虚拟现实的集装箱码头布局规划仿真系统

第４卷 第３期 中 国 水 运 （ 理 论 版 ） Ｖｏｌ．４ Ｎｏ．３　２００６年 ３月 Ｃｈｉｎａ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ（Ｔｈｅｏｒｙ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）

Ｍａｒｃｈ ２００６

收稿日期：2005-12-22

作者简介：计三有 男（1963-） 武汉理工大学物流工程学院 副教授 博士 （430063） 研究方向：物流系统的规划设计以及物流仿真方面的研究

虚拟现实的集装箱码头布局规划仿真系统

计三有 袁宗喜

摘 要：本文应用虚拟现实技术及智能优化方法，对重庆寸滩集装箱码头进行虚拟布局规划仿真研究。本文将虚拟现实技术与离散事件系统仿真相结合，通过离散事件系统仿真可得到各个备选方案长期运行后的统计规律,包括吞吐能力、设施设备的利用率、船舶在港停泊时间等的平均数据；然后应用人机交互式的参数化仿真过程和实施三维可视化的虚拟仿真手段，实现对方案的深入的分析研究。 关键词：虚拟现实 离散事件 计算机仿真

中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６－７９７３（２００６）０３－０１５４－０３　

一、前言　

随着船舶大型化、货物集装化的趋势，集装箱码头规模越来越大，港口装卸系统向大型化、高速化、自动化、数字化、信息化方向发展，以进一步提高码头生产效率和服务水平，但是，港口集装箱码头的建设投资大、周期长，其规划和设计牵涉技术、经济、社会环境等多方面的因素，同时由于码头的船舶装卸作业具有离散、随机及动态性的特点，因此给码头布局及其设备配置的科学决策带来一定的难度。目前随着港口集装箱运输的发展,使用传统的设计手段和方法进行新码头设计已明显不适应，必须采用新的设计理念和新的设计方法，才能使码头设计方案达到既能满足客户对服务水平的需求，又能保证港口企业的经济和社会效益的要求。

离散事件系统理论的日趋完善和计算机软件的发展，为人们解决复杂的离散事件系统的决策问题提供了手段，因此计算机仿真已逐步成为对集装箱码头进行分析和设计的有力工具。近年来计算机仿真环境的进步和发展使计算机仿真从只有仿真结果、看不到仿真过程的数字仿真向三维动画仿真方向发展。虚拟现实（环境）技术便是这样的一种先进的仿真环境，可实现真实感的三维图像动画，人可以参与到仿真系统中通过人机交互动态地改变输入参数,控制仿真过程，并可实时动态地显示参数改变后的效果。

应用虚拟现实技术与离散事件系统仿真相结合，通过离散事件系统仿真可得到各个备选方案长期运行后的统计规律,包括吞吐能力、设施设备的利用率、船舶在港停泊时间等的平均数据；然后应用人机交互式的参数化仿真过程和实时三维可视化[3]

的虚拟仿真手段，实现对方案的深入的分析研究，是解决复杂的集装箱码头布局规划设计和管理决策的先进而有效的手段，也是目前港口决策研究的前沿热点。

二、码头布局规划仿真系统的研究　1．研究内容

对重庆寸滩集装箱码头进行分析，建立仿真数据库及案

离库，以便用户仿真建模时调用。分析和建立装卸桥与集卡的参数化运动仿真模型，对装卸桥与集装箱、集卡间的数据进行传递和判别，实现码头前沿的装卸作业仿真。通过改变装卸桥的运行参数，考察设备配置对前沿生产效率的影响。研究码头前沿长度、宽度、泊位、栈桥数、船型、装卸桥数量、舱盖板等对车流的影响，其模型涉及集卡的发车、动态设定路径、碰撞检测等内容。针对不同方案仿真，根据人机交互界面确定的信息，动态改变场景，在泊位、船舶、装卸桥之间进行作业配置，以实现不同方案的初始作业配置和场景动态编辑。开发漫游模块，实现用户在场景内部实现快速、便捷的漫游。

2．系统功能结构

集装箱码头布局规划系统由码头布局方案输入模块、视景控制模块、作业仿真模块（包括装卸作业模块、车流控制模块）、数据库管理模块、三维模型库和虚拟场景生成模块组成，功能和结构如图1示。各模块功能如下：

图１ 集装箱码头布局规划系统功能模块图　（1）布局方案输入

通过读取数据库管理模块中的数据文件，包括随机事件系统仿真软件生成的数据文件，为三维动态仿真提供初始的方案及相关数据，或用人机交互输入数据的形式。

第３期　计三有等：虚拟现实的集装箱码头布局规划仿真系统１５５

（2）码头设施及设备配置模块

读取上级模块输入的数据，形成初始方案的输入，并可对该方案进行编辑修改，形成一种新方案。并可实现文件的保存、查询、调用、编辑、删除等操作，当输入完毕后，可实时实现码头前沿场景的动态显示。

（3）视景控制模块

利用鼠标、键盘、人机交互，对场景进行漫游，可实现局部场景和全局俯视场景的切换。

（4）作业仿真模块

通过接收码头前沿及其设备配置模块的信息，驱动场景中的物体实时动作仿真，并将仿真过程中产生的信息（如：道口流通情况、设备利用情况、船舶装卸情况、仿真时间等）传递给数据管理模块中的数据库，进行管理。

（5）数据库管理模块

实现对各方案的初始参数及仿真过程动态产生的数据及仿真结果文件调用、查询和统计。

三、码头布局规划仿真系统流程模型的实现　

本文主要研究集装箱码头前沿部分。在这部分的码头布局方案中参数主要包括码头前沿宽度、栈桥数目、泊位数目、集卡通道数、岸桥与集卡配备数量、码头的装卸工艺等。系统包括码头场景生成与前沿作业仿真两部分。码头布局方案生成系统的流程模型如图2示：

图２ 码头布局方案生成系统流程　

图３ 码头前沿作业仿真系统的流程模型　码头前沿作业仿真系统中，不考虑堆场内部的车流、发车、车辆的行走轨迹，仿真方案数据的获得是以离散事件仿真系统eM－Plan的仿真结果为依据，从中提取码头前沿作业仿真所需要的数据，进行码头岸桥装卸、前沿部分车辆路径选择，栈桥口通车统计等进行码头前沿作业的性能评估，并提供用户对码头布局方案评价提供依据。码头前沿作业仿真系统的流程模型如图3示。　

系统将布局方案中的设施和设备的三维模型以及机械的运动学模型、作业流程模型有机地组合到虚拟仿真模型中，应用人机交互方式改变输入参数，通过仿真运行考察各个布局方案码头前沿作业运行效果，同时用户通过鼠标、键盘和人机界面，在场景内部实现快速、便捷的漫游，实现对码头设计方案的预览、验证和修改。

1．方案库调用

系统利用eM-Plant运行后产生的案例库数据文件作为初始输入文件，同时也可通过人机界面输入各个方案的初始参数数据，作为码头设施及设备配置模块的输入数据，对码头前沿进行布局和设备配置，并将信息传递给仿真模块中的装卸模块和车流模块。调用界面如图4示：

图４ 输入仿真方案　

2．机械设备信息输入

用户通过该界面对机械设备进行适当的选择，以及运行参数的设置，从而得到不同机械配置情况的新的方案，对原有方案库进行微调，以达到更加满意的效果。如图5示：

图５ 机械设备配置信息输入