自动化岸边集装箱起重机模拟操作系统设计

黄志伟

作为码头前沿的关键装卸设备，岸边集装箱起重机（以下简称“岸桥”）的装卸效率在一定程度上决定着集装箱码头的装卸效率。随着自动化集装箱码头建设在世界各地蓬勃兴起，自动化岸桥广泛应用于新建自动化集装箱码头。自动化岸桥应用于新建码头可能存在以下问题：一是岸桥司机和设备工程师对自动化岸桥不熟悉，需要实操培训后才能上岗，从而在无形中导致码头运营成本上升;二是自动化岸桥作业采用远程操作模式，不正确的操作流程和方法不仅会降低码头作业效率，而且存在极大的安全隐患。为了避免在应用自动化岸桥的过程中出现上述问题，鹿特丹港MV2自动化集装箱码头、丹吉尔港TM2自动化集装箱码头、上海港洋山深水港区四期自动化集装箱码头等均向岸桥设备生产商采购自动化岸桥模拟操作系统。

1 自动化岸桥模拟操作系统架构

1.1 硬件架构

1.1.1 远程操作台

自动化岸桥模拟操作系统配备的远程操作台（见图1）与码头中控室远程操作台规格相同，由6台显示器、1块触摸屏和远程操作面板组成，其中：5台显示器用于模拟显示摄像头拍摄的岸桥现场作业画面;1台显示器用于显示DataView软件界面，内容包括岸桥各机构状态信息、岸桥故障信息、岸桥

指令信息和船型扫描画面等;触摸屏用于显示更为精确和详细的岸桥各机构状态信息和部分自动化流程界面等，可提供不同的画面选项;远程操作面板配置相应的手柄、按钮、旋钮和指示灯等，与码头中控室远程操作台的远程操作面板完全相同。远程操作台有升降功能，操作人员可根据需要调节其高度。

1.1.2 讲师台

讲师台可通过配置相应的参数完成以下操作：（1）设置自动化岸桥作业场景、外部操作环境（如天气、光照等）、故障触发条件等;（2）实现与可编程逻辑控制器之间数据交互、闭路电视监控系统画面显示和存储、各子系统之间通信搭建以及数据库存储和交互等;（3）启动模拟仿真测试;（4）对学员测试评分。

1.1.3 服务器机群

服务器机群主要包含以下服务器：（1）岸桥远程操作视频图像服务器，主要用于從不同视角呈现通过三维建模生成的岸桥现场作业画面，能够模拟岸桥上20多个摄像头拍摄的岸桥现场作业画面，并根据需要调用和呈现在远程操作台的5台显示器上;（2）模拟器工作站，主要用于生成岸桥作业场景，不仅能够根据码头基建图纸模拟自动化集装箱码头作业现场、集装箱船舶、水平运输设备等，而且能够根据用户需要模拟雨天、雾天、夜间等场景;（3）码头操作系统模拟器及数据库服务器，能够根据真实的码头操作系统接口和功能，模拟码头操作系统生成作业任务、发送自动化指令等功能，并通过数据库与岸桥管理系统等实现数据交互。自动化岸桥模拟操作系统服务器机群架构如图2所示。

1.2 软件架构

自动化岸桥模拟操作系统软件架构（见图3）包含：（1）作业计划层软件，主要为码头操作系统模拟器，用于生成自动化指令;（2）设备管理层软件，主要为岸桥管理系统，用于分解自动化指令;（3）执行层软件，主要包括自动化岸桥控制系统和可编程逻辑控制器等工程软件，用于实现岸桥作业自动化;（4）场景模拟软件，用于生成岸桥、码头、船舶等三维模拟图像及渲染环境和天气等;（5）显示软件，主要包括DataView数据视图软件和评分系统显示软件等。基于上述软件架构，自动化岸桥模拟操作系统不仅能够模拟自动化岸桥操作流程，而且能够模拟风速、潮汐、吊具倾回转等因素对岸桥操作的影响，从而实现仿真环境下的岸桥司机实操培训和自动化岸桥控制软件仿真测试。

2 自动化岸桥模拟操作系统流程

2.1 设置场景和作业类型

管理员可通过场景配置模块来设置场景，可供设置的项目包括：（1）待作业船舶类型，如常规驳船、巴拿马型集装箱船舶等;（2）待作业集装箱参数，如集装箱积载层数、集装箱规格、集装箱载货情况（超重或偏载）、集装箱积载位置、集装箱装卸位置等;（3）水平运输设备，如集卡、自动导引车等。

学员可选择岸桥作业类型，可供选择的作业类型包括装船作业或卸船作业、甲板作业或舱内作业、按层递进作业或挖坑式作业等。岸桥模拟操作工况和流程均与实际操作相同。

2.2 启动岸桥模拟作业

岸桥模拟作业启动后，码头操作系统模拟器基于船舶配积载信息生成相应的作业任务，并将这些作业任务暂存在数据库中，其中包含集装箱的起始位置、终点位置、箱型、箱号等信息。码头操作系统模拟器将作业任务发送至岸桥管理系统，岸桥管理系统将作业任务分解为自动化指令，并将自动化指令逐条发送至自动化岸桥控制系统，通过学员的操作，最终由可编程逻辑控制器软件控制岸桥各机构执行相应指令。在此过程中，自动化岸桥模拟操作系统通过远程操作台上的显示器呈现岸桥模拟作业场景及光照、阴影、雾气和雨滴等模拟作业环境，从而为学员带来逼真的自动化岸桥操作体验。

2.3 模拟仿真测试及实操培训评分

（1）模拟仿真测试 由于自动化岸桥模拟操作系统在软件架构上与真机完全一致，在真机软件更新前，可利用自动化岸桥模拟操作系统对岸桥管理系统程序、自动化岸桥控制系统程序和可编程逻辑控制器程序等实施模拟仿真测试，从而避免因真机软件更新测试而造成码头生产延误，并减少软件更新可能带来的安全隐患。

（2）实操培训评分 学员按要求完成岸桥模拟操作后，自动化岸桥模拟操作系统根据学员的表现，针对碰撞、误操作和低效率等问题扣减相应分数，最终得出实操培训成绩和相应的分析曲线。学员的实操培训成绩全部保存在系统中，并生成学员个人培训效果图，从而便于从横向和纵向对学员培训效果进行比较和总结，有利于提高培训效率。

3 结束语

自动化岸桥模拟操作系统基于三维建模和模拟仿真技术，结合实际应用的自动化岸桥控制软件，通过模拟岸桥作业场景和各种工况，为岸桥司机实操培训和相关软件测试提供高度还原现实场景的模拟操作环境，有利于提高岸桥司机培训效率和相关软件更新迭代效率，降低岸桥司机培训成本和软件更新测试成本，减少软件更新可能带来的安全隐患，具有较好的应用效果和较高的应用价值。

（编辑：张敏 收稿日期：2021-02-12）