CN101295327B - 港口监测数据虚拟显示设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算机应用技术领域的港口监测数据虚拟显示设备和方法，为了解决港口监测数据的实时可视化显示问题，借助三维图形化技术实现三维模型存储部与虚拟港口编辑部，构建虚拟港口环境与虚拟港口机械；基于因特网，通过数据通信部获取港口监测数据；在虚拟港口监测部基于港口监测数据中的空间数据对虚拟港口环境与虚拟港口机械进行在虚拟环境中进行空间定位，实现对虚拟港口环境与虚拟港口机械的有机组合，构造生成虚拟港口，并将港口监测数据中的属性数据与虚拟港口环境与虚拟港口机械关联显示。

Description

港口监测数据虚拟显示设备和方法

技术领域

本发明涉及一种计算机应用技术领域的虚拟设备和方法，具体地说，涉及的是一种港口监测数据虚拟显示设备和方法。

背景技术

随着世界经济一体化的发展，国际贸易不断增长，使得国际集装箱海运业务日趋繁忙。据资料统计，国际贸易量的95％以上通过海运来承担，而且呈不断上升趋势。这就使得现代港口的规模及自动化程度不断提高。相应地，港口物流过程日趋繁杂，港口机械也朝着大型化、连续化、高速化、强载化及自动化方向发展，一些全自动化的“无人码头”也开始出现。这就使得对港口的物流过程监测及港口机械的健康保障成为保证港口业务高效实施的首要问题。

目前，大多数港口都已经对港口的物流过程及港口机械状态实施了不同规模的监测，建立了港口的监测数据中心。采集的监测数据包括港口机械的空间数据与属性数据，港口堆场占用状态及装卸货物信息等。港口机械空间数据主要表现为港口机械在港口中所在位置、港口机械部件位移等，港口机械属性数据主要表现为港口机械电控运行参数与港口机械部件振动、温度等状态数据。监测数据最终通过显示设备显示。现有的数据显示方法大多采用“示意图+图例+数据”的平面图形人机交互的方式，使用示意图或图例的方式模拟港口机械的运行。这种方式表现能力差，表现内容也十分有限，并且大多基于组态软件开发，成本较高。

虚拟现实技术，是20世纪80年代末90年代初崛起的一种高端人机接口技术，通过模拟视觉、听觉、触觉等多种感觉通道从而达到模拟现场沉浸感和交互操作的目的。其中，视觉模拟是主要通过三维图形化技术对现实场景和物体建模，在显示设备上呈现。针对上述提到的港口监测数据“示意图+图例+数据”平面显示方式弊端，采用虚拟现实技术的监测数据显示方法逐渐被采用。

经对现有技术的文献检索发现，Miguel Escrivá等人(Virtainer：Graphical Simulation of a Container Storage Yard with Dynamic PortalRendering)公布了一种采用虚拟现实技术进行港口堆场堆叠集装箱数据图形模拟方法。舒帆(利用虚拟现实技术实现集装箱堆场的可视化)进一步地研究了利用虚拟现实技术实现堆场数据可视化的方法。潘明阳(分布式虚拟港口的关键技术研究)研究了虚拟现实技术在航海信息系统中的应用。上述研究和技术应用开辟了虚拟现实技术在港口堆场监测数据可视化及港口虚拟化中的应用，而对于港口机械监测空间数据可视化及监测属性数据与机械三维模型的有机集成等并没有考虑。另一方面，虚拟现实技术的实现需要构造现实场景和物体的三维模型，并且要实现基于实时数据驱动的三维模型运动，需要根据实时数据对三维模型进行几何变换；同时考虑到港口机械种类繁多，对单个港口内所有机械构造的三维模型并不能适用于所有港口，而构建所有型号的港口机械三维模型将带来极大的建模工作量。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种港口监测数据虚拟显示设备和方法。本发明通过港口环境三维模型与港口机械标准零部件三维模型构造出虚拟港口环境和虚拟港口机械，虚拟港口环境和多个虚拟港口机械构造出虚拟港口，虚拟港口集成并显示港口监测数据。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的港口监测数据虚拟显示设备，包括：三维模型存储部、虚拟港口编辑部、数据通信部、虚拟港口监测部，其中：

三维模型存储部，用来存储港口环境三维模型文件、港口机械标准零部件三维模型文件及用来构造虚拟港口环境和虚拟机械模型的三维模型几何关系文件；

虚拟港口编辑部，其导入三维模型存储部中存储的港口环境三维模型文件或港口机械标准零部件三维模型文件，然后通过对导入的港口环境三维模型或港口机械标准零部件三维模型施加旋转、平移、缩放的几何变换，对多个三维模型进行组装拼合，生成虚拟港口环境和虚拟港口机械，并将对应的三维模型几何关系生成三维模型几何关系文件，存储入三维模型几何关系存储部；

数据通信部，其从港口监测数据中心获取监测数据；

虚拟港口监测部，其导入三维模型存储部中存储的港口环境三维模型文件、港口机械标准零部件三维模型文件，并根据三维模型存储部中存储的三维模型几何关系文件定义的三维模型几何关系生成虚拟港口。通过数据通信部获取港口监测数据，与虚拟港口集成，基于港口监测数据中的空间数据驱动虚拟港口机械运动，与虚拟港口机械关联显示监测数据中的属性数据。

进而，所述三维模型存储部，其包括：港口环境三维模型存储部、港机标准零部件三维模型存储部、三维模型几何关系存储部，港口环境三维模型存储部用来存储港口环境三维模型文件；港机标准零部件三维模型存储部用来存储港口机械标准零部件三维模型文件；三维模型几何关系存储部，用来存储定义了生成虚拟港口环境或虚拟港口机械的港口环境三维模型或港口机械标准零部件三维模型之间几何关系的三维模型几何关系文件。

进而，所述虚拟港口编辑部，其包括：虚拟港口环境编辑部、虚拟港口机械编辑部，虚拟港口环境编辑部导入港口环境三维模型存储部中的港口环境三维模型文件，然后通过对导入的港口环境三维模型施加旋转、平移、缩放的几何变换，对多个三维模型进行组装拼合，标定坐标参考位置，生成虚拟港口环境，并将对应的三维模型几何关系生成三维模型几何关系文件，存储入三维模型几何关系存储部；虚拟港口机械编辑部导入港口机械标准零部件三维模型存储部中的港口机械标准零部件三维模型文件，然后通过对导入的港口机械标准零部件三维模型施加旋转、平移、缩放的几何变换，对多个港口机械标准零部件三维模型进行组装拼合，生成虚拟港口机械，并将对应的港口机械标准零部件三维模型几何关系生成三维模型几何关系文件，存储入三维模型几何关系存储部。

进而，所述数据通信部，其包括：Web Services通信部、TCP/UDP/IP协议通信部，Web Services通信部基于Web Services与港口监测数据中心连接，并进行数据通信；TCP/UDP/IP协议通信部基于TCP/IP或UDP/IP协议与港口监测数据中心连接，并进行数据通信。

进而，所述虚拟港口监测部，其包括：虚拟港口生成部、数据集成部、交互操作部，虚拟港口生成部导入三维模型存储部中存储的港口环境三维模型文件、港口机械标准零部件三维模型文件，并根据三维模型存储部中存储的三维模型几何关系文件定义的港口环境三维模型几何关系和港口机械标准零部件三维模型几何关系生成虚拟港口；数据集成部通过数据通信部获取港口监测数据，与虚拟港口集成，基于港口监测数据中的空间数据驱动虚拟港口机械运动，与虚拟港口机械关联显示监测数据中的属性数据；交互操作部实现虚拟港口的人机交互操作。

进而，所述虚拟港口生成部，其还能够基于GPS数据定位虚拟港口环境和虚拟港口机械，并能够根据GPS数据检索定位虚拟港口环境和虚拟港口机械。

进而，所述数据集成部，其还能够基于GPS数据驱动虚拟港口机械运动；不断通过数据通信部获取港口监测数据，从而驱动虚拟港口机械基于港口监测数据中的空间数据不断运动，并不断刷新显示与虚拟港口机械关联的监测数据中的属性数据；能够根据港口监测数据中属性数据检索定位虚拟港口环境和虚拟港口机械。

本发明所涉及的港口监测数据虚拟显示方法，用于采用计算机实现港口监测数据在虚拟港口中的可视化显示，包括如下步骤：

虚拟港口环境编辑步骤，从港口环境三维模型存储部中提取港口环境三维模型文件，然后通过对导入的港口环境三维模型施加旋转、平移、缩放的几何变换，对多个三维模型进行组装拼合，标定坐标参考位置，生成虚拟港口环境，并将对应的三维模型几何关系生成三维模型几何关系文件，存储入三维模型几何关系存储部。

虚拟港口机械编辑步骤，从港口机械标准零部件三维模型存储部中提取港口机械标准零部件三维模型文件，然后通过对导入的港口机械标准零部件三维模型施加旋转、平移、缩放的几何变换，对多个港口机械标准零部件三维模型进行组装拼合，标定局部坐标原点，生成虚拟港口机械，并将对应的港口机械标准零部件三维模型几何关系生成三维模型几何关系文件，存储入三维模型几何关系存储部。

虚拟港口生成步骤，从三维模型存储部中提取港口环境三维模型文件、港口机械标准零部件三维模型文件，并根据三维模型存储部中存储的三维模型几何关系文件定义的港口环境三维模型几何关系和港口机械标准零部件三维模型几何关系生成虚拟港口环境与虚拟港口机械，构造出虚拟港口。

数据集成步骤，通过数据通信部获取港口监测数据，与虚拟港口集成，

进而，所述数据集成步骤，具备以下步骤：

①通过数据通信部不断获取港口监测数据的步骤；

②利用港口监测数据中的空间数据定位虚拟港口环境与虚拟港口机械的步骤；

③利用不断获取的港口监测数据中的空间数据驱动虚拟港口机械运动的步骤；

④利用不断获取的港口监测数据中的属性数据不断刷新显示与虚拟港口机械关联的监测数据中的属性数据的步骤；

⑤根据输入的港口监测数据检索定位虚拟港口环境和虚拟港口机械的步骤；和

⑥根据输入操作实现人机交互操作的步骤。

本发明为了解决港口监测数据的实时可视化显示问题，借助三维图形化技术实现三维模型存储部与虚拟港口编辑部，构建虚拟港口环境与虚拟港口机械；基于因特网，通过数据通信部获取港口监测数据；在虚拟港口监测部基于港口监测数据中的空间数据对虚拟港口环境与虚拟港口机械进行在虚拟环境中的空间定位，实现对虚拟港口环境与虚拟港口机械的有机组合，构造生成虚拟港口，并将港口监测数据中的属性数据与虚拟港口环境与虚拟港口机械关联显示。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：首先，在监测数据的表现形式上，相当于传统的“示意图+图例+数据”的平面图形人机交互的方式，本发明更加直观、形象，能够表现的内容也更加全面，使操作者具有现场的沉浸感和交互能力；其次，基于监测数据中空间数据对港口环境与港口机械在虚拟场景中进行空间定位与运动再现，使得操作者能够直观掌握港口内的作业资源，实现作业的实时调度和作业流程规划等；第三，本发明克服了港口机械种类繁多，型号多样的应用阻碍，发明中包括的虚拟港口环境编辑部与虚拟港口机械编辑部能够导入新的港口环境三维模型与港口机械三维模型，并能够基于现有港口环境或港口机械的三维模型进行几何变换，从而自行定义新的虚拟港口环境与虚拟港口机械，进而构建新的虚拟港口。

附图说明

图1是本发明的港口监测数据虚拟显示设备与港口监测数据中心的网络连接的图；

图2是本发明的港口监测数据虚拟显示设备的基本结构的功能方框图；

图3是本发明的港口监测数据虚拟显示设备的虚拟港口机械的标准零部件划分示意图；

图4是本发明港口监测数据虚拟显示设备虚拟港口环境编辑部处理流程图；

图5是本发明港口监测数据虚拟显示设备虚拟港口机械编辑部处理流程图；

图6是本发明的港口监测数据虚拟显示设备的虚拟港口机械编辑生成虚拟港口机械的示意图；

图7是本发明的港口监测数据虚拟显示设备的虚拟港口监测部处理流程图；

图8是由本发明港口监测数据虚拟显示设备生成的虚拟港口的显示示例的图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。在附图中对相同或者类似的构成要素标注共同的参照符号。

港口监测数据虚拟显示设备100(图2)可以通过在个人计算机(PC)等计算机上安装所需软件来构成。

如图1所示，本发明的港口监测数据虚拟显示设备100(图2)的网络连接。多个港口监测数据虚拟显示设备100a-100n接入因特网201与同样接入因特网201的港口监测数据中心200通信，多个港口监测数据虚拟显示设备100a-100n可看作分布式港口监测数据虚拟显示终端。港口数据监测中心200作为监测服务器为港口监测数据虚拟显示设备100(图2)提供数据通信接口。作为前提，港口数据监测中心200的监测数据包括港口空间数据与港口属性数据。其中，港口空间数据是指用来标识港口空间位置、港口内基础设施空间位置、港口机械空间位置、港口机械零部件运动等有关港口环境及物体定位与运动信息的数据，港口属性数据是指港口堆场占用、港口机械电控可编程逻辑控制器(PLC)参数、港口机械齿轮箱油温等表示港口环境及物体利用或工作状态及其特性的数据。港口空间数据的一实施实例为GPS数据。

如图2所示，本发明的港口监测数据虚拟显示设备100的基本组成功能。港口监测数据虚拟显示设备100具有：三维模型存储部110、虚拟港口编辑部120、数据通信部130及虚拟港口监测部140。

三维模型存储部110具有港口环境三维模型存储部111、港机标准零部件存储部112及三维模型几何关系存储部113，分别用来存储港口环境三维模型文件、港口机械标准零部件三维模型文件及用来构造虚拟港口环境和虚拟机械模型的三维模型几何关系文件。

港口环境三维模型包括港口功能设施的三维模型与港口附加设施三维模型。其中，港口功能设施是指港口内堆场、轨道、道路、泊位、大门等与港口生产作业相关的设施，附加设施是指港口内树木、天空、海洋、陆地等与港口外观表现相关的环境设施。港口环境三维模型存储部111将港口环境三维模型分门别类，以文件形式进行存储，每个文件存储一个港口环境三维模型，并建立索引，方便在虚拟港口环境编辑部121中进行选择调用。

港口机械标准零部件三维模型具有一般性，是根据同种港口机械的机械结构特点总结其共性，对港口机械的零部件进行模块化划分，并以实现一般性为目标而构造的港口机械零部件三维模型，使得同种港口机械中不同型号的机械的零部件的三维模型能够通过对港口机械标准零部件三维模型进行几何变换而得到。港机标准零部件存储部112将港口机械标准零部件三维模型分门别类，以文件形式进行存储，每个文件存储一个港口机械标准零部件三维模型，并建立索引，方便在虚拟港口机械编辑部122中进行选择调用。

三维模型几何关系包括定义虚拟港口环境的港口环境三维模型几何关系与定义虚拟港口机械的港口机械标准零部件三维模型几何关系，分别由虚拟港口环境编辑部121与虚拟港口机械编辑部122定义。所述几何关系包括对港口环境三维模型或港口机械标准零部件三维模型施加旋转、平移、缩放的几何变换及多个港口环境三维模型或港口机械标准零部件三维模型的组合关系、参考坐标原点等，使得在虚拟港口监测部140能够再现原先编辑生成的虚拟港口环境和虚拟港口机械。

虚拟港口编辑部120具有虚拟港口环境编辑部121与虚拟港口机械编辑部122，其分别导入三维模型存储部110中存储的港口环境三维模型文件或港口机械标准零部件三维模型文件，然后通过对导入的港口环境三维模型或港口机械标准零部件三维模型施加旋转、平移、缩放的几何变换，对多个三维模型进行组装拼合，生成虚拟港口环境和虚拟港口机械，并将对应的三维模型几何关系生成文件，存储入三维模型几何关系存储部113。

数据通信部130，其从港口监测数据中心200获取监测数据。其具有WebServices通信部131与TCP/UDP/IP协议通信部132，分别基于Web Services、TCP/IP或UDP/IP协议与港口监测数据中心连接，并进行数据通信。

虚拟港口监测部140，具有虚拟港口生成部141、数据集成部142、交互操作部143。虚拟港口生成部141导入三维模型存储部110中存储的港口环境三维模型文件、港口机械标准零部件三维模型文件，并根据三维模型存储部110中存储的三维模型几何关系文件定义的三维模型几何关系生成虚拟港口400(图8)。数据集成部142通过数据通信部130获取港口监测数据，与虚拟港口400(图8)集成，基于港口监测数据中的空间数据驱动虚拟港口机械运动，与虚拟港口机械关联显示监测数据中的属性数据。交互操作部143完成虚拟港口环境下的人机交互操作。

港口监测数据虚拟显示设备100实施对某一港口监测数据的虚拟显示时，首先要确定三维模型存储部110中的港口环境三维模型存储部111、港机标准零部件存储部112与三维模型几何关系存储部113存储有能够生成与港口监测数据对应的虚拟港口环境和虚拟港口机械的港口环境三维模型文件、港口机械标准零部件三维模型文件与三维模型几何关系文件。对于港口环境三维模型存储部111中没有的港口环境三维模型文件或港机标准零部件存储部112中没有的港口机械标准零部件三维模型文件，可以通过计算机辅助设计CAD支持设备生成，并存入对应的港口环境三维模型存储部111或港机标准零部件存储部112。对于三维模型几何关系存储部113中没有的虚拟港口环境与虚拟港口机械的三维模型几何关系文件，则应采用港口监测数据虚拟显示设备100的虚拟港口编辑部120编辑生成。

如图3所示，以港口机械中的岸边集装箱起重机403(图6)作为一实施示例来说明港口机械的标准零部件划分，如图6所示，以港口机械中的岸边集装箱起重机403为例来说明虚拟港口机械编辑部生成的虚拟港口机械的原理。图3中的港口机械标准零部件划分将对照用图6中的三维模型及标号来说明。根据岸边集装箱起重机403机械机构特点，同时考虑到岸边集装箱起重机403的机械零部件的运动继承关系，在划分标准零部件同时区分若干等级，使得下级港口机械零部件的运动继承上级港口机械零部件的运动，而下级港口机械零部件的运动对上级港口机械零部件的运动没有影响。这种等级区分符合港口机械运动特点。事实上，这种等级区分对于港口标准零部件三维模型存储部112对港口标准零部件三维模型的存储没有影响，而对于虚拟港口生成部141与数据集成部142，则是实现虚拟港口生成与数据集成的基础。

如图3所示，，岸边集装箱起重机403区分四个等级，第一级为大车306。第二级分别为俯仰臂架302、固定臂架308、钢丝绳及车轮305若干。第二级零部件运动关系均继承自第一级大车306。第三级分别为机器房307、小车303、拉杆(301，309)若干。其中，根据岸边集装箱起重机403机械结构特点及机械零部件运动继承关系，第三级零部件机器房307、若干拉杆309及小车的运动关系均继承自第二级零部件固定臂架308；第三级零部件若干拉杆301运动关系均继承自第二级零部件俯仰臂架302。第四级零部件为吊具304，其运动关系继承自第三级零部件小车303。图中虚线所标识零部件为能够相当于上级零部件做相对运动的零部件。所有上述标准零部件均需采用计算机辅助设计(CAD)支持设备建立岸边集装箱起重机403标准零部件三维模型122M文件，并存储入港机标准零部件三维模型存储部112。

如图8所示，港口监测数据虚拟显示设备100生成的虚拟港口的显示示例，结合图8说明基于港口监测数据中的空间数据对岸边集装箱起重机403的定位和运动的实现。在实现了对港口机械中的岸边集装箱起重机403在图3中所示的区分等级的模块化机械零部件划分之后，在虚拟港口生成部141与数据集成部142就可以实现基于港口监测数据中的空间数据对岸边集装箱起重机403的定位和运动。

根据港口监测数据中岸边集装箱起重机403的大车空间数据就可以对大车306实施平移、旋转的几何变换，从而改变大车306在虚拟港口400(图8)中的空间位置，连续改变大车306在虚拟港口400(图8)中的空间位置就可实现大车306在虚拟港口400(图8)中的运动。与此同时，因为岸边集装箱起重机403的所有零部件122M的运动关系均继承自大车306，所以所有零部件122M均与大车306做同样的几何变换，并且能够保持原有的几何关系，从而实现岸边集装箱起重机403整体的定位与运动。

当根据港口监测数据中岸边集装箱起重机403的小车空间数据对小车303实施平移、旋转的几何变换时，就可改变小车303在虚拟港口中的空间位置，连续改变小车303在虚拟港口400(图8)中的空间位置就可实现小车303在虚拟港口400(图8)中的运动。与此同时，根据图3中岸边集装箱起重机403区分等级的模块化机械零部件划分，运动关系继承自小车303的吊具304将与小车303做相同的平移、旋转的几何变换，从而实现与小车303在虚拟港口400(图8)中相同运动；但小车303的平移、旋转的几何变换对所有上级零部件没有影响，从而能够实现与小车303沿俯仰臂架302与固定臂架308的运动。

上述基于港口监测数据中的空间数据对岸边集装箱起重机403的定位和运动的处理分别在虚拟港口监测部140的虚拟港口生成部141与数据集成部142。

如图4所示，本发明的港口监测数据虚拟显示设备100的虚拟港口环境编辑部121编辑生成虚拟港口环境的处理流程。在图4中，左起依次表示操作者、虚拟港口编辑部121、港口环境三维模型存储部111及三维几何关系存储部113各部分的处理。

首先，在步骤S101处，操作者向虚拟港口环境编辑部121输入生成虚拟港口环境三维模型几何关系的命令，启动对虚拟港口环境的生成过程。

进而，在步骤S102处，操作者从港口环境三维模型存储部111中选择所需的港口环境三维模型，当需多个港口环境三维模型时，步骤S102被执行多次。

接着，在步骤S103处，操作者对选择导入的港口环境三维模型施加几何变换，并将所导入的港口环境三维模型进行组装拼合，从而构造出虚拟港口环境。其中，施加的几何变换包括旋转、平移及缩放等。

在步骤S104处，虚拟港口环境编辑部121根据操作者施加的几何变换和组装拼合，实时更新港口环境三维模型的几何大小、角度及位置关系，形成港口环境三维模型间的几何关系与位置定义。

在步骤S105处，当虚拟港口环境编辑完成后，虚拟港口环境编辑部121将生成的港口环境三维模型间的几何关系与位置定义生成港口环境三维模型几何关系文件，并存储入三维模型存储部110中的三维模型几何关系存储部113。

如图5所示，本发明的港口监测数据虚拟显示设备100的虚拟港口机械编辑部122编辑生成虚拟港口机械的处理流程。在图5中，左起依次表示操作者、虚拟港口机械编辑部122、港口机械标准零部件三维模型存储部112及三维几何关系存储部113各部分的处理。

首先，在步骤S101处，操作者向虚拟港口机械编辑部122输入生成虚拟港口机械三维模型几何关系的命令，启动对虚拟港口机械的生成过程。

进而，在步骤S102处，操作者从港口机械标准零部件三维模型存储部112中选择所需的港口机械标准零部件三维模型，当需多个港口机械标准零部件三维模型时，步骤S102被执行多次。

接着，在步骤S103处，操作者对选择导入的港口机械标准零部件三维模型施加几何变换，并将所导入的港口机械标准零部件三维模型进行组装拼合，从而构造出虚拟港口机械。其中，施加的几何变换包括旋转、平移及缩放等。

在步骤S104处，虚拟港口机械编辑部122根据操作者施加的几何变换和组装拼合，实时更新港口机械标准零部件三维模型的几何大小、角度及位置关系，形成港口机械标准零部件三维模型间的几何关系与位置定义。

在步骤S105处，当虚拟港口机械编辑完成后，虚拟港口机械编辑部122将生成的港口机械标准零部件三维模型间的几何关系与位置定义生成港口机械标准零部件三维模型几何关系文件，并存储入三维模型存储部110中的三维模型几何关系存储部113。

如图6所示，作为生成港口虚拟机械的一实施示例，来说明虚拟机械的构造及图5所述虚拟港口机械编辑部122的处理流程，虚拟港口环境编辑部121的处理过程也能得到说明，与虚拟港口机械编辑部122相比，只是选择的三维模型不同。

作为生成港口虚拟机械的一实施示例，图6中，所示122M为操作者从港机标准零部件存储部112中选择导入的构造虚拟港口机械岸边集装箱起重机403的所需的岸边集装箱起重机403标准零部件三维模型，分别为俯仰臂架拉杆301、俯仰臂架302、小车303、吊具304、车轮305、大车306、机器房307、固定臂架308及固定臂架拉杆309。

操作者在步骤S101后，进入虚拟港口机械编辑部122。在虚拟港口机械编辑部122中，多次执行步骤S102，分别将所需岸边集装箱起重机403标准零部件三维模型122M导入。根据要构造的岸边集装箱起重机403的不同型号，执行步骤S103，对标准零部件三维模型122实施横向、纵向缩放的几何变换，从而得到实际需要的零部件尺寸；执行步骤S103，对三维模型122M实施旋转、平移的几何变换，从而对三维模型122M进行拼装组合；最终，经过合理的几何变换，构造出虚拟港口机械岸边集装箱起重机403。操作者在执行步骤S103的同时，步骤S104被实时执行，从而将S103执行结果显示给操作者，实现交互式操作。最后，构造出虚拟港口机械岸边集装箱起重机403的标准零部件三维模型122M间的几何关系被虚拟港口机械编辑部122定义并生成文件，并存储入三维模型几何关系存储部113。其中，虚拟港口机械编辑部122将编辑生成虚拟港口机械岸边集装箱起重机403时所用世界坐标原点作为参考坐标原点定义在三维模型122M间的几何关系文件。

另一方面，由虚拟港口机械编辑部122定义生成的三维模型122M间的几何关系文件，在进行虚拟港口监测生成虚拟港口400(图8)时，被虚拟港口生成部141导入，并根据三维模型122M间的几何关系文件，从港机标准零部件三维模型存储部112中将所有岸边集装箱起重机403的标准零部件三维模型122M导入，然后虚拟港口生成部141根据三维模型122M间的几何关系定义将三维模型122M按照原先编辑时所做几何变换与拼装组合，生成虚拟港口机械岸边集装箱起重机403(图8)。

如图7所示，本发明的港口监测数据虚拟显示设备100的虚拟港口监测部140的处理流程。图8为港口监测数据虚拟显示设备100生成的虚拟港口的显示示例。

结合图7与图8来说明虚拟港口监测部140设施对港口监测数据虚拟显示的处理。

首先，图7步骤S301处，操作者向虚拟港口监测部140输入对虚拟港口400(图8)开始监测的命令，启动虚拟港口监测部140实施对港口监测数据的虚拟显示。

进而，在步骤S302处，虚拟港口监测部140调用虚拟港口生成部141开始生成虚拟港口400(图8)。

接着，在步骤S303处，虚拟港口生成部141从三维模型存储部110的三维模型几何关系存储部113导入所监测虚拟港口的三维模型几何关系文件。包括所监测虚拟港口环境三维模型几何关系与所监测虚拟港口机械三维模型几何关系文件。

在步骤S304处，虚拟港口生成部141根据所监测虚拟港口的三维模型几何关系文件中定义的生成虚拟港口环境与虚拟港口机械所需的港口环境三维模型与港机标准零部件三维模型，将其从港口环境三维模型存储部111与港机标准零部件三维模型存储部112中导入。

在步骤S305处，所需三维模型被返回到虚拟港口生成部141。

结合图8所示，为了生成示例的虚拟港口400，所需导入的三维模型包括，港口环境三维模型：海401、陆地402、轨道404、堆场406；港机标准零部件三维模型：集装箱405及构成虚拟港口机械岸边集装箱起重机403的集装箱起重机标准零部件三维模型122M(图6)。

在步骤S306处，虚拟港口生成部141根据在步骤S303导入的三维模型几何关系对步骤S305、S306导入的港口环境三维模型与港机标准零部件三维模型进行拼装组合，从而生成虚拟港口环境与虚拟港口机械。

在步骤S307处，虚拟港口生成部140实时调用数据通信部130进行港口监测数据的获取。在此，数据通信部130首先基于Web Services向港口数据中心200(图2)进行港口监测数据虚拟显示设备100的注册，随后，港口数据中心200(图2)向港口监测数据虚拟显示设备100开放数据通信端口与港口监测数据。根据港口监测数据虚拟显示设备100对数据传输的实时性、可靠性及所传输数据量的不同要求，港口监测数据虚拟显示设备100与港口数据中心200(图2)的数据通信可基于Web Services通信部131的Web Services或基于TCP/UDP/IP协议通信部132的TCP/IP、UDP/IP的网络传输层协议进行传输。

在步骤S308处，港口数据中心200(图2)的港口监测数据被返回到港口监测数据虚拟显示设备100的虚拟港口监测部140。根据实际监测场景的不同及港口监测数据中心能够掌握的数据量，港口监测数据虚拟显示设备100能够获取的港口监测数据可以存在差异。但港口监测数据一般包括港口空间数据与港口属性数据。其中，港口空间数据是指用来标识港口空间位置、港口内基础设施空间位置、港口机械空间位置、港口机械零部件运动等有关港口环境及物体定位与运动信息的数据，港口属性数据是指港口堆场占用、港口机械电控可编程逻辑控制器(PLC)参数、港口机械齿轮箱油温等表示港口环境及物体利用或工作状态及其特性的数据。港口空间数据的一实施实例为GPS数据。

在步骤S309处，虚拟港口生成部140根据获取的港口空间数据对步骤S306处生成的虚拟港口环境与虚拟港口机械进行在虚拟环境下的空间定位。

在步骤S310处，虚拟港口环境与虚拟港口机械的三维模型间几何关系得到更新。虚拟港口环境与虚拟港口机械的有机组合，构成了虚拟港口400(图8)。

步骤S311、S312、S313、S314，是在连续获取港口监测数据的情况下，根据港口空间数据不断更新三维模型间几何位置关系(S312)，从而实现虚拟港口机械的基于的运动再现(S311)；与此同时，将获取的港口属性数据与所监测虚拟港口关联，不断更新港口属性数据(S314)，从而实现虚拟港口属性数据的显示。

步骤S315、S316、S317实现对港口监测数据与虚拟港口的交互检索。

在步骤S315处，操作者向虚拟港口监测部140输入检索数据命令，一起输入的还包括所关心港口空间数据、属性数据、所需查找的虚拟港口环境与虚拟港口机械名称等。

在步骤S316处，虚拟港口监测部140基于步骤S315输入的检索条件，在虚拟港口生成部141对虚拟港口进行检索。

在步骤S317处，虚拟港口生成部141对检索所得虚拟港口机械与虚拟港口环境以在虚拟港口400中突显的方式，并将检索所得虚拟港口机械与虚拟港口环境以最佳视角显示。

步骤S307-S317均在虚拟港口监测部140中的数据集成部S142处理，并与虚拟港口生成部142与数据通信部130协作。

步骤S318-S321完成操作者与虚拟港口400的交互操作。所做操作命令在虚拟港口监测部140的交互操作部143处理，并与虚拟港口生成部142协作。

在步骤S318处，操作者向虚拟港口监测部140输入虚拟交互的操作命令。对虚拟港口的操作命令可以是在虚拟港口中漫游、虚拟港口环境与虚拟机械的选取、监测模式的转换等。

在步骤S319处，虚拟港口监测部140对虚拟港口生成部141监测场景进行视景转换。在步骤S320处虚拟港口生成部141的根据输入虚拟交互的操作命令进行相应的视景的更新，在步骤S321处，将更新的视景返回给操作者。

以上，对本发明最佳的实施方式了说明，但是通过个人计算机(PC)可以构成港口监测数据虚拟显示设备。，所以本发明还可以如下所述进行规定。

即，本发明为一种将港口监测数据在虚拟港口400中可视化显示的港口监测数据虚拟显示方法，用于采用计算机实现港口监测数据在虚拟港口400中的可视化显示，其具备下述步骤：

虚拟港口环境编辑步骤，从港口环境三维模型存储部中111提取港口环境三维模型文件，然后通过对导入的港口环境三维模型施加旋转、平移、缩放的几何变换，对多个三维模型进行组装拼合，标定坐标参考位置，生成虚拟港口环境，并将对应的三维模型几何关系生成三维模型几何关系文件，存储入三维模型几何关系存储部113。

虚拟港口机械编辑步骤，从港口机械标准零部件三维模型存储部112中提取港口机械标准零部件三维模型文件，然后通过对导入的港口机械标准零部件三维模型施加旋转、平移、缩放的几何变换，对多个港口机械标准零部件三维模型进行组装拼合，标定局部坐标原点，生成虚拟港口机械，并将对应的港口机械标准零部件三维模型几何关系生成三维模型几何关系文件，存储入三维模型几何关系存储部113。

虚拟港口400生成步骤，从三维模型存储部110中提取港口环境三维模型文件、港口机械标准零部件三维模型文件，并根据三维模型存储部110中存储的三维模型几何关系文件定义的港口环境三维模型几何关系和港口机械标准零部件三维模型几何关系生成虚拟港口环境与虚拟港口机械，构造出虚拟港口400。

数据集成步骤，通过数据通信部142获取港口监测数据，与虚拟港口400集成，

所述数据集成步骤，具备以下步骤：

通过数据通信部130不断获取港口监测数据的步骤；

利用港口监测数据中的空间数据定位虚拟港口环境与虚拟港口机械的步骤；

利用不断获取的港口监测数据中的空间数据驱动岸边集装箱起重机403等虚拟港口机械运动的步骤；

利用不断获取的港口监测数据中的属性数据不断刷新显示与岸边集装箱起重机403等虚拟港口机械关联的监测数据中的属性数据的步骤；

根据输入的港口监测数据检索定位虚拟港口环境和虚拟港口机械的步骤；

和

根据输入操作实现人机交互操作的步骤。

以上，将本发明与其最佳的实施方式关联起来进行了说明，但是对本领域的技术人员来说，要理解为在不脱离权利要求所公开的范围的情况下可以进行各种修正以及变更。

如以上说明，根据本发明，在港口监测中，可实现对港口监测数据的实时、虚拟可视化显示，从而对于港口物流过程实现更加直观、更加全面、更加有效的掌握。本发明的应用使得港口作业部门可以对港口生产作业进行合理调度，提高作业效率；对港口机械进行智能维护，保障生产安全。

此外，本发明可通过计算机辅助设计(CAD)支持设备，构造所需港口环境三维模型与港口标准零部件三维模型，生成相应文件，存储入本发明的港口环境三维模型存储部与港口标准零部件三维模型存储部。并且，使用本发明的虚拟港口编辑部能够进行新的虚拟港口的定义。

Claims (9)

1.一种港口监测数据虚拟显示设备，其特征在于，包括：三维模型存储部、虚拟港口编辑部、数据通信部、虚拟港口监测部，其中：

三维模型存储部，包括港口环境三维模型存储部、港机标准零部件三维模型存储部与三维模型几何关系存储部三部分，分别用来存储港口环境三维模型文件、港口机械标准零部件三维模型文件及用来构造虚拟港口环境和虚拟机械模型的三维模型几何关系文件；

虚拟港口编辑部，其导入三维模型存储部中存储的港口环境三维模型文件或港口机械标准零部件三维模型文件，然后通过对导入的港口环境三维模型或港口机械标准零部件三维模型施加旋转、平移、缩放的几何变换，对多个三维模型进行组装拼合，生成虚拟港口环境和虚拟港口机械，并将对应的三维模型几何关系生成三维模型几何关系文件，存储入三维模型存储部中的三维模型几何关系存储部；

数据通信部，其从港口监测数据中心获取监测数据；

虚拟港口监测部，包括虚拟港口生成部、数据集成部与交互操作部，其导入三维模型存储部中存储的港口环境三维模型文件、港口机械标准零部件三维模型文件，并根据三维模型几何关系存储部中存储的三维模型几何关系文件定义的三维模型几何关系生成虚拟港口，通过数据通信部获取港口监测数据，与虚拟港口集成，基于港口监测数据中的空间数据驱动虚拟港口机械运动，与虚拟港口机械关联显示监测数据中的属性数据。

2.根据权利要求1所述的港口监测数据虚拟显示设备，其特征是：所述三维模型存储部，包括：所述港口环境三维模型存储部、所述港机标准零部件三维模型存储部、所述三维模型几何关系存储部，其中：

港口环境三维模型存储部用来存储港口环境三维模型文件；

港机标准零部件三维模型存储部用来存储港口机械标准零部件三维模型文件；

三维模型几何关系存储部，用来存储定义了生成虚拟港口环境与虚拟港口机械的港口环境三维模型或港口机械标准零部件三维模型之间几何关系的三维模型几何关系文件。

3.根据权利要求1所述的港口监测数据虚拟显示设备，其特征是：所述虚拟港口编辑部，包括：虚拟港口环境编辑部、虚拟港口机械编辑部，其中：

虚拟港口环境编辑部导入所述港口环境三维模型存储部中的港口环境三维模型文件，然后通过对导入的港口环境三维模型施加旋转、平移、缩放的几何变换，对多个三维模型进行组装拼合，标定坐标参考位置，生成虚拟港口环境，并将对应的三维模型几何关系生成三维模型几何关系文件，存储入三维模型几何关系存储部；

虚拟港口机械编辑部导入所述港机标准零部件三维模型存储部中的港口机械标准零部件三维模型文件，然后通过对导入的港口机械标准零部件三维模型施加旋转、平移、缩放的几何变换，对多个港口机械标准零部件三维模型进行组装拼合，生成虚拟港口机械，并将对应的港口机械标准零部件三维模型几何关系生成三维模型几何关系文件，存储入三维模型几何关系存储部。

4.根据权利要求1所述的港口监测数据虚拟显示设备，其特征是：所述数据通信部，包括：Web Services通信部、TCP/UDP/IP协议通信部，其中：

Web Services通信部，其基于Web Services与港口监测数据中心连接，并进行数据通信；

TCP/UDP/IP协议通信部，其基于TCP/IP或UDP/IP协议与港口监测数据中心连接，并进行数据通信。

5.根据权利要求1所述的港口监测数据虚拟显示设备，其特征是：所述虚拟港口监测部，包括：虚拟港口生成部、数据集成部、交互操作部，其中：

虚拟港口生成部导入三维模型存储部中存储的港口环境三维模型文件、港口机械标准零部件三维模型文件，并根据三维模型存储部中存储的三维模型几何关系文件定义的港口环境三维模型几何关系和港口机械标准零部件三维模型几何关系生成虚拟港口；

数据集成部通过数据通信部获取港口监测数据，与虚拟港口集成，基于港口监测数据中的空间数据驱动虚拟港口机械运动，与虚拟港口机械关联显示监测数据中的属性数据；

交互操作部实现虚拟港口的人机交互操作。

6.根据权利要求1所述的港口监测数据虚拟显示设备，其特征是：所述虚拟港口生成部，其还能够基于GPS数据定位虚拟港口环境和虚拟港口机械，并能够根据GPS数据检索定位虚拟港口环境和虚拟港口机械。

7.根据权利要求1所述的港口监测数据虚拟显示设备，其特征是：所述数据集成部基于GPS数据驱动虚拟港口机械运动，同时不断通过数据通信部获取港口监测数据，从而驱动虚拟港口机械基于港口监测数据中的空间数据不断运动，并不断刷新显示与虚拟港口机械关联的监测数据中的属性数据，能够根据港口监测数据中属性数据检索定位虚拟港口环境和虚拟港口机械。

8.一种根据权利要求1所述的港口监测数据虚拟显示设备的数据虚拟显示方法，其特征在于，包括如下步骤：

虚拟港口环境编辑步骤，从所述港口环境三维模型存储部中提取港口环境三维模型文件，然后通过对导入的港口环境三维模型施加旋转、平移、缩放的几何变换，对多个三维模型进行组装拼合，标定坐标参考位置，生成虚拟港口环境，并将对应的三维模型几何关系生成三维模型几何关系文件，存储入所述三维模型几何关系存储部；

虚拟港口机械编辑步骤，从所述港机标准零部件三维模型存储部中提取港口机械标准零部件三维模型文件，然后通过对导入的港口机械标准零部件三维模型施加旋转、平移、缩放的几何变换，对多个港口机械标准零部件三维模型进行组装拼合，标定局部坐标原点，生成虚拟港口机械，并将对应的港口机械标准零部件三维模型几何关系生成三维模型几何关系文件，存储入所述三维模型几何关系存储部；

虚拟港口生成步骤，从所述三维模型存储部中提取港口环境三维模型文件、港口机械标准零部件三维模型文件，并根据所述三维模型存储部中三维模型几何关系存储部中存储的三维模型几何关系文件定义的港口环境三维模型几何关系和港口机械标准零部件三维模型几何关系生成虚拟港口环境与虚拟港口机械，构造出虚拟港口；

数据集成步骤，通过所述数据通信部获取港口监测数据，与虚拟港口集成。

9.根据权利要求8所述的所述的港口监测数据虚拟显示设备的数据虚拟显示方法，其特征是：所述数据集成步骤，具备以下步骤：

①通过数据通信部不断获取港口监测数据的步骤；

②利用港口监测数据中的空间数据定位虚拟港口环境与虚拟港口机械的步骤；

③利用不断获取的港口监测数据中的空间数据驱动虚拟港口机械运动的步骤；

④利用不断获取的港口监测数据中的属性数据不断刷新显示与虚拟港口机械关联的监测数据中的属性数据的步骤；

⑤根据输入的港口监测数据检索定位虚拟港口环境和虚拟港口机械的步骤；

⑥根据输入操作实现人机交互操作的步骤。

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