虛擬現實技術在自動化集裝箱碼頭中的應用

梁 慶，李家華，楊 彪

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

BIM(building information modelling)技術具有強大的三維表現能力，例如三維碰撞檢查、虛擬施工、三維動畫渲染和漫游[1]，從而提高項目各方溝通效率及交付質量。以包含準確工程數據的BIM模型為基礎進行二次渲染能夠提高三維模型的質量[2]，有效降低制作時間和人力成本。隨著虛擬現實(virtual reality，簡稱VR)技術不斷成熟和消費級產品的出現，基于BIM模型和多參與方之間的相互協作，使用者可以輕松實現在擬建工程進行沉浸式體驗、優化設計方案等目的。本文以廣西欽州港7#～10#自動化集裝箱碼頭工程為例，探索裝卸工藝VR系統開發等技術應用手段，為類似工程提供參考。

1 工程概況

廣西欽州港大欖坪南作業區7#～10#泊位工程位于欽州保稅港區內的南端，碼頭工程岸線長1 301.5 m，改造及新建4個自動化集裝箱泊位，最大可?？?0萬噸級集裝箱船。工程陸域面積約1.15 km2，碼頭設計年通過能力為260萬TEU。建設內容主要包括沉箱重力式碼頭、疏浚工程、水工建筑物、助導航工程等。項目功能區域劃分為無人裝卸碼頭區域、IGV(Intelligent Guided Vehicle，智能導引車)無人小車車道、外集卡U形行車道、港內外交互區域、輔建區域等。碼頭采用“自動化雙小車岸橋+IGV+自動化軌道吊”的全自動化裝卸工藝，是我國新一代的自動化集裝箱碼頭[3]。

2 總體技術應用路線

2.1 VR系統應用需求

1)基于項目總裝模型進行復雜環境場地分析、設計方案可視化分析和優化。

2)通過可視化方式展示欽州自動化集裝箱港口，突出U形平面布置方案的特點。

3)在VR場景中基于人機互動操作，實現依照體驗者指令按步驟展示完整集裝箱全自動化裝卸工藝流程。

4)設置安全體驗功能，允許體驗者體驗現實中無法實現的傷害場景，提高體驗者的安全意識，起到警示教育的作用。

5)系統最終渲染成果能夠導出三維模型，為企業港口VR模型庫積累素材。

2.2 系統設計框架

自動化裝卸工藝VR系統框架見圖1，以BIM模型、操作流程提示信息數據、岸橋及軌道吊工作動作參數、IGV及外集卡駕駛移動參數等輸入信息作為底層數據，創建包括整體模型漫游、重要裝卸工藝等功能模塊，用戶基于頭戴式VR眼鏡、VR手柄等硬件設備通過用戶操作界面與系統進行交互操作。

圖1 自動化裝卸工藝VR系統框架

2.3 系統設計流程

結合本項目需要實現的功能，圍繞自動化裝卸工藝的主題，形成開發平臺調研、模型處理、場景優化、功能模塊編譯、測試迭代優化、正式發布的設計流程。以BIM成果模型作為VR系統的模型底層，利用游戲引擎的物理碰撞、重力感應等功能和藍圖可視化腳本對裝卸流程進行程序編譯，最后通過頭戴式VR體感設備像素流傳輸的功能，實現沉浸式的交互體驗。

2.3.1開發平臺調研

基于建模軟件的兼容性、開發及后期維護難度、VR頭顯效果、產品開發周期等多維度對主流開發平臺進行調研評分，實現開發基礎底座的技術可控。

2.3.2模型處理

本項目BIM建模范圍包括周圍環境、設計船型、水工建筑物、港口裝卸設備、道路標示標線、集裝箱堆場、辦公樓、綜合樓、配套設施和港區綠化等主要部分。各專業需結合自身需要及工作流，在多款專業BIM軟件中協同進行?；谠贫藚f同平臺進行多專業協同建模，三維總裝軟件從協同平臺參照模型文件進行總裝，保證了各子模型與總裝模型的動態關聯特性，為VR系統提供準確的基礎模型，大幅降低構建模型階段的人工成本和時間成本。

渲染軟件中建立的模型精細程度高、整體性強，適用于建筑工程、土木工程結構等規則體建模。同時與BIM模型融合度高，能夠有效實現不同來源模型的信息、功能整合[4]。本項目基于BIM港口模型導入渲染軟件進一步優化，補充、修復部分場景模型，對動畫模型部分進行拆分整合，并對模型進行減面處理。

2.3.3場景優化

將碼頭、船舶、岸橋、軌道吊、集裝箱、建筑單體等模型導入VR渲染器中?；赩R渲染器，對整個港口場景進行天空光照渲染、替換合適材質紋理及顏色、調整環境參數等，達到逼真照片級水準。增加全動態場景制作，模仿真實港口運行狀態。

2.3.4功能模塊編譯

通過藍圖可視化腳本編程實現以下功能：1)用戶選擇界面(user interface，UI)與各模塊場景的切換；2)設置場景中非靜止對象的運動原則，對港內外交通流進行高精度的仿真模擬；3)設置場景中文本信息、音頻信息的觸發條件，正確顯示相關提示信息；4)設置VR頭盔、VR手柄、鍵盤等硬件的各類交互功能操作。

2.3.5測試迭代優化

系統在正式發布之前會進行多次測試及優化迭代，其中最常見、出現頻率最高的問題是場景流暢度不夠、幀數過低，根本的原因是計算機圖形處理負荷過大。主要有3個因素：1)BIM模型精細度高，直接使用會導致場景中的線對象、面對象過多。需要在多次修改過程中尋找模型修改量小和模型精細化程度大之間的動態平衡?；驹瓌t是對地面以上及視野范圍內顯示的對象進行必要的減面處理或者替換，對地面以下及非視野范圍內的元素進行刪除或簡化處理。2)場景范圍大，包含的對象數量眾多，光影渲染工作量大?？梢酝ㄟ^在特定部分內設置詳細的照明和陰影細節，配合設置模型LOD或細節級別，實現遠視角顯示整體效果和近視角顯示更多模型細節的切換。還可以通過分割關卡場景階段性表達主題，避免過多動態對象或交互動作集中于同一關卡。3)硬件設備條件限制。計算機中的CPU負責數據計算，顯卡負責圖形渲染，VR頭盔負責VR場景的顯示交互。在預算充足的情況下充分了解硬件設備的差異，正確配置對應的計算機及VR頭盔。高性能設備能夠極大提高VR模擬系統承載能力的上限，模型精度及腳本編寫的容錯率明顯提升，提高項目設計方案的合理性、科學性。

2.3.6正式發布

以軟件集成的方式將全功能模塊打包，最終生成exe可執行文件，實現數據的融合，形成正式版VR平臺可視化解決方案。系統界面見圖2。

圖2 自動化裝卸工藝VR系統界面

3 虛擬現實技術應用

3.1 系統模塊

3.1.1UI選擇界面

作為體驗者與主體程序交互溝通的載體，整體顏色風格采用貼近港口海岸工程的深藍色調，圖標則采用船錨、集裝箱等鏤空白色標志，突出系統主題。該界面通過手柄組合鍵調出，負責聯通港口漫游、自動化雙小車岸橋裝卸船、堆場區域裝卸工藝和進出閘口模擬4個主模塊。在手柄、鍵盤等輸入設備設置操作說明提示，降低用戶記憶負擔、提升系統友好度。

3.1.2港口漫游

實現自由步行或空中無人機2種視角漫游整個港口場景。系統默認視角為位于港區進港閘口的無人機低空視角，能夠從相對偏低的高空高度俯瞰整個港區，給予初體驗者較為舒適而又有挑戰性的開局感受，也讓體驗者擁有熟悉系統界面、熟悉VR世界基本操作的時間。系統同時設置有地面自由步行模式，無人機可隨時通過VR手柄摁鍵從空中安全著陸，甚至能夠在虛擬空間突破現實物理世界的限制，在無人自動化碼頭自由穿梭，體驗數字化經濟下的新一代智慧港口。此外，該模塊設計有高空跌落、車輛撞擊等安全教育體驗功能，幫助提升體驗者的安全意識，深刻理解自動化碼頭運行的邏輯性及設計碼頭應考慮的因素。

3.1.3自動化雙小車岸橋裝卸船

碼頭前沿船舶裝卸作業系統的自動化流程，實現查看相關工藝設備及港口概要信息的功能。體驗者通過手柄操作系統信息彈框的方式進行人機互動，詳細展示拖輪頂靠、岸橋主小車吊裝集裝箱、過泊平臺卸箱、后小車吊裝集裝箱至IGV的完整流程，并顯示包括碼頭岸線長度、設計船型、年設計通過能力等項目相關信息，幫助體驗者了解項目背景信息。

3.1.4堆場區域裝卸工藝

集裝箱從岸橋過泊平臺裝卸運輸至堆場的流程，展示相關堆場作業要點信息。利用跟隨IGV移動視角的方式，通過體驗者的交互操作、高亮IGV行駛軌跡及手柄振動，展示IGV無人駕駛、自動行車避讓、自檢電量不足自動充電等功能；在IGV到達裝卸點后，體驗者需要根據提示按步驟執行特定操作，完成自動軌道吊移動至指定位置進行集裝箱調至堆場的作業指令。流程充分突出水平運輸方案自動化的特點，全面說明堆場作業自動化的先進性。

3.1.5進出閘口模擬

外集卡車輛進出閘口以及在堆場區進行裝卸作業的流程，顯示相關流程信息。由體驗者控制的外集卡按照提示掃描通過三段式智能化進港閘口，在外集卡通道完成駐車、集裝箱外運、掉頭操作，形成完整自動化碼頭工藝流程閉環。通過平面動圖顯示外集卡運行軌跡，多視角演示集裝箱堆場外集卡通道的U形平面布置方案，強化VR技術應用與工程設計理念的正向結合。

3.2 方案可視化分析和優化

BIM 技術在建筑工程設計中的應用首先體現在可視化設計操作層面上[5]?；陧椖考b箱集疏運體系的構成及碼頭的陸域特點，結合可視化拓展技術的特點，分析并提出了一種新的U形全自動化集裝箱碼頭平面布置方案，見圖3。

圖3 項目模型俯視圖

集裝箱堆場采用垂直碼頭岸線的布置方式，使得集裝箱港內運輸時間最短；水平運輸采用IGV進行作業。IGV自動駕駛級別為L4級，當IGV在限制道路或環境下自動駕駛時，需要與人員和有人集卡隔離[6]，因此設置圍網將港外集卡與港內IGV進行物理隔斷，實現了自動駕駛的物理封閉。為方便外集卡掉頭返回，堆場區港外集卡車道設計為U形，外集卡在堆場軌道吊一側懸臂完成裝卸作業后掉頭即可離開堆場，突出交通分離、交互簡潔、直進直出的核心設計理念?？梢暬O計能夠充分、立體表達設計意圖，最大化利用陸域空間提高港內外交互能力和工作效率，成為設計方與建設方、施工方、政府審批機構等多方高效率、低成本溝通的新手段。

3.3 應用效果

不同于傳統工程表達方式，工程人員在虛擬世界里體驗到了真實的邊界感；設計人員能夠直觀感受設計方案，基于二維圖紙的三維整體布置、建筑構造想象的方案將被取代，縮短設計和修改方案的時間；通過VR系統的可視化交底，使現場施工人員更深刻理解設計方案，提高施工質量。既加深了對自動化集裝箱碼頭項目的認識，也切身體會到VR技術在工程項目應用中的創造力。

4 結語

1)以項目應用需求為出發點，構建VR系統設計框架，規劃系統設計流程，總結技術應用路線。

2)系統包含5大功能模塊，完整模擬自動化集裝箱碼頭從船舶靠岸到集裝箱出運全過程。

3)把BIM模型作為數字底層，將VR技術新手段引入自動化集裝箱碼頭設計中，基于可視化分析和優化的技術手段，多專業協同、共享優勢，提升設計整體效率和質量。

4)定制化開發包含自動化集裝箱裝卸工藝全流程的虛擬平臺，以數字化助力自動化碼頭的建設和宣傳，取得了一定的經濟效益和社會影響力。

5)基于BIM技術的VR定制化開發路線在實踐中取得了良好效果，具有一定的推廣意義，也為水運工程數字化發展帶來全新的可能性。