CN113449357A - 自动化集装箱码头的三维仿真系统 - Google Patents

Abstract

一种自动化集装箱码头的三维仿真生成系统，包括：码头设备模块、堆场模块、船舶模块、道路模块和磁钉信息记录模块，通过码头系统的参数化三维仿真，为码头管理者提供了直观的图像信息参考，从而码头进行精细的数字化管理。本发明基于离散事件仿真理论，根据面向对象的建模原理，将码头实体抽象为一系列具有属性方法的对象模块。

Description

自动化集装箱码头的三维仿真系统

技术领域

本发明涉及的是一种计算机信息系统领域的技术，具体是一种自动化集装箱码头的三维仿真系统。

背景技术

码头建模与仿真系统的目的是研究码头的布局组成以及码头装卸机械的机构组成、运行特性，从而为建立人工码头和物理码头平行关系，实现仿真软件与港机设备实时对接提供理论支撑。码头系统的数字孪生体为自动化集装箱码头实现一个码头布局、设备建模及运行仿真的平台。

当前阶段码头布局仿真软件多是基于二维平面对码头系统进行分析，在后续仿真优化中也多基于简单理想假设下进行局部仿真。如张清波使用二维仿真软件WITNESS建立了自动化集装箱码头系统仿真模型，但WITNESS基于二维平面，损失了高度方向的信息，忽视了高度方向可能存在的干涉问题。澳大利亚的Realtime Rusiness Solution Pty公司研发的港口仿真软件Xwindow，也以二维图形的方式为设备调度，堆场管理提供了解决方案。但软件简略的图形化表达缺乏对港口真实运行过程的直观描述。

发明内容

本发明针对现有技术复杂码头场景的生成问题，提出了一种自动化集装箱码头的三维仿真生成系统，基于离散事件仿真理论，根据面向对象的建模原理，将码头实体抽象为一系列具有属性方法的对象模块。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：码头设备模块、堆场模块、船舶模块、道路模块和磁钉信息记录模块，其中：码头设备模块用于岸桥、场桥、AGV三种码头典型设备的参数化构建、用于岸桥、场桥、AGV设备的操作控制以及设备管理，码头设备模块通过码头装备的数字化功能建模方法与装备对象化建模方法，实现大型港口设备的三维数字化功能对象的用户的自定义搭建，并将设备拆解为组件构件后用运动副加以约束从而构成设备，堆场模块根据堆场属性快速搭建堆场模型并形成堆场箱位到空间位置的映射，船舶模块根据编号、船长、船宽以及外部资源中的船只显示模型完成集装箱船只的定义并进行船舶贝位空间位置快速布局，道路模块根据道路-道路轨迹线-车道的逻辑建立道路系统，即实现用户在三维环境中数字化模型规划码头系统的布局并用于判断AGV的坐标，从而获得AGV运载的集装箱当前具体的位置信息，磁钉信息记录模块通过磁钉表导入的磁钉位置与真实的磁钉位置对应用于辅助判定AGV的实时位置。

所述的堆场模块包括：堆场构建单元与贝位布局单元，其中：堆场构建单元负责记录堆场的位置信息，贝位布局单元传输集装箱贝位信息。

所述的船舶模块包括：船舶三维建模单元和贝位布局单元。

所述的道路模块包括：道路单元、道路轨迹线单元与车道单元，其中：道路单元汇总了码头的道路信息，道路轨迹线单元提供了下属车道单元的指示线，车道单元记录了码头的车道信息。

所述的磁钉信息记录模块包括：用于标定虚拟码头中的磁钉位置的磁钉位置单元，其中的磁钉在道路系统中形成矩阵式分布，AGV通过读取预设的磁钉信息进行自身位置定位。

所述的磁钉信息包括:磁钉编号、磁钉所处的道路编号以及磁钉的位置坐标。

所述的系统，进一步设有海岸线模块和集装箱模块，其中：海岸线模块包括：轨道单元、泊位单元与海岸线单元，其中：轨道单元与码头设备模块相连，提供了设备运行轨道信息；泊位与船舶模块相连，提供码头靠泊信息；海岸线单元用于码头物理边界信息的描述；所述的集装箱模块包括：用于记录集装箱位置及状态信息的集装箱属性单元。

技术效果

本发明整体解决了复杂码头场景的三维生成问题。

与现有技术相比，本发明通过面向码头对象的参数化三维仿真，为码头管理者提供了直观的图像信息参考，使码头管理者可对码头进行精细的数字化码头管理。场景模型根据真实的集装箱码头进行建模和贴图处理，在外观、颜色、尺寸上与实体一致，具有高仿真度和临场感；界面简洁，使用人员可以通过操作完成设备搭建、贝位布局、码头系统布局。

本发明参数化三维仿真，与现有的参数化三维仿真的改进点为：本发明建立的设备模型具有与实体设备一致的结构尺寸与运动性能的约束，仿真时更加符合码头实际的生产状况。设备模型的结构参数与性能参数均可灵活调节，用户可根据生产实际对设备进行及时的、特性化的调整。用户可根据实际的生产图纸与真实的运行参数确定仿真初始值，快速的完成模型对象的建立。且设备对象的运动具有不同的控制操作模式，可模拟设备复杂的运动学过程，设备动态实体的运动会触发码头系统中的离散事件。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为本发明整体工作过程图。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种码头建模与仿真系统，包括：码头设备模块、堆场模块、船舶模块、道路模块、磁钉信息记录模块、海岸线模块和集装箱模块，其中：码头设备模块用于岸桥、场桥、AGV三种码头典型设备的参数化构建、用于岸桥、场桥、AGV设备的操作控制以及设备管理，码头设备模块通过码头装备的数字化功能建模方法与装备对象化建模方法，实现大型港口设备的三维数字化功能对象的用户的自定义搭建，并将设备拆解为组件构件后用运动副加以约束从而构成设备，堆场模块根据堆场属性快速搭建堆场模型并形成堆场箱位到空间位置的映射，船舶模块根据编号、船长、船宽以及外部资源中的船只显示模型完成集装箱船只的定义并进行船舶贝位空间位置快速布局，道路模块根据道路-道路轨迹线-车道的逻辑建立道路系统，即实现用户在三维环境中数字化模型规划码头系统的布局并用于判断AGV的坐标，从而获得AGV运载的集装箱当前具体的位置信息，磁钉信息记录模块通过磁钉表导入的磁钉位置与真实的磁钉位置对应用于辅助判定AGV的实时位置，集装箱模块实现集装箱批量添加及单个添加。

所述的运动副约束下设备具有的行为即设备的方法。

所述的场桥的抽象组成构件包括：场桥小车、场桥龙门架、场桥吊具、场桥吊绳，其中：小车与大车之间、吊具与小车之间构成平移运动副。

所述的场桥设备的运动包括：场桥大车的行走、集装箱的抓取与释放、场桥小车在龙门架上的平移运动及场桥吊绳的升降。

所述的场桥的结构参数包括：场桥的轮距、轨距、轨道高、吊高、轨道左极限中心距、轨道右极限中心距、悬臂类型、吊具类型、可吊集装箱类型。

所述的场桥的性能参数包括：大车最大速度、大车最大加速度、小车最大速度、小车最大加速度、吊具最大速度、吊具最大加速度。

所述的岸桥的抽象组成构件包括：岸桥龙门架、岸桥海侧臂架、岸桥海侧吊具机构、岸桥海侧小车、岸桥海侧吊绳、岸桥陆侧吊具机构、岸桥陆侧小车、岸桥陆侧吊绳，其中：

海侧小车和海侧吊具具有平移约束，海侧小车和龙门架具有平移约束，陆侧小车和陆侧吊具具有平移约束，陆侧小车和龙门架具有平移约束，海侧臂架和岸桥龙门架构成旋转约束。

所述的岸桥的设备的运动包括：岸桥大车的行走、海侧臂架的旋转、陆侧吊具及海侧吊具的升降、陆侧小车及海侧小车在岸桥轨道上的行走、集装箱的抓取与释放。

所述的岸桥的结构参数包括：海侧臂架高度、陆侧臂架高度、海侧轨道长度、陆侧轨道长度、岸桥基距、岸桥轨距、臂架极限俯仰角、中转平台高度、海侧吊具运行长度、陆侧吊具运行长度、海侧吊具类型及可吊集装箱、陆侧吊具长度及可吊集装箱、臂架俯仰角度。

所述的岸桥的性能参数包括：海侧臂架俯仰角速度、海侧臂架俯仰角加速度、海侧小车运行速度、海侧小车运行加速度、陆侧小车运行速度、陆侧小车运行加速度、大车运行速度、大车运行加速度、海侧吊具升降速度、海侧吊具升降加速度、陆侧吊具升降速度、陆侧吊具升降加速度。

在设备模块中搭建的岸桥设备可以加载到轨道上进行集装箱的装卸。

所述的AGV的抽象组成构件包括：AGV车架总成、AGV顶升机构。二者具有平移约束，用来描述AGV顶升集装箱运动。

所述的AGV的结构参数包括：车长、车宽、轴距、轮距、传感器检测范围长距、传感器检测范围宽距、运输时支撑面高度、顶升时最大支承面高度、运载数量及运输集装箱类型。

所述的AGV的性能参数包括：续航里程、最小转弯半径、最大顶升速度、直线运行速度、转弯速度、顶升加速度、直行加速度、转弯加速度。

所述的岸桥、场桥、AGV设备的操作控制包括：岸桥大车运动、海侧臂架俯仰、陆侧及海侧小车运动、陆侧及海侧小车升降；场桥的操作包括：场桥大车运动、场桥小车运动及吊具的升降；AGV的操作包括：AGV上托板升降、直行或蟹行、转弯。每种运动都具有四种控制模式：绝对位移、相对增量位移、匀速运动、变速运动。

所述的码头设备模块进行设备管理，具体包括：添加新设备、删除已有设备、修改已有设备属性，其中：设备的管理通过设备对象库实现，用户通过主菜单打开该“设备管理”对话框工作界面，即可进行添加、删除、修改、保存到文件。

所述的设备对象库中包含设备表，其中基本状态包括：序号，即系统赋予设备的序号名称；设备名称占用状态，如果是孤立，则说明该设备处于独立状态，不属于任何码头系统，如果是占用状态，则说明该设备已经属于某个码头系统显示状态；高亮——设备以高亮显示；正常——一般显示；隐藏——该设备不显示；转到某设备：用于在三维场景中快速找到该设备。

所述的堆场箱位到空间位置的映射是指：根据起始贝、列、以及层数贝间隔、列间隔、起始点创建贝位、起始点X，Y为在堆场坐标系下、容纳箱型：20FT、45FT生成堆场；插入功能根据贝号、层数、起始列号、箱型、列间隔、起始坐标、容纳箱型：20FT、40FT、45FT从而插入单个贝位。

所述的堆场属性包括：堆场的位置坐标及朝向、堆场长、堆场宽、堆高限制、轨道长度、轨道宽度、卸货路标识。其中卸货路标识意义为：左侧为Y增大方向一侧可通过场桥卸载集装箱，不能装双悬臂；右侧为Y减小方向一侧可通过场桥卸载集装箱，不能装双悬臂；两侧为两侧均可通过场桥卸载集装箱，能装双悬臂；无则不可通过侧面场桥卸载集装箱，不能装双悬臂、单悬臂。

每个堆场优选进一步设有缓冲区，缓冲区由内外两个支架，支架尺寸一般为20ft标准，满足了各类装卸工艺要求。缓冲区属性包括：数量、空闲缓冲区数量、占用数量、缓冲位号及对应的状态。

所述的船只显示模型的自身坐标系默认位于甲板中心，模型坐标系有误差时可调整显示模型位姿，包括：对话框提供X、Y、Z、Rx、Ry和Rz的增量、绝对量调整，分别对应显示模型绕坐标系X，Y，Z轴进行平移和旋转。

所述的船舶贝位空间位置包括：最大贝号，甲板上层数、舱内层数、行数、最底层深度贝向默认间隔、列向默认间隔，其中自动的布局只含20ft的贝位，贝位定义包括：贝位X向位置以及船舱内部截面。模块实现可通过以下操作调整贝位X向位置：单选或多选贝位进行增量移动、单选贝位进行X绝对坐标设定、甲板上与舱内位置通过镜像位置生成。若船舶相邻20ft之间可装箱40ft，两个相邻贝位“2X20FT可装40FT”，可生成40ft的逻辑贝位。贝位X方向位置定义好后，还需要定义船舱内部截面(类似船舶积载图)。积载图截面相同的贝位，具有存在和不存在两种状态。若贝位横向间距不对，可输入贝位Y轴的绝对坐标或者调整与左侧箱的相对距离。

所述的道路系统包括多条道路轨迹线，道路线轨迹下附着多条车道。道路用编号来标识；道路轨迹线的属性包括编号、起点和终点、轨迹线类型，其中曲线类型的道路轨迹线还具有转弯半径及转弯角度属性；车道的属性包括：车道编号、车道与所属道路轨迹线起始点距离、车道方向、车道宽度、车道类型，其中曲线类型的车道还具有转弯半径及转弯角度属性。道路-轨迹线-车道树状结构

所述的海岸线模块内置海岸线段及轨道、泊位信息，其中：

所述的海岸线属性包括：编号、起点和终点、轨迹线类型信息，其中曲线类型的海岸线还具有转弯半径及转弯角度属性。

所述的轨道属性包括：编号、起点和终点、轨道宽度、轨道类型，其中曲线类型的轨道还具有转弯半径及转弯角度属性。

所述的泊位信息包括：停泊船只编号、泊位起点及终点、泊位长度属性，泊位用于船舶模块中停泊船只的定位。

所述的集装箱批量添加是指：根据用户提供码头系统中包含集装箱信息的EXCEL文件进行集装箱的属性：集装箱编号、显示模型路径、名称、制造商名称、重量、长度、宽度、高度、箱尺寸、箱型、箱状态、持箱人、场箱位的添加。

如图2所示，本实施例涉及上述系统的码头建模方法，以外来船舶上的集装箱存放入码头指定堆场贝位的流程为例，包括以下步骤：

第一步，利用船舶模块中的停泊功能将需要卸载集装箱的船只停靠在在规划好的海岸线模块下的泊位上。

第二步，使用设备模块中的岸桥的海侧小车平移功能与海侧吊具升降功能将需要运输的集装箱吊装至中转平台上，随后由岸桥的陆侧小车平移功能与陆侧吊具的升降功能配合将集装箱转运到岸桥等候区的AGV上。

第三步，利用设备模块中AGV设备的运动功能，控制AGV设备沿着道路模块中定义好的车道运行，磁钉信息模块起到辅助AGV实时位置定位的功能。

第四步，设备模块中的AGV设备通过顶升运动功能将集装箱运送至堆场模块的缓冲区中，堆场模块中的场桥设备利用吊具的升降功能将暂存在缓冲区中的集装箱吊起，运送到堆场模块中的指定贝位，并更改堆场模块中的贝位信息，至此集装箱从船舶到堆场的流程结束。将堆场中的集装箱运送至船舶上的指定贝位的流程与上述流程的逻辑相反。

所述的系统进一步设有用于网络连接的外部接口，第三方可通过网络接口驱动软件进行仿真。点击菜单栏的监控，弹出监控管理接口，读取配置文件或者输入IP与端口，待监控状态变为绿色时，用户即可根据协议指令通过外部的数据驱动平台仿真。

本系统可应用于与码头建设的各类企业和从事相关研究的高校。应用系统搭建码头方便快捷，可以从属性层面自由定义设备，码头各部分尺寸也能快捷定义，具有很强的适用性。由于实现码头各构成要素的建模方式，用户可以根据自身需求完成所需码头的建模与布局。码头建设时，可通过该软件完成整个码头系统的布局规划，从事相关研究的研究人员可建立部分或整个码头系统并通过外部接口进行相关仿真验证工作，该系统为自动化集装箱码头实现一个功能广泛的、兼具设备建模及运行仿真和码头布局仿真功能的平台。

本发明根据分层设计理念将设备分解为构件对象，构件间的运动副约束限制代表了设备的特征动作，且设备模型具有可调节的结构参数与性能参数便于用户根据生产实际对设备进行特性化调整。

经过具体实际实验，在设定时间内，各模块调用码头运行场景数据执行码头装卸作业，仿真系统的运行逻辑与实际集装箱物流逻辑相同，各模块协调一致，运行稳定无异常。

与现有技术相比，本发明为码头管理者提供了直观的图像信息参考。码头系统的数字孪生系统可仿真分析码头设备的利用率及装卸作业效率，为码头管理者制定调度策略与作业计划提供直观的图像及数据信息参考。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种自动化集装箱码头的三维仿真系统，其特征在于，包括：码头设备模块、堆场模块、船舶模块、道路模块和磁钉信息记录模块，其中：码头设备模块用于岸桥、场桥、AGV三种码头典型设备的参数化构建、用于岸桥、场桥、AGV设备的操作控制以及设备管理，码头设备模块通过码头装备的数字化功能建模方法与装备对象化建模方法，实现大型港口设备的三维数字化功能对象的用户的自定义搭建，并将设备拆解为组件构件后用运动副加以约束从而构成设备，堆场模块根据堆场属性快速搭建堆场模型并形成堆场箱位到空间位置的映射，船舶模块根据编号、船长、船宽以及外部资源中的船只显示模型完成集装箱船只的定义并进行船舶贝位空间位置快速布局，道路模块根据道路-道路轨迹线-车道的逻辑建立道路系统，即实现用户在三维环境中数字化模型规划码头系统的布局并用于判断AGV的坐标，从而获得AGV运载的集装箱当前具体的位置信息，磁钉信息记录模块通过磁钉表导入的磁钉位置与真实的磁钉位置对应用于辅助判定AGV的实时位置；

所述的场桥的抽象组成构件包括：场桥小车、场桥龙门架、场桥吊具、场桥吊绳，其中：小车与大车之间、吊具与小车之间构成平移运动副；

所述的场桥设备的运动包括：场桥大车的行走、集装箱的抓取与释放、场桥小车在龙门架上的平移运动及场桥吊绳的升降；

所述的场桥的结构参数包括：场桥的轮距、轨距、轨道高、吊高、轨道左极限中心距、轨道右极限中心距、悬臂类型、吊具类型、可吊集装箱类型；

所述的场桥的性能参数包括：大车最大速度、大车最大加速度、小车最大速度、小车最大加速度、吊具最大速度、吊具最大加速度；

所述的岸桥的抽象组成构件包括：岸桥龙门架、岸桥海侧臂架、岸桥海侧吊具机构、岸桥海侧小车、岸桥海侧吊绳、岸桥陆侧吊具机构、岸桥陆侧小车、岸桥陆侧吊绳，其中：海侧小车和海侧吊具具有平移约束，海侧小车和龙门架具有平移约束，陆侧小车和陆侧吊具具有平移约束，陆侧小车和龙门架具有平移约束，海侧臂架和岸桥龙门架构成旋转约束；

所述的岸桥的设备的运动包括：岸桥大车的行走、海侧臂架的旋转、陆侧吊具及海侧吊具的升降、陆侧小车及海侧小车在岸桥轨道上的行走、集装箱的抓取与释放；

所述的岸桥的结构参数包括：海侧臂架高度、陆侧臂架高度、海侧轨道长度、陆侧轨道长度、岸桥基距、岸桥轨距、臂架极限俯仰角、中转平台高度、海侧吊具运行长度、陆侧吊具运行长度、海侧吊具类型及可吊集装箱、陆侧吊具长度及可吊集装箱、臂架俯仰角度；

所述的岸桥的性能参数包括：海侧臂架俯仰角速度、海侧臂架俯仰角加速度、海侧小车运行速度、海侧小车运行加速度、陆侧小车运行速度、陆侧小车运行加速度、大车运行速度、大车运行加速度、海侧吊具升降速度、海侧吊具升降加速度、陆侧吊具升降速度、陆侧吊具升降加速度；

所述的AGV的抽象组成构件包括：AGV车架总成、AGV顶升机构；二者具有平移约束，用来描述AGV顶升集装箱运动；

所述的AGV的结构参数包括：车长、车宽、轴距、轮距、传感器检测范围长距、传感器检测范围宽距、运输时支撑面高度、顶升时最大支承面高度、运载数量及运输集装箱类型；

所述的AGV的性能参数包括：续航里程、最小转弯半径、最大顶升速度、直线运行速度、转弯速度、顶升加速度、直行加速度、转弯加速度；

所述的岸桥、场桥、AGV设备的操作控制包括：岸桥大车运动、海侧臂架俯仰、陆侧及海侧小车运动、陆侧及海侧小车升降；场桥的操作包括：场桥大车运动、场桥小车运动及吊具的升降；AGV的操作包括：AGV上托板升降、直行或蟹行、转弯；每种运动都具有四种控制模式：绝对位移、相对增量位移、匀速运动、变速运动；

所述的堆场属性包括：堆场的位置坐标及朝向、堆场长、堆场宽、堆高限制、轨道长度、轨道宽度、卸货路标识。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的堆场模块包括：堆场构建单元与贝位布局单元，其中：堆场构建单元负责记录堆场的位置信息，贝位布局单元传输集装箱贝位信息；

所述的堆场进一步设有缓冲区，缓冲区由内外两个支架，支架尺寸一般为20ft标准，满足了各类装卸工艺要求。缓冲区属性包括：数量、空闲缓冲区数量、占用数量、缓冲位号及对应的状态。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的船舶模块包括：船舶三维建模单元和贝位布局单元；

所述的船只显示模型的自身坐标系默认位于甲板中心，模型坐标系有误差时可调整显示模型位姿，包括：对话框提供X、Y、Z、Rx、Ry和Rz的增量、绝对量调整，分别对应显示模型绕坐标系X，Y，Z轴进行平移和旋转；

所述的船舶贝位空间位置包括：最大贝号，甲板上层数、舱内层数、行数、最底层深度贝向默认间隔、列向默认间隔，其中自动的布局只含20ft的贝位，贝位定义包括：贝位X向位置以及船舱内部截面。模块实现可通过以下操作调整贝位X向位置：单选或多选贝位进行增量移动、单选贝位进行X绝对坐标设定、甲板上与舱内位置通过镜像位置生成。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的道路模块包括：道路单元、道路轨迹线单元与车道单元，其中：道路单元汇总了码头的道路信息，道路轨迹线单元提供了下属车道单元的指示线，车道单元记录了码头的车道信息；

所述的道路系统包括多条道路轨迹线，道路线轨迹下附着多条车道。道路用编号来标识；道路轨迹线的属性包括编号、起点和终点、轨迹线类型，其中曲线类型的道路轨迹线还具有转弯半径及转弯角度属性；车道的属性包括：车道编号、车道与所属道路轨迹线起始点距离、车道方向、车道宽度、车道类型，其中曲线类型的车道还具有转弯半径及转弯角度属性。道路-轨迹线-车道树状结构。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的磁钉信息记录模块包括：用于标定虚拟码头中的磁钉位置的磁钉位置单元，其中的磁钉在道路系统中形成矩阵式分布，AGV通过读取预设的磁钉信息进行自身位置定位；

所述的磁钉信息包括:磁钉编号、磁钉所处的道路编号以及磁钉的位置坐标。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的码头设备模块进行设备管理，具体包括：添加新设备、删除已有设备、修改已有设备属性，其中：设备的管理通过设备对象库实现，用户通过主菜单打开该“设备管理”对话框工作界面，即可进行添加、删除、修改、保存到文件；

所述的设备对象库中包含设备表，其中基本状态包括：序号，即系统赋予设备的序号名称；设备名称占用状态，当是孤立，则说明该设备处于独立状态，不属于任何码头系统，当是占用状态，则说明该设备已经属于某个码头系统显示状态；高亮——设备以高亮显示；正常——一般显示；隐藏——该设备不显示；转到某设备：用于在三维场景中快速找到该设备。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征是，进一步设有海岸线模块和集装箱模块，其中：海岸线模块包括：轨道单元、泊位单元与海岸线单元，其中：轨道单元与码头设备模块相连，提供了设备运行轨道信息；泊位与船舶模块相连，提供码头靠泊信息；海岸线单元用于码头物理边界信息的描述；所述的集装箱模块包括：用于记录集装箱位置及状态信息的集装箱属性单元。

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