一种自动化集装箱码头仿真系统及方法

摘要

本发明提供一种自动化集装箱码头仿真系统及方法。本发明包括基本构成要素构建单元、仿真事件调度单元和可视化单元，所述基本构成要素构建单元用于通过包括实体及其属性、队列、状态、活动、控制和仿真时钟在内的基本构成要素构建模拟自动化集装箱码头的整体运作流程的仿真模型；所述仿真事件调度单元用于将码头器械事件例程作为仿真模型的基本模型单元，按照事件发生的先后顺序不断执行相应的事件例程；所述可视化单元用于基于自动化集装箱码头的整体作业数据，可视化码头的整体作业过程。本发明可以为未来港口在演示、培训、研发方面提供有力的支持。

说明书

技术领域

本发明涉及自动化码头仿真领域，尤其涉及一种自动化集装箱码头仿真系统及方法。

背景技术

集装箱码头作为标准化运输的枢纽已成为世界贸易的重要部分，中国港口2019年集装箱吞吐量为2.61亿标箱，比上年增长4.4％。伴随着业务繁忙而来的是调度管理方面的挑战，大型集装箱码头的每一个泊位每24小时平均需要完成9000次作业任务，以往以人工为主的管理调度手段已捉襟见肘，码头调度的智能化和自动化已迫在眉睫。集装箱码头在码头建设方面正处于向自动化、无人化的过渡阶段。自动化码头不但可以解放人力并可以提高多达30％的效率。目前自动化码头已经发展到第四代，全球共有自动化码头34个，其中包括中国的厦门远海、青岛港和上海洋山四期，而大连港和深圳盐田等港口也在积极评估筹备中。

相较于传统集装箱码头，自动化集装箱码头在运作管理存在诸多不同。如自动化集装箱码头通过软硬件系统负责监控管理码头上的大部分资源。在布局规划层面，通过信息系统的评估为码头的空间布局和资源的规划配置提供决策依据；在资源分配层面，根据空间布局和资源配置自主决策泊位、箱位、桥吊以及运输车辆的分配。在实时调度层面，根据资源分配的结果对各种设备运转进行实时调度控制。

在自动化集装箱码头的快速发展过程中，也存在一个较为突出的问题。即自动化集装箱码头缺乏相应的评估工具，自动化集装箱码头的作业受到很多不确定性因素的影响，尤其在岸侧，在诸如天气、人为等因素造成的船舶、外集卡早到、延误以及集装箱错位等事件的影响。由于自动化集装箱码头没有人工干预，在处理不确定性事件和事故的时候很容易陷入僵局，最后造成系统瘫痪，所以港口管理人员需要自动化集装箱码头仿真系统，对在不确定性事件和事故情况下的港口运作情况进行评估。而目前，关于港口运作的评估手段是比较缺乏的。

申请号为202110285581.8公开了一种自动化码头仿真控制系统，其集中于自动化码头仿真中的要素控制，即船舶、车辆等要素的对接控制的仿真控制系统，并没有针对整个自动化码头的整体运作进行仿真。现有码头仿真系统存在“黑匣子”，无法增加系统内不存在的模块。即现有码头仿真系统中的相关模型，如船舶模型、场桥模型、集卡模型和岸桥模型都是固定的，但由于业务需要，会面临一些新的器械结构。这时，该仿真系统无法对这类码头进行仿真复现。同时，自动化码头是码头业发展的趋势，势必会出现更多的新型器械，所以需要对自动化码头仿真进行更新升级。同时，现有的自动化集装箱码头仿真方法往往不能结合码头实时业务数据进行仿真。如码头根据实际业务需求，会对不同岸桥、集卡设置不同的行驶速度。普通的仿真方法中，往往会将岸桥和集卡的速度等参数设置为一个固定的值，进行仿真模拟。这往往不能反映出自动化码头的整体作业情况。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种自动化集装箱码头仿真系统。本发明采用的技术手段如下：

一种自动化集装箱码头仿真系统，包括基本构成要素构建单元、仿真事件调度单元和可视化单元，所述基本构成要素构建单元用于通过包括实体及其属性、队列、状态、活动、控制和仿真时钟在内的基本构成要素构建模拟自动化集装箱码头的整体运作流程的仿真模型；所述仿真事件调度单元用于将码头器械事件例程作为仿真模型的基本模型单元，按照事件发生的先后顺序不断执行相应的事件例程；所述可视化单元用于基于自动化集装箱码头的整体作业数据，可视化码头的整体作业过程。

进一步地，所述基本构成要素构建单元中，实体包括岸桥、场桥、集卡；属性包括颜色、样式、模型；活动包括装箱、卸箱、水平运输；仿真时钟用于表示仿真时间的变化。

进一步地，仿真事件调度单元模拟的自动化集装箱码头的整体运作流程包括集装箱在堆场的存取，集装箱的水平运输以及岸桥对船舶装卸操作，所述集装箱在堆场的存取基于如下模型进行：

场桥作业模型，包括抓取不同尺寸集装箱的场桥；

岸桥作业模型，包括抓取不同尺寸集装箱的岸桥；

集卡作业模型，包括内集卡、ALV车和AGV车；

堆场模型，包括放置不同类型集装箱的箱区；

集装箱模型，包括不同类型的集装箱；

集装箱船模型，包括不同规格的集装箱船。

进一步地，仿真事件调度单元的仿真流程包括进口箱的存取和出口箱的存取，具体地，

进口箱的存放：集装箱船舶靠泊，港口方进行岸桥分配，岸桥调度；然后确定集装箱的卸载计划以及派箱位点，岸桥将待卸的集装箱从船舶上卸至内集卡；内集卡根据该箱的派箱位点，运输至堆场的具体箱区，由场桥将该集装箱卸载至指定位点，至此完成进口集装箱在堆场的存放；

出口箱的存放：外集卡将集装箱运输至自动化集装箱码头，并通过码头闸口，根据码头的具体配置计划，内集卡将该出口箱运输至堆场的指定箱区，并由场桥将该集装箱卸载至指定位点，至此完成出口箱在堆场的存放；

进口箱的取出：确定具体需要取出的集装箱，内集卡行驶至该集装箱所在箱区，由场桥完成该集装箱的搬运工作，并卸载至该内集卡上，内集卡将集装箱运输至码头闸口，由外集卡将该集装箱运输至指定的客户，至此完成进口箱的取出；

出口箱的取出：确定具体需要取出的集装箱，内集卡行驶至该集装箱所在箱区，由场桥完成该集装箱的搬运工作，并卸载至该内集卡上，内集卡将集装箱运输至指定场桥，由场桥将该集装箱装卸至船舶的指定位点，至此完成出口箱的取出。

进一步地，仿真事件调度单元的仿真流程包括集装箱在码头陆侧与海侧之间的水平运输，具体地：

陆侧到海侧：确定需要运输的集装箱位置，内集卡行驶至指定箱区，由场桥将集装箱卸载至内集卡上，由内集卡水平运输至指定岸桥，最后由岸桥将集装箱装载至船舶；

海侧到陆侧：确定需要运输的集装箱位置，内集卡行驶至指定岸桥，由岸桥将集装箱卸载至内集卡上，由内集卡水平运输至指定箱区，最后由场桥将集装箱卸载至指定位点。

进一步地，仿真事件调度单元的仿真流程包括岸桥对船舶的装卸操作，具体地：

岸桥对船舶的装载操作：内集卡将需要装载的集装箱运输至指定岸桥，岸桥将该集装箱抓起，并装载至船舶的指定位点；

岸桥对船舶的卸载操作：确定船舶中需要卸载的集装箱位点，岸桥将该集装箱抓起，并卸载到指定的内集卡。

进一步地，所述整体作业数据包括：岸桥数据、船舶数据、任务数据、集卡数据、堆场数据和场桥数据；岸桥数据包含岸桥名称和具体位置；船舶数据包含船号、箱号、贝位、行号、层号和规格；任务数据包含箱号、卸船船名、尺寸、箱型号、船上位置、操作岸桥、岸桥指令生成时间、拖车、拖车上的位置、将箱子放拖车时间、场地目的位置、操作场桥和场桥落地时间；集卡数据包含集卡名称和具体位置；堆场数据包含箱号、箱区、贝位、行号、层号和规格；场桥数据包含场桥名称和具体位置。

本发明还公开了一种自动化集装箱码头仿真方法，包括如下步骤：

步骤1、对码头的实际运作数据进行脱敏处理，并按照仿真系统的输入规格，将该部分数据处理为仿真系统的输入参数，完成仿真系统中自动化集装箱码头的场景构建，包括海侧的集装箱船，岸桥，以及陆侧的集卡、场桥、集装箱、码头大门等器械的构建；

步骤2、通过实际的码头运作数据输入，生成码头的各部分器械的运作指令，复现自动化集装箱码头的实际运行状况；

步骤3、根据自动化码头实际运行中的状态，通过调整岸桥配置数量，集卡配置数量和场桥配置数量，结合仿真过程中各器械的实际工作效率，相互之间衔接的紧密程度和船舶在港停留时间的指标，来判断现行的码头运作策略的实际效果；

步骤4、对码头运行方案进行相应调整和优化，通过自动化集装箱码头仿真系统，对调整后的码头运行方案仿真模拟，并根据预设评价指标来获取最有利于码头实际的运行方案。

综上，本发明具有以下优点：

1、通过自动化集装箱码头仿真系统的可视化功能，将码头运作的实际运营情况进行复现，包含船舶靠泊离泊过程、岸桥分配调度过程，AGV的接送集装箱过程、场桥的调度过程、大门收箱的过程等。实现了对码头运营方案的仿真模拟，港口管理人员可结合仿真结果对现行码头运营方案进行优化，最终达到为码头生产实践环节节约大量的经济和时间成本的效果。

2、通过自动化集装箱码头仿真系统的器械扩展功能，将码头的新型器械缩放至仿真系统中，模拟该器械在码头的实际运作过程，进而完成对该新型器械的功能测试，达到了便利码头器械测试环节和减小测试成本的效果。

3、通过自动化集装箱码头仿真系统的数据对接和虚拟现实功能，达到了与港口TOS系统数据直接对接的便利效果。同时，也为发展港口数字孪生技术奠定了基础。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明自动化码头离散事件仿真构成要素示意图。

图2为本发明自动化码头仿真事件调度示意图。

图3为本发明自动化码头组成模块示意图。

图4为本发明自动化码头整体运作仿真图。

图5为本发明自动化集装箱码头可视化仿真。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

本发明公开了一种自动化集装箱码头仿真系统，包括基本构成要素构建单元、仿真事件调度单元和可视化单元，如图1所示，所述基本构成要素构建单元用于通过包括实体及其属性、队列、状态、活动、控制(规则)和仿真时钟在内的基本构成要素构建模拟自动化集装箱码头的整体运作流程的仿真模型；所述仿真事件调度单元用于将码头器械事件例程作为仿真模型的基本模型单元，按照事件发生的先后顺序不断执行相应的事件例程；所述可视化单元用于基于自动化集装箱码头的整体作业数据，可视化码头的整体作业过程，控制包括先到先服务的规则。

如图2所示，自动化码头仿真事件调度是将码头器械事件例程作为仿真模型的基本模型单元，按照事件发生的先后顺序不断执行相应的事件例程。每一事先可预知其发生时间的确定事件都带有一个事件例程，用以处理事件发生后对实体状态所产生的影响，并安排后续事件。条件事件不具有事件例程，对它的处理隐含在某一确定事件的例程中。

自动化码头仿真事件调度执行前需要完成以下三个工作：

(1)时间扫描：确定下一事件发生时间并将仿真时钟推进到该时刻；

(2)事件辨识：正确地辨识当前要发生的事件；

(3)事件执行：正确地执行当前发生的事件。

自动化码头仿真事件调度，按照码头器械整体运作方式可以分为以下两种顺序：

(1)进口事件调度顺序：

船舶到达—岸桥卸箱—集卡运输—场桥卸箱。

(2)出口事件调度顺序：

场桥装箱—集卡运输—岸桥装箱—船舶离港。

最后，按照自动化码头仿真事件调度相应规则和执行逻辑，我们通过自动化集装箱码头仿真系统，将相应事件调度进行可视化展示。

如图3所示，自动化集装箱码头仿真平台进行可视化展示的过程中，会涉及到码头中的相关器械和运行规则。通过对其进行总结和分类，得到相应的准则。具体包含：组成模块、垂直运输、水平运输以及海岸侧器械等。首先，对组成模块进行区分，具体包含：集装箱、自动导引车、集装箱船、场桥和岸桥等。集装箱根据尺寸不同，可分为20尺、40尺和45尺箱。根据高度不同，可分为9英尺6英寸和8英尺6英寸。自动导引车通过结合不同集装箱大小和类型，也具有不同尺寸和规模。集装箱船则可根据其所能运输的集装箱数量，分为不同装载量的船型。场桥根据抓钩种类，可分为一次仅能抓取一个集装箱的场桥，以及一次能抓取多个集装箱的场桥。岸桥同理根据抓钩类型，分为一次仅能抓取一个集装箱的岸桥，以及一次能抓取多个集装箱的岸桥。根据垂直运输和水平运输进行分类，可以得到岸桥和场桥属于垂直运输的器械，而自动导引车和集卡则属于水平运输的器械。通过海岸侧器械标准分类，可得到集装箱船和岸桥属于海侧器械，自动导引车和场桥属于岸侧器械。

如图4所示，码头仿真平台就是根据实际码头进出口箱流程，利用仿真原理，模拟自动化码头的整体运作：在集装箱进口货运业务中,码头主要负责卸船(discharging)、集装箱的暂时堆存(storage)、集装箱的交付(delivery)等业务。全过程可分为四个阶段：(1)卸船前的准备；(2)卸船作业；(3)集装箱存放至堆场；(4)集装箱的交付(整箱交付、拆箱交付)。其过程主要用到的码头设备主要有：岸桥、场桥、集卡等。其中，岸桥与场桥主要负责集装箱的垂直运输，岸桥负责集装箱的装卸船工作，场桥负责集装箱在堆场的堆放与卸下的工作。集卡负责集装箱在码头的水平运输，是连接陆侧与海侧的工具。

所述基本构成要素构建单元中，实体包括岸桥、场桥、集卡；属性包括颜色、样式、模型；活动包括装箱、卸箱、水平运输；仿真时钟用于表示仿真时间的变化。

综上，仿真事件调度单元模拟的自动化集装箱码头的整体运作流程包括集装箱在堆场的存取，集装箱的水平运输以及岸桥对船舶装卸操作，所述集装箱在堆场的存取基于如下模型进行：

场桥作业模型，包括抓取不同尺寸集装箱的场桥，包括抓取1个20尺集装箱、抓取1个40尺集装箱和同时抓取2个20尺和40尺集装箱的场桥；

岸桥作业模型，包括抓取不同尺寸集装箱的岸桥，包括抓取1个20尺集装箱、抓取1个40尺集装箱和同时抓取2个20尺和40尺集装箱的岸桥；

集卡作业模型，包括内集卡、ALV车和AGV车；

堆场模型，包括放置不同类型集装箱的箱区；

集装箱模型，包括不同类型的集装箱，包括20尺标箱、20尺高箱、40尺标箱、40尺高箱以及特种箱，其中特种箱包括：冷冻箱、大型箱、平板式箱、超高箱、超长箱、开顶箱、危险品箱和超宽箱等；

集装箱船模型，包括不同规格的集装箱船，分为小型、中型、大型和超大型。

仿真事件调度单元的仿真流程包括进口箱的存取和出口箱的存取，具体地，

进口箱的存放：集装箱船舶靠泊，港口方进行岸桥分配，岸桥调度；然后确定集装箱的卸载计划以及派箱位点，岸桥将待卸的集装箱从船舶上卸至内集卡；内集卡根据该箱的派箱位点，运输至堆场的具体箱区，由场桥将该集装箱卸载至指定位点，至此完成进口集装箱在堆场的存放；

出口箱的存放：外集卡将集装箱运输至自动化集装箱码头，并通过码头闸口，根据码头的具体配置计划，内集卡将该出口箱运输至堆场的指定箱区，并由场桥将该集装箱卸载至指定位点，至此完成出口箱在堆场的存放；

进口箱的取出：确定具体需要取出的集装箱，内集卡行驶至该集装箱所在箱区，由场桥完成该集装箱的搬运工作，并卸载至该内集卡上，内集卡将集装箱运输至码头闸口，由外集卡将该集装箱运输至指定的客户，至此完成进口箱的取出；

出口箱的取出：确定具体需要取出的集装箱，内集卡行驶至该集装箱所在箱区，由场桥完成该集装箱的搬运工作，并卸载至该内集卡上，内集卡将集装箱运输至指定场桥，由场桥将该集装箱装卸至船舶的指定位点，至此完成出口箱的取出。

仿真事件调度单元的仿真流程包括集装箱在码头陆侧与海侧之间的水平运输，分为陆侧到海侧和海侧到陆侧两个部分。具体地：

陆侧到海侧：确定需要运输的集装箱位置，内集卡行驶至指定箱区，由场桥将集装箱卸载至内集卡上，由内集卡水平运输至指定岸桥，最后由岸桥将集装箱装载至船舶；

海侧到陆侧：确定需要运输的集装箱位置，内集卡行驶至指定岸桥，由岸桥将集装箱卸载至内集卡上，由内集卡水平运输至指定箱区，最后由场桥将集装箱卸载至指定位点。

仿真事件调度单元的仿真流程包括岸桥对船舶的装卸操作，分为岸桥对船舶的装载操作和岸桥对船舶的卸载操作，具体地：

岸桥对船舶的装载操作：内集卡将需要装载的集装箱运输至指定岸桥，岸桥将该集装箱抓起，并装载至船舶的指定位点；

岸桥对船舶的卸载操作：确定船舶中需要卸载的集装箱位点，岸桥将该集装箱抓起，并卸载到指定的内集卡。

如图5所示，将自动化集装箱码头的整体作业数据输入至仿真平台系统，就能可视化码头的整体作业过程。所述整体作业数据包括：岸桥数据、船舶数据、任务数据、集卡数据、堆场数据和场桥数据；岸桥数据包含岸桥名称和具体位置；船舶数据包含船号、箱号、贝位、行号、层号和规格；任务数据包含箱号、卸船船名、尺寸、箱型号、船上位置、操作岸桥、岸桥指令生成时间、拖车、拖车上的位置、将箱子放拖车时间、场地目的位置、操作场桥和场桥落地时间；集卡数据包含集卡名称和具体位置；堆场数据包含箱号、箱区、贝位、行号、层号和规格；场桥数据包含场桥名称和具体位置。将上述数据以文本的形式输入至仿真系统，并输入相关指令，就可以复现自动化码头的整体作业流程。

本发明还公开了一种自动化集装箱码头仿真方法，通过构建用于评估实施效果的离散事件仿真平台，来完成自动化码头仿真实例的应用评估：包括如下步骤：

对码头的实际运作数据(具体包含岸桥、船舶、集装箱、集卡、堆场和场桥等数据)进行脱敏处理，并按照仿真系统的输入规格，将该部分数据处理为仿真系统的输入参数，完成仿真系统中自动化集装箱码头的场景构建，如海侧的集装箱船，岸桥，以及陆侧的集卡、场桥、集装箱、码头大门等器械的构建。最终通过实际的码头运作数据输入，生成码头的各部分器械的运作指令，来复现自动化集装箱码头的实际运行状况。码头管理人员可根据自动化码头实际运行中的状态，判断相关码头运营策略的合理性，如岸桥配置数量，集卡配置数量和场桥配置数量等。最终可结合仿真过程中各器械的实际工作效率，相互之间衔接的紧密程度和船舶在港停留时间等指标，来判断现行的码头运作策略的实际效果。相关管理人员可对码头运行方案进行相应调整和优化，并在按照上述流程，通过自动化集装箱码头仿真系统，对调整后的码头运行方案仿真模拟，并根据相关评价指标来获取最有利于码头实际的运行方案。

应用本发明将自动化集装箱码头的相关器械按照比例缩放至计算机中，并通过仿真系统对码头整体运作情况进行可视化复现，为自动化集装箱码头的评估、演示、培训和研发方面提供有力的支持。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。