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利用图形可视化技术实现货物堆场的动态监控王宇 高峰 朱琳（交通运输部水运科学研究院，北京，100088）摘要 针对港口企业散杂货堆放不规则的特点，提出应用图形可视化技术来实现货物堆场的动态监控，探讨实现堆场高效运作的合理技术途径，以达到充分利用堆场，提高通过能力的目的。关键词 图形化；港口；货物；堆场；监控随着港口货物吞吐量的快速增长，提高港口堆场利用率与提高港口的作业效率成为主要关注的两大问题，但是由于二者之间的矛盾性导致这一工作相对复杂和困难。采用港口生产信息化是解决该问题的有效方法，而货物堆场的管理在港口企业的信息化建设中是很重要的组成部分。由于港口货物种类繁杂，作业类型多种多样，堆场作为货物进出港口码头的重要场所，对堆场的实时动态的监控管理存在很大的不便1。所以，对堆场进行动态监控亟需借助一种直观的技术手段。本文在分析货物堆场堆码类别的同时，提出了利用图形可视化技术实现货物堆场的动态监控，并在此基础上提出堆场管理图形化技术框架。1 港口运输货物类别和堆垛形式1.1 港口运输货物类别根据交通行业标准（JT/T 19-2001），运输货物的分类共分17大类、122个中类、197小类2。其中17大类如表1所示：表1 运输货物大类代码货类名称品名细目01煤炭及制品02石油、天然气及制品03金属矿石各种黑色金属矿石、砂、粉（含原矿、选矿、精矿）04钢 铁（含普通钢、铁；合金钢、铁；硅电钢等）05矿物性建筑材料06水泥硅酸盐水泥、矾土水泥、富硫酸盐水泥等各种特性和型号的水泥07木材08非金属矿石（含石、砂、粉、土）09肥料及农药10盐11粮食（不包括种子）12机械设备、电器（含整机总成、零部件、配件、备件）13化工原料及制品14有色金属（含冶炼产品、压延加工后的块、板、粉、合金材料）15轻工、医药产品16农、林、牧、渔业产品（含初加工产品、副产品）17其它货类1.2 港口货物堆场堆垛分类根据交通行业标准（JT/T 706-2007），港口货物堆垛共分64类堆垛形式3。经过分析，可以总结出主要有4种堆垛类别：(1) 散货堆垛形式垛型：长方型平顶垛、货垛顶部平直、匀整、垛底边至作业机械轨道距离不少于1.5m，如图1所示：图1 散货堆垛形式散货堆垛形式适用于表2所示货类：表2 散货堆垛形式适用货类代码货类名称01煤03金属矿05矿物性建筑材料08非金属矿17其它货类等其他散装货物(2) 大包件杂货堆垛形式垛型：不同货类不同包装形状的货物有不同的堆垛方式，根据港口货物堆垛技术要求，大概有60几种堆垛形式。其中，主要的几种堆垛形式如图2所示：图2大包件杂货堆垛形式这类货物的共同点是堆垛在一起的货物属性基本相同，在对该类货物进出作业的时候关心货物的总件数和总重量，而不必关心每件货物在堆垛中的具体位置。大包件杂货堆垛形式适用于表3所示货类：表3大包件杂货堆垛形式适用货类代码货类名称04钢铁05矿物性建筑材料06水泥07木材09肥料10盐11粮食13化工原料14有色金属15轻工医药16农林木渔17其它货类等其他件杂货物(3) 筒仓形式垛型：专用的堆存设备，如图3所示：图3 筒仓形式筒仓形式适用于表4所示货类：表4 筒仓形式适用货类代码货类名称02石油11粮食17其他液体类货物 (4) 精确位置关系的件杂货堆垛形式垛型：不同货类不同包装形状的货物有不同的堆垛方式，但对于堆垛时需要精确位置关系的货类，一般是通过识别该货物某属性类别进行区分每件不同货物，并且由于该属性的种类繁多，以至于在有限的堆场范围内不能够满足相同属性同一堆垛的要求。这就出现了由于需要提取某属性的货物导致移动同垛位其他属性的货物，造成了装卸效率的下降和作业成本的增加。其中，主要的2种堆垛形式如图4所示：图4精确位置关系的件杂货堆垛形式精确位置关系的件杂货堆垛形式适用于表5所示货类：表5 精确位置关系的件杂货堆垛形式适用货类代码货类名称04钢铁12机械设备、电器17其他属性繁多货物2 利用图形可视化实现货物堆场动态监控2.1 货物堆场图形可视化的特点货物堆场图形可视化有助于生产管理人员及时掌握堆场的利用情况，合理安排和最大限度地利用堆场。目前，堆场的图形可视化在集装箱堆场的管理中应用较多，因为集装箱是标准化的货物，其外型尺寸规范统一，堆场也根据集装箱的尺寸进行规划，实现堆场图形可视化相对比较容易。散杂货物堆场与集装箱堆场有很大的区别，主要表现如下：(1)散杂货物的堆放形状无法统一；(2)堆场的规划无标准参考；因为货物尺寸问题可能要连续占用1个以上的规划区域甚至非重要通道。利用图形可视化技术必须考虑以上特点，无论货物如何堆放，都能直观显示堆场的占用情况4。2.2 货物堆场图形可视化应具备的功能利用图形可视化技术对货物堆场进行动态监控，需要具备如下系统功能：(1)港口俯视图港口俯视图在尺寸上比普通视图小,可灵活的缩放，以节省屏幕空间。选择这种视图来以尽量少的空间显示堆场，显示一个大概的港区地理信息系统。港口俯视图界面如图5所示：图5 港口俯视图港口俯视图需要具备如下功能：a以图形化的方式显示各种货物占用堆场的情况；b不同品种、不同货主的货物能以不同的色彩显示；c各货堆有相应的品种、数量、货主、船舶等标识信息；d能根据货主、品种、船舶等要素统计货物的数量，并能对货物的分布情况进行醒目的显示；e能根据货主、品种、船舶等要素进行查询并图形化醒目显示。(2)场区立体图为进一步查看具体场区不同场位间货物的位置关系和场位的利用情况，可以在港口俯视图中选择具体场区进入到场区立体图。场区立体图主要是针对精确位置关系的件杂货堆垛形式的货物，例如钢板、卷钢等货物。场区立体图界面如图6所示：图6 场区立体图场区立体图需要具备如下功能：a能根据场区堆放的货物的垛型特点，绘制基本一致的图形；b不同品种、不同货主的货物能以不同的色彩显示；c各货堆有相应的品种、数量、货主、船舶等标识信息；d能根据货主、品种、船舶等要素统计货物的数量，并能对货物的分布情况进行醒目的显示；e能根据货主、品种、船舶等要素进行查询并图形化醒目显示。(3)场位明细图为进一步查看具体场位不同货物间的位置关系和货物信息，可以在场区立体图中选择具体场位进入到场位明细图。但由于货物之间存在层叠和相互挤靠，为了能够看到该场位的所有货物位置关系和货物信息，只能通过横向或纵向剖视图进行显示，场位明细图界面如图7所示：图7 场位明细图场位明细图需要具备如下功能：a能根据场区堆放的货物的垛型特点，绘制基本一致的图形；b不同品种、不同货主的货物能以不同的色彩显示；c各货物有相应的品种、数量、货主、船舶等标识信息；3 图形可视化关键技术3.1 计算机绘图技术利用图形可视化技术对货物堆场进行动态监控的发展历史较短，所以目前已有的堆场管理系统多停留在应用计算机绘图技术实现的平面和假三维的图形可视化。这种计算机绘图技术是由VB、Dot.NET、VC+ 等开发工具单独完成，即应用开发工具中相关的绘图函数来实现。这样做的好处是在单一系统中进行开发，重点比较突出，但是对于一个可视化要求程度高，而且需要有很高的交互性的系统，这样的图形处理功能开发工作量较大且效果也不够理想。3.2 虚拟现实技术应用计算机绘图技术监控堆场时，可能看到的是堆场的二维视图，当需要查看货物的某个具体位置时，要去切换某维度视图，可以说最终对一个场位和货物的认识是通过多种信息的综合产生的，人们需要不断的在各种维度视图间切换，这样的直观性显然不好。正是基于这种考虑，利用虚拟现实技术能将如此复杂的信息直观表达出来，它通过仿真的方式给用户创造一个实时反映实体变化与相互作用的货物堆场三维世界，提供用户一个可观测并与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与堆场货物的变化以便做到动态监控5。它最突出的优点在于，所描绘的场景非常逼真，而且充分考虑了人机交互，并给用户的是最直观和准确的信息，帮助他们了解堆场现有的情况，做出相应的决策。虚拟现实技术主要包括两个方面的主要内容:建模与仿真。通过建模技术完成三维场景的绘制，通过仿真技术按照一定的原则来驱动三维场景的变化。目前常用的三维建模工具有OpenGL、3Dmax、WTK等。三维仿真工具有CATIA,UG,PRO/ENGNIEER等。虚拟现实技术也存在着对层叠相压的货物不能完全查看所有货物信息，对一些不规则的货物堆垛形式与实际情况存在较大差异的不足。3.3 视频监控技术视频监控是一种较成熟的技术，它以直观、准确、及时和信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控技术也有了长足的发展。目前视频监控可分为两大类:数字视频监控和网络监控。在利用图形可视化技术实现货物堆场动态监控中集成视频监控技术，可以弥补计算机绘图技术和虚拟现实技术的不足。目前常用的视频监控软件有锐眼视频监控卫士、超级门卫视频监控系统、DVR视频监控系统等。视频监控技术也存在着监控设备成本较高、安装不方便、监控存在盲点和夜视效果不理想等不足。3.4 图形可视化技术的集成应用 由前文可知，单一应用计算机绘图技术、虚拟现实技术和视频监控技术进行货物堆场的动态监控都存在优点和不足。本着集成应用的理念，将计算机绘图技术、虚拟现实技术和视频监控技术相结合，发挥各种图形可视化技术的优点，相互弥补各种技术的缺点，避免堆场监控人员经常要跑出中控室，在窗口远距离进行堆场监控，弥补单一技术的局限性。通过对图形可视化技术的集成应用，将港口货物堆场场景直接在计算机中模拟出来，这样就可以做到随心所欲的观看堆场中的任何一个位置和货物信息，能有效解决货物堆场的动态监控问题，以达到充分利用堆场，提高通过能力的目的。4 结束语目前，图形可视化技术在的港口货物堆场中已经有初步的研究和应用。随着港口业务的进一步发展，图形可视化技术必将进一步深入研究和应用，对货物堆场的动态监控具有重要的经济价值和研究意义。我国应加快研究和推广具有自主核心技术和中国特色的图形可视化技术，力争在未来世界港口发展中占据优势地位。参考文献：1 王宇.件杂货码头钢板