集裝箱碼頭仿真實訓系統設計與實現

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，現代優化技術、大數據、云計算等在港口的應用越來越廣泛，港口向著智能化、自動化快速發展。這種發展趨勢對港口物流人才的培養提出了更高的要求，即要在全面深刻認識港口業務的基礎上，有很強的實踐操作能力和優化決策能力。

與此同時，虛擬現實技術在港口物流教學和培訓領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的集裝箱碼頭三維仿真系統構建方法，并對組件之間的協作機制和部署結構進行了研究。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據庫進行了重構優化，解決了虛擬場景真實感和實時性的矛盾問題。謝海強[3]基于虛擬現實技術研究了集裝箱的裝箱優化問題，創建了一個集裝箱裝箱虛擬現實仿真平臺。陳艷玲[4]構建了基于三維虛擬仿真環境的理實一體化教學模式，為“集裝箱碼頭業務操作”課程提供了角色虛擬仿真、設施虛擬仿真等實訓內容。Fan Shu等[5]基于虛擬集裝箱碼頭以及地理信息系統，搭建了信息共享平臺。魯萌萌[6]基于虛擬仿真技術開發了岸邊集裝箱起重機駕駛員的培訓系統，實現了虛擬岸橋的大車、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聯盟——TRAINPORTS，在三維虛擬環境中重建了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實技術應用在集裝箱碼頭系統中，沒有將數值仿真和實訓操作結合在一起，所建場景的真實感不強。本文基于虛擬現實技術、計算機仿真技術開發了集裝箱碼頭仿真實訓系統，融合了理論教學、數值仿真、以及實際訓練等功能，可更好地滿足物流專業的教學培訓需求。

2 關鍵技術

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

2.1 仿真系統建模

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

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過程。集裝箱碼頭的裝卸工藝有很多種，如底盤車系統、正面吊系統、叉車系統、輪胎式龍門起重機系統、軌道式龍門起重機系統等。我國大部分集裝箱碼頭均采用節省場地的輪胎式龍門起重機系統或軌道式龍門起重機系統。因此，本系統選取了軌道式龍門起重機系統及輪胎式龍門起重機系統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是一個由多種設施設備及人員組成的復雜的動態系統，各要素之間相互依存相互制約，因此對其進行系統建模，首先要建立層次模型，即把裝卸系統細化為多個子系統，分析各子系統內部事件之間的關系。

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

2.1.3 系統仿真建模

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

圖1 卸船系統的OOPN網模型

圖1為卸船子系統的OOPN網模型，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；P8表示龍門吊忙碌。該模型描述的動態過程為：計算機管理系統發送卸船指令到卸船系統后，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；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；集卡卸車完畢后，回到空車狀態，一個卸箱的循環完成。其動態變遷發生表如表1所示。

表1 卸船系統的動態變遷發生表

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

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，并且假設左右側車輪轉角一致，車輛行駛速度變化緩慢，忽略了后軸載荷的轉移[10]。集裝箱港口虛擬環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

經過運動學關系容易得到其模型為

(1)

其中，V為質心車速，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)

由此得到計算轉彎半徑的公式：

(3)

系統采用外接方向盤、踏板和檔桿進行集卡實訓，將方向盤和踏板傳入的數據轉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實環境，系統考慮了碰撞檢測[11]。Unity提供了碰撞器組件，即使用規則多邊形逼近物體，而后檢測不同物體之間的碰撞器是否發生了碰撞[12]。本系統使用了碰撞器組件中的Box Collider和Mesh Collider。使用本模型開發的實訓系統可以滿足培訓的要求，為學員提供較好的沉浸感。

3 系統設計與實現

3.1 虛擬集裝箱港口搭建

建立逼真的港口場景以及設備模型是整個仿真實訓系統的基礎。本系統用3D Max和Unity為開發工具，搭建了虛擬集裝箱港口。在建立實體三維模型之前，需要采集建模的數據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，同時優化場景模型的結構。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、設施設備的形狀及紋理圖片，并根據大窯灣的實際情況，將其分為一區、二區和三區碼頭，每一區內又根據實體的地理位置、功能等分為了集裝箱區、道路區、機械設備等。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化，從而降低模型的復雜度，優化系統。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 系統功能

集裝箱碼頭仿真實訓系統在提供理論教學的基礎上，利用虛擬現實技術展現集裝箱碼頭的作業流程，實現碼頭設備的實訓操作。學員可以身臨其境的學習理解集裝箱碼頭的理論知識，并對碼頭設備進行模擬操作和培訓。集裝箱碼頭仿真實訓系統的功能設計如圖4。

圖4 集裝箱碼頭仿真實訓系統功能設計

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、視頻相結合的形式，能夠給學生留下更加深刻的印象，如圖5，左側為配合語音講解的動畫，右側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

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

圖6 裝卸仿真功能

3.2.3 實訓系統

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

圖7 實訓功能

3.2.4 AR(增強現實)資源

增強現實(Augmented Reality，簡稱AR.)是一種將虛擬信息疊加在真實世界上的技術，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，在Unity平臺上開發了基于安卓系統的軟件應用，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 結語

本系統使用虛擬現實技術搭建了集裝箱港口的三維場景，采用面向對象的Petri網建模技術對集裝箱碼頭的裝卸系統進行了仿真建模；以智能優化算法以及Dijkstra算法為支撐，實現了港口裝卸系統的動態顯示；同時以車輛運動學等數學模型為基礎，搭建了實訓系統，實現了對集卡、岸邊起重機和龍門吊的實訓操作，本系統是集理論教學、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；并進一步開發裝卸系統的數值分析功能。