集装箱码头的数字孪生

2022-05-12王庚雨刘世栋

中国储运 2022年5期

文/王庚雨刘世栋

引言：

数字孪生在集装箱码头中具有重要应用，有助于对码头的整体运营状况进行了解，对码头信息进行全面地构建，进而提高对集装箱码头的控制效果。

1 、集装箱码头数字孪生系统需求分析

1.1 智能装载布局。数字孪生系统需要具有自动装载的功能，能够根据订单任务对装载过程进行布局，提高装载管理的智能化水平，提高装载管理的质量。在装载过程中，应采用多元化的管理形式，以此来满足货物的配送需求，建立完善的获取供应条件。货物的装箱条件较为复杂，在装载过程中，需要合理地进行布局，对装载角度、体积等进行布置，建立完善的装载形式，保证集装箱装载的质量，提高集装箱的装载效果。在智能装载布局的作用下，可以提高集装箱的装载效率，使装箱布局得到有效调整[1]。

1.2 装载方案检测。为了确保配送方案的可行性，需要做好装载方案的检测工作，装载方案检测过程中需要进行如下考虑：一方面，需要考虑到效率因素，需要为货物装箱效率提供保证，对货物进行合理摆放，确保货物能够迅速完成装箱。另一方面，需要保证装载的安全性，构建完善的装载条件，同时做好货物重心的控制工作，防止集装箱运输过程中货物发生倾斜，导致货物发生损伤或箱体出现脱落的现象，影响集装箱运输的安全性。

1.3 配送路线规划。集装箱运输过程中，需要做好配送路线的规划工作，使运输路线能够得到合理规划，确保货物能够运输到指定的地点，提高货物的运输效率。一方面，需要做好装箱顺序的控制工作，避免货物之间发生混乱，使货物能够按照顺利运出码头，实现货物的快速装配。另一方面，需要对配送路线进行规划，缩短货物的运输时间，使货物能够得到全面地管理。

1.4 基本信息管理。集装箱码头需要做好基本信息的管理工作，将基本信息保存在数字孪生系统中。集装箱码头管理较为复杂，需要对码头状况进行全面地掌握，建立完善的码头管理措施，提高码头的管理质量。通过基本信息管理，可以为集装箱运输过程提供依据，对货物的装载时间进行安排，使货物能够及时排入装运计划，对货物实施有效的装箱服务。

2 、集装箱码头数字孪生系统架构设计

集装箱码头数字孪生系统架构设计如下图所示：

2.1物理层。物理层是实现控制指令的关键，物理层具有接收数字孪生系统指令的功能，由物理网层对指令进行传输，保障货物运输情况能够充分地完成调配，使运输设备得到有效地管理。在物理层的作用下，可以实现数据的采集，获取集装箱码头的相关数据信息。而且，通过物理层可以实现集装箱码头的实时管理，有助于配送信息的合理规划，处理好集装箱与运输设备的调配关系，使物理层能够充分发挥作用[2]。

2.2 数据层。数据层是实现数字孪生系统数据处理的关键，需要合理对数据层进行搭建，形成完善的数据存储环境。数据层的核心在于数据库的搭建，本系统采用SQL Server 2019、Redis、MongoDB作为数据库，可以对数据库进行集成化管理，便于对数据结构进行展开设计，提高数据库设计的准确性。

2.3 模型层。模型层需要基于数字孪生配送管理进行实现，需要对模型库进行构建，保障管理服务形式能够更好地执行，使集装箱管理过程更加的形象。模型层有助于装箱规划过程的进行，需要通过路径规划算法进行实现，对模型的配送过程进行优化，进而建立稳定的装箱规划模型，使模型层能够得到合理运用。

2.4 运维服务层。数字孪生系统需要运维服务层的支持，对功能服务进行集成化，使集装箱码头具有完善的管理形式，提高运输服务层对码头的控制效果。为了保证运输服务层的功能实现，需要将物理层、数据层、模型层结合起来，提高码头运输管理的可视化水平，提高运维服务信息的配置水平，保障配送数据的管理效果。

3 、集装箱码头数字孪生系统模块设计

3.1 数据接口模块。数据接口模块是实现数据导入的关键，需要为数字孪生系统提供数据传输的接口，使集装箱码头数据能够传输到系统中，提高数据的收集效率，为集装箱的管理提供依据。数据接口模块对码头信息具有较高要求，应保证信息获取的全面性，使码头信息管理更加的可靠。作业计划、集装箱编号等信息需要通过数据接口模块导入到数字孪生系统中，使孪生系统具有充分的基础数据，使集装箱管理计划能够顺利地执行，提高集装码头的管理效果。另外，监控系统会对现场画面进行实时拍摄，将画面信息通过数据接口模块进行存储，并且对集装箱装载情况进行判断，使数据接口模块得到有效地利用[3]。

3.2 数据存储模块。数字孪生系统需要具有数据存储的功能，对集装箱码头数据进行记录，为数据的分析过程提供保证。数据存储过程中，需要做好数据的分类处理，将同一类型数据信息存储到相同的表中，这样可以统一对数据进行管理，并且提高集装箱码头数据的存储效率。同时，需要做好数据来源的存储工作，便于对数据来源进行跟踪，使数据能够得到充分地审查，确保数据来源的可靠性。

3.3 数据分析模块。数据分析模块主要对集装箱码头数据进行处理，通过数据分析实现对装载运输设备的控制，使设备的操控更加的精准。数据分析模块以数据库中的数据作为分析依据，通过预先制定的算法对装载运输设备进行控制，进而实现集装箱的稳定装载。在数字孪生系统的作用下，可以对集装箱数据进行准确检测，将集装箱的质量、规格等信息存储在数据库中，再由数据分析模块实现数据的调用，这样便可以实现装载量的统计，提高集装箱码头信息的处理效率。通过数据分析模块可以对设备进行综合利用，降低设备的空闲时间，使设备能够全面投入到集装箱码头搬运中，提高设备的工作效率。

3.4 三维图像模块。通过三维图像模块，可以构建集装箱码头的三维模型，便于对码头状况进行全面观察，提高对码头货物的处理效率，使真实场景得到有效地还原。在三维图像模块设计时，首先，需要做好取景工作，对集装箱码头进行全面取景，包括岸桥、轮胎起重机、流动机械等，保障三维图像模型中拥有码头的基本要素，使模型具有完整的码头外观。其次，需要对模型的细节进行处理，在模型灰盒外进行贴图，提高模型外观与真实码头的相似度，使三维模型具有良好的质感，能够更加真实地反映码头的实际装载情况。最后，需要使运动构件更加的真实化，如起升、小车、吊具等，需要模拟真实的机械进行运动，以此来模拟设备的真实工作状态，同时应注重运动状态的同步显示，使三维模型看起来更加的逼真[4]。

3.5 环境渲染模块。仅仅通过三维图像模块无法反映出真实的视觉效果，还需要注重环境渲染模块的应用，使模型能够反映出周边环境的变化情况，使数字孪生系统能够更好地投入使用。在环境渲染模块的作用下，可以呈现出天气、光照、气候等环境效果，使三维图像的环境效果与集装箱码头相符，提高模型的真实性，使模型能够得到充分地利用。环境渲染需要与码头时间服务器同步，需要符合码头的真实景象信息，使环境渲染效果能够得到有效生成。通过环境渲染模块可以按照时刻对天色进行调节，能够对集装箱码头的天色状态进行判断，使码头能够更好地投入使用。而且，可以通过天色的变化对照明设备进行控制，使集装箱运输过程能够顺利地进行，提高对码头环境的控制效果。另外，环境渲染模块应与互联网气象信息相结合，将气象信息（如晴天、下雨、大雾等）融入到三维图像中，使数字孪生更加的真实。

3.6 画面显示模块。通过画面显示模块可以对集装箱码头的三维图像进行显示，使画面能够呈现在工作人员面前，使码头运输状况能够一目了然。为了对码头状况进行全面显示，需要合理对显示屏进行布置，将多块显示屏拼接在一起，使码头画面能够得到全面地展现。通过画面显示模块，可以对画面的视角进行切换，便于从最佳视角对码头的作业情况进行观察。工作人员可以通过鼠标对场景进行控制，如移动、旋转、缩放等，使场景的观察更加的到位，进而对场景中的细节进行判断。另外，工作人员可以对画面中的设备进行点击，对设备的运行状态进行观察，保障设备能够稳定地工作，使设备运行状态更加的可靠。画面显示模块是实现画面控制的关键，需要保障画面能够稳定地工作，为工作人员提供不同的画面视角，对集装箱码头状态进行全面掌控。