基于智能船廠的三維電子地圖開發(fā)技術(shù)

李楊梅， 張 濤， 張怡敏， 周 清， 侯 星

(1.上海船舶工藝研究所, 上海 200032; 2.上海申博信息系統(tǒng)工程有限公司, 上海200032)

0 引 言

目前我國較多船企和科研院所致力于多方面構(gòu)建智能船廠，其中一方面就是構(gòu)建廠區(qū)電子地圖，將車間中各種資源以三維立體的形式展示，能夠使資源的劃分、統(tǒng)計、規(guī)劃更直觀、有效[1-2]。然而，國內(nèi)船廠廠區(qū)電子地圖以傳統(tǒng)的二維平面矢量地圖為主，尚無船廠生產(chǎn)資源的三維模型，不能直觀表達廠區(qū)的資源管理含義，已經(jīng)越來越不能滿足船企的智能化需求。

開展地圖瓦片化、動態(tài)加載、位置校準(zhǔn)、地圖緩存等三維電子地圖技術(shù)研究，創(chuàng)建興趣點交互，搭建智能船廠三維電子地圖服務(wù)，以滿足人員定位、6S管理、資源管理、車輛調(diào)度、視頻采集和能源監(jiān)控等各類業(yè)務(wù)的操作需要。利用可視化技術(shù)和三維模擬仿真技術(shù)對數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化和多維表達，能夠較好地體現(xiàn)三維電子地圖的立體性、方位性和真實性，為管理者決策支持提供有力保障[3-4]。

1 總體方案

構(gòu)建船廠三維電子地圖的步驟：首先通過一定的圖像處理技術(shù)，將局部廠區(qū)地圖拼接成不同尺寸的整廠區(qū)地圖；然后利用瓦片化技術(shù)，將廠區(qū)地圖分割成設(shè)定尺寸的地圖瓦片，并分層級存放；再應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)(Internet Information Service， IIS)搭建Web服務(wù)器，并以地圖瓦片所在目錄作為Web服務(wù)目錄，根據(jù)視點位置和縮放比例實時加載地圖瓦片，經(jīng)過位置校準(zhǔn)實現(xiàn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一；最后將地圖瓦片緩存在本地，減少服務(wù)器壓力，實現(xiàn)電子地圖服務(wù)。另外，建立興趣點交互功能，完成生產(chǎn)資源信息和實時狀況的快速查詢。總體方案設(shè)計及解決途徑[5]如圖1所示。

圖1 總體方案設(shè)計及解決途徑

2 具體技術(shù)

2.1 三維電子地圖圖像處理

以外高橋船廠某車間為例，利用3dmax軟件構(gòu)建廠區(qū)三維模型，調(diào)整模型全景并通過圖像渲染功能輸出不同視角地圖圖片，如圖2所示。

圖2 完整廠區(qū)地圖

三維電子地圖圖像處理技術(shù)涉及如下方面：

(1) 渲染輸出超大型圖片。通過圖像處理技術(shù)，對廠區(qū)三維模型進行圖像分割，輸出局部視圖后再進行拼接，從而構(gòu)建整個廠區(qū)地圖。

(2) 輸出不同縮放比例圖片。共有4層分辨率不同的電子地圖，縮放時先確定原點，以原點為中心進行縮放，根據(jù)縮放比例，調(diào)取能夠使用的地圖層。渲染每個視角最大縮放比例的圖片，然后利用Photoshop按指定比例縮放圖片并輸出，能夠縮短3dmax處理圖像的時間且能達到相同品質(zhì)效果。

(3) 不同視角縮放比例一致。在3dmax渲染不同視角圖片時，選中模型某一位置，圍繞該位置查看不同視角下模型是否變形、是否處于初始的可視范圍框架內(nèi)，若8個視角的模型均在可視范圍內(nèi)，即可保證以該模型為中心點渲染輸出的不同視角縮放比例是一致的。

(4) 確認(rèn)選擇圖片的中心點。在輸出的圖片上選擇接近圖片中心、所有視角都可視且容易定位的點(如兩線段交點)，然后利用Photoshop移動所有視角中的該點至圖片中心即可。

2.2 三維電子地圖瓦片化

互聯(lián)網(wǎng)地圖較常見的地圖瓦片是圖片格式的。首先將不同縮放比例的廠區(qū)地圖按約定尺寸瓦片化，并分層級存放在相應(yīng)文件夾下；然后將所有地圖瓦片通過IIS發(fā)布Web服務(wù)，從而實現(xiàn)電子地圖瓦片資源服務(wù)。由于客戶端請求的地圖是預(yù)先生成的，因此不需要對請求的內(nèi)容進行實時計算和繪制。瓦片化處理主要包括如下內(nèi)容：

(1) 圖片瓦片化

從地圖的左上角開始，從左至右、從上到下切割為尺寸一致的正方形圖片，尺寸通常為256×256像素，如圖 3所示；然后將圖片分行和列以不同文件名存放在不同文件夾下。切片方案原點位于地圖之外，確保能夠覆蓋地圖區(qū)域。

圖3 瓦片化方案示例

推薦的存放路徑：MapTiles{Direction}{Level}{RowIndex}{ColIndex}.png。其中：{Direction}為視角，{Level}為縮放級別，{RowIndex}為行號，{ColIndex}為列號。

(2) 計算瓦片位置(在地圖中的行列號)

瓦片位置的計算結(jié)果取絕對值，其計算公式為

(1)

(3) 瓦片化超大型圖片

超大型圖片在瓦片化時容易導(dǎo)致內(nèi)存不足等問題。在進行瓦片化前，先將圖片分割為n行m列(n>1，m>1)，然后循環(huán)瓦片化分割后的圖片。設(shè)置切片尺寸，選擇輸出路徑和完整圖片路徑，路徑使用標(biāo)簽{Direction}代表不同視角，可以修改x和y方向的偏移值(默認(rèn)圖片中心點在(0，0)點)，輸出地圖瓦片。

(4) 部署電子地圖瓦片資源服務(wù)

為避免地圖瓦片化管理混亂、存放受限及訪問速度緩慢等問題，利用IIS建立網(wǎng)站，將每個級別的瓦片化文件夾上傳至網(wǎng)站根目錄，提供位置索引服務(wù)。瓦片訪問鏈接如下：http://{ServerAddress}:{ServerPort}/MapTiles/{Direction}/{Level}/{RowIndex}/{ColIndex}.png。其中：{ServerAddress}為服務(wù)器地址，{ServerPort}為服務(wù)器端口。

2.3 三維電子地圖動態(tài)加載技術(shù)

根據(jù)視點位置和縮放比例按需動態(tài)加載地圖瓦片資源，可有效提高三維電子地圖服務(wù)質(zhì)量。采用C#編程語言開發(fā)船舶智能管控系統(tǒng)，并采用C#編程語言中DevExpress(控件集合)中的MapControl(地圖控件)加載電子地圖，這樣與系統(tǒng)匹配度更高。MapControl允許提供自定義地圖數(shù)據(jù)。每個視角建立1個圖層，通過設(shè)置地圖資源鏈接加載對應(yīng)視角地圖瓦片，切換視角時只需切換不同顯示圖層即可。

2.4 三維電子地圖位置校準(zhǔn)技術(shù)

在船廠的車間管控中，不同的系統(tǒng)功能使用的地圖處于不同的坐標(biāo)系中，因此需將所有坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至同一坐標(biāo)系，實現(xiàn)資源統(tǒng)一、全面的管控。以世界坐標(biāo)系為統(tǒng)一的坐標(biāo)系，方便后續(xù)系統(tǒng)的集成。坐標(biāo)變換主要分為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)縮放和坐標(biāo)平移[6]。

(1) 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

北緯方向A與B兩點間距離為

(2)

式中：R為地球平均半徑，取6 371.004 km；E為A、B兩地經(jīng)度差。

111 199.233 m為地面緯度每度對應(yīng)的近似距離，而經(jīng)度每度對應(yīng)的近似距離隨緯度不同而不同，其計算值為111 199.233×cosLm(L為海拔高度)。但是，廠區(qū)地圖往往范圍較小，可忽略經(jīng)度影響。

(2) 坐標(biāo)縮放

測量同一對象在廠區(qū)地圖上的尺寸(經(jīng)緯度)和二維平面圖上的尺寸(m)，經(jīng)過多次測量，計算出平均縮放比例即可。

(3) 坐標(biāo)平移

選取二維平面圖中定位點，計算坐標(biāo)變換后的坐標(biāo)值，然后從地圖上找到定位點的實際坐標(biāo)值，從而計算出平移坐標(biāo)值。

2.5 三維電子地圖緩存技術(shù)

三維電子地圖服務(wù)需通過超文本傳輸協(xié)議(Hyper Text Transfer Protocol, HTTP)傳輸數(shù)據(jù)，客戶端訪問量增大將給Web服務(wù)器帶來巨大的壓力。將地圖資源數(shù)據(jù)緩存至本地，并優(yōu)先從本地讀取數(shù)據(jù)，從而大幅減少服務(wù)器壓力，有效提升地圖訪問性能。

3 應(yīng)用實例

開展智能船廠三維電子地圖圖像處理、瓦片化、動態(tài)加載、位置校準(zhǔn)、地圖緩存等開發(fā)技術(shù)研究，形成三維電子地圖組件。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在船舶智能管控系統(tǒng)中并得到有效的驗證。船舶智能管控系統(tǒng)如圖 4所示，圖中對廠區(qū)的車間廠房、門吊等靜態(tài)物體及人員、運輸車量等動態(tài)資源均進行定義，通過興趣點交互快速了解物體的詳細(xì)基礎(chǔ)信息和實時狀態(tài)。

圖4 船舶智能管控系統(tǒng)

興趣點以地圖標(biāo)記形式表示，在興趣點右鍵菜單中選擇“詳情”和“局部視圖”菜單項，可獲取興趣點詳細(xì)信息或查看建筑物某樓層的三維電子地圖，如圖 5～圖 7所示。

圖5 地圖標(biāo)記興趣點

圖6 興趣點右鍵菜單

圖7 興趣點局部視圖

三維電子地圖組件在船舶智能管控系統(tǒng)中的應(yīng)用使用戶可以直觀地對生產(chǎn)和管理進行多維表達，為建設(shè)智能船廠打下良好的數(shù)字化基礎(chǔ)。目前船舶智能管控系統(tǒng)已成功應(yīng)用于臨港人員定位試驗驗證平臺，并成功應(yīng)用于廣船實際生產(chǎn)中，大幅提升車間的生產(chǎn)效率和數(shù)字化水平。

4 結(jié) 論

基于智能船廠的三維電子地圖開發(fā)技術(shù)可為解決智能船廠的資源管理可視化、直觀化提供良好的解決方案。引入三維電子地圖的圖像處理、瓦片化、動態(tài)加載、位置校準(zhǔn)、地圖緩存技術(shù)方案，解決地圖在客戶端的展示性能和位置偏移問題，可對生產(chǎn)資源進行智能規(guī)劃，滿足船廠業(yè)務(wù)操作需求，形成適用于船廠的三維電子地圖組件，并在船舶智能管控系統(tǒng)中使用，以數(shù)字化方式展示廠區(qū)內(nèi)資源的詳細(xì)信息和實時狀態(tài)，為管理者提供設(shè)備、人員和中間產(chǎn)品等信息檢索服務(wù)，為船舶企業(yè)走向智能化、數(shù)字化高質(zhì)量發(fā)展奠定基礎(chǔ)。