自动化集装箱码头数字孪生系统设计研究

杨 荣 宁为玉 张 煜 徐 扬

1天津港第二集装箱码头有限公司 天津 300450 2武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063 3武汉理工大学韶关研究院 韶关 512100

0 引言

为不断提高自动化集装箱码头装卸效率，在硬件建设方面，各类装卸设备的自动化水平逐步提高；在软件方面，各种新型数据集成及管理的应用也必不可少，其中数字孪生技术在港口中的应用有助于实现港口管控一张图[1]。自动化集装箱码头数字孪生系统包括虚拟码头在线仿真、真实码头实时控制、孪生数据融合、现实系统测试验证4部分，可实现对真实码头的远程操控，不仅表现在码头各种设施、设备及作业的数据采集，还体现在数据的加工、处理及分析，最终实现决策支持、通过孪生码头控制真实码头的目的。

近年来，国内外学者对于数字孪生码头的相关研究逐渐增多，Szpytko J等[2]构建了岸边集装箱起重机的数字孪生模型，并通过粒子群优化算法，提高了岸边集装箱起重机的作业效率；Yuan J等[3]研究了基于数字孪生技术的码头系统及评估方法，该方法实现了码头功能完整性等相关仿真测试，能够降低真实测试成本；张氢等[4]提出了基于VTK可视化引擎技术的港口起重机数字孪生系统，实现了岸边集装箱起重机动力学特征的实时映射；魏世桥等[5]提出了客货滚装港口数字孪生系统，实现了安检计重、船舶配载和票务的三位一体智能管控；闻佳华[6]提出了一种集装箱码头的数字孪生系统，能够反映真实码头所有数据信息，为管理人员远程提供码头实时运营情况。以上研究大都涉及码头单设备的数字孪生或侧重码头数据的实时反馈，对数据处理、分析及应用方面研究不够深入，并未直接为管理者提供决策支持。

本文提出了一种集数据感知、数据存储、数据服务、数据应用和可视化展示于一体的自动化集装箱码头数字孪生系统。该数字孪生系统对真实码头中各装卸设备，如岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）、人工智能运输机器人（Artificial Intelligence Robot of Transportation，ART）、自动化轨道式起重机（Automated Rail Mounted Gantry Crane，ARMG）、外集卡以及其他设施进行实时定位、监控、数据采集，利用大数据分析和商务智能（Business Intelligence，BI）分析，找出影响码头运行效率的关键并提供相关决策支持，通过可视化建模与图像处理等，实现码头管控一体化处理及展示。

1 自动化集装箱码头作业流程

为了更好地说明自动化码头数字孪生系统的设计，应对自动化码头作业流程有所了解。如图1所示码头布局，以进口箱为例说明自动化集装箱码头作业流程，首先是海侧作业：1）船舶到达目标泊位，岸桥进行卸船作业，将集装箱装载到ART上；2）ART将集装箱运输至堆场中指定卸货位；3）ARMG将集装箱放在指定箱位。其次是陆侧作业流程：1）外集卡通过进港闸口进入码头，行驶至堆场内目标集装箱的所在箱位；2）ARMG将集装箱运输到外集卡上；3）外集卡驶出堆场，经出港闸口驶离码头。

图1 自动化集装箱码头布局图

2 数字孪生系统设计

2.1 系统整体框架

如图2所示，自动化集装箱码头数字孪生系统由数据感知模块、数据接入模块、数据存储模块、数据服务模块、数据应用模块和系统展示模块等组成。

图2 数字孪生系统整体框架

2.2 各模块功能及关系

1）数据感知模块

数据感知模块即数据源与自动化集装箱码头的工控网（ECS系统）数据接口、核心系统数据接口、辅助系统数据接口等进行对接，收集码头内所有设备的实时运行数据和所有作业相关的信息，并将这些数据信息传输至数据接入模块。其中，核心系统包括码头管理系统（TOS）、水平运输系统、智能闸口系统、智能理货系统、冷藏箱管理系统等；辅助系统包括智能楼宇系统、能源管控系统、清洁能源系统、综合管控系统、视频监控系统等。

如图3所示，工控网（ECS系统）负责收集岸桥、ARMG及ART的实时数据。岸桥与ARMG通过设备自身的可编程逻辑控制器（PLC）收集位置和作业状态信息，利用外部起重机控制器（External Crane Controller，XCC）数据接口传输至各设备对应的远控台，各远控台将数据输送至OPC server服务器，进一步通过物联网（Internet of Things，IOT）边缘计算模块将数据传送至数据感知模块；ART则通过自身数据传输中间件将数据发送至数据感知模块。同时，岸桥与ARMG的远控台会将数据传输至各自的外部作业调度器（External Job Dispatcher，XJD）数据采集控制模块，码头管理系统（TOS）可通过XJD数据采集控制模块对岸桥和ARMG进行实时调度；ART将数据传输至MQTT服务器，水平运输系统可通过MQTT服务器对ART进行实时调度。

图3 工控网架构图

2）数据接入模块

数据接入模块提取数据感知模块发来的数据，并接入数字孪生系统，同时将数据传输至数据存储模块进行存储、备份。

3）数据服务模块

数据服务模块提供各种数据服务：①数据规划服务，依据数字孪生系统内数据的来源与用途对其进行分类管理；②数据安全保障服务，根据数据的安全管理等级对数据进行监控与安全加固；③数据统计服务，依据码头管理的需要进行相关指标的计算（如各设备的作业效率、泊位利用率、闸口直通率、在场箱数量统计、堆存期统计等）；统计的指标数据会反馈给数据存储模块进行归档，同时传输至数据应用模块便于其进行数据分析。

4）数据应用模块

数据应用模块负责将存储的数据进行大数据分析和BI分析。大数据分析主要针对岸桥、ARMG、ART及船舶的作业效率与作业能耗进行分析；BI分析主要针对业务系统订单、设备信息、交易账目及客户信息等现有数据进行盈利分析、风险评估、客户关系管理及信用等级评定等，提供相关决策支持，实现智慧经营。

5）系统展示模块

图4为系统展示模块的结构图，该模块负责将数据感知模块采集的数据同步至数字模型，利用图形工作站进行图像的静态、动态、三维动画和可视化等处理（图5为岸桥三维模型）。

图4 系统展示模块结构图

图5 岸桥三维模型

图像融合器用来融合码头实景图像，并将融合后的图像传送至投影融合大屏、孪生大屏及三维可视化大屏，实现整个码头的可视化，图6为自动化码头数字孪生系统可视化界面。

图6 自动化集装箱码头数字孪生系统可视化界面

3 数字孪生码头智慧决策

由于人工决策需要一定的时间，而码头内作业情况实时动态变化。因此，决策必须具有时效性，数字孪生技术在自动化集装箱码头中的应用能根据码头实时运转情况迅速提供智慧决策。如图7所示，自动化码头数字孪生系统可显示车辆数据、生产数据、业务数据、设施管理等信息，并提供相关决策支持，这些智慧决策包括进/出港作业管控、生产操作和设备管理等。

图7 自动化集装箱码头数字孪生系统数据统计界面

3.1 进/出港作业管控

外集卡到港时间具有不确定性，不能提前精准规划外集卡作业计划表，为提高外集卡作业效率，数字孪生系统可通过监控系统实时监测码头内外集卡的出入信息（见图8），结合预约管理系统进行智能交通管理，预测交通高峰期，并在出现堵塞后及时提供疏解方案。当外集卡进入码头到达进港闸口处时，孪生系统根据预约信息判断是否放行，并依据当前码头内交通状况和ARMG繁忙程度规划出合理的路径发送至预约系统，进而反馈给外集卡司机。当外集卡完成作业出港时，在出港闸口处变更业务完成状态。

图8 数字孪生系统出入管控界面

3.2 生产操作

生产操作相关的智慧决策主要包含泊位计划、堆场管理、智能闸口及各装卸设备的调度等。

1）智能泊位计划通过对船舶历史吞吐量、泊位利用率、各设备作业效率等数据分析并生成智能泊位计划，结合实时在港船舶信息及码头内部其他作业环节的繁忙程度实时调整泊位计划，比人工泊位计划提高了准确性、实时性及合理性。

2）堆场管理主要针对集装箱存储位置提供决策，数字孪生系统结合集装箱存储要求和场存实际分布等，合理安排集装箱箱位，减少翻倒箱次数。

3）智能闸口用于协调堆场内ART与外集卡在交叉口处的通行，孪生系统对交叉口进行实时监测，调控闸口开关，保证ART优先通行。

4）各装卸设备的调度方案包含对岸桥、ARMG、ART及外集卡的调度，利用这些设备的实时位置、作业情况等信息，TOS系统和水平运输系统向孪生系统提供合理调度方案，孪生系统对这些方案进行评估、完善后，下达至各操作设备执行。

3.3 设备管理

如图9所示，设备管理主要包括各种操作设备的故障预测、隐患排查和应急处理等。通过对各操作设备运行时长、当前运行状态、历史故障信息和码头异常信息的综合分析，预测各操作设备发生故障的可能性，及时进行检修。若出现隐患，系统会根据隐患类别并结合实际情况，出具一套解决方案供工作人员参考。

图9 数字孪生系统隐患排查与告警事件

4 总结

本文通过对自动化集装箱码头作业流程分析，提出了一种自动化集装箱码头数字孪生系统的设计框架，阐述了各模块之间的关系及功能，最后给出该系统能够提供的主要智慧决策。本文提出的数字孪生系统能够将码头所有作业相关信息同步至孪生码头，可以根据码头实时运转情况迅速产生合理的决策方案，提高了码头可视化程度，实现了远程操控真实码头的目标，极大地提高了码头作业效率。