數(shù)字孿生在自動(dòng)化碼頭可視化管控中的應(yīng)用

    摘要

    為了實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化碼頭設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、堆場(chǎng)集裝箱布局、碼頭作業(yè)計(jì)劃等內(nèi)容進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控和管理，基于Unity 3D軟件，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)。利用三維建模軟件，構(gòu)建1:1比例的港口起重機(jī)三維模型，并將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D軟件中。

    利用上述模型和其他港區(qū)設(shè)備、環(huán)境模型，搭建1:1比例的集裝箱碼頭虛擬三維場(chǎng)景；運(yùn)用C#語(yǔ)言編寫(xiě)數(shù)據(jù)通信和設(shè)備驅(qū)動(dòng)等程序，實(shí)現(xiàn)虛擬集裝箱碼頭同步運(yùn)行。經(jīng)測(cè)試表明，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集碼頭相關(guān)數(shù)據(jù)，并驅(qū)動(dòng)虛擬集裝箱碼頭中的設(shè)備模型同步運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)集裝箱碼頭的數(shù)字孿生。

    1.引言

    自20世紀(jì)60年代標(biāo)準(zhǔn)航運(yùn)集裝箱引進(jìn)以來(lái)，全球集裝箱運(yùn)輸量穩(wěn)步增長(zhǎng)。隨著集裝箱運(yùn)輸規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)集裝箱碼頭裝卸效率的要求也越來(lái)越高。設(shè)備自動(dòng)化作為提高裝卸效率和降低人工成本的有效途徑之一，逐漸受到碼頭經(jīng)營(yíng)者的青睞，全球自動(dòng)化碼頭的建設(shè)熱潮也愈演愈烈。

    與傳統(tǒng)碼頭不同，自動(dòng)化碼頭的集裝箱起重設(shè)備，例如岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“岸橋”）、堆場(chǎng)集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“場(chǎng)橋”）等，基本采用“自動(dòng)運(yùn)行+遠(yuǎn)程控制”的作業(yè)模式，設(shè)備的控制和管理都集中在碼頭遠(yuǎn)程控制中心。于是，自動(dòng)化集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

    數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。

    在自動(dòng)化集裝箱碼頭中，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以將現(xiàn)實(shí)碼頭設(shè)備的運(yùn)行情況和相關(guān)數(shù)據(jù)映射到虛擬世界中，以三維圖像的形式進(jìn)行同步展現(xiàn)和管理。碼頭管理人員可以在不進(jìn)入碼頭、不影響碼頭作業(yè)和保障個(gè)人安全的情況下，隨時(shí)查看集裝箱起重機(jī)作業(yè)情況和碼頭整體運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，從而有效提高碼頭管理水平和效率。

    2.系統(tǒng)整體架構(gòu)

    集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)整體架構(gòu)見(jiàn)圖1，自下而上可以劃分為設(shè)備層、數(shù)據(jù)層、軟件層和顯示層等。

    圖1 集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)整體架構(gòu)

    設(shè)備層主要包括岸橋、場(chǎng)橋、集裝箱卡車(chē)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“集卡”）等設(shè)備。在本系統(tǒng)中，需要利用通信接口采集上述設(shè)備實(shí)時(shí)位置、運(yùn)行速度、故障信息等數(shù)據(jù)。

    數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)對(duì)采集的碼頭相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，并與集裝箱碼頭虛擬三維場(chǎng)景通信，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景中相關(guān)模型運(yùn)動(dòng)。

    軟件層主要包括利用Unity 3D軟件搭建的集裝箱碼頭虛擬三維場(chǎng)景及其驅(qū)動(dòng)程序，其中：虛擬場(chǎng)景中主要包括岸橋模型、場(chǎng)橋模型、集卡模型、集裝箱模型等相關(guān)模型；驅(qū)動(dòng)程序主要包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)通信程序；等等。

    顯示層主要負(fù)責(zé)將集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)顯示到指定的人機(jī)交互界面上，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備具體位置、碼頭相關(guān)數(shù)據(jù)等內(nèi)容進(jìn)行展示。

    3.數(shù)據(jù)層

    在數(shù)據(jù)層中，利用通信協(xié)議開(kāi)發(fā)通信接口，建立系統(tǒng)與碼頭現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)設(shè)備、碼頭管理系統(tǒng)（TOS）、設(shè)備管理系統(tǒng)、集卡定位系統(tǒng)、碼頭其他相關(guān)系統(tǒng)的通信連接，采集集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)。例如：與TOS通信，獲取碼頭整體作業(yè)計(jì)劃、各集裝箱起重運(yùn)輸設(shè)備的作業(yè)任務(wù)列表、堆場(chǎng)集裝箱分布、作業(yè)集裝箱箱型和箱號(hào)等信息；與設(shè)備管理系統(tǒng)通信，獲取場(chǎng)橋、岸橋大車(chē)、岸橋小車(chē)、起升機(jī)構(gòu)等的實(shí)時(shí)位置和運(yùn)行速度、吊具伸縮尺寸和負(fù)載情況、吊具下集裝箱質(zhì)量、設(shè)備故障信息等數(shù)據(jù)；與集卡定位系統(tǒng)通信，可獲取作業(yè)集卡的實(shí)時(shí)位置等信息。

    本系統(tǒng)采用SQL Server 2014數(shù)據(jù)庫(kù)軟件對(duì)上述采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。在數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)良好的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源、數(shù)據(jù)用途、數(shù)據(jù)種類(lèi)等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)管理。

    4.軟件層

    在軟件層的集裝箱碼頭虛擬三維場(chǎng)景主要包括岸橋、場(chǎng)橋、集卡、集裝箱等相關(guān)模型和高桿燈、護(hù)欄、閘口、道路、中控室等港區(qū)環(huán)境模型。在構(gòu)建設(shè)備三維模型時(shí)，參照設(shè)備CAD機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙，可構(gòu)建與真實(shí)設(shè)備1:1比例的三維模型。該模型具有大車(chē)、小車(chē)、俯仰機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、吊具等與真實(shí)設(shè)備相同的運(yùn)行機(jī)構(gòu)。在驅(qū)動(dòng)程序的驅(qū)動(dòng)下，上述機(jī)構(gòu)能單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，可逼真模擬真實(shí)設(shè)備裝卸集裝箱時(shí)的動(dòng)作。部分設(shè)備三維模型見(jiàn)圖2。

圖2 部分設(shè)備三維模型（上-岸橋/下-場(chǎng)橋）

    根據(jù)目標(biāo)集裝箱碼頭的布局，利用上述三維模型，在Unity 3D軟件中搭建與目標(biāo)集裝箱碼頭1:1比例的碼頭三維虛擬場(chǎng)景。在場(chǎng)景中，根據(jù)碼頭現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際照片，對(duì)設(shè)備、建筑等模型進(jìn)行貼圖、材質(zhì)渲染，使其具有真實(shí)的外觀(guān)質(zhì)感效果。此外，在場(chǎng)景中利用天空盒和水特效模擬天空和大海，使碼頭虛擬三維場(chǎng)景與真實(shí)碼頭具有相似的視覺(jué)效果。集裝箱碼頭虛擬三維場(chǎng)景見(jiàn)圖3。

圖3 集裝箱碼頭虛擬三維場(chǎng)景

    虛擬場(chǎng)景中的集裝箱起重運(yùn)輸設(shè)備還配有驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)虛擬場(chǎng)景通信接口接收到設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)后，驅(qū)動(dòng)程序會(huì)驅(qū)動(dòng)虛擬場(chǎng)景中起重機(jī)對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行同樣的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備與真實(shí)設(shè)備的有效聯(lián)動(dòng)。

    5.顯示層

    當(dāng)集裝箱碼頭虛擬三維場(chǎng)景搭建完畢后，系統(tǒng)將生成的圖像投放到顯示層的顯示器上，碼頭管理人員通過(guò)觀(guān)察圖像，可及時(shí)、便捷地了解碼頭當(dāng)前運(yùn)行情況。用戶(hù)可點(diǎn)擊虛擬場(chǎng)景中運(yùn)行的設(shè)備或顯示界面上的按鈕，查詢(xún)?cè)O(shè)備的基本參數(shù)、當(dāng)前狀態(tài)、當(dāng)前作業(yè)任務(wù)、運(yùn)維狀態(tài)和碼頭典型KPI等相關(guān)信息。當(dāng)碼頭某一設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)采集故障信息并傳遞到虛擬場(chǎng)景中，場(chǎng)景中對(duì)應(yīng)的設(shè)備模型會(huì)進(jìn)行文字顯示和閃爍報(bào)警，設(shè)備維修人員可以根據(jù)故障提示快速定位故障并排除故障。

    此外，顯示層還具有交互式漫游功能。用戶(hù)可以在不進(jìn)入碼頭現(xiàn)場(chǎng)、不影響碼頭作業(yè)和保障個(gè)人安全的情況下，使用鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等在虛擬場(chǎng)景中自主進(jìn)行縮放、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作，觀(guān)察更多碼頭細(xì)節(jié)信息。同時(shí)，用戶(hù)還可以通過(guò)按鈕切換不同視角（集卡視角、場(chǎng)橋視角、岸橋視角等），對(duì)碼頭、設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和觀(guān)察。

    6.環(huán)境渲染

    為達(dá)到逼真的視覺(jué)效果，需對(duì)集裝箱碼頭虛擬三維場(chǎng)景進(jìn)行有效渲染，例如燈光渲染、天氣渲染等。燈光渲染主要用于模擬集裝箱碼頭光照效果。在集裝箱碼頭虛擬場(chǎng)景中添加有主光源和高桿燈光源，其中：主光源用于模擬太陽(yáng)，控制整個(gè)場(chǎng)景的明暗變化；高桿燈光源用于照亮碼頭作業(yè)區(qū)域。當(dāng)與現(xiàn)實(shí)時(shí)間同步后，系統(tǒng)可以根據(jù)具體時(shí)間調(diào)整主光源的位置和光照強(qiáng)度，模擬太陽(yáng)的東升西落；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到晚上時(shí)，場(chǎng)景中的高桿燈光源會(huì)隨著真實(shí)碼頭高桿燈的開(kāi)關(guān)自動(dòng)進(jìn)行亮滅，實(shí)現(xiàn)與真實(shí)碼頭相同的光照效果。

    天氣渲染主要用于模擬真實(shí)碼頭不同的氣候情況，例如晴天、多云、雨天、霧天等。在集裝箱碼頭虛擬場(chǎng)景中添加有天空盒和一些氣候相關(guān)插件，通過(guò)編程可以控制不同氣候現(xiàn)象切換。當(dāng)系統(tǒng)獲取碼頭當(dāng)?shù)氐臍庀笮畔�時(shí)，可以根據(jù)氣象信息改變集裝箱碼頭虛擬場(chǎng)景中的氣候狀況，達(dá)到與現(xiàn)實(shí)碼頭氣候一致的效果。集裝箱碼頭虛擬場(chǎng)景渲染效果見(jiàn)圖4。

圖4  集裝箱碼頭虛擬場(chǎng)景渲染效果（上-夜晚、中-雨天、下-霧天）

    結(jié)語(yǔ)

    本文以Unity 3D軟件為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)集裝箱碼頭數(shù)字孿生系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集碼頭及其設(shè)備等相關(guān)數(shù)據(jù)，并驅(qū)動(dòng)虛擬集裝箱碼頭與真實(shí)碼頭同步運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)集裝箱碼頭的數(shù)字孿生。通過(guò)該系統(tǒng)，碼頭管理人員可以方便、快捷地了解碼頭整體運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決集裝箱裝卸過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題，為集裝箱碼頭高效、可靠運(yùn)行提供有力保障。

    文章刊發(fā)于《港口科技》2021年第7期；作者：陳培，劉超，蔡黃河；版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)載旨在分享。