专利名称：码头设备群的三维模型监控方法
技术领域：
本发明涉及一种码头设备群的监控方法。
背景技术：
DirectX是基于Windows平台的一组API，它是为高速的实时动画渲染、交互式音 乐和环境音效等高要求应用开发服务的。DirectX技术为软件开发者提供硬件无关性，而 又不失去直接访问硬件的特性，在硬件设备和应用程序之间提供了一套完整一致的接口， 以减小在安装和配置时的复杂度，并且可以最大限度的利用硬件的优秀特性。通过使用 DirectX所提供的接口，软件开发者可以尽情的利用硬件所可能带来的高性能，而不用烦恼 于那些复杂而又多变的硬件执行细节。DirectX已成为目前的三维图形开发标准。自动化码头的设备要进行各种动作已完成码头集装箱的吊装等工作，为了掌握设 备的工作状况，就需要对设备进行监控。目前的监控工作主要是用摄像头来监控，将多个摄 像头安装在各个不同的位置以实现监控工作，但这样的监控方式的缺点是成本高，另外由 于摄像头属于易损坏的部件，所以导致这种监控方式的故障率比较高。所以自动化码头需要提供一种新的监控方式，这种监控方式应该和摄像头一样实 现立体和实时的监控，并且成本和故障率较低。
发明内容
本发明旨在提供一种码头设备群的三维模型监控方法，该方法的成本和故障率 低。本发明提供一种码头设备群的三维模型监控方法，包括以下步骤a.对码头的设备进行模块化分解，将每一设备划分为多个部件，通过计算机程序 构建这些部件的可重用的部件模型库，同时构建码头场景对象的模型库；b.为每一设备建立各部件之间的树型层级拓扑关系，根据该树型层级拓扑关系， 构建基于现场采集数据为参数的各部件的关联运动模型；c.建立计算机程序可读的工程文件，该工程文件存储码头的每个设备的各部件的 部件模型库的索引、运动自由度、尺寸、颜色以及树型层级拓扑关系，以及存储码头场景对 象的布局数据，以实现码头的工程化存储；d.在计算机系统中实现工程文件的加载和渲染呈现，并根据码头现场采集的数据 结合步骤b中构建的关联运动模型实现码头设备的实时驱动，以实现码头的虚拟场景；e.通过人机交互设备与虚拟场景中的码头设备进行交互；以及f.通过一漫游系统对该虚拟场景进行平移、旋转或缩放，以实现各设备的监控。所述步骤a中的部件模型库为码头设备模块化分解后各部件对应的数据文件，该 数据文件存储的数据相当于DirectX系统中局部坐标系下的模型文件网格数据。所述步骤b中的关联运动模型是基于现场采集数据为参数的各部件的DirectX系 统中的世界变换矩阵。
所述步骤a中的部件模型库是三维制图软件输出的数据文件。所述步骤c中，所述工程文件是可扩展标识语言XML文件。所述步骤d中，利用DirectX构建渲染框架进行渲染呈现，通过WebService从服 务器端获取采集到的码头现场数据。采用本发明所述的码头设备群的三维模型监控方法，提高了三维模型的复用率、 降低了模型构建中的重复劳动；统一格式的工程文件方便随时进行码头场景的创建及编辑 修改，并通过码头漫游系统以及码头场景的交互，大大增加了用户的操作的简单性和灵活 性，按照该方法构建的监控系统的无需摄像头，故该方法的成本和故障率低。
图1是本发明所述三维模型码头监控方法的流程示意图；图2是岸桥(码头设备的一种)的示意图。图3是图2所示岸桥的模块化分解的示意图。图4是图2所示俯仰臂架和俯仰臂架拉杆的示意图，其中标注了建立关联运动模 型的参数。图5是图2所示吊具和集装箱的示意图，其中标注了建立关联运动模型的参数。
具体实施例方式本发明提供的三维显示监控方法可用于码头设备群及堆场运行状况的监控，该方 法配合码头的设备实时调度与控制系统(简称EOS)以实现三维显示监控。为了方便描述， 下面以岸边集装箱起重机(QuaysideContainer Crane, QC，简称岸桥)基于DirectX技术 为例来描述本发明的实现。本系统的实现可参考图1所示，该方法100包括步骤102，构建码头设备部件模型 库，以及构建码头场景对象模型库。由于码头设备属于单件小批量产品，其模型各不相同，如果虚拟场景中每个设备 对应一个独立的实体网格文件，几何建模工作量非常大，当呈现包含大量设备的码头场景 时也会占用大量的存储资源。虽然码头设备的实际模型各不相同，但同类设备的结构形式 和运行方式基本相同，不同的只是部分结构的尺寸颜色参数或特定部件的个数(如单双吊 具)。因此可总结出各种码头设备的共性和本质特点，根据监控要求和运行特点对其进行模 块化分解，对码头设备进行模块化分解，即将码头设备划分为具有层级关系的各部件，码头 设备右该部件的集合构成，同时建立一套标准尺寸部件的模型库。同时建立必要的码头场 景对象(天空盒、地面、轨道、低架桥等)模型库。模型库的建立可以用软件3ds max建立 模型，并通过PandaDirectX Max Exporter插件将其导出为Microsoft定义的X文件存储， 当然也建立对0BJ、Max等3D数据格式支持的模型文件。岸桥对象的模块化分解方式如附图2所示，岸桥分解为大车22、车轮21、俯仰臂架 23、吊具24、小车25、机器房26以及拉杆27。对于具体的码头设备对象而言，通过后面所述的工程文件确定其包含的模块，同 时设定各模块间的层级关系，配置初始位置、尺寸、颜色、运动自由度以及驱动参数。尺寸可 以通过指定相对模型库中标准模型的非均勻缩放因子(式1)实现。颜色则例如在DirectX中通过材质(Material)变换来实现。
本发明的方法100还包括步骤104，在步骤104中，建立各模块之间的层级关系，采 用矩阵变换实现基于现场采集数据为参数的运动模型。首先，如图3所示，为每一设备建立 各部件之间的树型层级拓扑关系。根据树型层级关系可以推算出，每个模块的世界变换统一表示为各部件相对其父 对象的变换矩阵的乘积Vworld = Vlocal X Mzoom X Mworld_AfterZoom(2)Mworld_AfterZoom 一 Mlocal X Mparent (^1)_local X Mparent (n_2)_iocai ^Mparent (i)_iocai (3)式中V1()。al表示局部坐标系中的三维实体模型；Vworld表示全局空间(世界坐标系)中的实体模型；Mzooffl表示本模块相对模型库中标准模型的缩放矩阵；Mworld AfterZooffl表示将缩放后模块的世界变换矩阵；也就是说，只需获取每个部件相对父对象的变换矩阵Mltrcal，就能构建出各部件的 世界变换矩阵，也就实现码头设备的完整驱动。变换矩阵Mltxal可以很容易地表示为 对于具体的码头设备来讲，式(4)中的队。9y0代OXtl % Ztl是设备位于规定的零 点时的参数，根据实际尺寸在配置文件中作为已知量给出。而&代Δ χ Δγ Δζ 的值则可以通过现场数据采集获取。综合以上描述，可以理解到，只要实时从现场采集有限的数据就能够得到部件各 时刻的世界变换矩阵，也就能确定并模拟港口机械当前的运行姿态，实现模型驱动。如上文所示将所有模块的运动模型统一为相同的变换公式，实现部件的所有可能 的变换(平移、旋转、比例变换)，以便于程序编写。岸桥的层级关系如附图3所示，各模块的世界变换矩阵的构建如下(1)大车需要首先得到岸桥在码头世界坐标系中零点的位置(x，z)，海拔高度y， 以及其朝向角度外。并作为已知量存储在配置文件中。这样根据前面的式(4)可知，只需 从现场获取大车相对零点的运行位置就可计得到其世界变换矩阵。 (2)固定臂架、机器房和固定臂架拉杆它们都是相对父层级静止的对象。只需确
定岸桥初始状态下，各自相对父层级对象坐标系的位置即可。
(3)俯仰臂架和俯仰臂架拉杆只需测得俯仰臂架相对于大车的俯仰角度θ。俯 仰臂架的拉杆。
对于上式中的俯仰臂架拉杆对象来讲，需要根据俯仰臂架的旋转角度θ来实时 计算拉杆的长度1和旋转角度仏也就是说，在旋转的同时，俯仰臂架拉杆的Mz。。m也需要根 据当前的长度进行实时缩放构建。它们的值可参照附图4按下式计算 (4)小车需要测得从岸桥初始状态至当前状态下小车沿臂架运行的距离d。 (5)吊具和集装箱吊具系统通过钢丝绳连接到起升机构上，大小车运动状态的 改变以及其他外界因素如风的影响导致吊具系统表现为一个复杂的空间运动。我们只需获 得吊具相对其父层级小车部件的钢丝绳的长度1以及吊具相对父层级小车坐标系X轴和Z 轴的旋转角度队和代，就可以很容易地确定(附图5)。 其中
对于配置了相应的传感器直接测量％和代值的岸桥，吊具的世界变换矩阵可以直 接采用上面式子获得。一般可以不考虑旋转而直接简化为只相对小车的下降距离。综上所述，这样就能获得岸桥所有部件的世界变换矩阵，实现各部件的运动建模， 也就是获得了各部件的完整姿态信息，实现了基于现场采集信息的港口机械模型驱动。其 他种类的港口机械和场景中的运动对象的运动建模方式与此相同。本发明的方法100还包括步骤106，在步骤106中构建码头工程文件。码头工程文件的建立流程如下首先构建码头设备的工程文件来存储每个设备各 模块的模型库文件索引、运动自由度、尺寸、颜色、层级关系等信息，然后建立码头工程文件 存储港口场景对象(设备、轨道、天空、地面等)的布局(初始位置、朝向)信息，实现码头 对象的工程化存储。本发明的方法100还包括步骤108，在步骤108中实现码头场景渲染呈现。采用Microsoft Ci^PDirectX技术实现工程文件的加载和渲染呈现。根据码头现 场采集的数据结合步骤104中构建的运动模型实现设备的实时驱动以及码头集装箱的更 新显示，即通过工程文件中的各部件的部件模型库的索引、运动自由度、尺寸、颜色以及树 型层级拓扑关系，确定各设备确定其包含的模块(部件)，同时设定各模块间的层级关系， 配置初始位置、尺寸、颜色、运动自由度以及驱动参数。本发明的方法100还包括步骤110，交互和漫游模块的实现。采用DirectX技术实现码头对象的拾取操作，通过鼠标单击的形式选中设备或集 装箱进行交互，选中的对象添加线框模式的包围盒进行突出显示。通过DirectX技术构建 码头虚拟相机系统实现码头漫游，采用键盘和鼠标实现平滑的平移、选转、缩放漫游操作， 同时，通过将虚拟相机的观察点与选中的码头场景对象进行链接，就实现了码头设备和集 装箱的追踪监控。方便了用户的监控。本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明， 而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变 化、变型都将落在本发明的权利要求范围。
权利要求
一种码头设备群的三维模型监控方法，包括以下步骤a.对码头的设备进行模块化分解，将每一设备划分为多个部件，通过计算机程序构建这些部件的可重用的部件模型库，同时构建码头场景对象的模型库；b.为每一设备建立各部件之间的树型层级拓扑关系，根据该树型层级拓扑关系，构建基于现场采集数据为参数的各部件的关联运动模型；c.建立计算机程序可读的工程文件，该工程文件存储码头的每个设备的各部件的部件模型库的索引、运动自由度、尺寸、颜色以及树型层级拓扑关系，以及存储码头场景对象的布局数据，以实现码头的工程化存储；d.在计算机系统中实现工程文件的加载和渲染呈现，并根据码头现场采集的数据结合步骤b中构建的关联运动模型实现码头设备的实时驱动，以实现码头的虚拟场景；e.通过人机交互设备与虚拟场景中的码头设备进行交互；以及f.通过一漫游系统对该虚拟场景进行平移、旋转或缩放，以实现各设备的监控。
2.如权利要求1所述的三维模型监控方法，其特征在于，所述步骤a中的部件模型库为 码头设备模块化分解后各部件对应的数据文件，该数据文件存储的数据相当于DirectX系 统中局部坐标系下的模型文件网格数据。
3.如权利要求2所述的三维模型监控方法，其特征在于，所述步骤b中的关联运动模型 是基于现场采集数据为参数的各部件的DirectX系统中的世界变换矩阵。
4.如权利要求1所述的三维模型监控方法，其特征在于，所述步骤a中的部件模型库是 三维制图软件输出的数据文件。
5.如权利要求1所述的三维模型监控方法，其特征在于，所述步骤c中，所述工程文件 是可扩展标识语言XML文件。
6.如权利要求1所述的三维模型监控方法，其特征在于，所述步骤d中，利用DirectX 构建渲染框架进行渲染呈现，通过Web Service从服务器端获取采集到的码头现场数据。
全文摘要
码头设备群的三维模型监控方法，包括对码头设备进行模块化分解，划分为具有层级关系的部件集，构建可重用的港口设备部件模型库；采用统一格式的文件存储码头的设备及堆场信息，便于码头的构建和编辑；在计算机系统中实现工程文件的加载和渲染呈现，利用场景对象的交互以及支持设备和集装箱追踪模式的港口漫游实现监控。按照该方法构建的监控系统的无需摄像头，故该方法的成本和故障率低。
文档编号G05B19/048GK101893864SQ20091005179
公开日2010年11月24日 申请日期2009年5月22日 优先权日2009年5月22日
发明者徐涛 申请人:上海振华重工(集团)股份有限公司