CN114022606A - 一种基于3d模型的集装箱落箱方法 - Google Patents

一种基于3d模型的集装箱落箱方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于物联网信息技术领域，尤其涉及一种基于3D模型的集装箱落箱方法，用于堆场集装箱的可视化操作，利用three.js三维引擎，通过对立体画面的深度控制，以落箱作业为重点，全面模拟整个堆场集装箱资源，并根据堆场状态对集装箱进行虚拟的拖拽、分配堆位。本发明以3D模型展示的方式，更直观、多方位的查看现实堆场的状态信息，并通过鼠标拖拽实现手动落箱调度作业，应用于所有堆场相关调度作业方案，承载堆场大量的数字信息，使得堆场作业便捷高效，可以简化日常工作操作，拓展堆场空间利用率，节约人力时间成本。

Description

一种基于3D模型的集装箱落箱方法
技术领域
本发明属于物联网信息技术领域，尤其涉及一种基于3D模型的集装箱落箱方法。
背景技术
随着全球经济一体化进程的加快，我国外贸集装箱市场继续扩大，内贸集装箱多式联运也提速发展，以中欧班列为代表的国际铁路集装箱联运成为耀眼的名片。中国为全球集装箱生产和运输的大国，占全球集装箱产销量96%，向全球提供全产品系列、全技术能力、全供应链配套的集装箱产品，是保证全球贸易运行的重要力量。数据显示，截至2021年，中国出口集装箱运输市场行情继续保持良好态势，全国沿海港口累计集装箱吞吐量约为8000万TEU(TEU是英文Twenty-feet Equivalent Unit的缩写,是以长度为20英尺的集装箱为国际计量单位，也称国际标准箱单位)，同比高速增长约18%，内河港口累计集装箱吞吐量为1000万TEU，高速增长约为26%。
堆场调度在生产部门占据重要作用，在人工调度和静态调度为主的传统的调度方式背景下，当集装箱进场后，调度人员需要对其分配落箱堆位，线下沟通或者通过平台系统选择堆位，很难快速的定位落箱规则和查看当前堆位情况，分配堆位缓慢，没有提高堆场集装箱现有的运作效率。
传统的人工干预为主的集装箱管理方式不能满足现代堆场管理的数字化需求，容易导致堆场效率慢、翻箱作业占比高、作业过程冲突不断，严重影响集装箱的整体服务质量。为了更好地满足堆场数字化管理需求，优化堆场作业流程，预防堆场倒箱，集装箱管理方式需要向以信息化为主，人工干预为辅转变，如何利用数字技术实现集装箱可视化管理，获得堆场集装箱最优的落箱操作，助力堆场管理迈入智能化是集装箱堆场企业现阶段课题研究的重点。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，提供一种以3D模型展示的方式，更直观、多方位的查看现实堆场的状态信息，并通过鼠标拖拽实现手动落箱调度作业，应用于所有堆场相关调度作业方案，承载堆场大量的数字信息，使得堆场作业便捷高效，可以简化日常工作操作，拓展堆场空间利用率，节约人力时间成本的基于3D模型的集装箱落箱方法。
本发明的技术方案：一种基于3D模型的集装箱落箱方法，用于堆场集装箱的可视化操作，利用three.js三维引擎，通过对立体画面的深度控制，以落箱作业为重点，全面模拟整个堆场集装箱资源，并根据堆场状态对集装箱进行虚拟的拖拽、分配堆位。
优选地，该方法利用three.js作为底层三维框架，其完全面向对象，当集装箱根据不同的颜色区分不同的状态时，则需要创建材质对象，为其分配不同的颜色贴图，通过维护单一实例，不会耗费大量的资源，且快速展示；three.js想要元素移动需要添加animate动画，动画的原理就是不断的更新屏幕画面，实现画面的循环更新；移动元素就是改变物体的位置，改变物体的position位置属性；限制卡口集装箱拖动的范围，不能拖动到地面下方，设置每个堆区的边界，不能落在空地，以及不能悬空落箱，只能落在具体堆位上，在底层开始向上堆放，通过不同的颜色识别层数，叠放时不能超过规定层，多处限制实现准确落箱操作；在此基础上，实现堆场虚拟落箱操作和集装箱在堆场内的转场问题，根据发运计划要求，会出现箱子转场情况，通过同样的拖拽箱子方式实现箱子的转场功能，满足集装箱调度的个性化需求。
优选地，该方法采用“数字孪生”实现虚拟与现实的结合，一方面，基于丰富的堆场数据和先进的调度算法，可以高效地在数字世界对现实堆场进行反映；另一方面，通过在数字世界中的模拟试验和分析预测，可为集装箱落箱指令的下达、调度算法的进一步优化提供决策依据，形成集成、高效、灵活的堆场作业体系。
优选地，该方法包括构建三维场景、渲染堆场状态和操作3D模型三个部分，其中3D模型利用物联网数据实时采集、智能化调度方式来实现集装箱的高效作业，通过虚拟3D模型实现落箱操作，与其他生产作业管理系统高效对接，发布作业指令。
优选地，其中构建三维场景是指，Web页面的交互主要呈现为2D的交互效果，具有只可展示不可操作的局限性；WebGL技术打破了上述局限性，一方面可以承载海量的数据，另一方面实现3D相关的可视化来渲染真实的场景。
优选地，构建三维场景主要包括以下内容：创建场景对象，用来保存所有对象、光源和所渲染的其他对象，可以动态往场景中添加或移除物体；创建一个具有透视效果的摄像机，指定摄像机的位置和方向，决定在场景中如何看以及能看到什么；通过尺寸和材质创建一个地平面，加载一个合适的背景图作为地平面，指定平面接受阴影，使物体投射出来的阴影会出现在平面上，且旋转一定角度来方便观察；建立一个聚光灯变量，用来照射物体来产生阴影，把聚光灯加入到场景中；构建渲染器，把场景和相机加入到渲染器中进行渲染。
优选地，其中渲染堆场状态是指，利用虚拟现实技术实现集装箱堆场的可视化，通过单例模式来提供一种创建对象的方式，其他材质对象通过单例对象获取配置信息，节约了系统资源，释放了内存，将大量的数据在较短时间内迅速加载完成。
优选地，渲染堆场状态主要包括以下内容：根据真实港口堆区堆位展示情况，首先创建堆区位置、堆区名称、堆区行列序号、卡口等标识，显示堆区布局、卡口路线以及集装箱待进场的数量；其次创建长方体模型，通过不同的颜色材质表示集装箱的层级和状态，通过不同的大小材质区分20尺箱和40尺箱；最后把所有构建的内容添加到场景中进行渲染展示。
优选地，其中操作3D模型用于实现对现实堆场的反向控制，当收集到卡口的到达信息时，采用逐层逐排连续作业的模式已经越来越不适用堆场发展的需要，利用3D模型的落箱操作，快速定位准确的落箱位置，通过外界真实环境和物理设计的模型，创造了一个数字版的“克隆体”，数字孪生使3D模型和真实堆场的场景建立全面且实时的联系，降低了集装箱堆放缓慢或者错误的情况，达到快速响应和稳定高效的按需分配效果。
优选地，操作3D模型主要包括以下内容：卡口场景显示不同线路首个需要落箱的集装箱，允许卡口位置的集装箱可以拖动，拖动到其他可以落箱的堆位进行落箱操作；开始进行鼠标操作事件，卡口处有显示集装箱待进场的数量，左键点击数量在模型右侧展示所有集装箱列表，可以选择某个集装箱进行落箱，卡口处箱子则为最新选择的集装箱；左键点击集装箱模型，在左上角展示所点击箱子的信息；鼠标滚轮实现3D场景的滚动，Ctrl+滚轮实现场景的放大缩小；一直摁住右键拖动鼠标实现场景的拖拽；右键点击卡口处集装箱模型，通过射线拾取到模型，实现模型的选取、移动和拖拽事件，根据不同尺箱的落箱规则进行落箱；鼠标右键后集装箱跟随鼠标移动，当落在具体堆位上，再次点击鼠标右键，则模型不再跟随鼠标移动，确认落箱在当前堆位，若调度错误，重新再右键点击当前箱子进行拖拽移动，落到相应的位置点击右键不再移动，点击确认箱位按钮，则当前场景重新渲染，此时3D模型中落箱调度正式完成；通过3D模型中展示当前最新落箱情况，同时向调度系统发送落箱信息，指导调度人员真实完成落箱操作。
本发明以3D模型展示的方式，更直观、多方位的查看现实堆场的状态信息，并通过鼠标拖拽实现手动落箱调度作业，应用于所有堆场相关调度作业方案，承载堆场大量的数字信息，使得堆场作业便捷高效，可以简化日常工作操作，拓展堆场空间利用率，节约人力时间成本。
附图说明
图1为本发明创建3D场景和地平面的渲染效果图；
图2为本发明渲染堆区和序号等标识的渲染效果图；
图3为本发明渲染集装箱标识的渲染效果图；
图4为本发明卡口处集装箱的渲染效果图；
图5为本发明卡口处集装箱落箱的渲染效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，但并不是对本发明保护范围的限制。
一种基于3D模型的集装箱落箱方法包括构建三维场景、渲染堆场状态和操作3D模型三部分；
其中构建三维场景是指：
Web页面的交互主要呈现为2D的交互效果，具有只可展示不可操作的局限性；WebGL技术打破了上述局限性，一方面可以承载海量的数据，另一方面实现3D相关的可视化来渲染真实的场景。构建三维场景主要包括以下内容：创建场景对象，用来保存所有对象、光源和所渲染的其他对象，可以动态往场景中添加或移除物体。创建一个具有透视效果的摄像机，指定摄像机的位置和方向，决定在场景中如何看以及能看到什么；通过尺寸和材质创建一个地平面，加载一个合适的背景图作为地平面，指定平面接受阴影，使物体投射出来的阴影会出现在平面上，且旋转一定角度来方便观察；建立一个聚光灯变量，用来照射物体来产生阴影，把聚光灯加入到场景中；构建渲染器，把场景和相机加入到渲染器中进行渲染。渲染效果如下图1所示。
其中渲染堆场状态是指：利用虚拟现实技术实现集装箱堆场的可视化，
现实中堆场集装箱的密集度持续增加，模型渲染中，堆场内各类标识需要通过不同的材质实现，造成数据加载缓慢，而本发明通过单例模式来提供一种创建对象的方式，其他材质对象通过单例对象获取配置信息，节约了系统资源，释放了内存，将大量的数据在较短时间内迅速加载完成，如上万条的集装箱数据在两三秒内即可加载完成。主要包括以下内容：根据真实港口堆区堆位展示情况，首先创建堆区位置、堆区名称、堆区行列序号、卡口等标识，显示堆区布局、卡口路线以及集装箱待进场的数量；其次创建长方体模型，通过不同的颜色材质表示集装箱的层级和状态，通过不同的大小材质区分20尺箱和40尺箱；最后把所有构建的内容添加到场景中进行渲染展示。渲染效果如下图2和3所示。
其中操作3D模型用于实现对现实堆场的反向控制，
当收集到卡口的到达信息时，采用逐层逐排连续作业的模式已经越来越不适用堆场发展的需要，利用3D模型的落箱操作，快速定位准确的落箱位置，通过外界真实环境和物理设计的模型，创造了一个数字版的“克隆体”，数字孪生使3D模型和真实堆场的场景建立全面且实时的联系，降低了集装箱堆放缓慢或者错误的情况，达到快速响应和稳定高效的按需分配效果，主要包括以下内容：卡口场景显示不同线路首个需要落箱的集装箱，允许卡口位置的集装箱可以拖动，拖动到其他可以落箱的堆位进行落箱操作。开始进行鼠标操作事件，卡口处有显示集装箱待进场的数量，左键点击数量在模型右侧展示所有集装箱列表，可以选择某个集装箱进行落箱，卡口处箱子则为最新选择的集装箱。左键点击集装箱模型，在左上角展示所点击箱子的信息。鼠标滚轮实现3D场景的滚动，Ctrl+滚轮实现场景的放大缩小。一直摁住右键拖动鼠标实现场景的拖拽。右键点击卡口处集装箱模型，通过射线拾取到模型，实现模型的选取、移动和拖拽事件，根据不同尺箱的落箱规则（如40尺箱不允许堆存于20尺箱之上，20尺箱堆存时需要区分左右两侧）进行落箱。鼠标右键后集装箱跟随鼠标移动，当落在具体堆位上，再次点击鼠标右键，则模型不再跟随鼠标移动，确认落箱在当前堆位，若调度错误，重新再右键点击当前箱子进行拖拽移动，落到相应的位置点击右键不再移动，点击确认箱位按钮，则当前场景重新渲染，此时3D模型中落箱调度正式完成。通过3D模型中展示当前最新落箱情况，同时向调度系统发送落箱信息，指导调度人员真实完成落箱操作。落箱操作如下图4和5所示。

Claims (10)

1.一种基于3D模型的集装箱落箱方法，其特征在于：该方法用于堆场集装箱的可视化操作，利用three.js三维引擎，通过对立体画面的深度控制，以落箱作业为重点，全面模拟整个堆场集装箱资源，并根据堆场状态对集装箱进行虚拟的拖拽、分配堆位。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D模型的集装箱落箱方法，其特征在于：该方法利用three.js作为底层三维框架，其完全面向对象，当集装箱根据不同的颜色区分不同的状态时，则需要创建材质对象，为其分配不同的颜色贴图，通过维护单一实例，不会耗费大量的资源，且快速展示；three.js想要元素移动需要添加animate动画，动画的原理就是不断的更新屏幕画面，实现画面的循环更新；移动元素就是改变物体的位置，改变物体的position位置属性；限制卡口集装箱拖动的范围，不能拖动到地面下方，设置每个堆区的边界，不能落在空地，以及不能悬空落箱，只能落在具体堆位上，在底层开始向上堆放，通过不同的颜色识别层数，叠放时不能超过规定层，多处限制实现准确落箱操作；在此基础上，实现堆场虚拟落箱操作和集装箱在堆场内的转场问题，根据发运计划要求，会出现箱子转场情况，通过同样的拖拽箱子方式实现箱子的转场功能，满足集装箱调度的个性化需求。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D模型的集装箱落箱方法，其特征在于：该方法采用“数字孪生”实现虚拟与现实的结合，一方面，基于丰富的堆场数据和先进的调度算法，可以高效地在数字世界对现实堆场进行反映；另一方面，通过在数字世界中的模拟试验和分析预测，可为集装箱落箱指令的下达、调度算法的进一步优化提供决策依据，形成集成、高效、灵活的堆场作业体系。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D模型的集装箱落箱方法，其特征在于：该方法包括构建三维场景、渲染堆场状态和操作3D模型三个部分，其中3D模型利用物联网数据实时采集、智能化调度方式来实现集装箱的高效作业，通过虚拟3D模型实现落箱操作，与其他生产作业管理系统高效对接，发布作业指令。
5.根据权利要求5所述的一种基于3D模型的集装箱落箱方法，其特征在于：其中构建三维场景是指， Web页面的交互主要呈现为2D的交互效果，具有只可展示不可操作的局限性；WebGL技术打破了上述局限性，一方面可以承载海量的数据，另一方面实现3D相关的可视化来渲染真实的场景。
6.根据权利要求5所述的一种基于3D模型的集装箱落箱方法，其特征在于：构建三维场景主要包括以下内容：创建场景对象，用来保存所有对象、光源和所渲染的其他对象，可以动态往场景中添加或移除物体；创建一个具有透视效果的摄像机，指定摄像机的位置和方向，决定在场景中如何看以及能看到什么；通过尺寸和材质创建一个地平面，加载一个合适的背景图作为地平面，指定平面接受阴影，使物体投射出来的阴影会出现在平面上，且旋转一定角度来方便观察；建立一个聚光灯变量，用来照射物体来产生阴影，把聚光灯加入到场景中；构建渲染器，把场景和相机加入到渲染器中进行渲染。
7.根据权利要求5所述的一种基于3D模型的集装箱落箱方法，其特征在于：其中渲染堆场状态是指，利用虚拟现实技术实现集装箱堆场的可视化，通过单例模式来提供一种创建对象的方式，其他材质对象通过单例对象获取配置信息，节约了系统资源，释放了内存，将大量的数据在较短时间内迅速加载完成。
8.根据权利要求7所述的一种基于3D模型的集装箱落箱方法，其特征在于：渲染堆场状态主要包括以下内容：根据真实港口堆区堆位展示情况，首先创建堆区位置、堆区名称、堆区行列序号、卡口等标识，显示堆区布局、卡口路线以及集装箱待进场的数量；其次创建长方体模型，通过不同的颜色材质表示集装箱的层级和状态，通过不同的大小材质区分20尺箱和40尺箱；最后把所有构建的内容添加到场景中进行渲染展示。
9.根据权利要求5所述的一种基于3D模型的集装箱落箱方法，其特征在于：其中操作3D模型用于实现对现实堆场的反向控制，当收集到卡口的到达信息时，采用逐层逐排连续作业的模式已经越来越不适用堆场发展的需要，利用3D模型的落箱操作，快速定位准确的落箱位置，通过外界真实环境和物理设计的模型，创造了一个数字版的“克隆体”，数字孪生使3D模型和真实堆场的场景建立全面且实时的联系，降低了集装箱堆放缓慢或者错误的情况，达到快速响应和稳定高效的按需分配效果。
10.根据权利要求9所述的一种基于3D模型的集装箱落箱方法，其特征在于：操作3D模型主要包括以下内容：卡口场景显示不同线路首个需要落箱的集装箱，允许卡口位置的集装箱可以拖动，拖动到其他可以落箱的堆位进行落箱操作；开始进行鼠标操作事件，卡口处有显示集装箱待进场的数量，左键点击数量在模型右侧展示所有集装箱列表，可以选择某个集装箱进行落箱，卡口处箱子则为最新选择的集装箱；左键点击集装箱模型，在左上角展示所点击箱子的信息；鼠标滚轮实现3D场景的滚动，Ctrl+滚轮实现场景的放大缩小；一直摁住右键拖动鼠标实现场景的拖拽；右键点击卡口处集装箱模型，通过射线拾取到模型，实现模型的选取、移动和拖拽事件，根据不同尺箱的落箱规则进行落箱；鼠标右键后集装箱跟随鼠标移动，当落在具体堆位上，再次点击鼠标右键，则模型不再跟随鼠标移动，确认落箱在当前堆位，若调度错误，重新再右键点击当前箱子进行拖拽移动，落到相应的位置点击右键不再移动，点击确认箱位按钮，则当前场景重新渲染，此时3D模型中落箱调度正式完成；通过3D模型中展示当前最新落箱情况，同时向调度系统发送落箱信息，指导调度人员真实完成落箱操作。
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