数字孪生在自动化码头可视化管控中的应用

    摘要

    为了实现对自动化码头设备运行状态、堆场集装箱布局、码头作业计划等内容进行远程实时可视化监控和管理，基于Unity 3D软件，设计开发集装箱码头数字孪生系统。利用三维建模软件，构建1:1比例的港口起重机三维模型，并将模型导入Unity 3D软件中。

    利用上述模型和其他港区设备、环境模型，搭建1:1比例的集装箱码头虚拟三维场景；运用C#语言编写数据通信和设备驱动等程序，实现虚拟集装箱码头同步运行。经测试表明，该系统可以实时采集码头相关数据，并驱动虚拟集装箱码头中的设备模型同步运行，实现集装箱码头的数字孪生。

    1.引言

    自20世纪60年代标准航运集装箱引进以来，全球集装箱运输量稳步增长。随着集装箱运输规模的不断扩大，对集装箱码头装卸效率的要求也越来越高。设备自动化作为提高装卸效率和降低人工成本的有效途径之一，逐渐受到码头经营者的青睐，全球自动化码头的建设热潮也愈演愈烈。

    与传统码头不同，自动化码头的集装箱起重设备，例如岸边集装箱起重机（以下简称“岸桥”）、堆场集装箱起重机（以下简称“场桥”）等，基本采用“自动运行+远程控制”的作业模式，设备的控制和管理都集中在码头远程控制中心。于是，自动化集装箱码头数字孪生系统应运而生。

    数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应实体装备的全生命周期过程。

    在自动化集装箱码头中，运用数字孪生技术，构建集装箱码头数字孪生系统，可以将现实码头设备的运行情况和相关数据映射到虚拟世界中，以三维图像的形式进行同步展现和管理。码头管理人员可以在不进入码头、不影响码头作业和保障个人安全的情况下，随时查看集装箱起重机作业情况和码头整体运行情况，及时发现异常，从而有效提高码头管理水平和效率。

    2.系统整体架构

    集装箱码头数字孪生系统整体架构见图1，自下而上可以划分为设备层、数据层、软件层和显示层等。

    图1 集装箱码头数字孪生系统整体架构

    设备层主要包括岸桥、场桥、集装箱卡车（以下简称“集卡”）等设备。在本系统中，需要利用通信接口采集上述设备实时位置、运行速度、故障信息等数据。

    数据层主要负责对采集的码头相关数据进行存储和管理，并与集装箱码头虚拟三维场景通信，驱动场景中相关模型运动。

    软件层主要包括利用Unity 3D软件搭建的集装箱码头虚拟三维场景及其驱动程序，其中：虚拟场景中主要包括岸桥模型、场桥模型、集卡模型、集装箱模型等相关模型；驱动程序主要包括设备驱动程序、数据通信程序；等等。

    显示层主要负责将集装箱码头数字孪生系统显示到指定的人机交互界面上，对设备运行状态、设备具体位置、码头相关数据等内容进行展示。

    3.数据层

    在数据层中，利用通信协议开发通信接口，建立系统与码头现场作业设备、码头管理系统（TOS）、设备管理系统、集卡定位系统、码头其他相关系统的通信连接，采集集装箱码头数字孪生系统所需数据。例如：与TOS通信，获取码头整体作业计划、各集装箱起重运输设备的作业任务列表、堆场集装箱分布、作业集装箱箱型和箱号等信息；与设备管理系统通信，获取场桥、岸桥大车、岸桥小车、起升机构等的实时位置和运行速度、吊具伸缩尺寸和负载情况、吊具下集装箱质量、设备故障信息等数据；与集卡定位系统通信，可获取作业集卡的实时位置等信息。

    本系统采用SQL Server 2014数据库软件对上述采集的数据进行存储和管理。在数据库中，根据集装箱码头数字孪生系统的功能需求，设计良好的数据库结构，并根据数据来源、数据用途、数据种类等对数据进行分类管理。

    4.软件层

    在软件层的集装箱码头虚拟三维场景主要包括岸桥、场桥、集卡、集装箱等相关模型和高杆灯、护栏、闸口、道路、中控室等港区环境模型。在构建设备三维模型时，参照设备CAD机械设计图纸，可构建与真实设备1:1比例的三维模型。该模型具有大车、小车、俯仰机构、起升机构、吊具等与真实设备相同的运行机构。在驱动程序的驱动下，上述机构能单独运动，可逼真模拟真实设备装卸集装箱时的动作。部分设备三维模型见图2。

图2 部分设备三维模型（上-岸桥/下-场桥）

    根据目标集装箱码头的布局，利用上述三维模型，在Unity 3D软件中搭建与目标集装箱码头1:1比例的码头三维虚拟场景。在场景中，根据码头现场实际照片，对设备、建筑等模型进行贴图、材质渲染，使其具有真实的外观质感效果。此外，在场景中利用天空盒和水特效模拟天空和大海，使码头虚拟三维场景与真实码头具有相似的视觉效果。集装箱码头虚拟三维场景见图3。

图3 集装箱码头虚拟三维场景

    虚拟场景中的集装箱起重运输设备还配有驱动程序。当虚拟场景通信接口接收到设备运行数据后，驱动程序会驱动虚拟场景中起重机对应的机构进行同样的动作，实现虚拟设备与真实设备的有效联动。

    5.显示层

    当集装箱码头虚拟三维场景搭建完毕后，系统将生成的图像投放到显示层的显示器上，码头管理人员通过观察图像，可及时、便捷地了解码头当前运行情况。用户可点击虚拟场景中运行的设备或显示界面上的按钮，查询设备的基本参数、当前状态、当前作业任务、运维状态和码头典型KPI等相关信息。当码头某一设备发生故障时，系统会采集故障信息并传递到虚拟场景中，场景中对应的设备模型会进行文字显示和闪烁报警，设备维修人员可以根据故障提示快速定位故障并排除故障。

    此外，显示层还具有交互式漫游功能。用户可以在不进入码头现场、不影响码头作业和保障个人安全的情况下，使用鼠标、键盘等在虚拟场景中自主进行缩放、移动、旋转等操作，观察更多码头细节信息。同时，用户还可以通过按钮切换不同视角（集卡视角、场桥视角、岸桥视角等），对码头、设备进行监视和观察。

    6.环境渲染

    为达到逼真的视觉效果，需对集装箱码头虚拟三维场景进行有效渲染，例如灯光渲染、天气渲染等。灯光渲染主要用于模拟集装箱码头光照效果。在集装箱码头虚拟场景中添加有主光源和高杆灯光源，其中：主光源用于模拟太阳，控制整个场景的明暗变化；高杆灯光源用于照亮码头作业区域。当与现实时间同步后，系统可以根据具体时间调整主光源的位置和光照强度，模拟太阳的东升西落；当系统运行到晚上时，场景中的高杆灯光源会随着真实码头高杆灯的开关自动进行亮灭，实现与真实码头相同的光照效果。

    天气渲染主要用于模拟真实码头不同的气候情况，例如晴天、多云、雨天、雾天等。在集装箱码头虚拟场景中添加有天空盒和一些气候相关插件，通过编程可以控制不同气候现象切换。当系统获取码头当地的气象信息时，可以根据气象信息改变集装箱码头虚拟场景中的气候状况，达到与现实码头气候一致的效果。集装箱码头虚拟场景渲染效果见图4。

图4  集装箱码头虚拟场景渲染效果（上-夜晚、中-雨天、下-雾天）

    结语

    本文以Unity 3D软件为系统开发平台，设计开发集装箱码头数字孪生系统。该系统可以实时采集码头及其设备等相关数据，并驱动虚拟集装箱码头与真实码头同步运行，实现集装箱码头的数字孪生。通过该系统，码头管理人员可以方便、快捷地了解码头整体运行情况，及时发现并解决集装箱装卸过程中产生的问题，为集装箱码头高效、可靠运行提供有力保障。

    文章刊发于《港口科技》2021年第7期；作者：陈培，刘超，蔡黄河；版权归原作者所有，转载旨在分享。