杨晓斌 周旭旻

集装箱货流的持续增长使得具有规模化集散能力的集装箱码头逐步成为物流链的枢纽和增值服务中心，同时也对集装箱码头规划提出越来越高的要求。传统的集装箱码头规划方法具有非动态和低信息化的特点，难以满足集装箱码头作为复杂离散事件动态系统的规划要求;而利用计算机仿真技术规划集装箱码头物流系统，不仅能够使界面显示更加直观，而且可以在规划过程中考虑更多的随机因素，便于根据仿真结果调整和修正规划，从而增强规划的科学性和有效性。本文利用Unity3D软件构建集装箱码头堆场实时交互仿真系统，实时动态地显示集装箱码头堆场物流系统的运作流程，并以上海城建坐标系为媒介，通过平面四参数坐标转换方法，完成卫星定位参考椭球坐标至三维虚拟场景坐标的转换。仿真实例表明，该方法能够提高定位的精度和效率，可为集装箱码头堆场规划设计提供参考。

1 三维建模

为了模拟集装箱和装卸设备在集装箱码头堆场的真实状态（包括位置和外观等），根据计算机辅助设计（computer-aided design，CAD）测绘图制作集装箱、装卸设备、场地、建筑物和道路等三维模型，使三维模型与真实场景的比例达到1∶1。

利用Autodesk公司开发的建筑信息模型软件Revit制作三维模型，以提高三维建模的效率。需要注意的是，利用Revit软件制作三维模型存在以下问题：一是场景外观无法达到真实效果;二是输出的模型面数过多，难以在低端计算机上运行;三是无法实现实时交互仿真。针对上述问题，从Revit软件中导出制作完成的三维模型，并利用Autodesk公司开发的三维建模和动画软件Maya对导出的模型进行处理：一是根据从集装箱装卸作业区现场采集的素材制作写实材质;二是对输出模型实施减面等优化处理。在此基础上，利用Unity Technologies公司开发的Unity3D软件实现三维模型的实时交互仿真功能。

2 坐标映射

集装箱码头堆场三维仿真模型根据CAD测绘图制作而成，需要将全球卫星导航系统（global naviga- tion satellite system，GNSS）数据映射至三维场景中。将GNSS坐标转换为地方坐标有两种模式：一种是二维转换模式，适用于较小范围内的坐标转换;另一种是三维转换模式，适用于较大范围内的坐标转换。由于实际应用距离不超过30 km，采用平面四参数转换法即可满足精度要求。坐标转换原理是：将GNSS接收机给出的大地坐标（基于卫星定位参考椭球）通过高斯投影转换成卫星定位参考椭球平面直角坐标，再将卫星定位参考椭球平面直角坐标转换成地方平面直角坐标（基于本地椭球）。具体方法如下：首先，分别将公共点卫星定位参考椭球坐标和地方坐标系投影到各自参考椭球系的高斯平面上，得到公共点分别在卫星定位参考椭球和地方坐标系的平面坐标;然后，采用最小二乘法對2组以上的坐标数据求取四参数;最后，用求得的四参数把卫星定位的高斯平面坐标转换为地方坐标系的高斯投影面的平面坐标。

为了实现对装卸设备的实时仿真，要求对装卸设备的定位精度达到厘米级。可利用差分GNSS基准站求得伪距修正量或位置修正量，并根据修正量修正测量数据，从而提高GNSS定位精度。[1]本项目在上海洋山深水港物流园区自建差分GNSS基准站。差分GNSS基准站与移动终端之间的距离较近，传输路径更为直接，能够有效减少潜在干扰源，从而提高解算速度和定位精度。差分GNSS基准站覆盖整个园区，信号较强且存在一定冗余，即使工作一段时间后电台发射信号衰减，也能保证较高的定位精度。前端设备具有多星多频接收能力，目前可以跟踪接收美国GNSS、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统和中国北斗卫星导航系统的卫星信号。差分GNSS采用移动网络模式实现数据传输和通信，并采用RTCM3.2数据传输格式，能够避免传统传输方式下电台频率不一致和数据格式不兼容的问题。流动站解算后通过网络回传国际通用的NMEA标准格式，整理后接入智慧平台。

为了验证系统的有效性和稳定性，在上海港洋山深水港区进行试验。通过差分GNSS获得装卸设备的GNSS数据，并将GNSS数据映射至三维场景中：首先，将GNSS的卫星定位参考椭球坐标映射到上海城建坐标;然后，将上海城建坐标映射到三维场景的局部坐标系统。三维场景基于CAD测绘图制作而成，该图纸与上海城建坐标存在一定的旋转、平移、缩放的关系，可通过推算构建从上海城建坐标到三维场景的映射公式。

3 应用效果

（1）系统功能 通过生产信息交互功能，可实现作业现场集装箱的虚拟仿真（30～600 s刷新同步）;通过道口控制功能，可统计进出作业现场车辆（2～ 300 s刷新同步）;通过基于GNSS的车辆跟踪功能，可实现作业现场移动装卸设备的实时虚拟仿真（1～ 3 s刷新同步），并记录移动装卸设备的历史轨迹;通过数字监控功能，可实时提供数字监控图像;通过场景显示功能，可实现现实场景的虚拟仿真，并获取相关建筑物、场地等信息。

（2）经济和社会效益 方便集装箱码头堆场的管理人员实时了解现场作业情况，实现集装箱码头堆场安防监控与突发事件处理的高度融合，从而提高集装箱码头堆场的综合管理能力和对突发事件的协调处置能力，并降低堆场运营成本;优化集装箱码头堆场作业流程，实现对集装箱和集装箱货运车辆的有效跟踪和管理，从而避免物流资源浪费，降低物流成本;提升集装箱码头堆场智能化管理水平，方便相关企业办理通关手续，提高通关效率，从而间接提高相关企业的经济效益;通过采用数据备份、虚拟现实、传感器、互联网和红外热成像等技术，建立危险货物集装箱数据库，并实时更新业务系统中的相应信息，实现对集装箱码头堆场的智慧管理。

参考文献：

[1] 李旭，燕斌，刘耀波，等. 一种基于映射变换的全景图快速展开算法[J]. 电子测试，2016（7）：31-34.

（编辑：张敏 收稿日期：2018-11-22）