集装箱码头三维仿真组件平台
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摘 要:为直观、形象地研究集装箱码头生产优化问题,采用三维仿真的方法实现集装箱码头物流信息与作业过程的可视化. 基于不同业务流程的仿真要求,合理地划分静态布局、装卸设备、装卸对象、码头操作、运动学解算、数据访问、通信接口和图形渲染等组件的粒度;建立层次结构形式的组件平台,体现客观对象的逻辑关系;遵循标准COM+规范设计岸桥、场桥和集卡等集装箱码头主要三维仿真组件. 以上海振华重工(集团)股份有限公司自动化集装箱码头为例验证该组件平台的可操作性,结果表明该方法对集装箱码头装卸工艺的改进和管理水平的提升具有实际指导意义.
关键词:集装箱码头; 三维仿真; 组件平台; 组件划分粒度
中图分类号:U656.1; TP391.9
文献标志码:A
Component platform of container terminal
3D simulation system
LU Houjun, CHANG Daofang, MI Weijian
(Container Supply Chain Eng. Research Center, Ministry of Edu., Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)
Abstract: To study the production optimization of container terminal intuitively and vividly, 3D simulation approach is applied to implement the visualization of logistics information and operation of container terminal. Based on the simulation requirements of different business flow, the granularity of the components such as static layout, stevedoring machine, stevedoring object, terminal operation, kinematics calculation, data access, communication interface, graphic renderingand so on is partitioned reasonably; A hierarchy component platform is built to indicate the logic relationship among the objective targets; The main 3D components of container terminal such as shore container crane, gantry crane, container truck and so on are implemented according to COM+ rules. The automatic container terminal of Shanghai Zhenhua Heavy Industry Co., Ltd. is taken as an example to validate the maneuverability of the component platform and the result shows that the approach can provide practical references for the improvement of container terminal stevedoring process and management level.
Key words: container terminal; 3D simulation; component platform; component partition granularityな崭迦掌:2009-10-14 修回日期:2009-12-04
基金项目:上海市科委重点项目(08210510500, 071705207);上海市科委工程研究中心建设项目(08DZ2210104);
上海海事大学科研基金项目(032238)
作者简介: 陆后军(1985―),男,安徽全椒人,助教,硕士,研究方向为虚拟现实,(E-mail);
苌道方(1978―),男,河南新乡人,博士,讲师,研究方向为虚拟现实,(E-mail)0 引 言
集装箱码头作业效率的高低直接影响集装箱供应链物流系统的整体服务水平.随着集装箱码头作业机械逐渐大型化、作业类型逐渐复杂化,使得通过定量分析的方法去研究和分析码头营运过程中产生的大量随机性数据变得异常复杂.因此,国内外学者针对如何分析和优化集装箱码头动态物流系统作了大量研究.真虹[1]提出采用离散事件仿真技术构建集装箱码头装卸工艺优化仿真平台,重点讨论集装箱码头装卸工艺设计方案的评价及指标获取;SHABAYEK等[2]采用Witness仿真软件实现香港Kwai Chung集装箱码头二维仿真系统,通过统计码头营运数据,对其物流预测准确度进行仿真验证.相对于集装箱码头二维平面仿真结果数据的抽象性和非直观性,KLAASSENS等[3]提出基于三维仿真技术的码头作业仿真系统;另外,HORSTHEMKE等[4]论述三维图形技术在港口仿真中的应用与意义.国内很多学者也对特定领域内组件式仿真方法展开研究.段作义等[5]提出基于构件的航空工业分布式虚拟现实系统,研究各组件之间的通信语义和语法;李春雁[6]阐述应用已有可视化组件进行仿真的方法,采用Arena软件实现大窑湾集装箱码头二维仿真系统.显然,上述研究或实现大多是针对某一集装箱码头的仿真系统,没有说明不同装卸工艺下集装箱码头三维仿真系统的组件体系结构,不仅开发周期长、总体成本高,且不能满足不同码头三维仿真系统的快速构建需求.
通过对不同集装箱码头功能节点的分析,本文提出1种可快速构建集装箱码头三维仿真系统的软件体系结构,允许通过多个具有不同功能的仿真组件协同实现特定业务的仿真需求,从而大大提高集装箱码头三维仿真系统的开发效率.
2 集装箱码头三维仿真组件模型
2.1 集装箱码头业务描述
集装箱码头物流系统由集装箱、船舶、装卸设备、泊位、堆场和通信设施等客观对象组成.按照集装箱流通的方向,集装箱码头作业过程主要包括进口卸船、进口提箱、出口集港和出口装船等4种作业类型.[7]不同集装箱装卸工艺下集装箱物流的表达形式与仿真过程存在较大差别.图1为自动化集装箱码头,与常规集装箱码头相比,其装卸工艺由岸桥、低架桥和地面平板小车等自动化装卸设备构成,不同装卸工艺决定集装箱码头三维仿真对象及其相ね 1 自动化集装箱码头
示意图
互之间协作机制的不同.因此,有必要设计1种可灵活组装且适合不同装卸工艺要求下的柔性三维仿真系统构建方法,从而满足自动化装卸工艺和混合装卸工艺等不同类型集装箱码头的三维实时仿真要求.
2.2 仿真组件粒度划分
组件是应用系统可分离的部分.[8]仿真组件是指能够通过互换和搭配完成仿真系统特定功能模块的封装部分.集装箱码头三维仿真组件在满足仿真功能性要求的前提下,必须同时满足高内聚、低耦合的组件设计原则.仿真组件的合理划分是仿真软件实现过程中可操作性的决定性因素.划分粒度过小容易导致仿真组件装配过程复杂,不利于开发效率的提高;划分粒度过大则会使仿真组件的柔性变小,失去可复用的设计目标.每类组件可以派生或者泛化其子类组件,最终给出集装箱码头三维仿真组件体系结构,见图2.
图 2 集装箱码头三维仿真组件体系
(1)静态布局组件.该组件可派生出静态非资源组件和静态资源组件2类.前者指构成集装箱码头三维静态虚拟场景的对象,但不参与仿真过程计算,如码头内部路灯、路障及候工楼等,并且用户可通过拖拽实现快速虚拟场景搭建;后者用于描述构成集装箱码头三维静态虚拟场景但参与仿真过程计算的对象,如箱区、泊位及集卡车道等资源设施.
(2)码头装卸设备组件.该组件包含与集装箱码头各种装卸工艺相关的装卸搬运设备,其直接派生出子类岸边装卸设备组件、堆场装卸设备组件和水平运输设备组件,而其中的堆场装卸设备组件又可派生出轮胎吊和轨道吊等组件,其关系见图2.
(3)码头装卸对象组件.用于描述码头内部流通的集装箱,如20英尺箱和40英尺箱等.
(4)码头操作组件.对集装箱码头管理与决策的功能性封装,通过对集装箱码头业务的分析,将业务逻辑大致划分为调度与计划2类.该组件描述的是非可见对象,因此必须允许设计时设置可视化属性.
(5)运动学解算组件.集装箱码头虚拟现实系统涉及大量动态元素的实时运动仿真,如桥吊吊箱过程中的大小车运动状态描述与控制、着箱碰撞分析等.
(6)数据访问组件.将对Access,SQL Server和Oracle等数据库的访问进行封装,隐藏其实现细节,只提供功能接口;同时该组件提供其他组件读取不同数据格式三维模型文件功能.
(7)通信接口组件.提供不同应用程序之间的数据互访功能,其他组件可利用该组件获取外部数据,从而驱动仿真系统.
(8)图形渲染组件.对三维仿真中必须的三维空间进行渲染输出,允许平移、旋转和缩放等基本三维空间操作,为更好适应二维平面仿真需求,图形渲染组件重载部分图形输出函数,达到平面二维仿真的目的.可以通过基于Vega的漫游引擎[9]实现该组件.
2.3 仿真组件实现
遵循将数据和功能封装的原则,仿真组件的核心是提供三维仿真系统所需功能的接口,且各仿真组件之间可以通过接口相互操作.仿真组件实现的关键在于接口与实现分离,其本质是提供集装箱码头物流系统各节点的功能和服务,满足用户的可视化仿真需求.仿真组件对其他仿真组件或者外部程序提供统一的功能接口,但无法访问组件的内部结构.被封装的仿真对象以组件标准提供特定的仿真功能,并通过自身接口与外部程序实现数据交互协作,具体形式如函数、属性和方法等.图3为集装箱码头装卸设备三维仿真组件体系.设备组件成员变量包括Id,位置(x,y,z)和运载集装箱(ContainerArray);方法包括大车移动(WMove)和小车移动等(HMove)等.岸桥、场桥和集卡作为集装箱码头作业的3种主要设备,既继承其父类部分变量、方法,又根据物理特性增加相应成员,如岸桥成员变量同时说明岸桥所处泊位号和场桥所在的场箱贝.
ね 3 集装箱码头装卸设备三维仿真组件体系
3 集装箱码头三维仿真组件平台
3.1 组件协作机制
为实现复杂的集装箱码头三维仿真系统,必须设计正确的组件调用机制,合理部署上述仿真组件.各组件作为客户端调用其他组件定义好的接口进行数据交互操作.根据不同装卸工艺下仿真系统功能上的实际需求,选择相关仿真组件进行相互协作实现集装箱码头整体仿真流程,组件协作机制见图4.图 4 仿真组件协作机制
さ图芷桨逍〕怠⒌图芷鹬匦〕岛偷孛嫫桨逍〕档人有装卸设备都需要引用装卸对象组件,通过与装卸对象组件的协作实现各自状态参数的改变,最终以动态元素运动仿真的形式反映到仿真中.
3.2 三维仿真组件部署结构
合理部署组件对成功开发集装箱码头三维仿真系统至关重要.通过抽象分析系统功能,将组件体系划分为3个层次,见图5.数据获取层包含数据访问组件和通信接口组件,用于获得仿真所需的驱动数据支持业务逻辑层相应的调度计算;业务逻辑层包含码头操作组件、静态布局组件、码头装卸设备组件和码头装卸对象组件,通过业务逻辑组件中的计划和调度等组件实现驱动装卸设备、资源计算等三维仿真驱动功能;用户表示层用于向用户呈现可视化的虚拟场景,如三维图形、仿真统计等,同时允许用户进行必要的人机交互,形成人在回路的实时仿真系统.
图 5 三维仿真组件部署结构
4 三维仿真实例
4.1 基本数据准备
在自主研发的集装箱码头三维仿真组件基础上,结合本文所述仿真系统体系结构,以某公司自动化集装箱码头三维仿真系统构件过程为例说明本文所述方法的具体实现.该码头岸线长度372 m,其设备配置见表1.
表 1 自动化码头设备表编号类型数量/台1岸桥42地面平板小车143低架桥起重小车104低架桥平板小车105轮胎吊146低架桥64.2 组件应用部署
依据该码头实际装卸工艺要求选择合理的组件,按照正确调用机制进行组件部署,以可视化方式设置不同组件对象的仿真参数(见图6),最后按照营运数据驱动和调用各虚拟场景对象的方法函数及事件响应,完成各仿真对象之间的协作运行,当然仿真对象的各参数在运行过程会实时变化.
图 6 可视化参数设置界面
该三维仿真系统对自动化码头生产作业过程中产生的数据以三维虚拟场景的形式可视化,实时再现码头作业流程与现状.系统不仅为码头快速调度提供实时机械位置信息,同时为高层决策提供形象直观的码头全景.最后实现的仿真系统见图7.