基于Unity3D的集裝箱碼頭堆場實時交互仿真系統(tǒng)

楊曉斌 周旭旻

集裝箱貨流的持續(xù)增長使得具有規(guī)模化集散能力的集裝箱碼頭逐步成為物流鏈的樞紐和增值服務(wù)中心，同時也對集裝箱碼頭規(guī)劃提出越來越高的要求。傳統(tǒng)的集裝箱碼頭規(guī)劃方法具有非動態(tài)和低信息化的特點，難以滿足集裝箱碼頭作為復(fù)雜離散事件動態(tài)系統(tǒng)的規(guī)劃要求;而利用計算機仿真技術(shù)規(guī)劃集裝箱碼頭物流系統(tǒng)，不僅能夠使界面顯示更加直觀，而且可以在規(guī)劃過程中考慮更多的隨機因素，便于根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整和修正規(guī)劃，從而增強規(guī)劃的科學(xué)性和有效性。本文利用Unity3D軟件構(gòu)建集裝箱碼頭堆場實時交互仿真系統(tǒng)，實時動態(tài)地顯示集裝箱碼頭堆場物流系統(tǒng)的運作流程，并以上海城建坐標(biāo)系為媒介，通過平面四參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，完成衛(wèi)星定位參考橢球坐標(biāo)至三維虛擬場景坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。仿真實例表明，該方法能夠提高定位的精度和效率，可為集裝箱碼頭堆場規(guī)劃設(shè)計提供參考。

1 三維建模

為了模擬集裝箱和裝卸設(shè)備在集裝箱碼頭堆場的真實狀態(tài)（包括位置和外觀等），根據(jù)計算機輔助設(shè)計（computer-aided design，CAD）測繪圖制作集裝箱、裝卸設(shè)備、場地、建筑物和道路等三維模型，使三維模型與真實場景的比例達到1∶1。

利用Autodesk公司開發(fā)的建筑信息模型軟件Revit制作三維模型，以提高三維建模的效率。需要注意的是，利用Revit軟件制作三維模型存在以下問題：一是場景外觀無法達到真實效果;二是輸出的模型面數(shù)過多，難以在低端計算機上運行;三是無法實現(xiàn)實時交互仿真。針對上述問題，從Revit軟件中導(dǎo)出制作完成的三維模型，并利用Autodesk公司開發(fā)的三維建模和動畫軟件Maya對導(dǎo)出的模型進行處理：一是根據(jù)從集裝箱裝卸作業(yè)區(qū)現(xiàn)場采集的素材制作寫實材質(zhì);二是對輸出模型實施減面等優(yōu)化處理。在此基礎(chǔ)上，利用Unity Technologies公司開發(fā)的Unity3D軟件實現(xiàn)三維模型的實時交互仿真功能。

2 坐標(biāo)映射

集裝箱碼頭堆場三維仿真模型根據(jù)CAD測繪圖制作而成，需要將全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global naviga- tion satellite system，GNSS）數(shù)據(jù)映射至三維場景中。將GNSS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地方坐標(biāo)有兩種模式：一種是二維轉(zhuǎn)換模式，適用于較小范圍內(nèi)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;另一種是三維轉(zhuǎn)換模式，適用于較大范圍內(nèi)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。由于實際應(yīng)用距離不超過30 km，采用平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換法即可滿足精度要求。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理是：將GNSS接收機給出的大地坐標(biāo)（基于衛(wèi)星定位參考橢球）通過高斯投影轉(zhuǎn)換成衛(wèi)星定位參考橢球平面直角坐標(biāo)，再將衛(wèi)星定位參考橢球平面直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地方平面直角坐標(biāo)（基于本地橢球）。具體方法如下：首先，分別將公共點衛(wèi)星定位參考橢球坐標(biāo)和地方坐標(biāo)系投影到各自參考橢球系的高斯平面上，得到公共點分別在衛(wèi)星定位參考橢球和地方坐標(biāo)系的平面坐標(biāo);然后，采用最小二乘法對2組以上的坐標(biāo)數(shù)據(jù)求取四參數(shù);最后，用求得的四參數(shù)把衛(wèi)星定位的高斯平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地方坐標(biāo)系的高斯投影面的平面坐標(biāo)。

為了實現(xiàn)對裝卸設(shè)備的實時仿真，要求對裝卸設(shè)備的定位精度達到厘米級。可利用差分GNSS基準(zhǔn)站求得偽距修正量或位置修正量，并根據(jù)修正量修正測量數(shù)據(jù)，從而提高GNSS定位精度。[1]本項目在上海洋山深水港物流園區(qū)自建差分GNSS基準(zhǔn)站。差分GNSS基準(zhǔn)站與移動終端之間的距離較近，傳輸路徑更為直接，能夠有效減少潛在干擾源，從而提高解算速度和定位精度。差分GNSS基準(zhǔn)站覆蓋整個園區(qū)，信號較強且存在一定冗余，即使工作一段時間后電臺發(fā)射信號衰減，也能保證較高的定位精度。前端設(shè)備具有多星多頻接收能力，目前可以跟蹤接收美國GNSS、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號。差分GNSS采用移動網(wǎng)絡(luò)模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信，并采用RTCM3.2數(shù)據(jù)傳輸格式，能夠避免傳統(tǒng)傳輸方式下電臺頻率不一致和數(shù)據(jù)格式不兼容的問題。流動站解算后通過網(wǎng)絡(luò)回傳國際通用的NMEA標(biāo)準(zhǔn)格式，整理后接入智慧平臺。

為了驗證系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性，在上海港洋山深水港區(qū)進行試驗。通過差分GNSS獲得裝卸設(shè)備的GNSS數(shù)據(jù)，并將GNSS數(shù)據(jù)映射至三維場景中：首先，將GNSS的衛(wèi)星定位參考橢球坐標(biāo)映射到上海城建坐標(biāo);然后，將上海城建坐標(biāo)映射到三維場景的局部坐標(biāo)系統(tǒng)。三維場景基于CAD測繪圖制作而成，該圖紙與上海城建坐標(biāo)存在一定的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放的關(guān)系，可通過推算構(gòu)建從上海城建坐標(biāo)到三維場景的映射公式。

3 應(yīng)用效果

（1）系統(tǒng)功能 通過生產(chǎn)信息交互功能，可實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場集裝箱的虛擬仿真（30～600 s刷新同步）;通過道口控制功能，可統(tǒng)計進出作業(yè)現(xiàn)場車輛（2～ 300 s刷新同步）;通過基于GNSS的車輛跟蹤功能，可實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場移動裝卸設(shè)備的實時虛擬仿真（1～ 3 s刷新同步），并記錄移動裝卸設(shè)備的歷史軌跡;通過數(shù)字監(jiān)控功能，可實時提供數(shù)字監(jiān)控圖像;通過場景顯示功能，可實現(xiàn)現(xiàn)實場景的虛擬仿真，并獲取相關(guān)建筑物、場地等信息。

（2）經(jīng)濟和社會效益 方便集裝箱碼頭堆場的管理人員實時了解現(xiàn)場作業(yè)情況，實現(xiàn)集裝箱碼頭堆場安防監(jiān)控與突發(fā)事件處理的高度融合，從而提高集裝箱碼頭堆場的綜合管理能力和對突發(fā)事件的協(xié)調(diào)處置能力，并降低堆場運營成本;優(yōu)化集裝箱碼頭堆場作業(yè)流程，實現(xiàn)對集裝箱和集裝箱貨運車輛的有效跟蹤和管理，從而避免物流資源浪費，降低物流成本;提升集裝箱碼頭堆場智能化管理水平，方便相關(guān)企業(yè)辦理通關(guān)手續(xù)，提高通關(guān)效率，從而間接提高相關(guān)企業(yè)的經(jīng)濟效益;通過采用數(shù)據(jù)備份、虛擬現(xiàn)實、傳感器、互聯(lián)網(wǎng)和紅外熱成像等技術(shù)，建立危險貨物集裝箱數(shù)據(jù)庫，并實時更新業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的相應(yīng)信息，實現(xiàn)對集裝箱碼頭堆場的智慧管理。

參考文獻：

[1] 李旭，燕斌，劉耀波，等. 一種基于映射變換的全景圖快速展開算法[J]. 電子測試，2016（7）：31-34.

（編輯：張敏 收稿日期：2018-11-22）