集裝箱碼頭仿真實訓系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

段雅婷，任鴻翔，張 葉

(大連海事大學航海學院，遼寧 大連 116000)

1 引言

近年來，現(xiàn)代優(yōu)化技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計算等在港口的應用越來越廣泛，港口向著智能化、自動化快速發(fā)展。這種發(fā)展趨勢對港口物流人才的培養(yǎng)提出了更高的要求，即要在全面深刻認識港口業(yè)務的基礎(chǔ)上，有很強的實踐操作能力和優(yōu)化決策能力。

與此同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在港口物流教學和培訓領(lǐng)域的應用越來越廣泛，一些學者對此進行了深入的研究。路后軍等[1]提出了基于組件技術(shù)的集裝箱碼頭三維仿真系統(tǒng)構(gòu)建方法，并對組件之間的協(xié)作機制和部署結(jié)構(gòu)進行了研究。陳聲柳[2]以天津港為研究對象，基于MultiGen Creator建模軟件，對天津港口的三維數(shù)據(jù)庫進行了重構(gòu)優(yōu)化，解決了虛擬場景真實感和實時性的矛盾問題。謝海強[3]基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究了集裝箱的裝箱優(yōu)化問題，創(chuàng)建了一個集裝箱裝箱虛擬現(xiàn)實仿真平臺。陳艷玲[4]構(gòu)建了基于三維虛擬仿真環(huán)境的理實一體化教學模式，為“集裝箱碼頭業(yè)務操作”課程提供了角色虛擬仿真、設(shè)施虛擬仿真等實訓內(nèi)容。Fan Shu等[5]基于虛擬集裝箱碼頭以及地理信息系統(tǒng)，搭建了信息共享平臺。魯萌萌[6]基于虛擬仿真技術(shù)開發(fā)了岸邊集裝箱起重機駕駛員的培訓系統(tǒng)，實現(xiàn)了虛擬岸橋的大車、小車以及吊具的培訓操作。Bruzzone等[7]提出了一種先進的模擬器高級架構(gòu)聯(lián)盟——TRAINPORTS，在三維虛擬環(huán)境中重建了Gioia Tauro碼頭，并為海上港口操作員的培訓提供了先進的工具。

上述文獻多是將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用在集裝箱碼頭系統(tǒng)中，沒有將數(shù)值仿真和實訓操作結(jié)合在一起，所建場景的真實感不強。本文基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機仿真技術(shù)開發(fā)了集裝箱碼頭仿真實訓系統(tǒng)，融合了理論教學、數(shù)值仿真、以及實際訓練等功能，可更好地滿足物流專業(yè)的教學培訓需求。

2 關(guān)鍵技術(shù)

開發(fā)集裝箱碼頭裝卸仿真實訓系統(tǒng)，涉及三維建模、仿真系統(tǒng)建模、路徑規(guī)劃、運動學、動力學模型等，本文重點對仿真系統(tǒng)建模技術(shù)、運動學模型及路徑規(guī)劃進行研究。

2.1 仿真系統(tǒng)建模

Petri網(wǎng)[8]是一種適合于并發(fā)、異步、分布式系統(tǒng)描述與分析的圖形數(shù)學工具，既有圖形建模的直觀性，又有分析理論的嚴謹性。因此本文使用面向?qū)ο蟮腜etri網(wǎng)(OOPN)模型對集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)這一個非常典型的離散事件動態(tài)系統(tǒng)進行建模。

2.1.1 裝卸工藝的選取

裝卸工藝過程是集裝箱的換裝作業(yè)過程。集裝箱碼頭的裝卸工藝有很多種，如底盤車系統(tǒng)、正面吊系統(tǒng)、叉車系統(tǒng)、輪胎式龍門起重機系統(tǒng)、軌道式龍門起重機系統(tǒng)等。我國大部分集裝箱碼頭均采用節(jié)省場地的輪胎式龍門起重機系統(tǒng)或軌道式龍門起重機系統(tǒng)。因此，本系統(tǒng)選取了軌道式龍門起重機系統(tǒng)及輪胎式龍門起重機系統(tǒng)作為集裝箱碼頭裝卸仿真的裝卸工藝。

2.1.2 層次模型的建立

集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)是一個由多種設(shè)施設(shè)備及人員組成的復雜的動態(tài)系統(tǒng)，各要素之間相互依存相互制約，因此對其進行系統(tǒng)建模，首先要建立層次模型，即把裝卸系統(tǒng)細化為多個子系統(tǒng)，分析各子系統(tǒng)內(nèi)部事件之間的關(guān)系。

本文將集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)細分為了5個子系統(tǒng)：泊位系統(tǒng)、裝船系統(tǒng)、卸船系統(tǒng)、堆場系統(tǒng)和計算機管理系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)均有其獨立的功能，計算機管理系統(tǒng)作為完成裝卸調(diào)度和管理的實體，也被列為了一個獨立的子系統(tǒng)。

2.1.3 系統(tǒng)仿真建模

集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)的層次模型建立好之后，可建立相應的Petri網(wǎng)模型并給出動態(tài)變遷發(fā)生表。以下僅以卸船子系統(tǒng)為例說明仿真建模的過程。

圖1 卸船系統(tǒng)的OOPN網(wǎng)模型

圖1為卸船子系統(tǒng)的OOPN網(wǎng)模型，其中P1，P3和P7表示集卡、岸橋和龍門吊空閑，標識m1，m2和m3分別代表空閑的集卡、岸橋和龍門吊的數(shù)量；P2，P5和P6分別表示集卡等待裝車、裝車完成、等待卸車；P4表示岸橋卸船作業(yè)；P8表示龍門吊忙碌。該模型描述的動態(tài)過程為：計算機管理系統(tǒng)發(fā)送卸船指令到卸船系統(tǒng)后，空集卡啟動，駛向碼頭前沿岸橋處；排隊等待裝車，岸橋開始進行卸船作業(yè)；集卡裝車完畢后，進入重車車道，駛向進口箱堆場；重集卡到達進口箱堆場后，等待龍門吊卸車，龍門吊開始作業(yè)；集卡卸車完畢后，回到空車狀態(tài)，一個卸箱的循環(huán)完成。其動態(tài)變遷發(fā)生表如表1所示。

表1 卸船系統(tǒng)的動態(tài)變遷發(fā)生表

使用OOPN的建模技術(shù)將集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)建立層次模型，并分別對子系統(tǒng)建立仿真模型，使得整個系統(tǒng)運行緊密相連，并為程序的實現(xiàn)和后續(xù)對系統(tǒng)的分析打下了基礎(chǔ)。

2.2 車輛運動模型

在對集卡、岸橋的操作實訓過程中，要想增強沉浸感，有更加真實的體驗，就必須建立相應的數(shù)學運動模型。以下僅以車輛為例，闡述其運動模型。

車輛的運動學模型[9]可以反應車輛的運動特征。自行車模型將車輛的兩個前輪和兩個后輪分別用一個等效的前輪和后輪代替模型不考慮車輛在Z軸方向的運動，只考慮水平面的運動，并且假設(shè)左右側(cè)車輪轉(zhuǎn)角一致，車輛行駛速度變化緩慢，忽略了后軸載荷的轉(zhuǎn)移[10]。集裝箱港口虛擬環(huán)境中地面水平且平坦，車輛行駛速度均比較慢且速度變化緩慢，因此使用自行車模型就可滿足實訓要求。圖2為自行車模型示意圖。

圖2 自行車模型

經(jīng)過運動學關(guān)系容易得到其模型為

(1)

其中，V為質(zhì)心車速，ψ為航向角，β為車輛滑移角，δ為車輛前輪偏角，lj和lr分別為前懸和后懸長度。該模型給出了車身的縱向速度、橫向速度和角速度。

當車輛滑移角很小時，可以將角速度公式簡化為

(2)

由此得到計算轉(zhuǎn)彎半徑的公式：

(3)

系統(tǒng)采用外接方向盤、踏板和檔桿進行集卡實訓，將方向盤和踏板傳入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成模型所需的輸入變量和，從而模擬集卡的運動。為了更加逼真的模擬現(xiàn)實環(huán)境，系統(tǒng)考慮了碰撞檢測[11]。Unity提供了碰撞器組件，即使用規(guī)則多邊形逼近物體，而后檢測不同物體之間的碰撞器是否發(fā)生了碰撞[12]。本系統(tǒng)使用了碰撞器組件中的Box Collider和Mesh Collider。使用本模型開發(fā)的實訓系統(tǒng)可以滿足培訓的要求，為學員提供較好的沉浸感。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 虛擬集裝箱港口搭建

建立逼真的港口場景以及設(shè)備模型是整個仿真實訓系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)用3D Max和Unity為開發(fā)工具，搭建了虛擬集裝箱港口。在建立實體三維模型之前，需要采集建模的數(shù)據(jù)并劃分三維實體的層次，這樣可以方便場景建模的分工和模型的組織管理，同時優(yōu)化場景模型的結(jié)構(gòu)。虛擬集裝箱港口以大連大窯灣集裝箱碼頭為原型，采集了其碼頭的工藝布置、設(shè)施設(shè)備的形狀及紋理圖片，并根據(jù)大窯灣的實際情況，將其分為一區(qū)、二區(qū)和三區(qū)碼頭，每一區(qū)內(nèi)又根據(jù)實體的地理位置、功能等分為了集裝箱區(qū)、道路區(qū)、機械設(shè)備等。接下來使用3D Max對三維實體進行幾何建模、紋理貼圖以及模型的整合優(yōu)化，從而降低模型的復雜度，優(yōu)化系統(tǒng)。最后將建好的三維模型以.FBX格式導入到Unity中，在Unity里添加海面模型、天空盒，并調(diào)整光照，獲得更好的視覺效果。場景效果如圖3。

圖3 港口三維場景效果

3.2 系統(tǒng)功能

集裝箱碼頭仿真實訓系統(tǒng)在提供理論教學的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)展現(xiàn)集裝箱碼頭的作業(yè)流程，實現(xiàn)碼頭設(shè)備的實訓操作。學員可以身臨其境的學習理解集裝箱碼頭的理論知識，并對碼頭設(shè)備進行模擬操作和培訓。集裝箱碼頭仿真實訓系統(tǒng)的功能設(shè)計如圖4。

圖4 集裝箱碼頭仿真實訓系統(tǒng)功能設(shè)計

3.2.1 理論教學

理論教學模塊是為了輔助教師的理論教學，設(shè)計了船舶、港口和碼頭三個部分，分別對各種船舶類型、港口的作用設(shè)備等、碼頭的空間布置和裝卸工藝進行了詳細的介紹，并采用了文字、視頻相結(jié)合的形式，能夠給學生留下更加深刻的印象，如圖5，左側(cè)為配合語音講解的動畫，右側(cè)為對港口組成的文字講解。

圖5 理論教學功能

3.2.2 裝卸仿真

裝卸作業(yè)是碼頭作業(yè)最重要的部分，它的作業(yè)效率及成本對港口企業(yè)的收益有很大的影響。影響碼頭裝卸作業(yè)效率的因素主要是碼頭資源的管理和調(diào)度。本系統(tǒng)分兩個模塊實現(xiàn)了集裝箱碼頭的裝卸作業(yè)仿真：計算機管理系統(tǒng)和實時調(diào)度仿真系統(tǒng)。其中，計算機管理系統(tǒng)負責港口資源的調(diào)度方案管理，實時調(diào)度仿真系統(tǒng)則負責調(diào)度方案和仿真動畫的實現(xiàn)。如圖6所示，港口資源調(diào)度主要包括泊位分配、岸橋分配、集卡調(diào)度以及堆場分配，計算機管理系統(tǒng)通過遺傳算法求解泊位——岸橋聯(lián)合調(diào)度模型和堆場分配模型，給出泊位和岸橋的調(diào)度結(jié)果以及箱區(qū)分配結(jié)果；使用粒子群算法給出了集卡調(diào)度結(jié)果，如圖6(b)中整體演示計算數(shù)據(jù)區(qū)域。

圖6 裝卸仿真功能

3.2.3 實訓系統(tǒng)

碼頭作業(yè)人員對設(shè)備操作的熟練程度也是影響裝卸作業(yè)效率的一個主要因素。為了在不影響港口作業(yè)的條件下高效的提高學員對港口裝卸設(shè)備的操作效率，系統(tǒng)開發(fā)了岸邊起重機、龍門吊以及集卡的實訓系統(tǒng)。岸邊起重機和龍門吊采用虛擬現(xiàn)實頭盔和手柄進行實訓操作，虛擬集卡則使用外接方向盤、踏板和檔桿實現(xiàn)對其的控制。如圖7所示。

圖7 實訓功能

3.2.4 AR(增強現(xiàn)實)資源

增強現(xiàn)實(Augmented Reality，簡稱AR.)是一種將虛擬信息疊加在真實世界上的技術(shù)，它能夠為學員提供形象的虛擬模型和豐富的交互方式。本文采用基于計算機視覺的AR技術(shù)，在Unity平臺上開發(fā)了基于安卓系統(tǒng)的軟件應用，可為學員提供了豐富的AR資源庫。如圖8所示，圖8(a)為AR資源庫中的二維碼圖片，圖8(b)為對應的AR模型。

圖8 AR功能

4 結(jié)語

本系統(tǒng)使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建了集裝箱港口的三維場景，采用面向?qū)ο蟮腜etri網(wǎng)建模技術(shù)對集裝箱碼頭的裝卸系統(tǒng)進行了仿真建模；以智能優(yōu)化算法以及Dijkstra算法為支撐，實現(xiàn)了港口裝卸系統(tǒng)的動態(tài)顯示；同時以車輛運動學等數(shù)學模型為基礎(chǔ)，搭建了實訓系統(tǒng)，實現(xiàn)了對集卡、岸邊起重機和龍門吊的實訓操作，本系統(tǒng)是集理論教學、仿真和實訓為一體的仿真實訓平臺。接下來將研究系統(tǒng)算法，與大窯灣港口的實際情況進行對比，驗證其有效性；并進一步開發(fā)裝卸系統(tǒng)的數(shù)值分析功能。