CN114357795A - 顺岸式边装卸全自动化集装箱码头数字孪生系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种顺岸式边装卸全自动化集装箱码头数字孪生系统，包含数据感知模块，与码头工控网数据接口、核心系统数据接口、辅助系统数据接口对接，收集码头操作设备、集装箱、船舶、闸口运行数据发送至数据接入模块，数据接入模块对接收的数据提取并接入数字孪生系统，同时发送至数据存储模块备份，数据服务模块提供数据规划、数据安全保障、数据统计服务，数据应用模块负责大数据分析和BI分析，找出影响码头运行效率的关键，提供相关决策支持，展示层负责将数据感知模块传输的实时数据同步至数字模型，进行图像处理及整个孪生系统可视化界面的呈现并投放到屏幕上。本发明对每个作业过程实时监控和动态指挥，提升整个码头运转效率。
Description
技术领域
本发明涉及码头数字系统开发技术领域，具体涉及一种顺岸式边装卸全自动化集装箱码头数字孪生系统。
背景技术
传统码头的管控系统主要目标是实现管理的信息化，只能起到辅助决策的作用，并且缺少码头仿真模型与分析模块，码头作业及运转过程可视化程度低，为了实现码头的智能管控，构建集装箱码头的数字孪生系统已成为建设全自动化码头的重要技术途径。
传统码头一般只配备有本地或远程监控系统，但本地或远程监控系统对数据的利用不充分，无法提供故障预测，设备运行过程中一旦突发故障，会影响作业、耽误船期，且突发故障往往维修难度系数大，对港口的生产作业有重要影响。
此外，传统码头与拥有数字孪生系统的智能码头相比，存在以下问题：缺少自主决策机制，系统只能进行简单的数据分析，缺少成本分析、盈利分析、风险评估、故障预测等，不能直接提供决策支持；缺少码头仿真模型，不能进行作业过程的仿真分析，不能以模型为载体形成工业大数据；码头可视化程度较低，只有部分监控供以实时查看，缺少码头全局可视化系统，不能对每个作业过程进行实时可视化展示和动态指挥；员工的体力劳动和脑力劳动更加繁重，部分工作环境较为恶劣。因此，建立集装箱码头的数字孪生系统对提高码头运转效率、实现智慧化运营及管理有重大意义。
发明内容
本发明的目的是要解决现有集装箱码头可视化程度低的问题，提供了一种顺岸式边装卸全自动化集装箱码头数字孪生系统，以提供成本分析、盈利分析、风险评估、故障预测、客户关系管理及信用等级评定等决策支持，实现码头全局可视化，从而对每个作业过程进行实时监控和动态指挥，提升整个码头的运转效率。
本发明提供的顺岸式边装卸全自动化集装箱码头数字孪生系统，包含：
数据感知模块、数据接入模块、数据存储模块、数据服务模块、数据应用模块和展示层，其中：
所述数据感知模块，即数据源，与全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、辅助系统数据接口对接，收集码头内所有QC岸桥、ASC场桥(轨道吊)、ART设备的实时运行数据、水平运输任务信息、闸口信息、船舶信息、集装箱信息，并将收集到的数据信息发送至数据接入模块，实现所需数据信息的实时收集；
所述数据接入模块，对数据感知模块发送的实时数据进行提取并接入数字孪生系统，同时将数据发送至数据存储模块；
所述数据存储模块，将接收的数据信息进行存储备份；
所述数据服务模块，依据数据的来源与用途对数据进行分类管理，提供数据规划服务；根据数据的安全管理等级对数据进行监控与安全防护加固，提供数据安全保障服务；依据码头管理的需要进行相关指标的计算，提供数据统计服务；数据服务模块将处理后的数据反馈给数据存储模块进行归档，同时发送至数据应用模块进行数据分析；
所述数据应用模块，负责将存储的数据进行大数据分析和BI分析，大数据分析包括针对岸桥、场桥、ART及船舶的作业效率与作业能耗指标进行分析；BI分析包括针对业务系统订单、设备信息、交易账目及客户信息进行成本分析、盈利分析、风险评估、故障预测、客户关系管理及信用等级评定，并提供决策支持；
所述展示层，负责将数据感知模块传输的实时数据同步至数字模型，进行图像的处理及整个孪生系统可视化界面的呈现，并投放到指定屏幕上。
其中，所述工控网(ECS系统)负责收集岸桥、场桥及ART的实时数据信息；岸桥与场桥通过设备自身的PLC收集相关数据，利用XCC数据接口将数据输送至各设备对应的远控台，各远控台将数据传输至OPC server服务器，进一步通过IOT边缘计算模块将数据传输至数据感知模块；ART则通过数据接入中间件将数据传输至数据感知模块；同时，岸桥与场桥的远控台将自身实时数据传输至各自的XJD控制模块，ART将数据接入MQTT服务器。
其中，所述核心系统包含：TOS码头管理系统、水平运输系统、智能闸口系统、智能理货系统、冷箱管理系统，其中，TOS系统可通过XJD控制模块对岸桥与场桥进行数据采集与实时调度；水平运输系统可通过MQTT服务器进行ART的数据采集与实时调度；智能闸口系统对各闸口及缓冲区进行监控并提供预约管理服务；智能理货系统用于堆场内集装箱分类、数据统计、信息追踪管理；冷箱管理系统负责冷藏集装箱的信息采集与监控。
其中，辅助系统包含：智能楼宇系统、能源管控系统、清洁能源系统、综合管控系统及视频监控系统，全面保障码头的正常运作及高效运转。
其中，所述数据服务模块统计的相关指标包含：
岸桥作业指标：包含岸桥自动化作业率、平均作业效率、平均使用时长、与ART对位成功率、等候作业时长、换贝时长；
场桥作业指标：包含自动化人工干预率、航陆作业效率、故障率、自动化操控比例、翻倒率；
ART作业指标：包含ART平均单箱里程、空载率、等候比例、平均作业量、平均充电周期、状态显示、双循环作业比例；
泊位指标：包含船舶吞吐量、泊位利用率、泊位占用率；
闸口指标：包含闸口直通率、进/出闸效率；
其他指标：包含在场集装箱数量统计、堆存期统计等。
上述统计数据不仅能被投放至孪生码头指标看板，以供工作人员查看，还为大数据分析和BI分析提供数据支持。
其中，所述展示层利用图形工作站进行图像的静态、动态、三维动画、数据可视化等处理，进一步通过图像融合器融合实景视频，并将图像传输至投影融合大屏、孪生大屏及三维可视化大屏，从而取得码头全局实时可视化的效果。
与现有技术相比，本发明能够实现对码头岸桥、场桥、ART各操作设备及船舶、集装箱、闸口等进行实时数据收集与监控，能够对岸桥、场桥、ART及船舶的作业效率与作业能耗进行大数据分析，提供成本分析、盈利分析、风险评估、故障预测、客户关系管理及信用等级评定等决策支持，将所有实时数据与三维模型同步，实现码头全局实时可视化，从而达到对每个作业过程进行实时监控及动态指挥的目的。另外，本发明降低了作业安全事故发生率，提高了作业效率，降低了作业成本，使得自动化码头在安全性、稳定性、可靠性等方面都有了明显改进。
附图说明
图1为本发明的顺岸式边装卸全自动化集装箱码头数字孪生系统的整体框架图。
图2为本发明的顺岸式边装卸全自动化集装箱码头数字孪生系统的数据感知模块中工控网(ECS系统)的结构图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行论述，显然，在结合附图进行描述的技术方案仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的顺岸式边装卸全自动化集装箱码头数字孪生系统，包含数据感知模块、数据接入模块、数据存储模块、数据服务模块、数据应用模块和展示层，其中：
所述数据感知模块即数据源，与全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QC岸桥、ASC场桥(轨道吊)、ART等设备的实时运行数据、水平运输任务信息、闸口信息、船舶信息、集装箱信息等，实现码头内所需数据与信息的收集并将其发送至数据接入模块。
所述数据接入模块，对数据感知模块发送的实时数据进行提取并接入数字孪生系统，同时将数据发送至数据存储模块。
所述数据存储模块，将接收的数据信息进行存储、备份。
所述数据服务模块，依据数据的来源与用途对其进行分类管理，提供数据规划服务，便于进行数据管理；根据数据的安全管理等级对数据进行监控与安全防护加固，提供数据安全保障服务，保障数据的安全；依据码头管理的需要进行相关指标的计算，提供数据统计服务，便于进行大数据分析和BI分析。数据服务模块将处理后的数据反馈给数据存储模块进行存储归档，同时发送至数据应用模块便于对其进行数据分析和提供决策支持。
所述数据应用模块，负责将存储的数据进行大数据分析和BI(BusinessIntelligence，事件智能)分析，大数据分析主要针对岸桥、场桥、ART及船舶的作业效率与作业能耗指标进行分析，找出影响码头运行效率的关键；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成本分析、盈利分析、风险评估、故障预测、客户关系管理及信用等级评定等，达到中小决策自主制定、重大决策提供决策支持的目的，提升决策可靠性及准确率，以实现码头的智慧化运营及管理。
所述展示层，负责将数据感知模块传输的实时数据同步至数字模型，进行图像的处理及整个孪生系统可视化界面的呈现，并投放到指定屏幕上，使得码头数字孪生系统与实际系统全面同步，提升码头可视化程度，实现对码头全局及各作业过程的动态指挥与实时监控。
上述技术方案中，所述数据监控与安全防护，采用云搜索技术，包括以下功能：支持业务监控与告警，让用户及时发现业务中的异常信息；数据源信息加密保存，元数据库密码支持客户修改；提供作业端到端数据流监控，包括数据量实时显示、异常任务短信、邮件通知，支持对异常任务进行重跑、补数据等运维手段；允许实时监控应用程序上的流量(访问者总数，唯一访问者数量，IP地址，最常见的查询，大多数请求的页面，使用的设备和浏览器，按时间显示的流量日志等)；支持用户认证鉴权，支持索引级别以及列级别的权限控制，实现安全增强；数据传输都在租户网络内，作业和连接配置信息都在租户实例数据库中，实例面不对外监听端口，防止数据泄露及外部攻击。
上述技术方案中，所述大数据分析，采用实时流计算服务及基于预设的数据模型，使用易用SQL的数据分析，用户可选择数据仓库、SparkSQL以及交互式查询引擎。实时流计算服务是运行在公有云上的实时流式大数据分析服务，全托管的方式用户无需感知计算集群，只需聚焦于Stream SQL业务，即时执行作业。同时采用数据湖工厂技术对短信、邮件、告警信息处理、批处理后，使用搜索服务搜索信息或使用图服务展现社交关系，实现数据分析业务流的实时化与自动化。采用数据湖治理平台实现统一的元数据管理及数据的智能分析。
上述技术方案中，所述核心系统包含：TOS码头管理系统、水平运输系统、智能闸口系统、智能理货系统、冷箱管理系统等。
其中，TOS码头管理系统涉及岸桥、场桥等各操作设备的管理及其他管理环节；水平运输系统包含ART车队管理系统、解锁站管理系统和智能交通管理系统，主要负责ART的高效运转；智能闸口系统对各闸口及缓冲区进行监控并提供预约管理服务；智能理货系统用于堆场内集装箱分类、数据统计、信息追踪等管理；冷箱管理系统负责冷藏集装箱的信息采集与监控。
上述技术方案中，所述辅助系统包含：智能楼宇系统、能源管控系统、清洁能源系统、综合管控系统以及视频监控系统；其中，智能楼宇系统主要功能为：控制设备管理、安防系统接入、智能会议室运营及港区能源管理等，实现港区各作业系统的智能化管理及运营；能源管控系统主要进行各作业设备能源使用情况的实时监测、数据记录及智能分析，同时，对港区供能装置进行智能调度，保障各设备作业的正常作业需求；清洁能源系统通过收集港区太阳能、风能等自然能源，并将其转换成电能，直接输送至港区电网，供作业设备及港区辅助设施使用；综合管控系统实时监测、调度港区作业设施及安全生产辅助设施，保障港区各项作业的流畅进行；视频监控系统利用港区高点建筑或灯杆架设多组枪机和球机，使各设备呈扇形排列，实时采集各设备作业视频，并智能监测车辆碰撞、集装箱倒塌以及火灾等突发状况，保证第一时间发现并报告突发状况信息。各辅助系统相互配合，全面保障码头的正常运作及高效运转。
上述技术方案中，所述数据服务模块统计的相关指标包含：
岸桥作业指标：包含岸桥自动化作业率、平均作业效率、平均使用时长、与ART对位成功率、等候作业时长、换贝时长等；
场桥作业指标：包含场桥自动化人工干预率、航陆作业效率、故障率、自动化操控比例、翻倒率等；
ART作业指标：包含ART平均单箱里程、空载率、等候比例、平均作业量、平均充电周期、状态显示、双循环作业比例等；
泊位指标：包含船舶吞吐量、泊位利用率、泊位占用率等；
闸口指标：包含闸口直通率、进/出闸效率等；
其它指标：包含在场集装箱数量统计、堆存期统计等。
上述统计数据不仅能被投放至孪生码头指标看板，以供工作人员查看，还为大数据分析和BI分析提供数据支持。
上述技术方案中，所述展示层利用图形工作站进行图像的静态、动态、三维动画、数据可视化等处理，实现数字模型与对应实体物理位置的精准对接与可视，进一步通过图像融合器融合实景视频，实现实景的仿真模拟，并将图像传输至投影融合大屏、孪生大屏及三维可视化大屏，实现码头管理“一张图”。
如图2所示，本发明提出的顺岸式边装卸全自动化集装箱码头数字孪生系统的数据感知模块中工控网(ECS系统)负责收集岸桥、场桥及ART的实时数据信息。其中，岸桥与场桥通过设备自身的PLC收集相关数据，利用XCC数据接口将数据输送至各设备对应的远控台，各远控台将数据传输至OPC server服务器，进一步通过IOT边缘计算模块将数据传输至数据感知模块；ART则通过数据接入中间件将数据传输至数据感知模块。同时，岸桥与场桥的远控台将自身实时数据传输至各自的XJD控制模块，TOS系统可通过XJD控制模块对岸桥与场桥进行数据采集与实时调度；ART将数据接入MQTT服务器，水平运输系统可通过MQTT服务器进行ART的数据采集与实时调度。
本发明的运行方式如下：
所述数据感知模块与码头的工控网(ECS系统)数据接口、核心系统数据接口、辅助系统数据接口对接，收集码头内实时运行数据，并将其发送至数据接入模块，将数据接入数字孪生系统，同时将数据发送至数据存储模块进行存储备份，所述数据服务模块提供数据规划、数据安全保障、数据统计服务，为数据应用模块提供数据支持，进行大数据分析和BI分析，展示层将数据感知模块传输的实时数据同步至数字模型，呈现整个孪生系统的可视化界面，并投放到指定屏幕上。
最后应当说明的是：上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。
此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。
Claims (6)
1.顺岸式边装卸全自动化集装箱码头数字孪生系统，其特征在于，包含数据感知模块、数据接入模块、数据存储模块、数据服务模块、数据应用模块和展示层；其中，所述数据感知模块，即数据源，与全自动化集装箱码头的工控网数据接口、核心系统数据接口、辅助系统数据接口对接，收集码头内所有QC岸桥、ASC场桥、ART(Artificial Intelligence Robotof Transportation，即人工智能运输机器人)设备的实时运行数据、水平运输任务信息、闸口信息、船舶信息、集装箱信息，并将收集到的数据信息发送至数据接入模块，实现所需数据信息的实时收集；
所述数据接入模块，对数据感知模块发送的实时数据进行提取并接入数字孪生系统，同时将数据发送至数据存储模块；
所述数据存储模块将接收的数据信息进行存储备份；
所述数据服务模块，依据数据的来源与用途对数据分类管理，提供数据规划服务；根据数据的安全管理等级对数据进行监控与安全防护加固，提供数据安全保障服务；依据码头管理的需要进行相关指标计算，提供数据统计服务；所述数据服务模块将处理后的数据反馈给数据存储模块归档，同时发送至数据应用模块进行数据分析；
所述数据应用模块，负责将存储的数据进行大数据分析和BI分析，大数据分析包括针对岸桥、场桥、ART及船舶的作业效率与作业能耗指标分析；BI分析包括针对业务系统订单、设备信息、交易账目及客户信息进行成本分析、盈利分析、风险评估、故障预测、客户关系管理及信用等级评定，并提供决策支持；
所述展示层，负责将数据感知模块传输的实时数据同步至数字模型，进行图像的处理及整个孪生系统可视化界面的呈现，并投放到指定屏幕上。
2.根据权利要求1所述的顺岸式边装卸全自动化集装箱码头数字孪生系统，其特征在于，所述工控网负责收集岸桥、场桥及ART的实时数据信息；岸桥与场桥通过设备自身的PLC收集相关数据，利用XCC数据接口将数据输送至各设备对应的远控台，各远控台将数据传输至OPC server服务器，通过IOT边缘计算模块将数据传输至数据感知模块；ART通过数据接入中间件将数据传输至数据感知模块；岸桥与场桥的远控台将自身实时数据传输至各自的XJD控制模块，ART将数据接入至MQTT服务器。
3.根据权利要求1所述的顺岸式边装卸全自动化集装箱码头数字孪生系统，其特征在于，所述核心系统包含TOS码头管理系统、水平运输系统、智能闸口系统、智能理货系统、冷箱管理系统；其中，TOS系统可通过XJD控制模块对岸桥、场桥设备进行数据采集和实时调度；水平运输系统可通过MQTT服务器进行ART的数据采集与实时调度；智能闸口系统对各闸口及缓冲区进行监控并提供预约管理服务；智能理货系统用于堆场内集装箱分类、数据统计、信息追踪管理；冷箱管理系统负责冷藏集装箱的信息采集与监控。
4.根据权利要求1所述的顺岸式边装卸全自动化集装箱码头数字孪生系统，其特征在于，所述辅助系统包含智能楼宇系统、能源管控系统、清洁能源系统、综合管控系统及视频监控系统。
5.根据权利要求1所述的顺岸式边装卸全自动化集装箱码头数字孪生系统，其特征在于，所述数据服务模块统计的指标包含：
岸桥作业指标：包括岸桥自动化作业率、平均作业效率、平均使用时长、与ART对位成功率、等候作业时长、换贝时长；
场桥作业指标：包括场桥自动化人工干预率、航陆作业效率、故障率、自动化操控比例、翻倒率；
ART作业指标：包括ART平均单箱里程、空载率、等候比例、平均作业量、平均充电周期、状态显示、双循环作业比例；
泊位指标：包括船舶吞吐量、泊位利用率、泊位占用率；
闸口指标：包括闸口直通率、进/出闸效率等；
其他指标：包括在场集装箱数量统计、堆存期统计。
6.根据权利要求1所述的顺岸式边装卸全自动化集装箱码头数字孪生系统，其特征在于，所述展示层利用图形工作站进行图像的静态、动态、三维动画、数据可视化处理，进一步通过图像融合器融合实景视频，并将图像传输至投影融合大屏、孪生大屏及三维可视化大屏。
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