专利名称：一种基于组件的集装箱码头三维仿真方法
技术领域：
本发明涉及三维仿真技术，具体地说是一种基于组件的集装箱码头三维仿真方 法。
背景技术：
集装箱码头作业效率的高低直接影响到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、优化集装箱码头动态物流系统做了大量研究。目前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的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。集装箱码头物流系统是由集装箱、船舶、装卸设备、泊位、堆场、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 集港和出口装船四种作业类型。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所示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、地面平板小车等自动化装卸设备构成，不同装卸工艺决定了集装箱码头三维仿 真对象及其相互之间的协作机制的不同。因此，有必要设计一种可灵活组装而适合不同装 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、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。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明通过对不同集装箱码头功能节点的分析，提出 了一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，从而大大提高了集装箱码头三维仿真系统的开 发效率。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于组件的集装箱码头三维 仿真方法，包括
1.仿真组件的粒度划分组件是应用系统可分离的部分，仿真组件是指能够通过互 换、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，同时必须满足高内聚、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。每一类组件可以派生或者泛化其子类组件
(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两类，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，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；
(2)码头装卸设备组件该组件包含集装箱码头各种装卸工艺相关的装卸搬运设备；
(3)码头装卸对象组件用于描述码头内部流通的集装箱；(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，将业务逻辑划分为调度与计划两类，该组件描述的是非可见对象，因此必须允许设计 时可视化属性设置；
(5)运动学解算组件用于实现动态元素的实时运动仿真；
(6)数据访问组件将对数据库的访问进行封装，隐藏其实现细节，只提供功能接口； 同时该组件提供其它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数据互访功能，其它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、缩放 等基本三维空间操作；
2.仿真组件的实现将仿真对象的数据和功能进行封装，以组件标准提供特定的仿真 功能和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，并通过 自身接口与外部程序实现数据交互协作，仿真组件对其它仿真组件或者外部程序提供统一 的功能接口，但其内部结构无法访问；
3.仿真组件的协作各组件作为客户端调用其它组件定义好的接口，从而进行数据交 互操作，并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，通过组件 相互协作实现集装箱码头整体仿真流程；
4.仿真组件的部署将组件体系划分为三个层次并按此结构部署数据获取层，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、码头装卸对象组 件，通过业务逻辑组件中的计划、调度组件实现三维仿真驱动功能；用户表示层，用于向用 户呈现可视化的虚拟场景，同时允许用户进行必要人机交互，形成人在回路的实时仿真系 统。本发明的基于组件技术的集装箱码头三维仿真系统构建方法，由于采用上述技术 方案而具有如下有益效果随着集装箱码头装卸工艺不断进步和管理水平不断提升，相关 用于仿真的组件可以相应的做出改进和完善，从而避免了因业务变化而重新开发系统带来 的巨大成本，同时由于仿真组件具有动态链接的特性，用户可以动态的部署、卸载所需仿真 组件以适应不同装卸工艺下的码头仿真。
图1所示为自动化集装箱码头示意图。图2所示为集装箱码头三维仿真组件划分体系图。图3所示为集装箱码头装卸设备三维仿真组件体系结构图。图4所示为组件协作机制示意图。图5所示为组件式三维仿真部署结构图。图6所示为本发明的一个实施例的仿真组件构成的自动化集装箱码头三维系统 的效果图。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结 合具体图示，进一步阐述本发明的实施方式。一种基于组件的集装箱码头三维仿真方法，包括
1.仿真组件的粒度划分，如图2所示，将组件按如下分类方式划分
(1)静态布局组件将码头内部路灯、路障、候工楼等静态非资源对象划分为静态非资 源组件，用户可通过拖拽实现快速虚拟场景搭建；而箱区、泊位、集卡车道等资源设施划分 为静态资源组件，用于描述构成集装箱码头三维静态虚拟场景，参与仿真过程计算；
(2)码头装卸设备组件该组件包含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、轨道吊等组件；
(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、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两类，该组件描述的是非可见对象，允许设计时可 视化属性设置；
(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、SQLServer, 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 ；同时该组件提供其它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数据互访功能，其它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、缩放 等基本三维空间操作，为了更好地适应二维平面仿真需求，图形渲染组件重载了部分图形 输出函数，达到平面二维仿真的目的，提出了基于Vega的漫游引擎设计。2.仿真组件的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 键在于接口和实现分离，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。仿真组件对其它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、方法等。图3所示为集装箱码 头装卸设备三维仿真组件体系结构。设备组件成员变量包括Id、位置(x，y，z)、运载集装箱 (ContainerArray)；方法包括大车移动(WMove)、小车移动等(HMove)等。岸桥、场桥、集卡 作为集装箱码头作业的主要三种设备，即继承了其父类部分变量、方法，又根据物理特性增 加了相应成员，如岸桥成员变量同时要说明岸桥所处泊位号，场桥所在的场箱贝。3.仿真组件的协作各组件作为客户端调用其它组件定义好的接口，从而进行数 据交互操作。根据码头实际装卸工艺要求下仿真系统功能上的实际需求，选择合理的组件 按照正确的调用机制进行组件部署，以可视化的方式设置不同组件对象的仿真参数，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、事件响应，从而完成各仿真对象之间的协作运行，组件协作机制示意如图4所示。低架平板小车、低架起重小车、地面平板小 车等所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。4.仿真组件的部署通过对系统功能进行抽象分析，本发明将组件体系划分为三 个层次，如图5所示。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、码头装卸对象组件，通过业务逻辑组件中的计划、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人机交互，形成人在回路的实时仿真系 统，最后实现如图6所示的仿真系统。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，实时再现了码头作业流程与现状。系统不仅为码头快速调度提供了实时机械位 置信息，同时提供了形象直观的码头全景。通过分析目前集装箱码头三维仿真领域的研究不足，本发明提出了基于组件技术 的集装箱码头三维仿真系统构建方法，其重要的意义在于随着集装箱码头装卸工艺不断进 步和管理水平不断提升，相关用于仿真的组件可以相应的做出改进和完善，从而避免了因 业务变化而重新开发系统带来的巨大成本。由于组件具有动态链接的特性，用户可以动态 的部署、卸载所需仿真组件以适应不同装卸工艺下的码头仿真。本发明所述集装箱码头三 维仿真构建方法亦可应用于其它非集装箱码头。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等同物界定。
权利要求
一种基于组件的集装箱码头三维仿真方法，其特征在于，包括1)仿真组件的粒度划分将仿真组件进行大小合适的划分，使每一类组件可以派生或者泛化其子类组件；2)仿真组件的实现将仿真对象的数据和功能进行封装，以组件标准提供特定的仿真功能和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，并通过自身接口与外部程序实现数据交互协作，仿真组件对其它仿真组件或者外部程序提供统一的功能接口，但其内部结构无法访问；3)仿真组件的协作各组件作为客户端调用其它组件定义好的接口，从而进行数据交互操作，并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，通过组件相互协作实现集装箱码头整体仿真流程；4)仿真组件的部署将组件体系划分为三个层次并按此结构进行部署数据获取层，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、码头装卸对象组件，通过计划、调度组件实现三维仿真驱动功能；用户表示层，用于向用户呈现可视化的虚拟场景，同时允许用户进行必要人机交互，形成人在回路的实时仿真系统。
2.根据权利要求1所述的基于组件的集装箱码头三维仿真方法，其特征在于，所述仿 真组件可按如下方式划分(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两类，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，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；(2)码头装卸设备组件该组件包含集装箱码头各种装卸工艺相关的装卸搬运设备；(3)码头装卸对象组件用于描述码头内部流通的集装箱；(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，将业务逻辑划分为调度与计划两类，该组件描述非可见对象，须允许设计时可视化属 性设置；(5)运动学解算组件用于实现动态元素的实时运动仿真；(6)数据访问组件将对数据库的访问进行封装，隐藏其实现细节，只提供功能接口； 同时该组件提供其它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数据互访功能，其它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 放的基本三维空间操作。
全文摘要
本发明公开了一种基于组件的集装箱码头三维仿真方法，通过将仿真对象的合理划分、仿真组件的实现、仿真组件的协作以及仿真组件的部署实现集装箱码头三维仿真系统的开发。由于组件具有动态链接的特性，用户可以动态的部署、卸载所需仿真组件以适应不同装卸工艺下的码头仿真。随着集装箱码头装卸工艺不断进步和管理水平不断提升，相关用于仿真的组件可以相应的做出改进和完善，从而避免了因业务变化而重新开发系统带来的巨大成本。本发明所述集装箱码头三维仿真构建方法亦可应用于其它非集装箱码头。
文档编号G06F17/50GK101944153SQ20101051137
公开日2011年1月12日 申请日期2010年10月19日 优先权日2010年10月19日
发明者严伟, 何军良, 吴光生, 宓为建, 李晨, 王煜, 苌道方, 赵宁, 陆后军 申请人:上海海事大学