楊曉斌 周旭旻

集裝箱貨流的持續(xù)增長使得具有規(guī)?；⒛芰Φ募b箱碼頭逐步成為物流鏈的樞紐和增值服務中心，同時也對集裝箱碼頭規(guī)劃提出越來越高的要求。傳統(tǒng)的集裝箱碼頭規(guī)劃方法具有非動態(tài)和低信息化的特點，難以滿足集裝箱碼頭作為復雜離散事件動態(tài)系統(tǒng)的規(guī)劃要求;而利用計算機仿真技術規(guī)劃集裝箱碼頭物流系統(tǒng)，不僅能夠使界面顯示更加直觀，而且可以在規(guī)劃過程中考慮更多的隨機因素，便于根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整和修正規(guī)劃，從而增強規(guī)劃的科學性和有效性。本文利用Unity3D軟件構(gòu)建集裝箱碼頭堆場實時交互仿真系統(tǒng)，實時動態(tài)地顯示集裝箱碼頭堆場物流系統(tǒng)的運作流程，并以上海城建坐標系為媒介，通過平面四參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換方法，完成衛(wèi)星定位參考橢球坐標至三維虛擬場景坐標的轉(zhuǎn)換。仿真實例表明，該方法能夠提高定位的精度和效率，可為集裝箱碼頭堆場規(guī)劃設計提供參考。

1 三維建模

為了模擬集裝箱和裝卸設備在集裝箱碼頭堆場的真實狀態(tài)（包括位置和外觀等），根據(jù)計算機輔助設計（computer-aided design，CAD）測繪圖制作集裝箱、裝卸設備、場地、建筑物和道路等三維模型，使三維模型與真實場景的比例達到1∶1。

利用Autodesk公司開發(fā)的建筑信息模型軟件Revit制作三維模型，以提高三維建模的效率。需要注意的是，利用Revit軟件制作三維模型存在以下問題：一是場景外觀無法達到真實效果;二是輸出的模型面數(shù)過多，難以在低端計算機上運行;三是無法實現(xiàn)實時交互仿真。針對上述問題，從Revit軟件中導出制作完成的三維模型，并利用Autodesk公司開發(fā)的三維建模和動畫軟件Maya對導出的模型進行處理：一是根據(jù)從集裝箱裝卸作業(yè)區(qū)現(xiàn)場采集的素材制作寫實材質(zhì);二是對輸出模型實施減面等優(yōu)化處理。在此基礎上，利用Unity Technologies公司開發(fā)的Unity3D軟件實現(xiàn)三維模型的實時交互仿真功能。

2 坐標映射

集裝箱碼頭堆場三維仿真模型根據(jù)CAD測繪圖制作而成，需要將全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global naviga- tion satellite system，GNSS）數(shù)據(jù)映射至三維場景中。將GNSS坐標轉(zhuǎn)換為地方坐標有兩種模式：一種是二維轉(zhuǎn)換模式，適用于較小范圍內(nèi)的坐標轉(zhuǎn)換;另一種是三維轉(zhuǎn)換模式，適用于較大范圍內(nèi)的坐標轉(zhuǎn)換。由于實際應用距離不超過30 km，采用平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換法即可滿足精度要求。坐標轉(zhuǎn)換原理是：將GNSS接收機給出的大地坐標（基于衛(wèi)星定位參考橢球）通過高斯投影轉(zhuǎn)換成衛(wèi)星定位參考橢球平面直角坐標，再將衛(wèi)星定位參考橢球平面直角坐標轉(zhuǎn)換成地方平面直角坐標（基于本地橢球）。具體方法如下：首先，分別將公共點衛(wèi)星定位參考橢球坐標和地方坐標系投影到各自參考橢球系的高斯平面上，得到公共點分別在衛(wèi)星定位參考橢球和地方坐標系的平面坐標;然后，采用最小二乘法對2組以上的坐標數(shù)據(jù)求取四參數(shù);最后，用求得的四參數(shù)把衛(wèi)星定位的高斯平面坐標轉(zhuǎn)換為地方坐標系的高斯投影面的平面坐標。

為了實現(xiàn)對裝卸設備的實時仿真，要求對裝卸設備的定位精度達到厘米級。可利用差分GNSS基準站求得偽距修正量或位置修正量，并根據(jù)修正量修正測量數(shù)據(jù)，從而提高GNSS定位精度。[1]本項目在上海洋山深水港物流園區(qū)自建差分GNSS基準站。差分GNSS基準站與移動終端之間的距離較近，傳輸路徑更為直接，能夠有效減少潛在干擾源，從而提高解算速度和定位精度。差分GNSS基準站覆蓋整個園區(qū)，信號較強且存在一定冗余，即使工作一段時間后電臺發(fā)射信號衰減，也能保證較高的定位精度。前端設備具有多星多頻接收能力，目前可以跟蹤接收美國GNSS、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)和中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號。差分GNSS采用移動網(wǎng)絡模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信，并采用RTCM3.2數(shù)據(jù)傳輸格式，能夠避免傳統(tǒng)傳輸方式下電臺頻率不一致和數(shù)據(jù)格式不兼容的問題。流動站解算后通過網(wǎng)絡回傳國際通用的NMEA標準格式，整理后接入智慧平臺。

為了驗證系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性，在上海港洋山深水港區(qū)進行試驗。通過差分GNSS獲得裝卸設備的GNSS數(shù)據(jù)，并將GNSS數(shù)據(jù)映射至三維場景中：首先，將GNSS的衛(wèi)星定位參考橢球坐標映射到上海城建坐標;然后，將上海城建坐標映射到三維場景的局部坐標系統(tǒng)。三維場景基于CAD測繪圖制作而成，該圖紙與上海城建坐標存在一定的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放的關系，可通過推算構(gòu)建從上海城建坐標到三維場景的映射公式。

3 應用效果

（1）系統(tǒng)功能 通過生產(chǎn)信息交互功能，可實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場集裝箱的虛擬仿真（30～600 s刷新同步）;通過道口控制功能，可統(tǒng)計進出作業(yè)現(xiàn)場車輛（2～ 300 s刷新同步）;通過基于GNSS的車輛跟蹤功能，可實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場移動裝卸設備的實時虛擬仿真（1～ 3 s刷新同步），并記錄移動裝卸設備的歷史軌跡;通過數(shù)字監(jiān)控功能，可實時提供數(shù)字監(jiān)控圖像;通過場景顯示功能，可實現(xiàn)現(xiàn)實場景的虛擬仿真，并獲取相關建筑物、場地等信息。

（2）經(jīng)濟和社會效益 方便集裝箱碼頭堆場的管理人員實時了解現(xiàn)場作業(yè)情況，實現(xiàn)集裝箱碼頭堆場安防監(jiān)控與突發(fā)事件處理的高度融合，從而提高集裝箱碼頭堆場的綜合管理能力和對突發(fā)事件的協(xié)調(diào)處置能力，并降低堆場運營成本;優(yōu)化集裝箱碼頭堆場作業(yè)流程，實現(xiàn)對集裝箱和集裝箱貨運車輛的有效跟蹤和管理，從而避免物流資源浪費，降低物流成本;提升集裝箱碼頭堆場智能化管理水平，方便相關企業(yè)辦理通關手續(xù)，提高通關效率，從而間接提高相關企業(yè)的經(jīng)濟效益;通過采用數(shù)據(jù)備份、虛擬現(xiàn)實、傳感器、互聯(lián)網(wǎng)和紅外熱成像等技術，建立危險貨物集裝箱數(shù)據(jù)庫，并實時更新業(yè)務系統(tǒng)中的相應信息，實現(xiàn)對集裝箱碼頭堆場的智慧管理。

參考文獻：

[1] 李旭，燕斌，劉耀波，等. 一種基于映射變換的全景圖快速展開算法[J]. 電子測試，2016（7）：31-34.

（編輯：張敏 收稿日期：2018-11-22）