港機(jī)操作模擬器技術(shù)方案

目錄

1系統(tǒng)概述...............................................................-1-

1.1總體介紹........................................................-1-

1.2系統(tǒng)功能介紹.....................................................-3-

1.3技術(shù)規(guī)格.......................................................-5-

2總體框架及解決方案....................................................-8-

2.1起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的總體功能設(shè)計......................-8-

2.2起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的總體組成及硬件設(shè)計.............-17-

2.3起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的軟件模塊設(shè)計...................-21-

2.4視景系統(tǒng)的硬件設(shè)計..........................................-29-

2.5視景系統(tǒng)的軟件設(shè)置..........................................-31-

2.6視景系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)..........................................-38-

2.7立體投影技術(shù).................................................-44-

3起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)動態(tài)特性關(guān)鍵技術(shù)........................-50-

3.1港口起重機(jī)司機(jī)室與吊具動態(tài)特性.............................-50-

3.2司機(jī)輸入及投影動畫的響應(yīng)控制技術(shù)............................-56-

4利用仿真模擬器進(jìn)行作業(yè)培訓(xùn).........................................-58-

4.1起重機(jī)操作模擬系統(tǒng)的培訓(xùn)目標(biāo)與內(nèi)容..........................-58-

4.2起重機(jī)操作模擬系統(tǒng)的培訓(xùn)質(zhì)量考核評價.......................-62-

5保證項目質(zhì)量的技術(shù)力量及技術(shù)措施...................................-64-

5.1保證項目質(zhì)量的技術(shù)力量......................................-64-

5.2保證項目質(zhì)量的技術(shù)措施.......................................-64-

6保證項目的組織方案及人力資源安排...................................-65-

6.1項目組織實施方案............................................-65-

6.2項目施工管理措施............................................-68-

6.3項目組織管理及人力安排..........................................-69-

7安裝、調(diào)試及驗收方案...............................................-71-

7.1安裝、調(diào)試方案..............................................-71-

7.2驗收方案....................................................-71-

8技術(shù)服務(wù)、技術(shù)培訓(xùn)I、售后服務(wù)的內(nèi)容和措施..........................-72-

8.1技術(shù)服務(wù)方案................................................-72-

8.2技術(shù)培訓(xùn)方案................................................-73-

8.3售后服務(wù)方案................................................-74-

1系統(tǒng)概述

1.1總體介紹

一般來說，凡是需要有一個或一組熟練人員進(jìn)行操作、控制、管理或決策的

工作，例如汽車、飛機(jī)、船舶的駕駛，外科手術(shù)、消防、各類工業(yè)設(shè)備的操作等

都需要進(jìn)行專門的職業(yè)技能訓(xùn)練。過去的職業(yè)訓(xùn)練基本上都在實際系統(tǒng)中進(jìn)行，

但隨著設(shè)備復(fù)雜程度提高，或者操作設(shè)備存在著危險性，就需要對培訓(xùn)方式進(jìn)行

改革和提高。而隨著計算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多媒體技術(shù)、自動控制技術(shù)的

飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以計算機(jī)系統(tǒng)為核心和操縱控制臺為基礎(chǔ)構(gòu)成的各種模擬

仿真訓(xùn)練系統(tǒng)已成為當(dāng)今重大生產(chǎn)設(shè)備或過程控制設(shè)備操作人員上崗工作、培訓(xùn)

的必備手段，受到國內(nèi)外工業(yè)界的高度重視，并在航天航空、火力及核能發(fā)電、

石油化工、軍事、航海等許多領(lǐng)域得到廣泛使用。目前，模擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)已逐

步成為培訓(xùn)飛機(jī)、汽車、船舶等駕駛?cè)藛T的重要設(shè)備之一。

起重機(jī)是冶金、制造、港口、水電、建筑、鐵路貨場、倉儲中心、工廠等部

門裝卸貨物的主要設(shè)備，也是一種容易出安全事故的設(shè)備。起重機(jī)械的操作涉及

到財產(chǎn)與生命安全。現(xiàn)代起重機(jī)日益朝著高速化、大型化、重載化及自動化方向

發(fā)展，組成越來越復(fù)雜、成本越來越高，對操作人員的素質(zhì)要求愈來愈高。由于

起重機(jī)應(yīng)用在不同行業(yè)領(lǐng)域，其種類繁多，操作技術(shù)多樣，在生產(chǎn)過程中不僅要

完成駕駛操作，更要與起重工協(xié)調(diào)一致、安全地完成吊裝等裝卸工作。另外，現(xiàn)

代大型起重機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴，訓(xùn)練時因操作不當(dāng)而引起的破壞程度和危險

性都會大大增加。許多情況下起重機(jī)生產(chǎn)繁忙，尤其是沿海港口，根本沒有空閑

時間給學(xué)員進(jìn)行訓(xùn)練，這一切都為起重機(jī)新司機(jī)的培養(yǎng)和訓(xùn)練工作帶來極大的挑

戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和企業(yè)生產(chǎn)管理水平的提高，人們迫切需要一

種安全、快速、高效的培訓(xùn)方式，集虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、

自動化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品一一大型起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬

器的研制就應(yīng)運而生。

起重機(jī)操作訓(xùn)練模擬器相對于目前傳統(tǒng)的操作培訓(xùn)方式，具有很多突出的優(yōu)

-1-

占-

八、、?

1、安全性好。使用模擬訓(xùn)練機(jī)可以仿真高速、重載以及其它非常危險的環(huán)

境，以實現(xiàn)有安全保障的訓(xùn)練，杜絕事故隱患，減少事故損失。

2、經(jīng)濟(jì)性好。模擬訓(xùn)練機(jī)的成本遠(yuǎn)低于實際起重設(shè)備。在訓(xùn)練過程中，還

可以免除實機(jī)操作中的油耗、電耗及零部件的磨損。同時，模擬訓(xùn)練機(jī)使用周期

長，維護(hù)簡單，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢不可忽略。

3、適用面廣。在模擬訓(xùn)練機(jī)軟件系統(tǒng)中，可以方便地設(shè)定各種訓(xùn)練條件和

參數(shù)，模擬不同的使用工況和環(huán)境條件；在同一套硬件系統(tǒng)中，配置不同類型的

起重機(jī)模擬訓(xùn)練功能模塊，實現(xiàn)一機(jī)多用。例如，一臺起重機(jī)模擬訓(xùn)練機(jī)可以同

時擁有橋門式起重機(jī)、港口岸邊集裝箱起重機(jī)、集裝箱堆場龍門起重機(jī)、港口橋

式抓斗卸船機(jī)、門座起重機(jī)等多種類型起重機(jī)的操作訓(xùn)練功能。

4、培訓(xùn)效果好。通過使用模擬訓(xùn)練機(jī)，可以大大縮短學(xué)員的整個培訓(xùn)周期,

使學(xué)員在較短的時間內(nèi)完成培訓(xùn)任務(wù)。另外，模擬訓(xùn)練機(jī)可以非常方便地模擬出

實際訓(xùn)練中很少遇到的突發(fā)性意外事件，培養(yǎng)學(xué)員準(zhǔn)確的判斷能力、良好的心理

素質(zhì)，以及正確處理緊急情況的能力，從而提高培訓(xùn)質(zhì)量。

5、軟、硬件不斷升級。起重機(jī)操作模擬訓(xùn)練機(jī)軟、硬件可以不斷升級，維

護(hù)方便，與時俱進(jìn)，適應(yīng)新型起重機(jī)的產(chǎn)生和技術(shù)性能不斷提高的要求。

6、在起重機(jī)操作模擬訓(xùn)練機(jī)上對學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)時，教員可以方便地監(jiān)控學(xué)

員的學(xué)習(xí)狀態(tài)、安全意識、技術(shù)掌握的熟練程度，計算機(jī)系統(tǒng)可以客觀地對學(xué)員

進(jìn)行操作評分。

大型起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬操作系統(tǒng)作為一種新的培訓(xùn)手段，將改變傳統(tǒng)

的起重機(jī)操作培訓(xùn)方式，促進(jìn)起重機(jī)行業(yè)，尤其是我國的港口起重機(jī)司機(jī)崗前培

訓(xùn)及繼續(xù)教育工作的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值。

現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實技術(shù)是起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬操作系統(tǒng)研制的核心技術(shù)。它的發(fā)

展有力地推動了職業(yè)培訓(xùn)模式的變革。

-2-

1.2系統(tǒng)功能介紹

0NEW-210由駕駛室、教員臺控制系統(tǒng)、三維成像視景系統(tǒng)和PLC邏輯控制

系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、教學(xué)投影系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)等模塊組成。其工作原理如圖

1-1所示。

其中，教員臺控制系統(tǒng)為整個仿真系統(tǒng)的控制者，各個部分的運作可由它通

過發(fā)送命令數(shù)據(jù)來控制，同時它也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站。教員臺系統(tǒng)接受來自

PLC的數(shù)據(jù)，包括來自操縱臺的數(shù)據(jù)，并實時發(fā)送給視景系統(tǒng)來驅(qū)動視景。同時

它接受視景系統(tǒng)的反饋信息，并實時反饋信息和直接控制PLC以達(dá)到控制操作臺

的目的。視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)用來產(chǎn)生圖像和聲音。駕駛室內(nèi)有操作臺、投影屏

等用于訓(xùn)練操作。PLC直接與操縱臺相聯(lián)，在控制兩者的同時，接受它們的信息

反饋。

0NEW-210起重機(jī)仿真操作模擬器的主要功能包括：

（1）模擬器能一機(jī)多用，已經(jīng)具有下面五種起重機(jī)的訓(xùn)練功能，并可再擴(kuò)

展其他機(jī)型的訓(xùn)練功能：1）岸邊集裝箱橋式起重機(jī)；2）輪胎式集裝箱門式起重

機(jī)；3）橋式抓斗卸船機(jī)；4）門座式起重機(jī)；5）通用橋式起重機(jī)；

-3-

（2）起重機(jī)駕駛操作環(huán)境取自于大型港口和大型工業(yè)企業(yè)典型車間，環(huán)境

高度逼真，沉浸感非常好，座椅及手動操作臺與實際起重機(jī)司機(jī)駕駛室的一樣，

與實際駕駛環(huán)境一致。

（3）可生成不同氣候條件的訓(xùn)練工況；

（4）模擬器已經(jīng)具備良好的兼容性和可擴(kuò)充性，以后可以增加其他類型起

重機(jī)的訓(xùn)練軟件，而不需要增加或改變主要的硬件配置；

（5）模擬器具有起重機(jī)司機(jī)考試功能，考核程序和內(nèi)容符合國家或行業(yè)標(biāo)

準(zhǔn)，并可根據(jù)考核程序的變化而調(diào)整；

（6）模擬器的視景具有普通三維和立體兩種顯示功能，普通三維培訓(xùn)司機(jī)

基本操作技能，立體視景培訓(xùn)司機(jī)的空間定位感覺，以供用戶選擇使用；

（7）模擬器設(shè)計思想新穎、設(shè)計目標(biāo)明確，僅針對起重機(jī)司機(jī)的培訓(xùn)和考

核，系統(tǒng)硬件組成簡單、管理維護(hù)比較簡便、可靠性高、穩(wěn)定性好、使用方便。

模擬器實物圖如下：

-4-

1.3技術(shù)規(guī)格

0NEW-210起重機(jī)仿真操作模擬器軟件主要由仿真訓(xùn)練軟件、考核軟件、教

學(xué)管理軟件、環(huán)繞視景顯示控制軟件、操作臺及其監(jiān)控軟件等組成

（一）仿真訓(xùn)練軟件的技術(shù)性能

（1）已經(jīng)具備港口岸邊集裝箱橋式起重機(jī)、輪胎式集裝箱門式起重機(jī)、橋

式抓斗卸船起重機(jī)、門座式起重機(jī)、通用橋式起重機(jī)五類起重機(jī)的訓(xùn)練功能；

（2）可在一定范圍內(nèi)設(shè)置或改變起重機(jī)的速度參數(shù)；

1）岸邊集裝箱橋式起重機(jī)

起升速度：40-180m/min；起重小車行駛速度：30-350m/min；大車行走速度:

10-50m/min；岸邊集裝箱起重機(jī)前伸臂俯仰時間：小于6分鐘；

2）輪胎式集裝箱門式起重機(jī)

起升速度:20-180m/min；小車行駛速度:30-350m/min；大車行走速度:

10-120m/min;可在指定區(qū)域進(jìn)行輪胎90度角旋轉(zhuǎn)，然后行走。

3）橋式抓斗卸船起重機(jī)

起升速度：30-200m/min；起重小車行駛速度：40-350m/min；大車行走速度:

5-40m/min；

4）門座式起重機(jī)

旋轉(zhuǎn)速度:0-2r/min；變幅速度：5-25m/min；起升速度:30-180m/min；

大車行走速度：10-40m/min；

5）通用橋式起重機(jī)

起升速度:20-180m/min；小車行駛速度:30-350m/min；大車行走速度:

20-150m/min；

（3）天氣條件設(shè)置的無級化功能

晴天---多云----陰天----小雨----中雨----大雨，雷電，無級可調(diào)；

-5-

風(fēng)力：無風(fēng)一一6級，無級可調(diào)，風(fēng)向可變;

霧：無霧---小霧----大霧，無級可調(diào)；

白天一一夜晚，無級可調(diào)。

（4）裝卸船舶的船型有三種供可選擇，遠(yuǎn)洋海運船舶（5-15萬噸級）、近

海運輸船舶（2-5萬噸級）和內(nèi)河船舶（0.1-2萬噸級）；

（5）集裝箱起重機(jī)能進(jìn)行20尺、40尺、雙20尺集裝箱的裝卸訓(xùn)練；

（6）訓(xùn)練強(qiáng)度和難度能根據(jù)在規(guī)定的時間內(nèi)要求學(xué)員完成的裝卸貨物量、

學(xué)員做關(guān)鍵操作動作時的難易程度等條件進(jìn)行分級設(shè)定。

（7）起重機(jī)操作大型模擬器吊具的動態(tài)模型是根據(jù)理論和實際現(xiàn)場綜合研

究的成果所建立，其動態(tài)特性與實際工況對應(yīng)一致。

（8）模擬器可根據(jù)用戶需求定制各種作業(yè)場景。

（二）考核軟件的技術(shù)性能

（1）通用橋式起重機(jī)司機(jī)的考核程序和內(nèi)容符合國家質(zhì)檢總局頒布的起重

機(jī)司機(jī)考核大綱要求；

（2）岸邊集裝箱起重機(jī)、輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)、橋式抓斗起重機(jī)、港

口門座起重機(jī)司機(jī)的考核程序和內(nèi)容符合港口行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求；

（3）模擬器能夠自動給學(xué)員判分。

（三）教學(xué)管理軟件的技術(shù)性能

（1）學(xué)員可以根據(jù)食指指紋或?qū)W號登記上機(jī)，每位學(xué)生都有單獨的訓(xùn)練記

錄條目；

（2）能記錄和查詢學(xué)員在訓(xùn)練或考核中的失誤次數(shù)或不規(guī)范操作的次數(shù)，

包括吊具或貨物碰到其它物體的次數(shù)及強(qiáng)度，碰撞強(qiáng)度等級分為4-5級。

（3）能記錄和查詢學(xué)員在訓(xùn)練或考核中的平均作業(yè)效率；

（4）能記錄和查詢學(xué)員的總體訓(xùn)練時間和每次上機(jī)的課時訓(xùn)練時間；

-6-

（5）能記錄和查詢學(xué)員操作的起重機(jī)吊具運行軌跡；

（6）能記錄和查詢學(xué)員在歷次考核中的分?jǐn)?shù)；

（7）能打印學(xué)員的成績報告單；

（8）能進(jìn)行訓(xùn)練條件或參數(shù)的設(shè)定。

（四）環(huán)繞視景顯示控制軟件的技術(shù)性能

（1）能選擇訓(xùn)練環(huán)境的圖像顯示方式：3D立體模式或普通三維模式；

（五）操作臺及其監(jiān)控軟件的技術(shù)性能

軟件能支持教師完成學(xué)員學(xué)習(xí)及考核的全程監(jiān)控，可進(jìn)行訓(xùn)練或考核內(nèi)容、

難度的設(shè)定。

-7-

2總體框架及解決方案

2.1起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的總體功能設(shè)計

通用橋式起重機(jī)是工礦企業(yè)應(yīng)用最廣泛的起重機(jī)械，而岸邊集裝箱橋式起重

機(jī)（簡稱岸橋）、集裝箱堆場輪胎龍門起重機(jī)（簡稱輪胎場橋）、散貨橋式抓斗卸

船機(jī)、門座起重機(jī)都是港口的大型裝卸設(shè)備，擔(dān)負(fù)著重要的裝卸任務(wù)，起重量大

都在十幾噸至數(shù)十噸，甚至上百噸，其造價也都在數(shù)百萬至數(shù)千萬元之上。這五

種起重機(jī)由多種運動機(jī)構(gòu)組成，駕駛室離吊具距離遠(yuǎn)，司機(jī)往往要同時做多個機(jī)

構(gòu)的聯(lián)合動作才能完成裝卸工作，操作難度都比較高，由于起重行業(yè)的特殊性，

安全要求就更高。雖然這是五種不同類型的起重機(jī)，但它們的機(jī)構(gòu)組成有相似或

相同的部分，比如I,都有起升機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)等。這為起重機(jī)集成模擬系統(tǒng)的研

制奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

五種類型起重機(jī)的功能結(jié)構(gòu)和駕駛操作要求

1）岸邊集裝箱橋式起重機(jī)（簡稱岸橋）

岸邊集裝箱橋式起重機(jī)的主要機(jī)構(gòu)有大車行走、小車行走、起升機(jī)構(gòu)、前伸

臂俯仰機(jī)構(gòu)、集裝箱吊具對位機(jī)構(gòu)等。司機(jī)要進(jìn)行五個機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)操作，完成集

裝箱的裝卸船。卸船時，司機(jī)首先放下前伸臂，駕駛大車完成與船舶上集裝箱貝

-8-

位的對應(yīng)定位，然后，駕駛小車和起升結(jié)構(gòu)使吊具與船舶上的集裝箱對位，放下

吊具并鎖定集裝箱，操縱起升機(jī)構(gòu)提起集裝箱，駕駛小車和起升機(jī)構(gòu)把集裝箱放

到在岸邊等待的集裝箱卡車上，松開并提升吊具。裝船時，過程相反。操作過程

中，集裝箱吊具對位是比較難以掌握的駕駛技巧，尤其是操作起升高度較高的大

型岸橋，吊具晃動大。要求司機(jī)眼明手快感覺好。

2）集裝箱堆場輪胎龍門起重機(jī)（簡稱輪胎場橋）

集裝箱堆場輪胎龍門起重機(jī)的主要機(jī)構(gòu)有大車行走、小車行走、起升機(jī)構(gòu)、

集裝箱吊具對位機(jī)構(gòu)、大車轉(zhuǎn)場的輪胎轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等。司機(jī)需要進(jìn)行四個機(jī)構(gòu)的協(xié)

調(diào)操作以完成集裝箱在堆場的堆存作業(yè)。存箱時，司機(jī)首先駕駛大車完成與集卡

上集裝箱的對應(yīng)定位,然后，駕駛小車和起升機(jī)構(gòu)使吊具與集卡上的集裝箱對位,

放下吊具并鎖定集裝箱，操縱起升機(jī)構(gòu)提起集裝箱，駕駛小車和起升機(jī)構(gòu)把集裝

箱放到堆場上對應(yīng)的箱位上，松開并提升吊具。取箱時，過程相反。操作過程中，

大車行走不跑偏是比較難以掌握的駕駛技巧，尤其是駕駛起重機(jī)長距離行走時。

這需要司機(jī)駕駛技術(shù)熟練且注意力集中才能高效率的工作。

-9-

3）散貨橋式抓斗卸船機(jī)

散貨橋式抓斗卸船機(jī)機(jī)的主要機(jī)構(gòu)有大車行走、小車行走、起升下降、前伸

臂俯仰、抓斗開閉等。司機(jī)需要進(jìn)行五個機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)操作以完成散貨的卸船作業(yè)。

卸船時，司機(jī)首先駕駛大車完成與船舶上艙位的對應(yīng)定位，然后，駕駛小車和起

升機(jī)構(gòu)使抓斗與船舶上的艙位對位，降下抓斗至散貨堆面上，然后閉合抓斗抓起

貨物，操縱起升機(jī)構(gòu)提起抓斗，駕駛小車和起升機(jī)構(gòu)把抓斗放到漏斗的正上方，

松開抓斗使散貨落入漏斗中。操作過程中，準(zhǔn)確吊運貨物，如：鋼絲繩不能碰到

艙口等，是比較難以掌握的駕駛技巧，這也需要司機(jī)操作技術(shù)熟練且作業(yè)過程中

思想集中，密切注意周圍環(huán)境才能使作業(yè)高效且安全地進(jìn)行。

-10-

4）門座式起重機(jī)（簡稱門機(jī)）

門座式起重機(jī)具有起升、運行、變幅、回轉(zhuǎn)四大工作機(jī)構(gòu)，即可完成貨物升

降、起重機(jī)運行、回轉(zhuǎn)以及帶載變幅等動作。作業(yè)過程中，司機(jī)需要進(jìn)行四個機(jī)

構(gòu)的協(xié)調(diào)操作以完成貨物的裝卸船，其中起重機(jī)的起升、變幅、回轉(zhuǎn)三個機(jī)構(gòu)可

以聯(lián)合動作，提高裝卸效率。以裝卸件雜貨作業(yè)為例，在完成門機(jī)大車與船舶的

定位后，司機(jī)操縱起升、回轉(zhuǎn)、變幅三個機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合動作使吊具與船舶上的貨

物對位，放下吊具，由裝卸工把貨物掛上吊具；然后，司機(jī)操縱起升、回轉(zhuǎn)、變

幅三個機(jī)構(gòu)把貨物放到在岸邊等待的平板車上或堆場上，在裝卸工的協(xié)助下把貨

物放下，然后提升吊具。操作過程中，司機(jī)要注意與裝卸工配合，熟練操作各個

機(jī)構(gòu)，減少吊鉤的晃動?？刂频蹉^的運動是比較難以掌握的駕駛技巧，尤其是在

門機(jī)起升高度較高或吊掛不當(dāng)時，吊具晃動大。要求司機(jī)操作技術(shù)熟練，控鉤能

力強(qiáng)才能高效率工作。

-11-

5）通用橋式起重機(jī)

通用橋式起重機(jī)是應(yīng)用最廣泛的起重機(jī)，又稱“行車”，主要機(jī)構(gòu)有大車運

行機(jī)構(gòu)、小車行走機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)等。司機(jī)需要進(jìn)行三個機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)操作以完成

貨物的搬運作業(yè)。搬運貨物時，在裝卸工的協(xié)助下，司機(jī)首先駕駛大車行走機(jī)構(gòu)

與小車行走機(jī)構(gòu)完成與貨物的對應(yīng)定位，操縱起升機(jī)構(gòu)使吊具與貨物對位，在裝

卸工的協(xié)助下鉤定貨物；然后，操縱起升機(jī)構(gòu)提起貨物，操縱大車行走機(jī)構(gòu)與小

車行走機(jī)構(gòu)把貨物運輸?shù)街付ㄎ恢蒙戏?，操作起升機(jī)構(gòu)把貨物放在指定位置上，

在裝卸工的協(xié)助下松開并提升吊具。由于行車一般裝備在生產(chǎn)車間里，車間里往

往有許多體積大小不一、尺寸高低不等的生產(chǎn)設(shè)備、物料、產(chǎn)品等雜物，還有工

作人員來回穿梭走動，工作環(huán)境復(fù)雜多變，這就要求司機(jī)技術(shù)熟練、責(zé)任心強(qiáng)、

態(tài)度認(rèn)真才能高效安全地完成任務(wù)。

2.1.1五種類型起重機(jī)駕駛操作模擬系統(tǒng)集成的技術(shù)可行性

1）工作機(jī)構(gòu)功能相似性

這五種起重機(jī)都是由多種運動機(jī)構(gòu)組成,其中它們的機(jī)構(gòu)組成有相似或相同

的部分，如起升機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)等，見表2.1。

-12-

表2.1五種起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)對比表

岸橋場橋橋式卸船機(jī)門機(jī)行車

起升機(jī)構(gòu)有有有有有

大車行走有有有有有

小車運行有有有無有

俯仰機(jī)構(gòu)有無有無無

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)無無無有無

變幅機(jī)構(gòu)無無無有無

吊具控制有有有無無

在這些起重機(jī)的運動機(jī)構(gòu)中，岸橋和橋式抓斗卸船機(jī)的俯仰機(jī)構(gòu)是非工作機(jī)

構(gòu)，裝卸貨物時不再操作它們。從表2.1可以看出，這為起重機(jī)集成模擬系統(tǒng)的

技術(shù)可行性奠定了基礎(chǔ)。

2）駕駛室結(jié)構(gòu)和司機(jī)操作裝置的相似性

五種類型的起重機(jī)的駕駛室在結(jié)構(gòu)和布局上都頗為相似，都是由一個座椅、

左右兩個聯(lián)動臺等組成的，聯(lián)動臺前端上各有一個操作手柄，聯(lián)動臺面版上有多

個控制按鈕、開關(guān)和指示燈，見圖2-6。門機(jī)駕駛室司機(jī)座位前下方上還有一個

腳踏板給旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動。起重機(jī)操作手柄是一種四維運動的控制裝置，手握住它

可以向前、后、左、右推動，控制起重機(jī)各機(jī)構(gòu)做不同的動作，其控制功能如表

2.2o

-13-

圖2-6起重機(jī)駕駛室聯(lián)動臺與座位平面布置圖

表2.2五種類型的起重機(jī)司機(jī)操作手柄與聯(lián)動臺面版主要控制功能表

岸橋場橋橋式卸船機(jī)門機(jī)行車

前推吊具下降吊具下降吊具下降吊具下降吊具下降

右后推吊具起升吊具起升吊具起升吊具起升吊具起升

手

柄左推大車左行大車左行大車左行大車左行大車左行

右推大車右行大車右行大車右行大車右行大車右行

前推小車前進(jìn)小車前進(jìn)小車前行吊具前行小車前行

左后推小車后退小車后退小車后退吊具后退小車后退

手

柄左推///小車左轉(zhuǎn)/

右推///小車右轉(zhuǎn)/

吊具伸縮吊具伸縮抓斗開鎖//

吊具開鎖吊具開鎖抓斗閉鎖//

面版主要

控制按鈕吊具閉鎖吊具閉鎖///

大臂俯仰/大臂俯仰//

起重機(jī)司機(jī)室聯(lián)動臺面版上還有許多指示燈用于顯示機(jī)電系統(tǒng)工作狀態(tài)。這

里就不做一一介紹了。從表2.2和圖2-6可以看出，這五種起重機(jī)的司機(jī)操作裝

置在硬件主體結(jié)構(gòu)上基本相同，面版上的控制按鈕和手柄可以根據(jù)不同的起重機(jī)

賦予不同的控制功能，這些控制功能可以由模擬系統(tǒng)的軟件來完成，當(dāng)然，也可

以用更換面版的方式來適應(yīng)不同的起重機(jī)模擬訓(xùn)練，面版更換是一件非常簡單的

工作。起重機(jī)駕駛室結(jié)構(gòu)和司機(jī)操作裝置的相似性成為集成模擬系統(tǒng)的技術(shù)可行

性奠定了硬件基礎(chǔ)。

3）司機(jī)視野的相似性

五種起重機(jī)司機(jī)的視野基本相似，工作時都需要通過司機(jī)室的玻璃窗密切觀

察周圍的場景變化和人物運動，確保安全。當(dāng)然，不同的起重機(jī)司機(jī)觀察的主視

點不同。岸橋、場橋、橋式抓斗卸船機(jī)主要往下看；門機(jī)、行車即要往前下方看,

又要根據(jù)貨物的移動方向向左右看；起重機(jī)大車移動時，都要重點向左右觀察移

-14-

動方向的場景。這些視野需求的共同點就是視野的環(huán)繞性或包裹性，模擬系統(tǒng)的

投影部分設(shè)計會充分考慮這一點，在司機(jī)室四周及下方設(shè)立投影幕布構(gòu)造視野環(huán)

境，使不同起重機(jī)的司機(jī)都會感受到強(qiáng)烈的、只有真實現(xiàn)場才具有的沉浸氛圍。

從以上論述的五種不同起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)功能的相似性、駕駛室結(jié)構(gòu)與司機(jī)操

作裝置的相似性、司機(jī)視野相似性的內(nèi)容看，基于現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計一臺能

夠培訓(xùn)這五種起重機(jī)新司機(jī)的操作訓(xùn)練模擬系統(tǒng)是完全可行的。

2.1.2起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的功能定位

港口起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)要完成五種起重機(jī)新司機(jī)的培訓(xùn)任務(wù)。五

種起重機(jī)駕駛操作既有相似的內(nèi)容，又有不同的要求。因此，研制的起重機(jī)操作

訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)至少應(yīng)該具備如下內(nèi)容：

（1）完備的起重機(jī)操作訓(xùn)練功能。起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)能夠以高

清晰的圖像運動模擬岸橋、輪胎場橋、橋式抓斗卸船機(jī)、門機(jī)、通用橋式起重機(jī)

等所有工作機(jī)構(gòu)的作業(yè)動作、吊具與貨物的晃動，遵循各類型起重機(jī)的安全操作

規(guī)程，可以提示新學(xué)員的操作失誤，追蹤學(xué)員的操作軌跡。駕駛操作還可以分難

度級別，從而達(dá)到逐步培訓(xùn)新學(xué)員的目的。

（2）真實的駕駛操作環(huán)境。提供完整真實的、與實際起重機(jī)駕駛室一樣大

小的司機(jī)培訓(xùn)室和操作系統(tǒng)，包括座椅、聯(lián)動臺、門窗、走道等，具有與實際一

樣的操作駕駛環(huán)境，實現(xiàn)同樣的功能。

（3）高度的視景沉浸感和真實的音響效果。用高清晰的場景畫面和大型投

影幕布環(huán)繞司機(jī)室，司機(jī)正常觀察視角都有高清晰的作業(yè)場景畫面，畫面具有層

次感，遠(yuǎn)景近景與實際相符；模擬系統(tǒng)能發(fā)出與實際場景和起重機(jī)工作相對應(yīng)的

聲響，比如，大車行走的特殊鳴笛聲、機(jī)器轟鳴聲等，使司機(jī)有身臨其境的感覺。

（4）真實的司機(jī)室動態(tài)特性。司機(jī)室整體結(jié)構(gòu)可以跟隨司機(jī)的駕駛操作做

不同方向的運動或晃動，司機(jī)會有起重機(jī)工作產(chǎn)生的晃動感、加速感或制動感。

（5）靈活定制的氣象條件。模擬系統(tǒng)可以輸入?yún)?shù)或選擇參數(shù)來產(chǎn)生必要

-15-

的天氣條件、風(fēng)力風(fēng)向，并真實反映氣象條件的變化對起重機(jī)操作的影響，以培

訓(xùn)學(xué)員全天候的適應(yīng)性。比如，風(fēng)力風(fēng)向的變化會影響貨物或吊具的裝卸定位，

晴天操作與雨天操作對司機(jī)視線有影響。

（6）意外事件的處置訓(xùn)練。針對不同類型起重機(jī)工作時可能出現(xiàn)的意外事

件，訓(xùn)練司機(jī)處置意外事件的能力，使學(xué)員具備處理意外事件的正確操作步驟和

技巧；而意外事件的訓(xùn)練是常規(guī)訓(xùn)練沒有辦法進(jìn)行的。

（7）先進(jìn)的教學(xué)管理系統(tǒng)。教學(xué)管理系統(tǒng)是港口起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)

的重要組成部分。教學(xué)系統(tǒng)分為考試模塊和日常管理模塊。日常管理模塊可以記

錄學(xué)員的訓(xùn)練次數(shù)、失誤次數(shù)、失誤程度、學(xué)習(xí)成績等，建立學(xué)員學(xué)習(xí)檔案?？?/p>

試模塊的原則符合國家質(zhì)檢總局頒布的起重機(jī)司機(jī)考核大綱，考核內(nèi)容和程序符

合國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

-16-

2.2起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的總體組成及硬件設(shè)計

2.2.1起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)港口起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的功能定位，設(shè)計其總體結(jié)構(gòu)。起重

機(jī)模擬系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)組成有：司機(jī)駕駛培訓(xùn)室、教師與系統(tǒng)控制機(jī)、三維影象

投影系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、學(xué)員觀摩室等。為了更好的體現(xiàn)現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實技術(shù)的思想

精髓，反映交互性、沉浸感和創(chuàng)意性，本集成模擬系統(tǒng)設(shè)計的基本原則是：（1）

交互操作真實化；（2）視野環(huán)境沉浸化；（3）訓(xùn)練功能全面化。集成模擬系統(tǒng)和

主要硬件設(shè)計就是圍繞這三條原則進(jìn)行。

起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的總體組成如圖2-7和2-8所示。

座椅操作者

右控制臺左控制臺

右視景屏幕

左視景屏幕

右投影儀左投影儀

前視景屏幕、視景屏幕

前投影儀下投影儀

圖2-7起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

-17-

學(xué)員座椅

□CPD□

視景監(jiān)視器口教師計算機(jī)

學(xué)員操作監(jiān)視器

視景投影屏幕□'□a

o

教師

圖2-8起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的觀摩系統(tǒng)布局

2.2.2起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的主要硬件

1、司機(jī)駕駛培訓(xùn)室

完全真實起重機(jī)司機(jī)駕駛室，如圖2-9照片所示。司機(jī)駕駛培訓(xùn)室是提供學(xué)

員實際操作學(xué)習(xí)的地方，其結(jié)構(gòu)布局、尺寸大小、內(nèi)部環(huán)境與真實的起重機(jī)駕駛

室基本一樣，有真實的操作聯(lián)動臺、司機(jī)座椅、操作手柄、開關(guān)、按鈕、儀表、

指示器等部件。

為了滿足五種起重機(jī)的操作訓(xùn)練要求，操作聯(lián)動臺上的手柄功能依據(jù)對應(yīng)起

重機(jī)的類型而設(shè)定，見表2.2。面版上各種開關(guān)、按鈕、儀表、指示燈等也與起

重機(jī)類型對應(yīng)，必要時可以更換聯(lián)動臺面版。在司機(jī)座位下面加設(shè)一個腳踏板，

專門控制門機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運動。

-18-

圖2-9起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的司機(jī)駕駛室（照片一）

2、教師與系統(tǒng)控制機(jī)

教師與系統(tǒng)控制機(jī)如圖2-10所示。教師與系統(tǒng)控制機(jī)由教師監(jiān)管系統(tǒng)和系

統(tǒng)控制機(jī)組成，教師監(jiān)管系統(tǒng)主要用于教師監(jiān)督學(xué)員學(xué)習(xí)過程、控制學(xué)習(xí)內(nèi)容、

記錄學(xué)員的學(xué)習(xí)資料等教學(xué)環(huán)節(jié)。

系統(tǒng)控制機(jī)主要是用于控制司機(jī)駕駛培訓(xùn)室、投影系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、學(xué)員觀

摩終端等設(shè)備，使它們產(chǎn)生和諧的訓(xùn)練氛圍。系統(tǒng)控制機(jī)的主要硬件有司機(jī)操作

信號測試系統(tǒng)、主計算機(jī)等。其中司機(jī)操作信號測試系統(tǒng)的儀器有：位移傳感器、

PLC等。

圖2-10起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)教師管理控制機(jī)（照片）

3、三維立體影像投影系統(tǒng)

三維立體投影系統(tǒng)如圖2-11所示。三維影像投影系統(tǒng)是構(gòu)建起重機(jī)操作訓(xùn)

-19-

練虛擬訓(xùn)練環(huán)境的關(guān)鍵部分，可以投影普通三維影像和立體影像。四個高清晰的

投影儀和四塊大尺寸幕布圍繞司機(jī)室的左右兩側(cè)、正前方和前下方，使司機(jī)向這

幾個方向看時，都有虛擬畫面，與音響系統(tǒng)配合形成強(qiáng)烈的沉浸感。

圖2-11起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的投影系統(tǒng)

4、音響系統(tǒng)：該系統(tǒng)也是構(gòu)建起重機(jī)操作訓(xùn)練虛擬訓(xùn)練環(huán)境的關(guān)鍵部分。

環(huán)繞立體聲的音響設(shè)備，配合司機(jī)操作產(chǎn)生工作機(jī)構(gòu)的聲音，或，物體碰擊聲,

同時，在控制機(jī)的控制下，產(chǎn)生現(xiàn)場工作的各種聲音。

-20-

2.3起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的軟件模塊設(shè)計

起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)是本模擬系統(tǒng)的核心組成部分。軟

件系統(tǒng)主要分三大部分為：系統(tǒng)控制層、起重機(jī)操作層、教學(xué)監(jiān)控與管理。它們

各自又包含幾個子系統(tǒng)：

表2.3起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬軟件系統(tǒng)組成

一、系統(tǒng)控制層

1、模擬仿真服務(wù)器2、視景仿真系統(tǒng)3、音效仿真系統(tǒng)4、控制系統(tǒng)

二、起重機(jī)操作層

1、駕駛艙仿真系統(tǒng)2、模擬控制臺

三、教學(xué)監(jiān)控與管理

1、訓(xùn)練管理服務(wù)器2、學(xué)員管理服務(wù)器3、學(xué)員管理客戶端4、學(xué)員訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫

組成結(jié)構(gòu)如下圖:

圖2-15起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬模擬系統(tǒng)的軟件框圖

-21-

2.3.1系統(tǒng)控制層軟件

系統(tǒng)控制層主要控制整個集成模擬器的硬件，接收和發(fā)出各種控制信號，將

相關(guān)傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號或者把計算機(jī)控制指令轉(zhuǎn)化為模擬信號，

控制起重機(jī)模擬器的投影、司機(jī)操作的輸入和輸出信號、音響效果等；控制層軟

件主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、仿真模塊。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊

起重機(jī)操作模擬器的主要數(shù)據(jù)驅(qū)動源是司機(jī)室聯(lián)動臺的各項操作。在操作模

擬系統(tǒng)啟動之后,模型的運動控制都由聯(lián)動臺控制，而實現(xiàn)模型運動的第一步就

是要采集聯(lián)動臺的數(shù)據(jù)，其控制的要點為數(shù)據(jù)采集的實時性和準(zhǔn)確性。

聯(lián)動臺是學(xué)員與仿真訓(xùn)練系統(tǒng)交互的第一個設(shè)備，聯(lián)動臺面板是學(xué)員直接接

觸的界面。聯(lián)動臺面板上包括驅(qū)動手柄和驅(qū)動按鈕，不同的驅(qū)動設(shè)備類型對應(yīng)著

不同的數(shù)據(jù)類型。聯(lián)動臺數(shù)據(jù)采集時根據(jù)聯(lián)動臺的數(shù)據(jù)類型使用不同的采集方

法，聯(lián)動臺數(shù)據(jù)包括連續(xù)型信號和開關(guān)型信號，其中連續(xù)性信號主要為聯(lián)動臺面

板上的驅(qū)動手柄所發(fā)出的信號，二開關(guān)型信號主要為聯(lián)動臺上的驅(qū)動按鈕所發(fā)出

的信號。

本項目中實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的方法為單線程采集。開始時聯(lián)動臺數(shù)據(jù)采集單線程

采集操作方式，在操作模擬系統(tǒng)主線程內(nèi)建立一個采集、存放聯(lián)動臺手柄和按鈕

數(shù)據(jù)的函數(shù)，采集流程圖如圖2-16所示。

圖2-16單線程數(shù)據(jù)采集流程圖

-22-

從單線程采集流程圖中可以看出，聯(lián)動臺的各個通道的采集是在一個函數(shù)內(nèi)

進(jìn)行的，是在程序的固定位置統(tǒng)一進(jìn)行采集、存儲。在數(shù)據(jù)處理時通過采集后存

儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運算。

（2）數(shù)據(jù)處理模塊

在起重機(jī)操作模擬系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集后的數(shù)據(jù)處理。將采集到的無序的數(shù)據(jù)

變成可用的有序的數(shù)據(jù)。為了不影響仿真系統(tǒng)的仿真效果，要使得數(shù)據(jù)處理模塊

的時間復(fù)雜度低、運算速度快、運算結(jié)果精確，可擴(kuò)展，對于其他的系統(tǒng)也適用。

聯(lián)動臺手柄操作數(shù)據(jù)是通過手柄的擺角變化將位移信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再?/p>

用編碼器將電信號變?yōu)閿?shù)字信號，利用接口函數(shù)采集該信號輸入到數(shù)據(jù)處理程序

模塊進(jìn)行分析計算。聯(lián)動臺按鈕數(shù)據(jù)是通過按下按鈕，通過電信號轉(zhuǎn)化，再通過

編碼器編碼分通道通過數(shù)據(jù)采集函數(shù)與系統(tǒng)軟件模塊（程序）和系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)

據(jù)交互。

（3）數(shù)據(jù)輸出模塊

在PLC輸出計算機(jī)可識別的數(shù)字信號后，這些信號和起重機(jī)的參數(shù)一起作為

起重機(jī)動力學(xué)模型的輸入，計算出起重機(jī)當(dāng)前的工況和各個構(gòu)件的狀態(tài)數(shù)據(jù)。這

些數(shù)據(jù)被分別傳送到視景、音響，作為它們各自運行的輸入量，從而實現(xiàn)模擬系

統(tǒng)的實時控制。

2.3.2起重機(jī)操作層軟件模塊

起重機(jī)操作層主要是針對不同的起重機(jī)而開發(fā)的訓(xùn)練模塊，包括岸邊集裝箱

橋式起重機(jī)、集裝箱堆場龍門起重機(jī)、門座起重機(jī)、散貨橋式抓斗卸船機(jī)、通用

橋門式起重機(jī)；起重機(jī)操作層軟件模塊與系統(tǒng)控制層軟件、教學(xué)監(jiān)控與管理軟件

有對應(yīng)接口，接受或發(fā)送相關(guān)的數(shù)據(jù)或信號。

（1）岸邊集裝箱橋式起重機(jī)訓(xùn)練模塊

岸邊集裝箱橋式起重機(jī)訓(xùn)練模塊中包含岸橋、集裝箱、集卡、船舶、泊位場

景等元素。在此訓(xùn)練模塊中，司機(jī)需要駕駛岸橋，進(jìn)行多機(jī)構(gòu)的協(xié)同操作以完成

集裝箱的卸船和裝船作業(yè)。操作流程如前2.1.1節(jié)所述。岸橋訓(xùn)練模塊中又包含

-23-

多個子模塊，如開關(guān)機(jī)訓(xùn)練、裝船訓(xùn)練、卸船訓(xùn)練、大車行走、吊具控制、前伸

臂俯仰等，還可以進(jìn)行意外事件的處置訓(xùn)練，訓(xùn)練內(nèi)容總體符合港口行業(yè)常規(guī)。

圖2-17為岸邊集裝箱橋式起重機(jī)訓(xùn)練場景一一司機(jī)窗口視景。

圖2-17岸橋訓(xùn)練場景一一司機(jī)窗口視景

（2）集裝箱堆場輪胎龍門起重機(jī)訓(xùn)練模塊

集裝箱堆場輪胎龍門起重機(jī)訓(xùn)練模塊中包含輪胎場橋、集裝箱、集卡、堆場

等元素。在此訓(xùn)練模塊中司機(jī)需要駕駛輪胎場橋，進(jìn)行多機(jī)構(gòu)的協(xié)同操作以完成

集裝箱的堆存和出場作業(yè)。該模塊中還包含多個子模塊，如裝車訓(xùn)練、卸車訓(xùn)練、

大車行走訓(xùn)練、倒箱訓(xùn)練等，訓(xùn)練內(nèi)容符合港口行業(yè)常規(guī)。圖2T8為集裝箱堆

場輪胎龍門起重機(jī)訓(xùn)練場景。

圖2-18集裝箱堆場輪胎龍門起重機(jī)訓(xùn)練場景

（3）散貨橋式抓斗卸船機(jī)訓(xùn)練模塊

-24-

散貨橋式抓斗卸船機(jī)訓(xùn)練模塊中包含橋式抓斗卸船機(jī)、船舶、傳送帶、漏斗、

散貨（沙、煤炭、礦石）、泊位場景等元素。在此訓(xùn)練模塊中司機(jī)需要駕駛散貨

橋式抓斗卸船機(jī)，進(jìn)行多機(jī)構(gòu)的協(xié)同操作以完成散貨的卸船和裝船作業(yè)。具體操

作流程如2.1.1節(jié)所述。該訓(xùn)練模塊中又包含多個子模塊，如抓斗開閉合訓(xùn)練、

大車行走訓(xùn)練、特殊環(huán)境作業(yè)訓(xùn)練、實際生產(chǎn)作業(yè)訓(xùn)練等，訓(xùn)練內(nèi)容符合港口行

業(yè)常規(guī)。圖2T9為散貨橋式抓斗卸船機(jī)訓(xùn)練場景。

圖2-19散貨橋式抓斗卸船機(jī)訓(xùn)練場景

（4）門座式起重機(jī)訓(xùn)練模塊

門座式起重機(jī)訓(xùn)練模塊中包含門座式起重機(jī)、船舶、卡車、件雜貨（鋼材或

鋼卷）、指揮作業(yè)人員、外部場景等元素。在此訓(xùn)練模塊中司機(jī)需要駕駛門座式

起重機(jī)，進(jìn)行多機(jī)構(gòu)的協(xié)同操作以完成件雜貨的搬運作業(yè)。具體操作流程如

2.1.1節(jié)所述。該訓(xùn)練模塊中又包含多個子模塊，如吊具控制訓(xùn)練、大車行走訓(xùn)

練、特殊環(huán)境作業(yè)訓(xùn)練、實際生產(chǎn)作業(yè)訓(xùn)練等，訓(xùn)練內(nèi)容符合港口行業(yè)常規(guī)。圖

2-20為門座式起重機(jī)訓(xùn)練場景。

-25-

圖2-20門座式起重機(jī)訓(xùn)練場景

（5）通用橋式起重機(jī)訓(xùn)練模塊

通用橋式起重機(jī)訓(xùn)練模塊中包含通用橋式起重機(jī)、重物、指揮作業(yè)人員、外

部場景等元素。在此訓(xùn)練模塊中司機(jī)需要駕駛通用橋式起重機(jī)，進(jìn)行多機(jī)構(gòu)的協(xié)

同操作以完成重物的準(zhǔn)確吊運。具體操作流程如2.1.1節(jié)所述。該訓(xùn)練模塊中又

包含多個子模塊，如吊具控制訓(xùn)練、大車行走訓(xùn)練、長大件作業(yè)訓(xùn)練、吊桶穿桿

訓(xùn)練、實際生產(chǎn)作業(yè)訓(xùn)練等，訓(xùn)練內(nèi)容符合國家標(biāo)準(zhǔn)。圖2-21為通用橋式起重

機(jī)訓(xùn)練場景。

圖2-21通用橋式起重機(jī)訓(xùn)練場景

-26-

2.3.3教學(xué)監(jiān)控與管理軟件

教學(xué)監(jiān)控與管理軟件也是起重機(jī)操作訓(xùn)練集成模擬系統(tǒng)的重要組成部分。教

師通過教學(xué)監(jiān)控與管理軟件系統(tǒng)可實時了解學(xué)員的操作情況，還可通過教學(xué)管理

軟件調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，如設(shè)置天氣狀況、設(shè)定工況、設(shè)置故障讓學(xué)員處理等等。通

過教員控制臺主機(jī)實時顯示和記錄學(xué)員操作，并進(jìn)行評判。圖2-22為教學(xué)監(jiān)控

管理軟件界面。

教學(xué)監(jiān)控與管理軟件中也包含多個子模塊：(1)卡車設(shè)定模塊：管理訓(xùn)練中

載貨卡車的各種參數(shù)，如發(fā)車的間隔時間和卡車初始載貨情況。

(2)氣象設(shè)定模塊：管理訓(xùn)練場景中的天氣情況，如風(fēng)速、風(fēng)向、陣風(fēng)持續(xù)

時間、雨量、雪量等參數(shù)的設(shè)置。

(3)故障設(shè)定模塊：管理訓(xùn)練場景中起重機(jī)發(fā)生故障的情況，可設(shè)定訓(xùn)練中

起重機(jī)的各種故障。

(4)模擬極限模塊：管理訓(xùn)練場景中的系統(tǒng)模擬精度等參數(shù)，如旋鎖定位公

差、軌道縫隙等參數(shù)的設(shè)定。此模塊可設(shè)定操作人員完成訓(xùn)練的難易程度。

(5)動作調(diào)整模塊：管理訓(xùn)練項目中自動完成的動作參數(shù)。

(6)光線照明設(shè)定模塊：管理訓(xùn)練項目中的光線照明強(qiáng)弱，如模擬黑夜、白

天、黎明、黃昏等情況。

(7)起重機(jī)技術(shù)參數(shù)設(shè)定模塊：管理訓(xùn)練項目中的起重機(jī)技術(shù)參數(shù)情況，如

起重機(jī)類型的選擇、起重量、起升高度、機(jī)構(gòu)工作速度等參數(shù)的設(shè)定。

(8)集裝箱設(shè)定模塊：管理訓(xùn)練項目中的集裝箱參數(shù)，如集裝箱尺寸、裝船

數(shù)量、卸船數(shù)量等。

(9)數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊：主要監(jiān)測學(xué)生的訓(xùn)練過程，記錄起重機(jī)貨物或吊

具的運動軌跡，記錄貨物或吊具與其他物體碰撞次數(shù)和程度，記錄學(xué)員的裝卸效

率等數(shù)據(jù)信息，評價學(xué)員的訓(xùn)練質(zhì)量。

-27-

(10)訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫模塊：保存學(xué)員的訓(xùn)練記錄、成績、訓(xùn)練次數(shù)等，可查看

訓(xùn)練成績。

，：皿。

口有訓(xùn)練數(shù)據(jù)分析和考核功，能*

圖2-22教學(xué)監(jiān)控管理軟件界面

-28-

2.4視景系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.4.1視景系統(tǒng)的顯示方案

為了實現(xiàn)較高的沉浸感，本系統(tǒng)采用的PC機(jī)顯卡可實現(xiàn)多通道視景顯示。

不同于一般的虛擬環(huán)境，多通道視景顯示能夠給用戶提供寬視野的高分辨率、高

質(zhì)量視景影像。在各種用戶交互設(shè)備的支持下，系統(tǒng)擁有極佳的交互性，并能給

用戶提供一種前所未有的沉浸感。視景系統(tǒng)的多通道顯示技術(shù)以多臺高分辨率、

高帶寬的投影儀或顯示設(shè)備為基礎(chǔ)，提供高質(zhì)量三維影像或立體影像，各顯示通

道之間可以根據(jù)不同的應(yīng)用需要以不同的方式進(jìn)行組合，構(gòu)成各種不同類型的虛

擬環(huán)境。通過把屏幕定義為多個視角，共同投影到一個或幾個物面，從而模擬特

定的虛擬現(xiàn)實環(huán)境如車間視景、港口視景等。

視景投影系統(tǒng)的布局示意圖如圖2-23所示，硬件包括PC機(jī)、投影機(jī)、投影

屏幕等。PC機(jī)所執(zhí)行的駕駛模擬軟件程序提供駕駛模擬環(huán)境的視景模型，通過

PC機(jī)的串口將圖像模型實時傳輸至4臺投影機(jī)，其中4臺投影機(jī)分別對應(yīng)駕駛

者的四個視角，即一個正面視角，兩個側(cè)面視角和一個下面視角。4臺投影機(jī)的

圖像實時投影至4塊互成一定角度的投影屏幕上，實現(xiàn)多通道虛擬環(huán)境的視覺立

體顯示O

2.4.2投影屏幕

1、屏幕尺寸的確定

屏幕的尺寸取決于起重機(jī)司機(jī)室尺寸、空間高度、駕駛員觀察距離等諸多因

素，選擇屏幕尺寸要和安裝一塊考慮，以保證駕駛員能看清每一塊投影畫面的內(nèi)

容為標(biāo)準(zhǔn)。首先，駕駛室的有效觀察范圍要求保證安裝時屏幕底邊離地面距離

300?600mm；由于本項目所采用的起重機(jī)司機(jī)室的寬度為1600mm高度為2240mm,

這就要求屏幕的寬度要大于1600mm,因此在本系統(tǒng)中選擇120寸的投影屏幕較

為合適。

2、屏幕面料的選擇

-29-

屏幕面料的選擇是件兩難的事情，需要在增益和視角兩者之間進(jìn)行抉擇。增

益和視角是相互矛盾的，顧此必然失彼。增益大的屏幕（如珠光幕）能提到觀察亮

度，增益小的屏幕（如白塑幕）能擴(kuò)大視角。因此，選擇哪一種面料只能以實際使

用環(huán)境而定。本系統(tǒng)中對視角的要求都不高，所以選擇使用珠光幕。

3、屏幕數(shù)量的確定

由于起重機(jī)的作業(yè)視野一般都比較開闊，司機(jī)在操作過程中能看到前方、下

方、左方、右方四個方向的視景，所以需要在四個方向各安一塊屏幕才能滿足的

起重機(jī)作業(yè)時的視野需求。這種大視角的場景包圍即可真實的反映出起重機(jī)作業(yè)

的實際情況，也可給培訓(xùn)者以身臨其境的感覺，增加培訓(xùn)者的沉浸感。

4、屏幕的布置

四個投影屏幕的位置為主屏幕正對于駕駛室，與駕駛室的距離為1200mm,

左屏幕和右屏幕與主屏幕的夾角均為105°,下屏幕與主屏幕的夾角為125°o

具體結(jié)構(gòu)如圖2-24所示。

圖2-24投影屏幕布局

-30-

2.5視景系統(tǒng)的軟件設(shè)置

2.5.1三維場景的構(gòu)建

建模技術(shù)是虛擬現(xiàn)實研究的最重要領(lǐng)域，是建立整個仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是

虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。建模平臺的選擇、數(shù)據(jù)類型的選用、場景模型

的數(shù)據(jù)優(yōu)化對實現(xiàn)后續(xù)的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)有著重要的意義。目前，建模軟件很

多，常用的軟件有AutoCAD、3DMax,Maya,MultiGenCreator等。

1、三維實體建模

三維實體建模是場景構(gòu)建的主要工作內(nèi)容，它要在構(gòu)建場景地形地貌的基礎(chǔ)

之上，完成場景中所有的建筑物和外部景觀的幾何建模，本項目所需建立的港口

碼頭的實體包括：五種類型的起重機(jī)、堆場、閘口、建筑、集裝箱、船舶、集卡、

正面吊、堆高機(jī)、叉車等。

本項目使用3DMax軟件對大型起重機(jī)操作模擬系統(tǒng)進(jìn)行三維實體建模。下面

以港口起重機(jī)的建模為例，分析其建模流程。

通過起重機(jī)的結(jié)構(gòu)、建模方法以及繪圖軟件間的數(shù)據(jù)格式兼容等進(jìn)行分析研

究，設(shè)計了起重機(jī)的幾何建模流程，如圖2-25所示。

模型優(yōu)化

-31-

圖2-25起重機(jī)幾何建模流程

(1)分析五種類型的起重機(jī)總裝圖和零件圖，對其工作場景進(jìn)行分析，確

定各個模型間的關(guān)系及模型的場景結(jié)構(gòu)；

(2)使用3DMax建立五種類型起重機(jī)的三維幾何模型，使用了Optimize(優(yōu)

化)修改器，在不失真的前提下盡量減少模型的面數(shù)。對復(fù)雜模型可采用紋理材

質(zhì)貼圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

(3)合理地組織模型的層次關(guān)系，使用3DMax中的分組工具(Group,

Assembly和Character),按照運動控制需要把起重機(jī)模型合理分組。這不僅有

助于快速建模，還便于后期的模型管理和優(yōu)化。

④最后需要賦予起重機(jī)適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)紋理，使其在視覺上更好地模擬現(xiàn)實。

2、三維地形的建立

在起重機(jī)操作模擬系統(tǒng)中，所有的三維模型都需要放置于工作場景中。這個

工作場景主要是起重機(jī)進(jìn)行作業(yè)時所處的地理環(huán)境、建筑物特征等。因此要實現(xiàn)

逼真的模擬效果，必須建立一個完整的、逼真的虛擬環(huán)境。

虛擬場景的地形必須在滿足實時仿真要求的基礎(chǔ)上盡可能逼真，通過賦予

地形高度逼真的紋理特征來實現(xiàn)逼真的效果。地形的創(chuàng)建可以通過利用GIS空間

數(shù)據(jù)在虛擬現(xiàn)實軟件中構(gòu)建真實的三維地理場景，這些數(shù)據(jù)包括DEM柵格數(shù)據(jù)、

道路、湖泊等地理的矢量數(shù)據(jù)以及航空像片、實景照片等影像數(shù)據(jù)。這種方法是

比較常用，也是比較準(zhǔn)確的一種方法，特別是對于有山地的地形。生成DEM地形

的方法如下：

(1)首先生成一塊平地，通過設(shè)置左下角點和右上角點坐標(biāo)，確定DEM的

坐標(biāo)范圍。目前，軟件內(nèi)部設(shè)置了默認(rèn)規(guī)則，即DEM行列數(shù)不可大于80000*80000。

根據(jù)集裝箱碼頭項目的覆蓋面積和現(xiàn)有的USGS格式的DEM數(shù)據(jù)，設(shè)置了DEM的

行列數(shù)為10000*10000；

(2)導(dǎo)入相應(yīng)的E00數(shù)據(jù)或USGS的DEM數(shù)據(jù)；

(3)為生成的DEM地形模型匹配對應(yīng)的DOM圖片，完成地形地貌的重建。

-32-

圖2-26虛擬場景地形

2.5.2起重機(jī)操作模擬系統(tǒng)的實時顯示和驅(qū)動

在虛擬對象建模過程中，當(dāng)設(shè)置完對象的形狀和外觀后，接下來要做的就是

運動建模。運動建模主要用于確定三維對象在世界坐標(biāo)系中的位置，以及它們在

虛擬世界中的運動。對象運動受父子層次關(guān)系的制約，父對象的運動會影響子對

象。建立運動學(xué)模型的思路是將運動物體依據(jù)相對運動關(guān)系進(jìn)行分解，把復(fù)雜物

體分解成多個獨立運動部件，建立用基本運動參數(shù)（如起升高度、回轉(zhuǎn)角度）表

示的運動物體與整個場景的圖形變換關(guān)系，以及運動部件之間的相對運動變換關(guān)

系。起重機(jī)操作模擬系統(tǒng)的實時顯示和驅(qū)動是利用Quest3D軟件來進(jìn)行的。

1、自然環(huán)境模擬

視景仿真中的環(huán)境是指天空、光照、云、霧、風(fēng)等氣候條件和場景環(huán)境效果。

自然環(huán)境中，環(huán)境光源主要是太陽光，隨著時間的改變是不斷變化的，通過大氣

的散射，呈現(xiàn)出各種不同的光照效果。在虛擬環(huán)境中通過控制光源、時間和天空

模型可以達(dá)到模擬自然光照的效果。Quest3D中的光源模型主要有：點光源、透

射光和方向光。由于場景中的環(huán)境光主要是太陽光，所以我們采用方向光來模擬。

通過調(diào)整光源的亮度，可以模擬出不同大氣條件下的光照效果。云是自然環(huán)境中

最常見的大氣現(xiàn)象，云層范圍是由云頂和云底的海拔高度界定的。當(dāng)觀察者處于

云層內(nèi)時，云層表現(xiàn)為一個不透明的云色團(tuán)塊；當(dāng)觀察者的眼點進(jìn)入或穿出云層

-33-

時，能見度將發(fā)生逐步變化，能見度顏色從當(dāng)前的環(huán)境能見度顏色逐步混合到云

層的顏色中；而當(dāng)觀察者處于云層以下或以上時，看到的云底或云頂是由擴(kuò)展到

地平線的紋理多邊形來模擬的。

圖2-27極端天氣模擬

為了更加真實表現(xiàn)集裝箱碼頭的三維視景，在仿真環(huán)境中添加霧可視效果是

非常必要的。霧用來把虛擬場景中的各種元素混合在一起?？梢詫⑺砑訛閳鼍?/p>

的大氣來表示景深。使用霧的好處是像機(jī)的遠(yuǎn)裁減面可以縮小到“FogEnd"。如

果使用正確，這將會在場景和遠(yuǎn)裁減面之外的部分之間實現(xiàn)平滑過渡。在進(jìn)入和

退出霧效果時，需要對當(dāng)前的能見度進(jìn)行較為復(fù)雜的計算，因此，霧的模擬會在

一定程度上降低系統(tǒng)的運行速度。

2、場景驅(qū)動

首先在三維仿真軟件Quest3D中引入在3dsmax中創(chuàng)建的三維幾何模型文件。

設(shè)置一些窗口參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)，引入運動對象和場景對象，建立場景。通過加入

視點實現(xiàn)多視點的切換；通過加入驅(qū)動對象，驅(qū)動運動對象或視點按設(shè)定的運動

模型運動；通過加入涉對象，當(dāng)被驅(qū)動物體與場景中的其他物體碰撞時，能夠檢

測出物體間的干涉。同時可以設(shè)置環(huán)境效果和海浪效果，或加入光源，使運動場

景更加直觀和逼真。

3、三維空間優(yōu)化技術(shù)八叉樹分割算法(0SP)

八叉樹編碼方法是目前計算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理技術(shù)中的一種新的方法?？臻g八

叉樹分割算法(octreespacepartitioning)則是應(yīng)用到三維場景渲染的一種

優(yōu)化存儲方式。它可以從計算機(jī)三維場景中快速找到不可見圖元部分，以便于減

少送入顯示卡繪圖數(shù)據(jù)減輕顯卡負(fù)載，從而達(dá)到優(yōu)化程序運行速度的目的。八叉

-34-

樹不僅可以用于快速剔除不可見的物體，同樣的在計算機(jī)仿真物理中也有很大的

用途，它可以快速的定位物體碰撞在三維空間發(fā)生的位置，從而大大優(yōu)化了物理

碰撞搜尋效率。同時,它非常適合于那種在空曠的空間內(nèi)擁有若干體積差別極其

懸殊的物件的高性能游戲（比如飛行模擬游戲）。

2.5.3參數(shù)化設(shè)置的司機(jī)訓(xùn)練環(huán)境

參數(shù)化設(shè)置司機(jī)訓(xùn)練環(huán)境即為司機(jī)模擬駕駛起重機(jī)的周邊環(huán)境和操作難度

是可以通過教師監(jiān)控軟件來做更改的。其包括的更改選項及功能在前節(jié)中已做詳

細(xì)描述。在此只列舉出集裝箱起重機(jī)操作過程中使用的著箱判斷技術(shù)。

吊具鎖定是集裝箱岸橋仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中一個比較復(fù)雜并且關(guān)鍵的步驟，所以

判斷吊具是否已對準(zhǔn)集裝箱的角配件空也便是仿真中比較重要的技術(shù)。如果在模

擬系統(tǒng)中吊具的著箱判斷未能設(shè)置的精準(zhǔn)，則會直接影響到模擬系統(tǒng)的培訓(xùn)效

果，且會降低培訓(xùn)者的沉浸感。

在具體操作過程中，司機(jī)操縱吊具靠近所要抓取的集裝箱，在檢測到吊具與

集裝箱發(fā)生碰撞后，需要根據(jù)集裝箱和吊具的坐標(biāo)，確定它們的相對位置，看吊

具的四個鎖旋是否可以全部落入集裝箱角配件孔內(nèi)，以判斷是否可以發(fā)出著箱信

號。

當(dāng)檢測到設(shè)置在吊具鎖旋位置的4條垂直碰撞線均有碰撞信號后，程序按吊

具下表面中心坐標(biāo)在當(dāng)前工作區(qū)域的集裝箱范圍內(nèi)依此進(jìn)行搜索，直到找到一個

集裝箱，吊具的中心坐標(biāo)在該集裝箱的坐標(biāo)范圍內(nèi)，然后計算吊具的四個鎖旋點

坐標(biāo)，并將它們同該集裝箱的四個角配件孔的坐標(biāo)進(jìn)行比較，如果四個鎖旋中心

坐標(biāo)全部在角配件孔內(nèi)，則發(fā)出著箱信號，“著箱”燈亮，表示已經(jīng)著箱，可以

轉(zhuǎn)動旋鐫起吊集裝箱。否則就要吊起吊具，重新著箱。下圖3-4為著箱判斷流程

圖，圖中T為著箱信號變量，T為0表示沒有著箱，T為1表示著箱；NO為集裝

箱序號，NO為幾表示第幾個集裝箱著箱；i為程序循環(huán)變量。

-35-

圖2-30著箱判斷流程圖

由此可知角配件空的大小直接決定著吊具是否已經(jīng)對位，既是司機(jī)操作模擬

器的難度。通過將角配件空的大小設(shè)置為在一定數(shù)值上的變量，將此變量的修改

模塊放