際工況，基于真實世界中的岸橋運動規則確定參數，包括大車和小車質量、集裝箱質量、運動機構摩擦力和各組件碰撞反應等，并通過高精度物理引擎呈現岸橋裝卸作業過程中的大車和小車移動、吊具起升和變幅等運動（見圖4）。

（2）模型運動控制模塊 模型運動控制模塊的主要作用是還原自動化岸橋裝卸作業流程和相關運動機構的動作細節。在運動機構執行操作命令的過程中，PLC將點位數據通過OPC統一架構發送至系統，系統根據讀取數據對機構實施運動控制，實現大車運動、小車運動以及集卡駛入、駛離等（見圖5）。

（3）遠程起重機監控系統數據管理模塊 自動化岸橋遠程操作智能模擬系統完整還原真實岸橋遠程操作所用的遠程起重機監控系統，并通過構建遠程起重機監控系統數據管理模塊，實現虛擬岸橋作業數據的可視化。該模塊具備碼頭操作系統指令管理、虛擬岸橋傳感器狀態檢測、虛擬岸橋故障報警等功能，可對岸橋狀態實施在線編程、遠程監控和故障診斷。

3 自動化岸橋遠程操作智能模擬系統運行效果

從自動化岸橋遠程操作智能模擬系統在寧波舟山港穿山港區集裝箱碼頭的實際應用情況來看：該系統能夠實現自動化岸橋模擬操作功能與實機操作功能的一鍵快速切換（見圖6），達到閑時培訓、忙時作業的效果，具有模擬效果和操作體驗真實、改造成本和運行成本較低等優點。

參考文獻：

[1] 鐘瑞博. 集裝箱岸橋困難裝卸作業及其安全防控[J]. 集裝箱化，2010，21（9）：20-23.

[2] 潘洋，梁承姬，鄭惠強. 基于人因的集裝箱岸橋安全操作分析[J]. 中國安全科學學報，2012，22（10）：65-71. DOI： 10. 16265/j.cnki.issn1003-3033.2012.10.006.

[3] 姚保良. 內貿碼頭常規岸橋遠程操控技術實踐與探索[J]. 中國新技術新產品，2021（11）：30-32. DOI：10.13612/j.cnki. cntp.2021.11.010.

[4] 馬喬林. 大屏幕集裝箱裝卸橋操作模擬器的研制[J]. 起重運輸機械，2008（4）：4-7.

[5] 天津港有限公司，交通運輸部天津水運工程科學研究院. 裝卸機械駕駛培訓模擬裝置應用[J]. 交通節能與環保，2014，10（4）：6-12.

[6] 劉善平. 港口起重機械仿真訓練模擬器的研究與應用[J]. 中國水運（下半月），2018，18（10）：112-114.

（編輯：張敏 收稿日期：2022-06-03）