基于数字孪生技术的自动化码头作业可视化系统设计研究

作     者：信聪颖 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曾庆成;杨昂

授予年度：2022年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：自动化集装箱码头 数字孪生 系统分析 系统设计 

摘      要：全球各大港口陆续开始建设自动化集装箱码头(ACT)来试图提高运营效率,增加吞吐量,降低人力成本。但是在ACT的建设和运营过程中遇到了一些阻碍发展的问题。一方面,ACT的作业效率和带来的收益远没有达到预期。以往的研究提出了很多调度优化算法、布局优化方案等解决方案,但这些方案的验证方法存在不够直观以及仿真模型与码头真实作业场景有出入的局限性。另一方面,ACT设备高度自动化易导致级联效应,无人的作业现场使得远程控制人员难以及时发现风险,给ACT作业带来安全隐患。ACT作业现场的监控录像虽然一定程度上可以帮助远程操作人员发现安全风险,但码头目前的监控手段易受环境干扰,装卸作业计划和设备控制界面过于复杂,这些都导致远程操作人员不能及时准确的做出决策。数字孪生作为数据驱动的新一代信息技术,为上述挑战提供了潜在的有效的解决方案,其在高度自动化和作业现场无人场景下的应用效果已经在制造业、航空航天领域得到充分验证。但是数字孪生技术在ACT装卸作业方面应用还是空白领域。本研究尝试将数字孪生引入ACT领域,设计一个基于数字孪生技术的自动化码头作业可视化系统,解决ACT作业面临的问题。本文的主要研究内容及结论如下。(1)使用定性分析的方法,分析ACT装卸作业的需求,确定系统设计目标。ACT装卸作业的需求主要集中在五个方面。1)ACT设备的集成调度优化;2)基于可视化技术的实时作业分析;3)ACT作业过程的全场景实时监控;4)ACT的预测性运维;5)ACT的升级和改造。基于这些问题和需求,提出了ACT-DT系统的设计目标,包括设备作业目标和运营管理目标两个层次。(2)使用定性分析的方法,针对系统设计的目标,分析数字孪生的相关功能,并提出基于数字孪生技术的ACT需求解决方案。经过分析,数字孪生有四个方面的功能:1)对物理实体的精细化描述;2)多系统关联;3)对物理实体或过程的实时监控;4)生产过程预测和优化。这些功能可以满足ACT的需求,实现系统设计的目标。(3)本研究设计了基于数字孪生技术的自动化码头作业可视化系统,并从系统架构设计、系统功能结构设计、系统实体定义、ACT数字孪生模型构建和控制、系统通信和数据读取六个方面描述系统设计和开发过程。本研究设计的系统可以实现ACT装卸作业的仿真、ACT实时装卸作业的监控和ACT故障预警功能,这些功能可以实现除ACT升级和改造方案的评估以外的ACT的设备作业目标和运营管理目标。系统开发过程中主要的难点和解决方案为,1)高保真模型过于精密,导致系统负荷加重,通过对模型进行减面优化来解决;2)多设备同时监控造成的多进程程序,会导致系统不稳定,通过协程方法来解决。本研究为真实ACT数字孪生系统的设计和开发做出了贡献。该系统首次采用真实码头的TOS系统作为支撑,推动了数字孪生在ACT的研究和应用。