李杨梅， 张 涛， 张怡敏， 周 清， 侯 星

(1.上海船舶工艺研究所, 上海 200032; 2.上海申博信息系统工程有限公司, 上海200032)

0 引 言

目前我国较多船企和科研院所致力于多方面构建智能船厂，其中一方面就是构建厂区电子地图，将车间中各种资源以三维立体的形式展示，能够使资源的划分、统计、规划更直观、有效[1-2]。然而，国内船厂厂区电子地图以传统的二维平面矢量地图为主，尚无船厂生产资源的三维模型，不能直观表达厂区的资源管理含义，已经越来越不能满足船企的智能化需求。

开展地图瓦片化、动态加载、位置校准、地图缓存等三维电子地图技术研究，创建兴趣点交互，搭建智能船厂三维电子地图服务，以满足人员定位、6S管理、资源管理、车辆调度、视频采集和能源监控等各类业务的操作需要。利用可视化技术和三维模拟仿真技术对数据实现可视化和多维表达，能够较好地体现三维电子地图的立体性、方位性和真实性，为管理者决策支持提供有力保障[3-4]。

1 总体方案

构建船厂三维电子地图的步骤：首先通过一定的图像处理技术，将局部厂区地图拼接成不同尺寸的整厂区地图；然后利用瓦片化技术，将厂区地图分割成设定尺寸的地图瓦片，并分层级存放；再应用互联网信息服务(Internet Information Service， IIS)搭建Web服务器，并以地图瓦片所在目录作为Web服务目录，根据视点位置和缩放比例实时加载地图瓦片，经过位置校准实现坐标系转换和统一；最后将地图瓦片缓存在本地，减少服务器压力，实现电子地图服务。另外，建立兴趣点交互功能，完成生产资源信息和实时状况的快速查询。总体方案设计及解决途径[5]如图1所示。

图1 总体方案设计及解决途径

2 具体技术

2.1 三维电子地图图像处理

以外高桥船厂某车间为例，利用3dmax软件构建厂区三维模型，调整模型全景并通过图像渲染功能输出不同视角地图图片，如图2所示。

图2 完整厂区地图

三维电子地图图像处理技术涉及如下方面：

(1) 渲染输出超大型图片。通过图像处理技术，对厂区三维模型进行图像分割，输出局部视图后再进行拼接，从而构建整个厂区地图。

(2) 输出不同缩放比例图片。共有4层分辨率不同的电子地图，缩放时先确定原点，以原点为中心进行缩放，根据缩放比例，调取能够使用的地图层。渲染每个视角最大缩放比例的图片，然后利用Photoshop按指定比例缩放图片并输出，能够缩短3dmax处理图像的时间且能达到相同品质效果。

(3) 不同视角缩放比例一致。在3dmax渲染不同视角图片时，选中模型某一位置，围绕该位置查看不同视角下模型是否变形、是否处于初始的可视范围框架内，若8个视角的模型均在可视范围内，即可保证以该模型为中心点渲染输出的不同视角缩放比例是一致的。

(4) 确认选择图片的中心点。在输出的图片上选择接近图片中心、所有视角都可视且容易定位的点(如两线段交点)，然后利用Photoshop移动所有视角中的该点至图片中心即可。

2.2 三维电子地图瓦片化

互联网地图较常见的地图瓦片是图片格式的。首先将不同缩放比例的厂区地图按约定尺寸瓦片化，并分层级存放在相应文件夹下；然后将所有地图瓦片通过IIS发布Web服务，从而实现电子地图瓦片资源服务。由于客户端请求的地图是预先生成的，因此不需要对请求的内容进行实时计算和绘制。瓦片化处理主要包括如下内容：

(1) 图片瓦片化

从地图的左上角开始，从左至右、从上到下切割为尺寸一致的正方形图片，尺寸通常为256×256像素，如图 3所示；然后将图片分行和列以不同文件名存放在不同文件夹下。切片方案原点位于地图之外，确保能够覆盖地图区域。

图3 瓦片化方案示例

推荐的存放路径：MapTiles{Direction}{Level}{RowIndex}{ColIndex}.png。其中：{Direction}为视角，{Level}为缩放级别，{RowIndex}为行号，{ColIndex}为列号。

(2) 计算瓦片位置(在地图中的行列号)

瓦片位置的计算结果取绝对值，其计算公式为

(1)

(3) 瓦片化超大型图片

超大型图片在瓦片化时容易导致内存不足等问题。在进行瓦片化前，先将图片分割为n行m列(n>1，m>1)，然后循环瓦片化分割后的图片。设置切片尺寸，选择输出路径和完整图片路径，路径使用标签{Direction}代表不同视角，可以修改x和y方向的偏移值(默认图片中心点在(0，0)点)，输出地图瓦片。

(4) 部署电子地图瓦片资源服务

为避免地图瓦片化管理混乱、存放受限及访问速度缓慢等问题，利用IIS建立网站，将每个级别的瓦片化文件夹上传至网站根目录，提供位置索引服务。瓦片访问链接如下：http://{ServerAddress}:{ServerPort}/MapTiles/{Direction}/{Level}/{RowIndex}/{ColIndex}.png。其中：{ServerAddress}为服务器地址，{ServerPort}为服务器端口。

2.3 三维电子地图动态加载技术

根据视点位置和缩放比例按需动态加载地图瓦片资源，可有效提高三维电子地图服务质量。采用C#编程语言开发船舶智能管控系统，并采用C#编程语言中DevExpress(控件集合)中的MapControl(地图控件)加载电子地图，这样与系统匹配度更高。MapControl允许提供自定义地图数据。每个视角建立1个图层，通过设置地图资源链接加载对应视角地图瓦片，切换视角时只需切换不同显示图层即可。

2.4 三维电子地图位置校准技术

在船厂的车间管控中，不同的系统功能使用的地图处于不同的坐标系中，因此需将所有坐标系转换至同一坐标系，实现资源统一、全面的管控。以世界坐标系为统一的坐标系，方便后续系统的集成。坐标变换主要分为坐标转换、坐标缩放和坐标平移[6]。

(1) 坐标转换

北纬方向A与B两点间距离为

(2)

式中：R为地球平均半径，取6 371.004 km；E为A、B两地经度差。

111 199.233 m为地面纬度每度对应的近似距离，而经度每度对应的近似距离随纬度不同而不同，其计算值为111 199.233×cosLm(L为海拔高度)。但是，厂区地图往往范围较小，可忽略经度影响。

(2) 坐标缩放

测量同一对象在厂区地图上的尺寸(经纬度)和二维平面图上的尺寸(m)，经过多次测量，计算出平均缩放比例即可。

(3) 坐标平移

选取二维平面图中定位点，计算坐标变换后的坐标值，然后从地图上找到定位点的实际坐标值，从而计算出平移坐标值。

2.5 三维电子地图缓存技术

三维电子地图服务需通过超文本传输协议(Hyper Text Transfer Protocol, HTTP)传输数据，客户端访问量增大将给Web服务器带来巨大的压力。将地图资源数据缓存至本地，并优先从本地读取数据，从而大幅减少服务器压力，有效提升地图访问性能。

3 应用实例

开展智能船厂三维电子地图图像处理、瓦片化、动态加载、位置校准、地图缓存等开发技术研究，形成三维电子地图组件。该技术已经应用在船舶智能管控系统中并得到有效的验证。船舶智能管控系统如图 4所示，图中对厂区的车间厂房、门吊等静态物体及人员、运输车量等动态资源均进行定义，通过兴趣点交互快速了解物体的详细基础信息和实时状态。

图4 船舶智能管控系统

兴趣点以地图标记形式表示，在兴趣点右键菜单中选择“详情”和“局部视图”菜单项，可获取兴趣点详细信息或查看建筑物某楼层的三维电子地图，如图 5～图 7所示。

图5 地图标记兴趣点

图6 兴趣点右键菜单

图7 兴趣点局部视图

三维电子地图组件在船舶智能管控系统中的应用使用户可以直观地对生产和管理进行多维表达，为建设智能船厂打下良好的数字化基础。目前船舶智能管控系统已成功应用于临港人员定位试验验证平台，并成功应用于广船实际生产中，大幅提升车间的生产效率和数字化水平。

4 结 论

基于智能船厂的三维电子地图开发技术可为解决智能船厂的资源管理可视化、直观化提供良好的解决方案。引入三维电子地图的图像处理、瓦片化、动态加载、位置校准、地图缓存技术方案，解决地图在客户端的展示性能和位置偏移问题，可对生产资源进行智能规划，满足船厂业务操作需求，形成适用于船厂的三维电子地图组件，并在船舶智能管控系统中使用，以数字化方式展示厂区内资源的详细信息和实时状态，为管理者提供设备、人员和中间产品等信息检索服务，为船舶企业走向智能化、数字化高质量发展奠定基础。