虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在自動化集裝箱碼頭中的應(yīng)用

梁 慶，李家華，楊 彪

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

BIM(building information modelling)技術(shù)具有強(qiáng)大的三維表現(xiàn)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(xiàng)目各方溝通效率及交付質(zhì)量。以包含準(zhǔn)確工程數(shù)據(jù)的BIM模型為基礎(chǔ)進(jìn)行二次渲染能夠提高三維模型的質(zhì)量[2]，有效降低制作時(shí)間和人力成本。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，簡稱VR)技術(shù)不斷成熟和消費(fèi)級產(chǎn)品的出現(xiàn)，基于BIM模型和多參與方之間的相互協(xié)作，使用者可以輕松實(shí)現(xiàn)在擬建工程進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)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(tǒng)開發(fā)等技術(shù)應(yīng)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(yè)區(qū)7#～10#泊位工程位于欽州保稅港區(qū)內(nèi)的南端，碼頭工程岸線長1 301.5 m，改造及新建4個(gè)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(shè)計(jì)年通過能力為260萬TEU。建設(shè)內(nèi)容主要包括沉箱重力式碼頭、疏浚工程、水工建筑物、助導(dǎo)航工程等。項(xiàng)目功能區(qū)域劃分為無人裝卸碼頭區(qū)域、IGV(Intelligent Guided Vehicle，智能導(dǎo)引車)無人小車車道、外集卡U形行車道、港內(nèi)外交互區(qū)域、輔建區(qū)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(shù)應(yīng)用路線

2.1 VR系統(tǒng)應(yīng)用需求

1)基于項(xiàng)目總裝模型進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境場地分析、設(shè)計(jì)方案可視化分析和優(yōu)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(diǎn)。

3)在VR場景中基于人機(jī)互動操作，實(shí)現(xiàn)依照體驗(yàn)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(shè)置安全體驗(yàn)功能，允許體驗(yàn)者體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)中無法實(shí)現(xiàn)的傷害場景，提高體驗(yàn)者的安全意識，起到警示教育的作用。

5)系統(tǒng)最終渲染成果能夠?qū)С鋈S模型，為企業(yè)港口VR模型庫積累素材。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

自動化裝卸工藝VR系統(tǒng)框架見圖1，以BIM模型、操作流程提示信息數(shù)據(jù)、岸橋及軌道吊工作動作參數(shù)、IGV及外集卡駕駛移動參數(shù)等輸入信息作為底層數(shù)據(jù)，創(chuàng)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(shè)備通過用戶操作界面與系統(tǒng)進(jìn)行交互操作。

圖1 自動化裝卸工藝VR系統(tǒng)框架

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

結(jié)合本項(xiàng)目需要實(shí)現(xiàn)的功能，圍繞自動化裝卸工藝的主題，形成開發(fā)平臺調(diào)研、模型處理、場景優(yōu)化、功能模塊編譯、測試迭代優(yōu)化、正式發(fā)布的設(shè)計(jì)流程。以BIM成果模型作為VR系統(tǒng)的模型底層，利用游戲引擎的物理碰撞、重力感應(yīng)等功能和藍(lán)圖可視化腳本對裝卸流程進(jìn)行程序編譯，最后通過頭戴式VR體感設(shè)備像素流傳輸?shù)墓δ?，?shí)現(xiàn)沉浸式的交互體驗(yàn)。

2.3.1開發(fā)平臺調(diào)研

基于建模軟件的兼容性、開發(fā)及后期維護(hù)難度、VR頭顯效果、產(chǎn)品開發(fā)周期等多維度對主流開發(fā)平臺進(jìn)行調(diào)研評分，實(shí)現(xiàn)開發(fā)基礎(chǔ)底座的技術(shù)可控。

2.3.2模型處理

本項(xiàng)目BIM建模范圍包括周圍環(huán)境、設(shè)計(jì)船型、水工建筑物、港口裝卸設(shè)備、道路標(biāo)示標(biāo)線、集裝箱堆場、辦公樓、綜合樓、配套設(shè)施和港區(qū)綠化等主要部分。各專業(yè)需結(jié)合自身需要及工作流，在多款專業(yè)BIM軟件中協(xié)同進(jìn)行?；谠贫藚f(xié)同平臺進(jìn)行多專業(yè)協(xié)同建模，三維總裝軟件從協(xié)同平臺參照模型文件進(jìn)行總裝，保證了各子模型與總裝模型的動態(tài)關(guān)聯(lián)特性，為VR系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)模型，大幅降低構(gòu)建模型階段的人工成本和時(shí)間成本。

渲染軟件中建立的模型精細(xì)程度高、整體性強(qiáng)，適用于建筑工程、土木工程結(jié)構(gòu)等規(guī)則體建模。同時(shí)與BIM模型融合度高，能夠有效實(shí)現(xiàn)不同來源模型的信息、功能整合[4]。本項(xiàng)目基于BIM港口模型導(dǎo)入渲染軟件進(jìn)一步優(yōu)化，補(bǔ)充、修復(fù)部分場景模型，對動畫模型部分進(jìn)行拆分整合，并對模型進(jìn)行減面處理。

2.3.3場景優(yōu)化

將碼頭、船舶、岸橋、軌道吊、集裝箱、建筑單體等模型導(dǎo)入VR渲染器中?；赩R渲染器，對整個(gè)港口場景進(jìn)行天空光照渲染、替換合適材質(zhì)紋理及顏色、調(diào)整環(huán)境參數(shù)等，達(dá)到逼真照片級水準(zhǔn)。增加全動態(tài)場景制作，模仿真實(shí)港口運(yùn)行狀態(tài)。

2.3.4功能模塊編譯

通過藍(lán)圖可視化腳本編程實(shí)現(xiàn)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(shè)置場景中非靜止對象的運(yùn)動原則，對港內(nèi)外交通流進(jìn)行高精度的仿真模擬；3)設(shè)置場景中文本信息、音頻信息的觸發(fā)條件，正確顯示相關(guān)提示信息；4)設(shè)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(yōu)化

系統(tǒng)在正式發(fā)布之前會進(jìn)行多次測試及優(yōu)化迭代，其中最常見、出現(xiàn)頻率最高的問題是場景流暢度不夠、幀數(shù)過低，根本的原因是計(jì)算機(jī)圖形處理負(fù)荷過大。主要有3個(gè)因素：1)BIM模型精細(xì)度高，直接使用會導(dǎo)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(xì)化程度大之間的動態(tài)平衡?；驹瓌t是對地面以上及視野范圍內(nèi)顯示的對象進(jìn)行必要的減面處理或者替換，對地面以下及非視野范圍內(nèi)的元素進(jìn)行刪除或簡化處理。2)場景范圍大，包含的對象數(shù)量眾多，光影渲染工作量大?？梢酝ㄟ^在特定部分內(nèi)設(shè)置詳細(xì)的照明和陰影細(xì)節(jié)，配合設(shè)置模型LOD或細(xì)節(jié)級別，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)視角顯示整體效果和近視角顯示更多模型細(xì)節(jié)的切換。還可以通過分割關(guān)卡場景階段性表達(dá)主題，避免過多動態(tài)對象或交互動作集中于同一關(guān)卡。3)硬件設(shè)備條件限制。計(jì)算機(jī)中的CPU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)計(jì)算，顯卡負(fù)責(zé)圖形渲染，VR頭盔負(fù)責(zé)VR場景的顯示交互。在預(yù)算充足的情況下充分了解硬件設(shè)備的差異，正確配置對應(yīng)的計(jì)算機(jī)及VR頭盔。高性能設(shè)備能夠極大提高VR模擬系統(tǒng)承載能力的上限，模型精度及腳本編寫的容錯(cuò)率明顯提升，提高項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案的合理性、科學(xué)性。

2.3.6正式發(fā)布

以軟件集成的方式將全功能模塊打包，最終生成exe可執(zhí)行文件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合，形成正式版VR平臺可視化解決方案。系統(tǒng)界面見圖2。

圖2 自動化裝卸工藝VR系統(tǒng)界面

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)模塊

3.1.1UI選擇界面

作為體驗(yàn)者與主體程序交互溝通的載體，整體顏色風(fēng)格采用貼近港口海岸工程的深藍(lán)色調(diào)，圖標(biāo)則采用船錨、集裝箱等鏤空白色標(biāo)志，突出系統(tǒng)主題。該界面通過手柄組合鍵調(diào)出，負(fù)責(zé)聯(lián)通港口漫游、自動化雙小車岸橋裝卸船、堆場區(qū)域裝卸工藝和進(jìn)出閘口模擬4個(gè)主模塊。在手柄、鍵盤等輸入設(shè)備設(shè)置操作說明提示，降低用戶記憶負(fù)擔(dān)、提升系統(tǒng)友好度。

3.1.2港口漫游

實(shí)現(xiàn)自由步行或空中無人機(jī)2種視角漫游整個(gè)港口場景。系統(tǒng)默認(rèn)視角為位于港區(qū)進(jìn)港閘口的無人機(jī)低空視角，能夠從相對偏低的高空高度俯瞰整個(gè)港區(qū)，給予初體驗(yàn)者較為舒適而又有挑戰(zhàn)性的開局感受，也讓體驗(yàn)者擁有熟悉系統(tǒng)界面、熟悉VR世界基本操作的時(shí)間。系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置有地面自由步行模式，無人機(jī)可隨時(shí)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(xiàn)實(shí)物理世界的限制，在無人自動化碼頭自由穿梭，體驗(yàn)數(shù)字化經(jīng)濟(jì)下的新一代智慧港口。此外，該模塊設(shè)計(jì)有高空跌落、車輛撞擊等安全教育體驗(yàn)功能，幫助提升體驗(yàn)者的安全意識，深刻理解自動化碼頭運(yùn)行的邏輯性及設(shè)計(jì)碼頭應(yīng)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(yè)系統(tǒng)的自動化流程，實(shí)現(xiàn)查看相關(guān)工藝設(shè)備及港口概要信息的功能。體驗(yàn)者通過手柄操作系統(tǒng)信息彈框的方式進(jìn)行人機(jī)互動，詳細(xì)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(shè)計(jì)船型、年設(shè)計(jì)通過能力等項(xiàng)目相關(guān)信息，幫助體驗(yàn)者了解項(xiàng)目背景信息。

3.1.4堆場區(qū)域裝卸工藝

集裝箱從岸橋過泊平臺裝卸運(yùn)輸至堆場的流程，展示相關(guān)堆場作業(yè)要點(diǎn)信息。利用跟隨IGV移動視角的方式，通過體驗(yàn)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(dá)裝卸點(diǎn)后，體驗(yàn)者需要根據(jù)提示按步驟執(zhí)行特定操作，完成自動軌道吊移動至指定位置進(jìn)行集裝箱調(diào)至堆場的作業(yè)指令。流程充分突出水平運(yùn)輸方案自動化的特點(diǎn)，全面說明堆場作業(yè)自動化的先進(jìn)性。

3.1.5進(jìn)出閘口模擬

外集卡車輛進(jìn)出閘口以及在堆場區(qū)進(jìn)行裝卸作業(yè)的流程，顯示相關(guān)流程信息。由體驗(yàn)者控制的外集卡按照提示掃描通過三段式智能化進(jìn)港閘口，在外集卡通道完成駐車、集裝箱外運(yùn)、掉頭操作，形成完整自動化碼頭工藝流程閉環(huán)。通過平面動圖顯示外集卡運(yùn)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(qiáng)化VR技術(shù)應(yīng)用與工程設(shè)計(jì)理念的正向結(jié)合。

3.2 方案可視化分析和優(yōu)化

BIM 技術(shù)在建筑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用首先體現(xiàn)在可視化設(shè)計(jì)操作層面上[5]?；陧?xiàng)目集裝箱集疏運(yùn)體系的構(gòu)成及碼頭的陸域特點(diǎn)，結(jié)合可視化拓展技術(shù)的特點(diǎn)，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(xiàng)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(nèi)運(yùn)輸時(shí)間最短；水平運(yùn)輸采用IGV進(jìn)行作業(yè)。IGV自動駕駛級別為L4級，當(dāng)IGV在限制道路或環(huán)境下自動駕駛時(shí)，需要與人員和有人集卡隔離[6]，因此設(shè)置圍網(wǎng)將港外集卡與港內(nèi)IGV進(jìn)行物理隔斷，實(shí)現(xiàn)了自動駕駛的物理封閉。為方便外集卡掉頭返回，堆場區(qū)港外集卡車道設(shè)計(jì)為U形，外集卡在堆場軌道吊一側(cè)懸臂完成裝卸作業(yè)后掉頭即可離開堆場，突出交通分離、交互簡潔、直進(jìn)直出的核心設(shè)計(jì)理念?？梢暬O(shè)計(jì)能夠充分、立體表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，最大化利用陸域空間提高港內(nèi)外交互能力和工作效率，成為設(shè)計(jì)方與建設(shè)方、施工方、政府審批機(jī)構(gòu)等多方高效率、低成本溝通的新手段。

3.3 應(yīng)用效果

不同于傳統(tǒng)工程表達(dá)方式，工程人員在虛擬世界里體驗(yàn)到了真實(shí)的邊界感；設(shè)計(jì)人員能夠直觀感受設(shè)計(jì)方案，基于二維圖紙的三維整體布置、建筑構(gòu)造想象的方案將被取代，縮短設(shè)計(jì)和修改方案的時(shí)間；通過VR系統(tǒng)的可視化交底，使現(xiàn)場施工人員更深刻理解設(shè)計(jì)方案，提高施工質(zhì)量。既加深了對自動化集裝箱碼頭項(xiàng)目的認(rèn)識，也切身體會到VR技術(shù)在工程項(xiàng)目應(yīng)用中的創(chuàng)造力。

4 結(jié)語

1)以項(xiàng)目應(yīng)用需求為出發(fā)點(diǎn)，構(gòu)建VR系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，總結(jié)技術(shù)應(yīng)用路線。

2)系統(tǒng)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(yùn)全過程。

3)把BIM模型作為數(shù)字底層，將VR技術(shù)新手段引入自動化集裝箱碼頭設(shè)計(jì)中，基于可視化分析和優(yōu)化的技術(shù)手段，多專業(yè)協(xié)同、共享優(yōu)勢，提升設(shè)計(jì)整體效率和質(zhì)量。

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

5)基于BIM技術(shù)的VR定制化開發(fā)路線在實(shí)踐中取得了良好效果，具有一定的推廣意義，也為水運(yùn)工程數(shù)字化發(fā)展帶來全新的可能性。