本文介绍一种自动化轨道吊远程操作虚拟培训系统。该系统可以根据指令模拟真实自动化轨道吊相关作业工况和作业过程中出现的一些异常情况。受训人员可以通过配套的真实自动化轨道吊远程操控台上的手柄、按钮等，操作虚拟轨道吊大车和小车移动、吊具抓箱和放箱，并处理一些异常情况，从而可以在脱离真实场地和真实设备的情况下，实现对自动化轨道吊远程操控司机的精准培训。该系统的成功开发和应用有助于减少码头培训成本，提高培训效率，促进码头自动化、智能化发展。
01系统整体架构
自动化轨道吊远程操作虚拟培训系统整体架构见图1，自下而上可以划分为数据层、软件层、硬件层和显示层。数据层主要实现对系统初始化数据和系统作业指令的存储。软件层主要包括集装箱堆场虚拟三维场景及其驱动程序，其中：虚拟三维场景主要包括自动化轨道吊三维模型、集卡和集装箱三维模型、道路和护栏等其他模型；驱动程序主要包括系统登录、参数设置、系统初始化、任务分发、数据通信、设备驱动、灯光和天气控制等模块。硬件层主要为自动化轨道吊远程操控台，远程操控台配置有可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、操作手柄、按钮和显示屏等硬件设备。显示层主要为系统人机交互界面，主要包括系统登录界面、参数设置界面、系统运行界面、信息和操作提示界面等。
当系统运行时，软件层首先读取数据层配置好的堆场集装箱信息和作业任务指令，并将指令下发给虚拟场景中的作业设备。作业设备对作业指令进行解析，并在驱动程序的驱动下进行对应的集装箱装卸作业。显示层则将虚拟场景渲染后显示在硬件层的远程操控台显示屏上。受训人员根据显示屏的界面提示，利用远程操控台手柄和按钮控制虚拟自动化轨道吊进行集装箱装卸作业，并处理一些异常情况等，从而实现相应的培训功能。
02数据层
在现实自动化码头中，码头操作系统（Terminal Operation System，TOS）会与外界船公司进行通信，获取船运信息和集装箱流向信息，从而在码头内部生成需要装卸集装箱的作业任务指令。相应地，在虚拟培训系统中需要配置虚拟场景中的堆场地图和计划装卸的集装箱信息，作为系统任务输入。
虚拟培训系统会预先将上述信息以初始化数据的形式存储于数据库中，主要包括设备初始化数据、堆场集装箱初始化数据、系统作业任务和指令等，其中：设备初始化数据、堆场集装箱初始化数据主要包括设备型号、编号、具体位置等信息；作业任务指令主要包括作业任务类型、是否双箱作业、作业轨道吊编号、集装箱箱号、箱型、集装箱起始位置（箱区、贝位、列、层）、最终输送位置（箱区、贝位、列、层）等信息。系统在运行时会首先根据上述信息在场景中相应位置加载出对应的设备和集装箱，然后根据作业任务指令进行集装箱装卸作业。
03软件层
在虚拟培训系统软件层中，虚拟三维场景中主要包含一些不同尺寸（20 英尺、40 英尺、45 英尺等）、不同箱属公司的集装箱，以及自动化轨道吊、集卡等设备。虚拟自动化轨道吊具有与真实自动化轨道吊相同的运行机构。同时，虚拟自动化轨道吊还配置有驱动程序，在手动模式下由远程操控台上的司机进行操作控制，司机利用操控台上的手柄和按钮将指令传送至远程操控台的PLC，然后通过通信接口和通信协议传递至虚拟场景中，控制虚拟自动化轨道吊进行集装箱装卸作业。当虚拟自动化轨道吊处于自动模式时，在接收到作业任务指令后驱动程序会将指令逐步分解为自动化轨道吊大车开往堆场集装箱对应贝位、小车运行至集装箱对应列、起升机构下降、吊具抓取集装箱、起升机构上升、小车开往集卡上方、起升机构将集装箱下放置到集卡上、集卡驶离等一系列细分动作，司机只需要处理在集卡上方的抓箱或放箱操作，其他装卸作业过程都自动完成。[4] 虚拟场景中负责水平运输的集卡与装卸任务相关连：当堆场处于收箱模式时，集卡携带对应的集装箱在驱动程序的驱动下驶进自动化轨道吊下方的车道供自动化轨道吊抓取；当堆场处于集卡提箱模式时，对应的集卡会空车驶进自动化轨道吊下方作业车道，等待自动化轨道吊放箱后驶离。
除了设备驱动程序外，还包括一些其他辅助程序，例如：系统登录模块实现系统登录功能，对用户进行管理；任务分发模块实现将任务指令分发给指定的作业设备；在参数设置模块中用户可对系统运行参数进行设定；数据通信模块实现系统与数据库、PLC之间的通信连接和数据读取；在灯光和天气控制模块中，用户可在不同灯光（白天或夜晚等）、不同天气（雨天、晴天、雾天等）情况下进行培训，使用户适应不同的作业环境。
04硬件层
作为虚拟培训系统与受训人员交互的载体，系统在硬件上采用真实的自动化轨道吊远程操控台。该远程操控台配备控制虚拟自动化轨道吊起升机构、大车和小车运行的手柄和按钮、显示作业状态的指示灯等硬件设备。操控台上的手柄、按钮等指令信号会传送至操控台的PLC中进行解算，然后再与自动化堆场虚拟场景进行交互通信，从而控制虚拟场景中的自动化轨道吊各运行机构根据指令进行对应动作。
远程操控台还配备3个高清显示器和可升降的台面，受训人员可以根据自身需求将操控台调节到适合自己的高度来进行操作训练。在3个高清显示器中有2个是用来显示虚拟自动化轨道吊装卸集装箱的情况，1个是用来显示虚拟自动化轨道吊远控系统的界面。受训人员通过观察3个高清显示器上的界面信息，了解虚拟自动化轨道吊各机构运行状态和作业任务要求，从而完成相关的培训工作。自动化轨道吊远程操控台见图2。
05显示层
显示层主要为系统人机交互界面，主要包括系统登录界面、参数设置界面、信息和操作提示界面、系统运行界面等，其中：系统登录界面实现系统登录功能；参数设置界面实现系统运行参数设置功能；信息和操作提示界面通过显示相关信息或画面，指导受训人员按照提示进行相应操作；系统运行界面是系统正常运行时所显示的画面。
在真实场景中，自动化轨道吊司机通过观察安装在自动化轨道吊上的多路摄像头的实时画面，在远程操控台上进行装卸操作。相应地，在本系统中，系统运行界面对上述实时画面进行模拟，使虚拟摄像头所看到的内容与真实自动化轨道吊摄像头所看到的内容保持一致。系统运行界面主要包含主界面、吊具界面和远控系统界面，分别显示在远程操控台的3个高清显示器上。系统运行界面见图3。主界面显示虚拟自动化轨道吊的主视角，用于展示自动化轨道吊的整体状态；吊具界面显示吊具作业状态，用于指导司机完成吊具抓箱、放箱操作；远控系统界面显示当前虚拟自动化轨道吊各个机构的运行状态信息、设备作业任务信息和位置信息等。受训人员通过观察上述界面信息，完成相应控制操作，实现相关培训功能。
