魏世橋1 王東魁1 張 煜 馬少康

1 中交第二航務工程勘察設計院有限公司 2 武漢理工大學物流工程學院

1 引言

數(shù)字孿生是一種旨在實現(xiàn)物理世界和信息世界實時交互融合的方法和理念[1]，必將引起各個產業(yè)的重大變革，得到國內外學者的廣泛關注。陶飛結合數(shù)字孿生技術，探討了未來車間數(shù)字孿生運行的概念、機制和特點，并給出數(shù)字孿生信息物理融合的關鍵理論和技術[1-2]；莊存波從產品全生命周期角度給出了產品數(shù)字孿生體的內涵、體系結構[3]；Beate研發(fā)了一套基于數(shù)字孿生的物流實驗教學管理系統(tǒng)，開發(fā)了相關的APP程序[4]；Roland結合“工業(yè)4.0”，分析指出數(shù)字孿生仿真方法和自治系統(tǒng)是未來生產智能制造的關鍵[5]；Pedro采用移動APP和云計算，實現(xiàn)了車間數(shù)字孿生中的生產制造系統(tǒng)(MES)數(shù)據和MTConnect數(shù)據的整合[6]；Cai提出了傳感數(shù)據集成和信息融合的方法，構建數(shù)字孿生虛擬機工具來評估機器的性能[7]。如何將數(shù)字孿生技術與傳統(tǒng)產業(yè)深度融合，促進企業(yè)生產運作的智慧、高效、綠色，實現(xiàn)產業(yè)轉型升級，成為數(shù)字孿生技術能否有效應用落地的關鍵。

本文以客貨滾裝港口為對象，探討數(shù)字孿生技術的應用，力圖促進智慧港口的建設與發(fā)展。引入BIM(Building information modeling)技術，以實現(xiàn)智慧港口設計、規(guī)劃、修建和運維的全生命周期管理。BIM作為一種數(shù)字化建模技術，已經廣泛用于智慧城市建設，具有參數(shù)化驅動、可視化表達、一體化數(shù)據、協(xié)同化設計、承接與互用、關聯(lián)式變化等特征；BIM技術還可以實現(xiàn)全生命周期協(xié)同共享、物理世界與數(shù)字世界高度融合、BIM+GIS的增強現(xiàn)實、BIM-5D的互聯(lián)網共享、云+端模式的過程監(jiān)控等功能。目前，已有研究表明，采用國際統(tǒng)一的標準(數(shù)據模型IFC標準、數(shù)據字典IFD標準、過程信息發(fā)布手冊IDM)，BIM技術能夠整合物聯(lián)網、云計算、機器學習、GIS、多源信息融合、增強現(xiàn)實等內容[8-13]，適合構建數(shù)字孿生智慧港口。

2 客貨滾裝港口生產運作模式

以渡海貨車為例，客貨滾裝港口生產運作模式見圖1。

圖1 客貨滾裝港口生產運作模式(以貨車為例)

(1)閘口安檢計重。貨車通過閘道進入港口自動安檢站，安檢機自動快速掃描貨車，自動識別獲取車輛的車牌、長、寬、高、重量等信息，依據以上信息計算車輛渡海費用，并傳遞給閘口售取票系統(tǒng)。

(2)閘口售取票。自動讀取車輛車牌，調取系統(tǒng)內該車輛的計費信息，收取票款與打票。售票作業(yè)需要結合港口中心生產調度的售票配額指令進行售票，配額用完需及時與港口中心溝通，獲取當前航班的更多配額。

(3)待渡場上船。車輛在待渡場排隊驗票與上船，船方根據車輛情況和船舶當前配載情況，安排車輛的上船順序及其在船舶的具體配載位置，即配載指令。同時，船方根據當前航班船舶實際配載情況，及時通知港口中心還可以釋放多少配額。

綜上，客貨滾裝港口生產運作的核心是售票、調度、配載的動態(tài)迭代過程，既有貨車實體流貫穿始末，也有信息流、計劃指令等的自動或人工流轉，通過港口中心生產調度，實現(xiàn)閘口售票與船舶配載之間的協(xié)同。

3 客貨滾裝數(shù)字孿生港口運行機制

以物聯(lián)網、移動互聯(lián)、智能感知、大數(shù)據、云計算等為代表的新一代信息技術，極大推進了現(xiàn)代智慧港口的發(fā)展。客貨滾裝智慧港口就是面向客貨滾裝港口數(shù)字化、網絡化、智能化需求，構建安檢計重、售取票、配載、驗票等多位一體的智能感知體系，提供智能、高效、便捷的客貨滾裝服務。通過客貨滾裝港口的生產運作模式及其智慧化發(fā)展需求分析，結合數(shù)字孿生技術，給出客貨滾裝數(shù)字孿生港口的系統(tǒng)組成(見圖2)。

圖2 客貨滾裝數(shù)字孿生港口

客貨滾裝港口的物理孿生與數(shù)字孿生，通過信息物理系統(tǒng)、客貨滾裝港口生產系統(tǒng)和數(shù)據倉庫，實現(xiàn)二者之間的真實映射與實時交互，運行機制如下：

(1)客貨滾裝港口物理孿生(PT)。利用TOS的作業(yè)計劃信息，完成客貨滾裝港口安檢計費、售取船票、待渡配載、登船驗票等生產作業(yè)。TOS借助CPS，實現(xiàn)閘機、自動安檢機、高清車牌自動識別一體機、閘口自動售取票機等設備的自動控制。設備的實時作業(yè)信息通過CPS傳給TOS和數(shù)據倉庫。

(2)客貨滾裝港口數(shù)字孿生(DT)?；贐IM簇的數(shù)據倉庫，數(shù)據驅動港口BIM模型和決策模型，執(zhí)行仿真優(yōu)化及其性能評估，對船舶調度、票務管理、船舶配載等進行智能決策。智能決策方案迭代優(yōu)化TOS的作業(yè)計劃。數(shù)字孿生通過CPS，實時監(jiān)測、預測和調控物理孿生，實現(xiàn)物理孿生與數(shù)字孿生的迭代優(yōu)化。

(3)客貨滾裝港口生產系統(tǒng)(TOS)。在港口數(shù)字孿生決策計劃驅動下，智能生成船舶調度計劃、票務管理計劃、船舶配載計劃。智能化管控港口物理孿生，實現(xiàn)港口設備設施資源的智能配置，以及安檢計費、閘口售票、待渡場驗票、港內車輛引導、道閘控制等的自動化作業(yè)。

(4)基于BIM簇的數(shù)據倉庫(DW)。BIM簇包含設備設施的幾何、物理等屬性及其行為和規(guī)則等的定義。按照港口BIM簇，設計數(shù)據倉庫，數(shù)據實時更新?？拓洕L裝港口的設施設備(例如泊位、待渡場、閘口、設備)與渡海車輛等可真實映射到各個BIM簇，作業(yè)數(shù)據實時驅動BIM模型和決策模型。

4 客貨滾裝數(shù)字孿生港口系統(tǒng)架構

結合某客貨滾裝港口前期調研及其核心作業(yè)計劃(例如船舶調度、船舶配載、票務管理)，參照數(shù)字孿生車間的參考系統(tǒng)架構[2]，設計客貨滾裝數(shù)字孿生港口系統(tǒng)架構(見圖3)。

圖3 客貨滾裝數(shù)字孿生港口系統(tǒng)架構

客貨滾裝數(shù)字孿生港口系統(tǒng)架構主要包括物理層、模型層、平臺層、應用層等，具體內容如下：

(1)物理層?？拓洕L裝港口中所涉及的設備、設施、渡海車輛等物理實體及其活動，實現(xiàn)客貨滾裝港口生產運作的物理空間場景，通過傳感器、執(zhí)行器、PLC等自動管控港口設備設施。

(2)模型層。結合BIM和GIS構建客貨滾裝虛擬港口，BIM模型定義和記錄了對應設備設施的幾何、物理、行為、規(guī)則等數(shù)據信息，GIS數(shù)據融入到BIM模型中，通過決策模型和仿真優(yōu)化引擎，驅動渡海車輛、船舶等臨時實體，實現(xiàn)港口生產運作計劃的模擬、分析、優(yōu)化和決策。

(3)平臺層。通過平臺使能技術、數(shù)據管理技術、數(shù)據建模與分析技術等，為客貨滾裝港口的物理孿生、數(shù)字孿生、生產系統(tǒng)等提供數(shù)據支持服務，提高平臺收集和管理港口運營數(shù)據的能力。

(4)應用層。主要開展客貨滾裝港口的船舶智能調度、票務智能管理、船舶智能配載、待渡場智能引導等智能化應用服務，實現(xiàn)船舶泊位有效安排、船期自動排班管理、船期票務配額智能動態(tài)分配、船舶配載智能動態(tài)決策、車輛待渡場智能誘導及其電子圍欄設置等。

圖4對應圖3的模型層，是模型層的拓展說明，反映BIM和GIS數(shù)據在模型層的融合與應用。模型層通過調用平臺層的BIM簇數(shù)據倉庫、GIS數(shù)據倉庫等，形成二維GIS數(shù)據、3D數(shù)字地形等地理信息，和港口設施設備的幾何、物理、行為規(guī)則等BIM信息。地理信息通過開放地理空間信息聯(lián)盟(OGC)定義的3種地理參考信息模型(網絡地圖服務WMS、網絡要素服務WFS、網絡覆蓋服務WCS)與網絡三維服務(W3DS)拓展形成OGC地理標記語言(GML)和OGC城市地理標記語言(CityGML)。BIM信息通過數(shù)據化轉換形成幾何圖元特征等BIM要素，再形成IFC港口建筑信息模型。通過語義轉換和統(tǒng)一格式可將IFC模型中的語義信息與CityGML中的5個細節(jié)層次的LoDs建筑模型進行融合和集成。BIM+GIS模型可為港口提供基礎地圖共享服務，并具備應用對接與數(shù)據集成服務能力、信息分析與應用能力和多維度、多層次的精細可視化展示功能等。

圖4 BIM+GIS數(shù)據在模型層的融合與應用

圖5 客貨滾裝港口三位一體智能決策方案

5 客貨滾裝數(shù)字孿生港口智能決策

結合RFID制定了客貨滾裝港口三位一體決策方案(見圖5)，實現(xiàn)安檢計重、售取票、船舶配載的三位一體決策，具體步驟如下：

(1)渡海車輛在入港前，通過預約方式將車輛信息錄入到射頻卡中，并與車輛綁定。

(2)車輛進入港口前置閘口時，車牌自動識別一體機判別車輛是否入港預約車輛，并合理分流。

(3)車輛進入自動安檢機安檢計重，收費情況和安檢信息等自動寫入射頻卡。

(4)車輛行駛到售取票閘口，自動售取票機讀取射頻卡信息，并提示引導司機繳費、找零和取票。

(5)自動售取票機出票前，根據射頻卡上的車輛信息，依據后臺配載算法自動分配船舶艙位，并將相關信息打印到登船票據上。

(6)出票后，后臺配載算法自動校核船舶艙容使用情況，估算剩余艙位面積，動態(tài)調整當前靠泊配載船舶的車票配額。此處，后臺配載算法對應圖2中的決策模型，采用滾動策略、動態(tài)批次和寬度匹配優(yōu)先等方法(見圖6)。該決策模型結合BIM模型中的幾何數(shù)據、非幾何數(shù)據、行為、規(guī)則等，仿真驅動BIM+GIS的客貨滾裝數(shù)字孿生港口，評估配載方案的主要性能，例如船舶艙容利用情況、船舶穩(wěn)性等。

圖6 后臺配載算法流程圖

后臺配載算法流程如圖6所示，渡海車輛依次到達港口形成到達序列，當序列元素數(shù)達到一定數(shù)量(根據配載經驗實際確定)時，形成配載批次；從配載批次中挑選車輛，根據相應策略(基于寬度匹配優(yōu)先的后批次配載等)配入船艙，并動態(tài)更新配載批次，重復該過程至船舶船艙排滿。通過以上方法，能夠逐步完成配載，滿足數(shù)字孿生快速仿真推演的要求，且符合港口配載的時效性要求。

6 結語

客貨滾裝港口數(shù)字孿生運作模式作為一種港口運營新模式，在推動港口轉型升級，實現(xiàn)港口系統(tǒng)集成,促進生產數(shù)據互聯(lián)互通和打造信息物理高度融合的智慧港口上有顯著優(yōu)勢。本文為解決如何將數(shù)字孿生技術與傳統(tǒng)港口深度融合這一問題，針對客貨滾裝港口現(xiàn)有生產運作模式，基于BIM實物仿真數(shù)字化特點，從運行機制、系統(tǒng)架構和智能決策方案3個方面對客貨滾裝數(shù)字孿生運作新模式進行了初步的研究和設計。后續(xù)，將針對客貨滾裝港口數(shù)字孿生運作模式中落地應用、關鍵技術和算法理論等開展研究。