集装箱码头的数字孪生

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

0 引言

随着港口集装箱起重机自动化及远程控制技术的日趋成熟，国内外各大港口集团筹建全新远程自动化码头或将现有码头设备改造成远程自动化码头的热潮也是愈演愈烈。对于远程自动化码头而言，所有现场的码头岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)及堆场装卸起重机(以下简称场桥)都将由在距现场几公里外的远程办公室内的司机来操控，这就意味着码头的设备作业及运营管理都集中到了远程办公室端。于是，集装箱码头的数字孪生应运而生，其融合了TOS 码头管理系统、RCMS起重机管理系统、堆场CCTV 监控系统、流动机械定位、实时气象预报、人员实时定位等信息，将真实的码头运营情况以三维图像的形式完完整整地呈现在虚拟世界中，从而让码头管理人员能够更方便快捷地获知码头当前的整体运营情况。

1 系统整体架构

集装箱码头数字孪生主要由计算机软件开发完成，并由数据接口、数据存储、数据分析、三维图像模型、环境渲染、画面显示等模块组成。软件架构见图1。

图1 系统整体架构图

1）数据接口模块主要负责与其他各系统对接，收集所有码头内的设备信息、集装箱信息、水平运输机械信息等等，并将所有数据转移到数据存储模块进行储存。

2）数据存储模块主要负责所采数据的存储及转发，是整套系统的数据基础，最终可视化图像中的数据来源均是从数据存储模块中调用。

3）数据分析模块主要负责将所采集的起重机设备信息做一些必要的统计分析，并将结果传回数据存储模块进行存储。

4）三维图像模型主要负责码头内所有物体的物理模型构建，大到起重机、楼宇，小到工作人员、路标。

5）环境渲染模块主要负责码头虚拟场景中的视觉特效，比如气候、光照等。

6）画面显示模块主要负责整个数字孪生的可视化呈现，最终投放到指定的人机界面上。

2 数据接口模块

利用现有的标准协议或开发特定的接口协议可实现接口模块和所有系统之间的数据对接，从而将所需信息得以收集。

1）与TOS 码头管理系统对接可获得作业计划、作业任务列表、堆场内集装箱分布、集装箱箱号等信息。

2）与起重机管理系统对接可获得起重机实时作业信息，如起升、小车、大车等主要机构的实时位置、运行速度，吊具空载/带载情况，集装箱尺寸、实际质量，风速，设备的实时故障，操作员工作ID 等。

3）与堆场CCTV 监控系统对接可实现调用所有堆场内监控摄像机的实时拍摄画面或是历史回放画面。

4）与GPS 定位系统对接可获得流动机械、水平运输机械的实时位置及码头工作人员穿戴设备的实时位置。

5）与网络管理软件对接可获得码头网络的实时流量、链路故障、无线覆盖区域、网络攻击报警等信息。

6）与时间服务器对接可获知当地时区和时刻。

3 数据存储模块

数据存储模块利用数据库管理软件（SQL Server）将上述接口模块所采集的所有数据进行存储，并将所有数据根据采集的渠道或用途进行分类管理。此外，数据存储模块也是数据分析模块的数据来源，经过分析模块处理后的统计数据结果会返回给存储模块进行存储归档。数据存储模块是整个数字孪生系统的数据来源，最终可视化图像中的原始数据或是统计分析数据均是从该模块中进行调用读取。

4 数据分析模块

布置于远端中央的数据分析模块会将数据库中采集到的起重机作业数据通过预先制定的算法逻辑进行数据统计及分析处理，从而有助于码头管理人员对设备的效率、故障率、产量等关键指标有一个清晰的认识。同时，处理后的数据仍会回馈给数据存储模块进行存储归档。

所分析的数据内容可根据码头用户的关注点来定制，包括但不限于：起重机操作员日度/月度/年度产量统计；起重机操作员平均装箱/卸箱用时及每小时效率；起重机月度/年度产量统计；岸边集装箱起重机等待陆侧水平运输机械用时统计；起重机操作员手动介入操作的用时统计；起重机的故障总数、故障频率、相邻故障间的有效作业箱数（MMBF，Mean Moves Between Failure）；起重机非计划内的停机时间统计；起重机主要机构运行时间统计；当前船舶作业用时统计等。

5 三维图像模型

三维图像模块所构建的物理模型主要包括集装箱码头、起重机、水平运输机械、集装箱等部分。其中，集装箱码头的物理模型包含岸线、堆场、闸口、楼宇、路标、灯塔、围栏等；起重机模型包括岸桥、轮胎起重机或轨道起重机、流动机械等；水平运输机械模型包括集卡、自动引导小车AGV（Automated Guided Vehicle）等。

根据码头的二维平面图纸，可构建1:1 尺寸的码头三维模型，并配合现场实地取景采照，可收集到所有码头内细节信息。在模型灰盒外，进行外观贴图和材质调配。在环境渲染系统中，即可显示出与真实极其接近的外观质感效果。

图2 港口三维模型

根据起重机或水平运输机械的机械设计图纸，可搭建1:1 尺寸的模型，同样在模型灰盒外，进行外观贴图和材质调配。在环境渲染模块中，可展示出逼真的外观质感效果。

不仅如此，起重机模型中的各大运动机构，如起升、小车、大车、俯仰、吊具等均与真实机器一样可以活动。在模型接收到起重机管理系统传输过来的实时数据（譬如起升速度、吊具尺寸、开闭锁状态、大车位置等）后，模型即可进行同步图像呈现。

图3 岸桥三维模型

6 环境渲染模块

仅仅拥有以上物理模型还不能呈现逼真的视觉效果，系统必须拥有环节渲染模块，用以呈现天色、光照、气候等环境效果。

与码头时间服务器进行时间同步后，环境渲染模块可获知码头当地的时刻信息，进而可以调整天色，如早上蓝天，傍晚夕阳，还可根据时刻调整太阳的位置，得到不同角度的光照效果。

图4 光照渲染

与互联网气象信息同步后，环境渲染模块可获知码头当地的实时气候信息（如晴天、多云、下雨、大雪、大雾、大风等），从而可以调用系统内部预设的环境特效，叠加进整个虚拟场景中，使数字孪生更贴近真实。

图5 雾雨天气

7 画面显示模块

模型及虚拟场景构建完成后，系统将生成可视化图像传送给画面显示模块，该可视化图像将实现图像和文字的叠加，使码头运营信息一目了然。为达到理想的可视化效果，画面显示模块通常采用多显示屏布置方案，拼接屏或曲面屏两可。通常默认显示码头的经典视角，可以从海侧向陆侧观察所有岸桥装卸情况，或从陆侧向海侧的观察场桥的作业情况。用户视角可使用鼠标在场景中进行自由的移动、旋转、缩放等操作，以方便观看更多细节信息。同时，用户也可以双击选择场景中的某个设备，如岸桥、轨道起重机，或某个CCTV 摄像机，可以查看该设备的当前运行情况或所拍摄的实时画面。

图6 画面分布显示

8 结束语

集装箱码头的数字孪生为码头的日常运营管理工作提供了一站式的解决方案，让码头传统的管理方式得以改变，可有效提升码头运营管理效率。将来，该系统拓展移动端应用后，远程办公将变得可能，码头管理人员可随时随地掌握码头实时的运营情况，极大程度减小遇到应急情况的响应时间，从而大幅提升工作的时效性，为集装箱码头的高效可靠运营提供了强有力的保障。