基于OSG的港口物流教學(xué)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

付 強(qiáng)， 仲叢友

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津300222)

0 引言

港口集裝箱物流系統(tǒng)是一個(gè)多環(huán)節(jié)而又相互平行的空間作業(yè)系統(tǒng)［1］，在實(shí)際教學(xué)中通常是以教師講解、圖片展示和播放視頻錄像等方式介紹港口相關(guān)機(jī)械設(shè)備，但對(duì)于具體的機(jī)械動(dòng)作及運(yùn)作過(guò)程，設(shè)備間相互協(xié)調(diào)關(guān)系等不能很好的表現(xiàn)。尤其對(duì)港口碼頭的物業(yè)流程、集裝箱裝卸工藝、碼頭的平面布局等難以直觀的描述。通過(guò)可視化仿真的方式使學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境下學(xué)習(xí)港口集裝箱物流的作業(yè)過(guò)程，不但使教學(xué)過(guò)程易于理解而且能夠極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 傳統(tǒng)仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

隨著多媒體教學(xué)應(yīng)用的廣泛展開(kāi)，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)已經(jīng)是高等學(xué)校重要的教學(xué)方式之一［2］?？梢暬抡娣椒ㄓ捎谄渲庇^、生動(dòng)、易于理解等特性在教學(xué)中受到了學(xué)生的廣泛歡迎，目前應(yīng)用較多的一些主流仿真軟件大多是進(jìn)行整體物流系統(tǒng)的建模仿真，具有較強(qiáng)的實(shí)體建模和統(tǒng)計(jì)分析能力［3］。但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能模塊多，對(duì)于初學(xué)者的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力和程序設(shè)計(jì)能力有較高的要求，適合進(jìn)行物流系統(tǒng)規(guī)劃，效率分析，效益評(píng)估等。但在課堂教學(xué)中由于學(xué)生的現(xiàn)有知識(shí)和技能水平等的限制，應(yīng)用上述這些復(fù)雜的仿真系統(tǒng)輔助教學(xué)難以起到預(yù)期的效果。

2 基于CPN的港口物流系統(tǒng)仿真模型

2．1 著色Petri網(wǎng)建模方法

著色Petri網(wǎng)(Colored Petri Net，CPN)是描述并發(fā)、同步、異步、資源競(jìng)爭(zhēng)、協(xié)調(diào)等動(dòng)態(tài)系統(tǒng)行為的有效工具，不僅有充分的模擬能力和豐富的分析方法，還便于使用和理解。同時(shí)，CPN是一種語(yǔ)義嚴(yán)格的形式化數(shù)學(xué)建模工具，可以定性和定量地分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。CPN在基本Petri網(wǎng)基礎(chǔ)上增加了token的顏色信息，并且通過(guò)層次化簡(jiǎn)化網(wǎng)的復(fù)雜性，較好地解決了基本Petri網(wǎng)在進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)建模時(shí)會(huì)導(dǎo)致模型過(guò)于龐大復(fù)雜的問(wèn)題［4］。

CPN將一般Petri網(wǎng)的圖形界面表示方法和高級(jí)編程語(yǔ)言的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行融合將函數(shù)式編程和邏輯化的模型描述相結(jié)合［5-7］，并通過(guò)在Token和變遷中增加時(shí)間信息演變來(lái)的著色賦時(shí)Petri網(wǎng)(CTPN)，為系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、平均等待時(shí)間等系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)提供了支持，是Petri網(wǎng)擴(kuò)展版本中發(fā)展比較成熟的一種。

2．2 基于CPN的港口物流系統(tǒng)仿真模型

在CPN中所有的實(shí)體都有各自的顏色集，本文中建立的仿真模型中主要實(shí)體的顏色集定義如下［8-9］:

(1)船舶。colset SHIP=record no:NO* ton:INT*c:INT*bn:NO*AT:INT timed。其中:no為船舶編號(hào);ton為噸位;c為實(shí)際裝載的容量;bn為停泊的泊位號(hào);AT為到達(dá)時(shí)間。

(2)泊位。colset BERTH=record no:NO*c:INT*free:BOOL*AT:INT timed。其中:no為泊位號(hào);c為該泊位擁有的岸橋數(shù)量;free為是否被占用;AT為被占用的開(kāi)始時(shí)間。

(3)岸橋。colset CRANE=record no:NO*bn:INT*AT:INT timed。其中:no為岸橋編號(hào);bn為所屬泊位號(hào);AT為每次開(kāi)始工作時(shí)間。

(4)集卡。colset TRUCK=record no:NO*bn:NO*loaded:BOOL，e:BOOL。其中:no為集卡編號(hào);bn為工作的泊位號(hào);loaded為是否已裝載;e為所裝載的集裝箱類(lèi)型(空箱或重箱)。

圖1 基于CPN的港口物流系統(tǒng)仿真模型

在定義了系統(tǒng)中所需的各類(lèi)實(shí)體后，便可以建立基于CPN的仿真模型，如圖1所示，并通過(guò)對(duì)CPN的狀態(tài)空間分析找出模型中存在的并發(fā)、沖突、死鎖等邏輯關(guān)系，對(duì)模型進(jìn)行修改和完善，建立起符合實(shí)際情況的系統(tǒng)邏輯模型。

3 仿真平臺(tái)的搭建

3．1 OpenSceneGraph 簡(jiǎn)介

OpenSceneGraph(OSG)是一款開(kāi)源的高性能3D圖形開(kāi)發(fā)庫(kù)。廣泛應(yīng)用在可視化仿真、游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)、高端技術(shù)研發(fā)以及建模等領(lǐng)域［10］。使用標(biāo)準(zhǔn)的C++和OpenGL編寫(xiě)而成，可以運(yùn)行在Windows系列、OSX、GNU/Linux、IRIX、Solaris、HP-Ux、AIX 以及FreeBSD操作系統(tǒng)。

3．2 開(kāi)發(fā)方法

OSG為開(kāi)發(fā)者提供了3D模型讀取、場(chǎng)景組織、幾何體繪制、渲染控制和優(yōu)化等基礎(chǔ)功能，是對(duì)OPENGL圖形庫(kù)的再一次封裝，省去了開(kāi)發(fā)底層圖形引擎的工作，降低了開(kāi)發(fā)難度。開(kāi)發(fā)者可以將主要精力集中在三維模型開(kāi)發(fā)，場(chǎng)景規(guī)劃，系統(tǒng)運(yùn)行邏輯設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)處理等主要工作上，減少前期與開(kāi)發(fā)目標(biāo)無(wú)關(guān)的準(zhǔn)備工作，加快系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的速度。

本文采用VC++進(jìn)行仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，基于MFC的文檔/視圖結(jié)構(gòu)建立應(yīng)用程序結(jié)合OSG在場(chǎng)景組織和控制方面的優(yōu)勢(shì)建立仿真環(huán)境，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行系統(tǒng)建模與開(kāi)發(fā)。

3．3 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

港口教學(xué)仿真系統(tǒng)包含7個(gè)主要模塊，分別為:數(shù)據(jù)讀取模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、場(chǎng)景建立和管理模塊、仿真運(yùn)行模塊、人機(jī)交互模塊、視圖顯示模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊。其中場(chǎng)景建立和管理模塊和仿真運(yùn)行模塊為系統(tǒng)核心模塊，數(shù)據(jù)讀取模塊又分為場(chǎng)景數(shù)據(jù)讀取模塊和模型文件讀取模塊，數(shù)據(jù)輸出模塊又分為仿真結(jié)果數(shù)據(jù)輸出模塊和程序運(yùn)行日志輸出模塊。各模塊間關(guān)系如圖2所示:

3．3．1 建立應(yīng)用程序框架

建立基于MFC的單文檔應(yīng)用程序框架，主窗口有場(chǎng)景渲染區(qū)、系統(tǒng)設(shè)置區(qū)和仿真過(guò)程動(dòng)態(tài)輸出區(qū)3個(gè)主要區(qū)域組成。仿真系統(tǒng)主窗口界面如圖3所示。

3．3．2 建立繪圖環(huán)境

繪圖環(huán)境的建立由OSG的Viewer類(lèi)完成，主要包括初始化窗口像素格式，設(shè)置場(chǎng)景攝像機(jī)和光照，設(shè)置場(chǎng)景觀察控制器等。

3．3．3 仿真場(chǎng)景的建立與組織

圖2 仿真系統(tǒng)模塊圖

圖3 仿真系統(tǒng)主窗口界面

OSG的場(chǎng)景組織采用場(chǎng)景圖(Scene Graphic)結(jié)構(gòu)，通過(guò)場(chǎng)景圖把場(chǎng)景中個(gè)元素及其屬性組織成一棵場(chǎng)景樹(shù)。場(chǎng)景圖中的根結(jié)點(diǎn)表示整個(gè)三維場(chǎng)景，子結(jié)點(diǎn)表示場(chǎng)景中每個(gè)對(duì)象的位置信息、動(dòng)畫(huà)設(shè)置以及邏輯關(guān)系等屬性，葉子結(jié)點(diǎn)則代表物理對(duì)象本身、可拉伸的幾何模型和材質(zhì)屬性［11-12］。

場(chǎng)景的建立和組織由場(chǎng)景類(lèi)(class Scene)完成，它首先讀取場(chǎng)景配置文件scene．xml，然后根據(jù)文件中的設(shè)置信息完成場(chǎng)景的初始化。場(chǎng)景配置文件scene．xml采用XML格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)［13］，主要包含兩部分的內(nèi)容:模型文件列表和場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。這樣的文件結(jié)構(gòu)正好符合OSG的場(chǎng)景圖結(jié)構(gòu)，便于建模初期的場(chǎng)景組織和管理。

場(chǎng)景類(lèi)首先根據(jù)模型列表讀取模型信息，但并不讀取模型文件數(shù)據(jù)。然后根據(jù)場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)建立場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)，在建立場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)的同時(shí)讀取用到的模型數(shù)據(jù)，對(duì)于重復(fù)使用的模型并不重復(fù)讀取。

通過(guò)場(chǎng)景配置文件的使用簡(jiǎn)化了場(chǎng)景建立的過(guò)程，對(duì)于場(chǎng)景的修改和更新也更加方便，大大減少了編程的工作量。

4 仿真運(yùn)行及數(shù)據(jù)輸出

4．1 仿真運(yùn)行過(guò)程

港口系統(tǒng)仿真是一種離散系統(tǒng)仿真，采用消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制運(yùn)行仿真邏輯。在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中的每一個(gè)狀態(tài)的變化或者人為的干預(yù)都會(huì)觸發(fā)一個(gè)或多個(gè)事件，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)這些事件的處理模擬現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)狀況，并記錄這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。仿真過(guò)程結(jié)束后，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析等手段對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，作為決策支持的重要條件。

可視化仿真的另外一個(gè)重要成果就是操作者可以實(shí)時(shí)地觀察仿真運(yùn)行的全過(guò)程，通過(guò)多次、多角度的觀察或操作發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的不合理之處，并可以嘗試不同的解決方案優(yōu)化系統(tǒng)。

4．2 仿真結(jié)果輸出

仿真輸出主要包含兩部分的數(shù)據(jù):仿真過(guò)程記錄的數(shù)據(jù)和程序日志。根據(jù)仿真結(jié)果生成數(shù)據(jù)報(bào)表，報(bào)表中記錄仿真運(yùn)行時(shí)間，仿真中產(chǎn)生的各種隨機(jī)事件［14-16］(船舶到達(dá)時(shí)間分布，岸橋、集卡工作時(shí)間分布等)，船舶等待隊(duì)列，集卡等待隊(duì)列，岸橋工作時(shí)間等數(shù)據(jù)信息。部分示例仿真數(shù)據(jù)如表1、表2和圖4所示。

表1 仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖4 泊位占用時(shí)間

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)港口教學(xué)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用使以往枯燥的課堂教學(xué)過(guò)程變得生動(dòng)、形象，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，真正實(shí)現(xiàn)了寓教于樂(lè)。由于港口仿真在教學(xué)中的應(yīng)用還在初級(jí)階段，系統(tǒng)功能還不夠完善，例如隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生部分還不能做到完全真實(shí)模擬船舶的到達(dá)和運(yùn)輸車(chē)輛的路線(xiàn)控制等，在今后的應(yīng)用過(guò)程中還需不斷的實(shí)踐和改進(jìn)。

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