段雅婷，任鸿翔，张 叶

(大连海事大学航海学院，辽宁 大连 116000)

1 引言

近年来，现代优化技术、大数据、云计算等在港口的应用越来越广泛，港口向着智能化、自动化快速发展。这种发展趋势对港口物流人才的培养提出了更高的要求，即要在全面深刻认识港口业务的基础上，有很强的实践操作能力和优化决策能力。

与此同时，虚拟现实技术在港口物流教学和培训领域的应用越来越广泛，一些学者对此进行了深入的研究。路后军等[1]提出了基于组件技术的集装箱码头三维仿真系统构建方法，并对组件之间的协作机制和部署结构进行了研究。陈声柳[2]以天津港为研究对象，基于MultiGen Creator建模软件，对天津港口的三维数据库进行了重构优化，解决了虚拟场景真实感和实时性的矛盾问题。谢海强[3]基于虚拟现实技术研究了集装箱的装箱优化问题，创建了一个集装箱装箱虚拟现实仿真平台。陈艳玲[4]构建了基于三维虚拟仿真环境的理实一体化教学模式，为“集装箱码头业务操作”课程提供了角色虚拟仿真、设施虚拟仿真等实训内容。Fan Shu等[5]基于虚拟集装箱码头以及地理信息系统，搭建了信息共享平台。鲁萌萌[6]基于虚拟仿真技术开发了岸边集装箱起重机驾驶员的培训系统，实现了虚拟岸桥的大车、小车以及吊具的培训操作。Bruzzone等[7]提出了一种先进的模拟器高级架构联盟——TRAINPORTS，在三维虚拟环境中重建了Gioia Tauro码头，并为海上港口操作员的培训提供了先进的工具。

上述文献多是将虚拟现实技术应用在集装箱码头系统中，没有将数值仿真和实训操作结合在一起，所建场景的真实感不强。本文基于虚拟现实技术、计算机仿真技术开发了集装箱码头仿真实训系统，融合了理论教学、数值仿真、以及实际训练等功能，可更好地满足物流专业的教学培训需求。

2 关键技术

开发集装箱码头装卸仿真实训系统，涉及三维建模、仿真系统建模、路径规划、运动学、动力学模型等，本文重点对仿真系统建模技术、运动学模型及路径规划进行研究。

2.1 仿真系统建模

Petri网[8]是一种适合于并发、异步、分布式系统描述与分析的图形数学工具，既有图形建模的直观性，又有分析理论的严谨性。因此本文使用面向对象的Petri网(OOPN)模型对集装箱码头装卸系统这一个非常典型的离散事件动态系统进行建模。

2.1.1 装卸工艺的选取

装卸工艺过程是集装箱的换装作业过程。集装箱码头的装卸工艺有很多种，如底盘车系统、正面吊系统、叉车系统、轮胎式龙门起重机系统、轨道式龙门起重机系统等。我国大部分集装箱码头均采用节省场地的轮胎式龙门起重机系统或轨道式龙门起重机系统。因此，本系统选取了轨道式龙门起重机系统及轮胎式龙门起重机系统作为集装箱码头装卸仿真的装卸工艺。

2.1.2 层次模型的建立

集装箱码头装卸系统是一个由多种设施设备及人员组成的复杂的动态系统，各要素之间相互依存相互制约，因此对其进行系统建模，首先要建立层次模型，即把装卸系统细化为多个子系统，分析各子系统内部事件之间的关系。

本文将集装箱码头装卸系统细分为了5个子系统：泊位系统、装船系统、卸船系统、堆场系统和计算机管理系统。每个子系统均有其独立的功能，计算机管理系统作为完成装卸调度和管理的实体，也被列为了一个独立的子系统。

2.1.3 系统仿真建模

集装箱码头装卸系统的层次模型建立好之后，可建立相应的Petri网模型并给出动态变迁发生表。以下仅以卸船子系统为例说明仿真建模的过程。

图1 卸船系统的OOPN网模型

图1为卸船子系统的OOPN网模型，其中P1，P3和P7表示集卡、岸桥和龙门吊空闲，标识m1，m2和m3分别代表空闲的集卡、岸桥和龙门吊的数量；P2，P5和P6分别表示集卡等待装车、装车完成、等待卸车；P4表示岸桥卸船作业；P8表示龙门吊忙碌。该模型描述的动态过程为：计算机管理系统发送卸船指令到卸船系统后，空集卡启动，驶向码头前沿岸桥处；排队等待装车，岸桥开始进行卸船作业；集卡装车完毕后，进入重车车道，驶向进口箱堆场；重集卡到达进口箱堆场后，等待龙门吊卸车，龙门吊开始作业；集卡卸车完毕后，回到空车状态，一个卸箱的循环完成。其动态变迁发生表如表1所示。

表1 卸船系统的动态变迁发生表

使用OOPN的建模技术将集装箱码头装卸系统建立层次模型，并分别对子系统建立仿真模型，使得整个系统运行紧密相连，并为程序的实现和后续对系统的分析打下了基础。

2.2 车辆运动模型

在对集卡、岸桥的操作实训过程中，要想增强沉浸感，有更加真实的体验，就必须建立相应的数学运动模型。以下仅以车辆为例，阐述其运动模型。

车辆的运动学模型[9]可以反应车辆的运动特征。自行车模型将车辆的两个前轮和两个后轮分别用一个等效的前轮和后轮代替模型不考虑车辆在Z轴方向的运动，只考虑水平面的运动，并且假设左右侧车轮转角一致，车辆行驶速度变化缓慢，忽略了后轴载荷的转移[10]。集装箱港口虚拟环境中地面水平且平坦，车辆行驶速度均比较慢且速度变化缓慢，因此使用自行车模型就可满足实训要求。图2为自行车模型示意图。

图2 自行车模型

经过运动学关系容易得到其模型为

(1)

其中，V为质心车速，ψ为航向角，β为车辆滑移角，δ为车辆前轮偏角，lj和lr分别为前悬和后悬长度。该模型给出了车身的纵向速度、横向速度和角速度。

当车辆滑移角很小时，可以将角速度公式简化为

(2)

由此得到计算转弯半径的公式：

(3)

系统采用外接方向盘、踏板和档杆进行集卡实训，将方向盘和踏板传入的数据转化成模型所需的输入变量和，从而模拟集卡的运动。为了更加逼真的模拟现实环境，系统考虑了碰撞检测[11]。Unity提供了碰撞器组件，即使用规则多边形逼近物体，而后检测不同物体之间的碰撞器是否发生了碰撞[12]。本系统使用了碰撞器组件中的Box Collider和Mesh Collider。使用本模型开发的实训系统可以满足培训的要求，为学员提供较好的沉浸感。

3 系统设计与实现

3.1 虚拟集装箱港口搭建

建立逼真的港口场景以及设备模型是整个仿真实训系统的基础。本系统用3D Max和Unity为开发工具，搭建了虚拟集装箱港口。在建立实体三维模型之前，需要采集建模的数据并划分三维实体的层次，这样可以方便场景建模的分工和模型的组织管理，同时优化场景模型的结构。虚拟集装箱港口以大连大窑湾集装箱码头为原型，采集了其码头的工艺布置、设施设备的形状及纹理图片，并根据大窑湾的实际情况，将其分为一区、二区和三区码头，每一区内又根据实体的地理位置、功能等分为了集装箱区、道路区、机械设备等。接下来使用3D Max对三维实体进行几何建模、纹理贴图以及模型的整合优化，从而降低模型的复杂度，优化系统。最后将建好的三维模型以.FBX格式导入到Unity中，在Unity里添加海面模型、天空盒，并调整光照，获得更好的视觉效果。场景效果如图3。

图3 港口三维场景效果

3.2 系统功能

集装箱码头仿真实训系统在提供理论教学的基础上，利用虚拟现实技术展现集装箱码头的作业流程，实现码头设备的实训操作。学员可以身临其境的学习理解集装箱码头的理论知识，并对码头设备进行模拟操作和培训。集装箱码头仿真实训系统的功能设计如图4。

图4 集装箱码头仿真实训系统功能设计

3.2.1 理论教学

理论教学模块是为了辅助教师的理论教学，设计了船舶、港口和码头三个部分，分别对各种船舶类型、港口的作用设备等、码头的空间布置和装卸工艺进行了详细的介绍，并采用了文字、视频相结合的形式，能够给学生留下更加深刻的印象，如图5，左侧为配合语音讲解的动画，右侧为对港口组成的文字讲解。

图5 理论教学功能

3.2.2 装卸仿真

装卸作业是码头作业最重要的部分，它的作业效率及成本对港口企业的收益有很大的影响。影响码头装卸作业效率的因素主要是码头资源的管理和调度。本系统分两个模块实现了集装箱码头的装卸作业仿真：计算机管理系统和实时调度仿真系统。其中，计算机管理系统负责港口资源的调度方案管理，实时调度仿真系统则负责调度方案和仿真动画的实现。如图6所示，港口资源调度主要包括泊位分配、岸桥分配、集卡调度以及堆场分配，计算机管理系统通过遗传算法求解泊位——岸桥联合调度模型和堆场分配模型，给出泊位和岸桥的调度结果以及箱区分配结果；使用粒子群算法给出了集卡调度结果，如图6(b)中整体演示计算数据区域。

图6 装卸仿真功能

3.2.3 实训系统

码头作业人员对设备操作的熟练程度也是影响装卸作业效率的一个主要因素。为了在不影响港口作业的条件下高效的提高学员对港口装卸设备的操作效率，系统开发了岸边起重机、龙门吊以及集卡的实训系统。岸边起重机和龙门吊采用虚拟现实头盔和手柄进行实训操作，虚拟集卡则使用外接方向盘、踏板和档杆实现对其的控制。如图7所示。

图7 实训功能

3.2.4 AR(增强现实)资源

增强现实(Augmented Reality，简称AR.)是一种将虚拟信息叠加在真实世界上的技术，它能够为学员提供形象的虚拟模型和丰富的交互方式。本文采用基于计算机视觉的AR技术，在Unity平台上开发了基于安卓系统的软件应用，可为学员提供了丰富的AR资源库。如图8所示，图8(a)为AR资源库中的二维码图片，图8(b)为对应的AR模型。

图8 AR功能

4 结语

本系统使用虚拟现实技术搭建了集装箱港口的三维场景，采用面向对象的Petri网建模技术对集装箱码头的装卸系统进行了仿真建模；以智能优化算法以及Dijkstra算法为支撑，实现了港口装卸系统的动态显示；同时以车辆运动学等数学模型为基础，搭建了实训系统，实现了对集卡、岸边起重机和龙门吊的实训操作，本系统是集理论教学、仿真和实训为一体的仿真实训平台。接下来将研究系统算法，与大窑湾港口的实际情况进行对比，验证其有效性；并进一步开发装卸系统的数值分析功能。