付 強， 仲叢友

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津300222)

0 引言

港口集裝箱物流系統(tǒng)是一個多環(huán)節(jié)而又相互平行的空間作業(yè)系統(tǒng)［1］，在實際教學(xué)中通常是以教師講解、圖片展示和播放視頻錄像等方式介紹港口相關(guān)機械設(shè)備，但對于具體的機械動作及運作過程，設(shè)備間相互協(xié)調(diào)關(guān)系等不能很好的表現(xiàn)。尤其對港口碼頭的物業(yè)流程、集裝箱裝卸工藝、碼頭的平面布局等難以直觀的描述。通過可視化仿真的方式使學(xué)生在虛擬現(xiàn)實的環(huán)境下學(xué)習(xí)港口集裝箱物流的作業(yè)過程，不但使教學(xué)過程易于理解而且能夠極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 傳統(tǒng)仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

隨著多媒體教學(xué)應(yīng)用的廣泛展開，計算機輔助教學(xué)(CAI)已經(jīng)是高等學(xué)校重要的教學(xué)方式之一［2］。可視化仿真方法由于其直觀、生動、易于理解等特性在教學(xué)中受到了學(xué)生的廣泛歡迎，目前應(yīng)用較多的一些主流仿真軟件大多是進行整體物流系統(tǒng)的建模仿真，具有較強的實體建模和統(tǒng)計分析能力［3］。但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能模塊多，對于初學(xué)者的計算機應(yīng)用能力和程序設(shè)計能力有較高的要求，適合進行物流系統(tǒng)規(guī)劃，效率分析，效益評估等。但在課堂教學(xué)中由于學(xué)生的現(xiàn)有知識和技能水平等的限制，應(yīng)用上述這些復(fù)雜的仿真系統(tǒng)輔助教學(xué)難以起到預(yù)期的效果。

2 基于CPN的港口物流系統(tǒng)仿真模型

2．1 著色Petri網(wǎng)建模方法

著色Petri網(wǎng)(Colored Petri Net，CPN)是描述并發(fā)、同步、異步、資源競爭、協(xié)調(diào)等動態(tài)系統(tǒng)行為的有效工具，不僅有充分的模擬能力和豐富的分析方法，還便于使用和理解。同時，CPN是一種語義嚴格的形式化數(shù)學(xué)建模工具，可以定性和定量地分析系統(tǒng)的動態(tài)性能。CPN在基本Petri網(wǎng)基礎(chǔ)上增加了token的顏色信息，并且通過層次化簡化網(wǎng)的復(fù)雜性，較好地解決了基本Petri網(wǎng)在進行復(fù)雜系統(tǒng)建模時會導(dǎo)致模型過于龐大復(fù)雜的問題［4］。

CPN將一般Petri網(wǎng)的圖形界面表示方法和高級編程語言的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行融合將函數(shù)式編程和邏輯化的模型描述相結(jié)合［5-7］，并通過在Token和變遷中增加時間信息演變來的著色賦時Petri網(wǎng)(CTPN)，為系統(tǒng)響應(yīng)時間、平均等待時間等系統(tǒng)性能評價提供了支持，是Petri網(wǎng)擴展版本中發(fā)展比較成熟的一種。

2．2 基于CPN的港口物流系統(tǒng)仿真模型

在CPN中所有的實體都有各自的顏色集，本文中建立的仿真模型中主要實體的顏色集定義如下［8-9］:

(1)船舶。colset SHIP=record no:NO* ton:INT*c:INT*bn:NO*AT:INT timed。其中:no為船舶編號;ton為噸位;c為實際裝載的容量;bn為停泊的泊位號;AT為到達時間。

(2)泊位。colset BERTH=record no:NO*c:INT*free:BOOL*AT:INT timed。其中:no為泊位號;c為該泊位擁有的岸橋數(shù)量;free為是否被占用;AT為被占用的開始時間。

(3)岸橋。colset CRANE=record no:NO*bn:INT*AT:INT timed。其中:no為岸橋編號;bn為所屬泊位號;AT為每次開始工作時間。

(4)集卡。colset TRUCK=record no:NO*bn:NO*loaded:BOOL，e:BOOL。其中:no為集卡編號;bn為工作的泊位號;loaded為是否已裝載;e為所裝載的集裝箱類型(空箱或重箱)。

圖1 基于CPN的港口物流系統(tǒng)仿真模型

在定義了系統(tǒng)中所需的各類實體后，便可以建立基于CPN的仿真模型，如圖1所示，并通過對CPN的狀態(tài)空間分析找出模型中存在的并發(fā)、沖突、死鎖等邏輯關(guān)系，對模型進行修改和完善，建立起符合實際情況的系統(tǒng)邏輯模型。

3 仿真平臺的搭建

3．1 OpenSceneGraph 簡介

OpenSceneGraph(OSG)是一款開源的高性能3D圖形開發(fā)庫。廣泛應(yīng)用在可視化仿真、游戲、虛擬現(xiàn)實、高端技術(shù)研發(fā)以及建模等領(lǐng)域［10］。使用標準的C++和OpenGL編寫而成，可以運行在Windows系列、OSX、GNU/Linux、IRIX、Solaris、HP-Ux、AIX 以及FreeBSD操作系統(tǒng)。

3．2 開發(fā)方法

OSG為開發(fā)者提供了3D模型讀取、場景組織、幾何體繪制、渲染控制和優(yōu)化等基礎(chǔ)功能，是對OPENGL圖形庫的再一次封裝，省去了開發(fā)底層圖形引擎的工作，降低了開發(fā)難度。開發(fā)者可以將主要精力集中在三維模型開發(fā)，場景規(guī)劃，系統(tǒng)運行邏輯設(shè)計以及數(shù)據(jù)處理等主要工作上，減少前期與開發(fā)目標無關(guān)的準備工作，加快系統(tǒng)開發(fā)的速度。

本文采用VC++進行仿真系統(tǒng)的開發(fā)，基于MFC的文檔/視圖結(jié)構(gòu)建立應(yīng)用程序結(jié)合OSG在場景組織和控制方面的優(yōu)勢建立仿真環(huán)境，并在此基礎(chǔ)之上進行系統(tǒng)建模與開發(fā)。

3．3 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

港口教學(xué)仿真系統(tǒng)包含7個主要模塊，分別為:數(shù)據(jù)讀取模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、場景建立和管理模塊、仿真運行模塊、人機交互模塊、視圖顯示模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊。其中場景建立和管理模塊和仿真運行模塊為系統(tǒng)核心模塊，數(shù)據(jù)讀取模塊又分為場景數(shù)據(jù)讀取模塊和模型文件讀取模塊，數(shù)據(jù)輸出模塊又分為仿真結(jié)果數(shù)據(jù)輸出模塊和程序運行日志輸出模塊。各模塊間關(guān)系如圖2所示:

3．3．1 建立應(yīng)用程序框架

建立基于MFC的單文檔應(yīng)用程序框架，主窗口有場景渲染區(qū)、系統(tǒng)設(shè)置區(qū)和仿真過程動態(tài)輸出區(qū)3個主要區(qū)域組成。仿真系統(tǒng)主窗口界面如圖3所示。

3．3．2 建立繪圖環(huán)境

繪圖環(huán)境的建立由OSG的Viewer類完成，主要包括初始化窗口像素格式，設(shè)置場景攝像機和光照，設(shè)置場景觀察控制器等。

3．3．3 仿真場景的建立與組織

圖2 仿真系統(tǒng)模塊圖

圖3 仿真系統(tǒng)主窗口界面

OSG的場景組織采用場景圖(Scene Graphic)結(jié)構(gòu)，通過場景圖把場景中個元素及其屬性組織成一棵場景樹。場景圖中的根結(jié)點表示整個三維場景，子結(jié)點表示場景中每個對象的位置信息、動畫設(shè)置以及邏輯關(guān)系等屬性，葉子結(jié)點則代表物理對象本身、可拉伸的幾何模型和材質(zhì)屬性［11-12］。

場景的建立和組織由場景類(class Scene)完成，它首先讀取場景配置文件scene．xml，然后根據(jù)文件中的設(shè)置信息完成場景的初始化。場景配置文件scene．xml采用XML格式存儲數(shù)據(jù)［13］，主要包含兩部分的內(nèi)容:模型文件列表和場景節(jié)點結(jié)構(gòu)。這樣的文件結(jié)構(gòu)正好符合OSG的場景圖結(jié)構(gòu)，便于建模初期的場景組織和管理。

場景類首先根據(jù)模型列表讀取模型信息，但并不讀取模型文件數(shù)據(jù)。然后根據(jù)場景節(jié)點結(jié)構(gòu)建立場景節(jié)點，在建立場景節(jié)點的同時讀取用到的模型數(shù)據(jù)，對于重復(fù)使用的模型并不重復(fù)讀取。

通過場景配置文件的使用簡化了場景建立的過程，對于場景的修改和更新也更加方便，大大減少了編程的工作量。

4 仿真運行及數(shù)據(jù)輸出

4．1 仿真運行過程

港口系統(tǒng)仿真是一種離散系統(tǒng)仿真，采用消息驅(qū)動機制運行仿真邏輯。在系統(tǒng)的運行過程中的每一個狀態(tài)的變化或者人為的干預(yù)都會觸發(fā)一個或多個事件，系統(tǒng)通過對這些事件的處理模擬現(xiàn)實世界的真實狀況，并記錄這個過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。仿真過程結(jié)束后，通過統(tǒng)計分析等手段對這些數(shù)據(jù)進行處理，作為決策支持的重要條件。

可視化仿真的另外一個重要成果就是操作者可以實時地觀察仿真運行的全過程，通過多次、多角度的觀察或操作發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的不合理之處，并可以嘗試不同的解決方案優(yōu)化系統(tǒng)。

4．2 仿真結(jié)果輸出

仿真輸出主要包含兩部分的數(shù)據(jù):仿真過程記錄的數(shù)據(jù)和程序日志。根據(jù)仿真結(jié)果生成數(shù)據(jù)報表，報表中記錄仿真運行時間，仿真中產(chǎn)生的各種隨機事件［14-16］(船舶到達時間分布，岸橋、集卡工作時間分布等)，船舶等待隊列，集卡等待隊列，岸橋工作時間等數(shù)據(jù)信息。部分示例仿真數(shù)據(jù)如表1、表2和圖4所示。

表1 仿真結(jié)果統(tǒng)計表

圖4 泊位占用時間

5 結(jié)語

通過港口教學(xué)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用使以往枯燥的課堂教學(xué)過程變得生動、形象，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，真正實現(xiàn)了寓教于樂。由于港口仿真在教學(xué)中的應(yīng)用還在初級階段，系統(tǒng)功能還不夠完善，例如隨機數(shù)產(chǎn)生部分還不能做到完全真實模擬船舶的到達和運輸車輛的路線控制等，在今后的應(yīng)用過程中還需不斷的實踐和改進。

［1］ 韓曉龍，丁以中．集裝箱港口裝卸作業(yè)仿真系統(tǒng)［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18(8):2366-2369．

［2］ 喬 斌，張晶娜．淺談CAI課件在課堂應(yīng)用中的不足及對策［J］．價值工程，2012(21):240-241．

［3］ 黃銀娣，卞榮花，張 駿．國內(nèi)外物流系統(tǒng)仿真軟件的應(yīng)用研究［J］．工業(yè)工程與管理，2010，15(3):124-128．

［4］ 張梅青，周 葉．Petri網(wǎng)理論在物流管理中的應(yīng)用研究綜述［J］．物流技術(shù)，2010(4):13-16．

［5］ 胡筱敏，馬云峰．基于CPN tools的環(huán)評工程分析信息化技術(shù)的研究［J］．環(huán)境保護科學(xué)，2011(3):63-72．

［6］ 袁崇義．Petri網(wǎng)原理與應(yīng)用［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2005:66-69．

［7］ 舒遠仲，劉炎培，彭曉紅．面向?qū)ο驪etri網(wǎng)建模技術(shù)綜述［J］．計算機工程與設(shè)計，2010，31(5):3432-3435．

［8］ 張海霖，江志斌，許泓．集裝箱港口集疏運調(diào)度系統(tǒng)作業(yè)模式的仿真分析［J］．上海交通大學(xué)學(xué)報，2006，40(6):1204-1206．

［9］ 宋阿妮，王明哲，郭法濱．著色Petri網(wǎng)的結(jié)構(gòu)展開方法［J］．系統(tǒng)工程理論與實踐，2012，31(2):315-317．

［10］ 閆曉東．基于OSG的飛行視景仿真平臺開發(fā)［J］．計算機仿真，2008(5):58-60．

［11］ 項 杰，靳媛媛，李愛光．OSG中三維場景構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)［J］．地理空間信息，2012(1):43-45．

［12］ 耿 宏，徐科，董健康．基于OSG的虛擬機載設(shè)備維護平臺的研究［J］．微計算機信息，2012，28(3):96-98．

［13］ 許毅玟．XML技術(shù)在Web數(shù)據(jù)挖掘中的應(yīng)用研究［J］．信息與電腦，2012(7):93-94．

［14］ 楊春霞，王 諾，楊華龍．集裝箱碼頭泊位)岸橋分配耦合優(yōu)化．計算機集成制造系統(tǒng)，2012，17(10):2271-2276．

［15］ 計明軍，靳志宏．集裝箱碼頭集卡與岸橋協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化［J］．復(fù)旦學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，46(4):476-480．

［16］ 張 戎，艾彩娟．基于廣義隨機Petri網(wǎng)的口岸通關(guān)流程建模與仿真——以洋山保稅港區(qū)進口法檢貨物的通關(guān)流程為例［J］．系統(tǒng)工程理論實踐，2012，32(1):1568-1574．