港機操作模擬器技術(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起重機操作訓練集成模擬系統(tǒng)的總體功能設計......................-8-

2.2起重機操作訓練集成模擬系統(tǒng)的總體組成及硬件設計.............-17-

2.3起重機操作訓練集成模擬系統(tǒng)的軟件模塊設計...................-21-

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

2.5視景系統(tǒng)的軟件設置..........................................-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起重機操作訓練集成模擬系統(tǒng)動態(tài)特性關(guān)鍵技術(shù)........................-50-

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

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

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

4.1起重機操作模擬系統(tǒng)的培訓目標與內(nèi)容..........................-58-

4.2起重機操作模擬系統(tǒng)的培訓質(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、技術(shù)培訓I、售后服務的內(nèi)容和措施..........................-72-

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

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

8.3售后服務方案................................................-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行操作、控制、管理或決策的

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

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

但隨著設備復雜程度提高，或者操作設備存在著危險性，就需要對培訓方式進行

改革和提高。而隨著計算機技術(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)展和廣泛應用，以計算機系統(tǒng)為核心和操縱控制臺為基礎構(gòu)成的各種模擬

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

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，模擬仿真訓練系統(tǒng)已逐

步成為培訓飛機、汽車、船舶等駕駛?cè)藛T的重要設備之一。

起重機是冶金、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備，也是一種容易出安全事故的設備。起重機械的操作涉及

到財產(chǎn)與生命安全。現(xiàn)代起重機日益朝著高速化、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

起重機應用在不同行業(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)

代大型起重機結(jié)構(gòu)復雜、造價昂貴，訓練時因操作不當而引起的破壞程度和危險

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

時間給學員進行訓練，這一切都為起重機新司機的培養(yǎng)和訓練工作帶來極大的挑

戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代科學技術(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、高效的培訓方式，集虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、

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

器的研制就應運而生。

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

-1-

占-

八、、?

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

境，以實現(xiàn)有安全保障的訓練，杜絕事故隱患，減少事故損失。

2、經(jīng)濟性好。模擬訓練機的成本遠低于實際起重設備。在訓練過程中，還

可以免除實機操作中的油耗、電耗及零部件的磨損。同時，模擬訓練機使用周期

長，維護簡單，經(jīng)濟優(yōu)勢不可忽略。

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

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

起重機模擬訓練功能模塊，實現(xiàn)一機多用。例如，一臺起重機模擬訓練機可以同

時擁有橋門式起重機、港口岸邊集裝箱起重機、集裝箱堆場龍門起重機、港口橋

式抓斗卸船機、門座起重機等多種類型起重機的操作訓練功能。

4、培訓效果好。通過使用模擬訓練機，可以大大縮短學員的整個培訓周期,

使學員在較短的時間內(nèi)完成培訓任務。另外，模擬訓練機可以非常方便地模擬出

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

素質(zhì)，以及正確處理緊急情況的能力，從而提高培訓質(zhì)量。

5、軟、硬件不斷升級。起重機操作模擬訓練機軟、硬件可以不斷升級，維

護方便，與時俱進，適應新型起重機的產(chǎn)生和技術(shù)性能不斷提高的要求。

6、在起重機操作模擬訓練機上對學員進行培訓時，教員可以方便地監(jiān)控學

員的學習狀態(tài)、安全意識、技術(shù)掌握的熟練程度，計算機系統(tǒng)可以客觀地對學員

進行操作評分。

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

的起重機操作培訓方式，促進起重機行業(yè)，尤其是我國的港口起重機司機崗前培

訓及繼續(xù)教育工作的發(fā)展，具有廣闊的應用前景和推廣價值。

現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實技術(shù)是起重機操作訓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)、教學投影系統(tǒng)，網(wǎng)絡通訊系統(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起重機仿真操作模擬器的主要功能包括：

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

展其他機型的訓練功能：1）岸邊集裝箱橋式起重機；2）輪胎式集裝箱門式起重

機；3）橋式抓斗卸船機；4）門座式起重機；5）通用橋式起重機；

-3-

（2）起重機駕駛操作環(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司機駕駛室的一樣，

與實際駕駛環(huán)境一致。

（3）可生成不同氣候條件的訓練工況；

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

重機的訓練軟件，而不需要增加或改變主要的硬件配置；

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

準，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，普通三維培訓司機

基本操作技能，立體視景培訓司機的空間定位感覺，以供用戶選擇使用；

（7）模擬器設計思想新穎、設計目標明確，僅針對起重機司機的培訓和考

核，系統(tǒng)硬件組成簡單、管理維護比較簡便、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起重機仿真操作模擬器軟件主要由仿真訓練軟件、考核軟件、教

學管理軟件、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、輪胎式集裝箱門式起重機、橋

式抓斗卸船起重機、門座式起重機、通用橋式起重機五類起重機的訓練功能；

（2）可在一定范圍內(nèi)設置或改變起重機的速度參數(shù)；

1）岸邊集裝箱橋式起重機

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；岸邊集裝箱起重機前伸臂俯仰時間：小于6分鐘；

2）輪胎式集裝箱門式起重機

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)域進行輪胎90度角旋轉(zhuǎn)，然后行走。

3）橋式抓斗卸船起重機

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

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

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)；

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風力：無風一一6級，無級可調(diào)，風向可變;

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）集裝箱起重機能進行20尺、40尺、雙20尺集裝箱的裝卸訓練；

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

學員做關(guān)鍵操作動作時的難易程度等條件進行分級設定。

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

機司機考核大綱要求；

（2）岸邊集裝箱起重機、輪胎式集裝箱龍門起重機、橋式抓斗起重機、港

口門座起重機司機的考核程序和內(nèi)容符合港口行業(yè)標準的要求；

（3）模擬器能夠自動給學員判分。

（三）教學管理軟件的技術(shù)性能

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

錄條目；

（2）能記錄和查詢學員在訓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)及強度，碰撞強度等級分為4-5級。

（3）能記錄和查詢學員在訓練或考核中的平均作業(yè)效率；

（4）能記錄和查詢學員的總體訓練時間和每次上機的課時訓練時間；

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（5）能記錄和查詢學員操作的起重機吊具運行軌跡；

（6）能記錄和查詢學員在歷次考核中的分數(shù)；

（7）能打印學員的成績報告單；

（8）能進行訓練條件或參數(shù)的設定。

（四）環(huán)繞視景顯示控制軟件的技術(shù)性能

（1）能選擇訓練環(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員學習及考核的全程監(jiān)控，可進行訓練或考核內(nèi)容、

難度的設定。

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2總體框架及解決方案

2.1起重機操作訓練集成模擬系統(tǒng)的總體功能設計

通用橋式起重機是工礦企業(yè)應用最廣泛的起重機械，而岸邊集裝箱橋式起重

機（簡稱岸橋）、集裝箱堆場輪胎龍門起重機（簡稱輪胎場橋）、散貨橋式抓斗卸

船機、門座起重機都是港口的大型裝卸設備，擔負著重要的裝卸任務，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

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

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，但它們的機構(gòu)組成有相似或

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

制奠定技術(shù)基礎。

五種類型起重機的功能結(jié)構(gòu)和駕駛操作要求

1）岸邊集裝箱橋式起重機（簡稱岸橋）

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

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

裝箱的裝卸船。卸船時，司機首先放下前伸臂，駕駛大車完成與船舶上集裝箱貝

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位的對應定位，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，操縱起升機構(gòu)提起集裝箱，駕駛小車和起升機構(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。要求司機眼明手快感覺好。

2）集裝箱堆場輪胎龍門起重機（簡稱輪胎場橋）

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

集裝箱吊具對位機構(gòu)、大車轉(zhuǎn)場的輪胎轉(zhuǎn)向機構(gòu)等。司機需要進行四個機構(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，司機首先駕駛大車完成與集卡

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

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

箱放到堆場上對應的箱位上，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，尤其是駕駛起重機長距離行走時。

這需要司機駕駛技術(shù)熟練且注意力集中才能高效率的工作。

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3）散貨橋式抓斗卸船機

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

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

卸船時，司機首先駕駛大車完成與船舶上艙位的對應定位，然后，駕駛小車和起

升機構(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，操縱起升機構(gòu)提起抓斗，駕駛小車和起升機構(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)高效且安全地進行。

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4）門座式起重機（簡稱門機）

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

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

構(gòu)的協(xié)調(diào)操作以完成貨物的裝卸船，其中起重機的起升、變幅、回轉(zhuǎn)三個機構(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，在完成門機大車與船舶的

定位后，司機操縱起升、回轉(zhuǎn)、變幅三個機構(gòu)進行聯(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，司機操縱起升、回轉(zhuǎn)、變

幅三個機構(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，司機要注意與裝卸工配合，熟練操作各個

機構(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

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

力強才能高效率工作。

-11-

5）通用橋式起重機

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

行機構(gòu)、小車行走機構(gòu)、起升機構(gòu)等。司機需要進行三個機構(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，司機首先駕駛大車行走機構(gòu)

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

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

車行走機構(gòu)把貨物運輸?shù)街付ㄎ恢蒙戏?，操作起升機構(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)境復雜多變，這就要求司機技術(shù)熟練、責任心強、

態(tài)度認真才能高效安全地完成任務。

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

1）工作機構(gòu)功能相似性

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

的部分，如起升機構(gòu)、行走機構(gòu)等，見表2.1。

-12-

表2.1五種起重機工作機構(gòu)對比表

岸橋場橋橋式卸船機門機行車

起升機構(gòu)有有有有有

大車行走有有有有有

小車運行有有有無有

俯仰機構(gòu)有無有無無

旋轉(zhuǎn)機構(gòu)無無無有無

變幅機構(gòu)無無無有無

吊具控制有有有無無

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

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

技術(shù)可行性奠定了基礎。

2）駕駛室結(jié)構(gòu)和司機操作裝置的相似性

五種類型的起重機的駕駛室在結(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。門機駕駛室司機座位前下方上還有一個

腳踏板給旋轉(zhuǎn)機構(gòu)制動。起重機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，控制起重機各機構(gòu)做不同的動作，其控制功能如表

2.2o

-13-

圖2-6起重機駕駛室聯(lián)動臺與座位平面布置圖

表2.2五種類型的起重機司機操作手柄與聯(lián)動臺面版主要控制功能表

岸橋場橋橋式卸船機門機行車

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

前推小車前進小車前進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//

起重機司機室聯(lián)動臺面版上還有許多指示燈用于顯示機電系統(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，這五種起重機的司機操作裝

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

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，當然，也可

以用更換面版的方式來適應不同的起重機模擬訓練，面版更換是一件非常簡單的

工作。起重機駕駛室結(jié)構(gòu)和司機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。

3）司機視野的相似性

五種起重機司機的視野基本相似，工作時都需要通過司機室的玻璃窗密切觀

察周圍的場景變化和人物運動，確保安全。當然，不同的起重機司機觀察的主視

點不同。岸橋、場橋、橋式抓斗卸船機主要往下看；門機、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

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

境，使不同起重機的司機都會感受到強烈的、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工作機構(gòu)功能的相似性、駕駛室結(jié)構(gòu)與司機操

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

夠培訓這五種起重機新司機的操作訓練模擬系統(tǒng)是完全可行的。

2.1.2起重機操作訓練集成模擬系統(tǒng)的功能定位

港口起重機操作訓練集成模擬系統(tǒng)要完成五種起重機新司機的培訓任務。五

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

訓練集成模擬系統(tǒng)至少應該具備如下內(nèi)容：

（1）完備的起重機操作訓練功能。起重機操作訓練集成模擬系統(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、門機、通用橋式起重機

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

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

度級別，從而達到逐步培訓新學員的目的。

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

小的司機培訓室和操作系統(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)繞司機室，司機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工作相對應的

聲響，比如，大車行走的特殊鳴笛聲、機器轟鳴聲等，使司機有身臨其境的感覺。

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

不同方向的運動或晃動，司機會有起重機工作產(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、風力風向，并真實反映氣象條件的變化對起重機操作的影響，以培

訓學員全天候的適應性。比如，風力風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視線有影響。

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

件，訓練司機處置意外事件的能力，使學員具備處理意外事件的正確操作步驟和

技巧；而意外事件的訓練是常規(guī)訓練沒有辦法進行的。

（7）先進的教學管理系統(tǒng)。教學管理系統(tǒng)是港口起重機操作訓練集成模擬系統(tǒng)

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

錄學員的訓練次數(shù)、失誤次數(shù)、失誤程度、學習成績等，建立學員學習檔案?？?/p>

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

合國家或行業(yè)標準。

-16-

2.2起重機操作訓練集成模擬系統(tǒng)的總體組成及硬件設計

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

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

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

投影系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、學員觀摩室等。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）訓練功能全面化。集成模擬系統(tǒng)和

主要硬件設計就是圍繞這三條原則進行。

起重機操作訓練集成模擬系統(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起重機操作訓練集成模擬系統(tǒng)的培訓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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學員座椅

□CPD□

視景監(jiān)視器口教師計算機

學員操作監(jiān)視器

視景投影屏幕□'□a

o

教師

圖2-8起重機操作訓練集成模擬系統(tǒng)的觀摩系統(tǒng)布局

2.2.2起重機操作訓練集成模擬系統(tǒng)的主要硬件

1、司機駕駛培訓室

完全真實起重機司機駕駛室，如圖2-9照片所示。司機駕駛培訓室是提供學

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

室基本一樣，有真實的操作聯(lián)動臺、司機座椅、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的操作訓練要求，操作聯(lián)動臺上的手柄功能依據(jù)對應起

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

重機類型對應，必要時可以更換聯(lián)動臺面版。在司機座位下面加設一個腳踏板，

專門控制門機旋轉(zhuǎn)機構(gòu)運動。

-18-

圖2-9起重機操作訓練集成模擬系統(tǒng)的司機駕駛室（照片一）

2、教師與系統(tǒng)控制機

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

統(tǒng)控制機組成，教師監(jiān)管系統(tǒng)主要用于教師監(jiān)督學員學習過程、控制學習內(nèi)容、

記錄學員的學習資料等教學環(huán)節(jié)。

系統(tǒng)控制機主要是用于控制司機駕駛培訓室、投影系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、學員觀

摩終端等設備，使它們產(chǎn)生和諧的訓練氛圍。系統(tǒng)控制機的主要硬件有司機操作

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

PLC等。

圖2-10起重機操作訓練集成模擬系統(tǒng)教師管理控制機（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)建起重機操作訓

-19-

練虛擬訓練環(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室的左右兩側(cè)、正前方和前下方，使司機向這

幾個方向看時，都有虛擬畫面，與音響系統(tǒng)配合形成強烈的沉浸感。

圖2-11起重機操作訓練集成模擬系統(tǒng)的投影系統(tǒng)

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

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

同時，在控制機的控制下，產(chǎn)生現(xiàn)場工作的各種聲音。

-20-

2.3起重機操作訓練集成模擬系統(tǒng)的軟件模塊設計

起重機操作訓練集成模擬系統(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、起重機操作層、教學監(jiān)控與管理。它們

各自又包含幾個子系統(tǒng)：

表2.3起重機操作訓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、起重機操作層

1、駕駛艙仿真系統(tǒng)2、模擬控制臺

三、教學監(jiān)控與管理

1、訓練管理服務器2、學員管理服務器3、學員管理客戶端4、學員訓練數(shù)據(jù)庫

組成結(jié)構(gòu)如下圖:

圖2-15起重機操作訓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控制指令轉(zhuǎn)化為模擬信號，

控制起重機模擬器的投影、司機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

起重機操作模擬器的主要數(shù)據(jù)驅(qū)動源是司機室聯(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)采集的實時性和準確性。

聯(lián)動臺是學員與仿真訓練系統(tǒng)交互的第一個設備，聯(lián)動臺面板是學員直接接

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)動設備類型對應著

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)

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

儲的數(shù)據(jù)進行處理運算。

（2）數(shù)據(jù)處理模塊

在起重機操作模擬系統(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

的時間復雜度低、運算速度快、運算結(jié)果精確，可擴展，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)之間進行數(shù)

據(jù)交互。

（3）數(shù)據(jù)輸出模塊

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

起重機動力學模型的輸入，計算出起重機當前的工況和各個構(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起重機操作層軟件模塊

起重機操作層主要是針對不同的起重機而開發(fā)的訓練模塊，包括岸邊集裝箱

橋式起重機、集裝箱堆場龍門起重機、門座起重機、散貨橋式抓斗卸船機、通用

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

有對應接口，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訓練模塊

岸邊集裝箱橋式起重機訓練模塊中包含岸橋、集裝箱、集卡、船舶、泊位場

景等元素。在此訓練模塊中，司機需要駕駛岸橋，進行多機構(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。岸橋訓練模塊中又包含

-23-

多個子模塊，如開關(guān)機訓練、裝船訓練、卸船訓練、大車行走、吊具控制、前伸

臂俯仰等，還可以進行意外事件的處置訓練，訓練內(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訓練場景一一司機窗口視景。

圖2-17岸橋訓練場景一一司機窗口視景

（2）集裝箱堆場輪胎龍門起重機訓練模塊

集裝箱堆場輪胎龍門起重機訓練模塊中包含輪胎場橋、集裝箱、集卡、堆場

等元素。在此訓練模塊中司機需要駕駛輪胎場橋，進行多機構(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，如裝車訓練、卸車訓練、

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

場輪胎龍門起重機訓練場景。

圖2-18集裝箱堆場輪胎龍門起重機訓練場景

（3）散貨橋式抓斗卸船機訓練模塊

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散貨橋式抓斗卸船機訓練模塊中包含橋式抓斗卸船機、船舶、傳送帶、漏斗、

散貨（沙、煤炭、礦石）、泊位場景等元素。在此訓練模塊中司機需要駕駛散貨

橋式抓斗卸船機，進行多機構(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。該訓練模塊中又包含多個子模塊，如抓斗開閉合訓練、

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

業(yè)常規(guī)。圖2T9為散貨橋式抓斗卸船機訓練場景。

圖2-19散貨橋式抓斗卸船機訓練場景

（4）門座式起重機訓練模塊

門座式起重機訓練模塊中包含門座式起重機、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。在此訓練模塊中司機需要駕駛門座式

起重機，進行多機構(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。該訓練模塊中又包含多個子模塊，如吊具控制訓練、大車行走訓

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

2-20為門座式起重機訓練場景。

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圖2-20門座式起重機訓練場景

（5）通用橋式起重機訓練模塊

通用橋式起重機訓練模塊中包含通用橋式起重機、重物、指揮作業(yè)人員、外

部場景等元素。在此訓練模塊中司機需要駕駛通用橋式起重機，進行多機構(gòu)的協(xié)

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

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

訓練、實際生產(chǎn)作業(yè)訓練等，訓練內(nèi)容符合國家標準。圖2-21為通用橋式起重

機訓練場景。

圖2-21通用橋式起重機訓練場景

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2.3.3教學監(jiān)控與管理軟件

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

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

軟件調(diào)整教學內(nèi)容，如設置天氣狀況、設定工況、設置故障讓學員處理等等。通

過教員控制臺主機實時顯示和記錄學員操作，并進行評判。圖2-22為教學監(jiān)控

管理軟件界面。

教學監(jiān)控與管理軟件中也包含多個子模塊：(1)卡車設定模塊：管理訓練中

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)氣象設定模塊：管理訓練場景中的天氣情況，如風速、風向、陣風持續(xù)

時間、雨量、雪量等參數(shù)的設置。

(3)故障設定模塊：管理訓練場景中起重機發(fā)生故障的情況，可設定訓練中

起重機的各種故障。

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

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

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

(6)光線照明設定模塊：管理訓練項目中的光線照明強弱，如模擬黑夜、白

天、黎明、黃昏等情況。

(7)起重機技術(shù)參數(shù)設定模塊：管理訓練項目中的起重機技術(shù)參數(shù)情況，如

起重機類型的選擇、起重量、起升高度、機構(gòu)工作速度等參數(shù)的設定。

(8)集裝箱設定模塊：管理訓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)測學生的訓練過程，記錄起重機貨物或吊

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，記錄學員的裝卸效

率等數(shù)據(jù)信息，評價學員的訓練質(zhì)量。

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

訓練成績。

，：皿。

口有訓練數(shù)據(jù)分析和考核功，能*

圖2-22教學監(jiān)控管理軟件界面

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2.4視景系統(tǒng)的硬件設計

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備為基礎，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)不同的應用需要以不同的方式進行組合，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、投影機、投影

屏幕等。PC機所執(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機的串口將圖像模型實時傳輸至4臺投影機，其中4臺投影機分別對應駕駛

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司機室尺寸、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)

容為標準。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司機室的寬度為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

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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

由于起重機的作業(yè)視野一般都比較開闊，司機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作業(yè)

的實際情況，也可給培訓者以身臨其境的感覺，增加培訓者的沉浸感。

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

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2.5視景系統(tǒng)的軟件設置

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，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

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、堆場、閘口、建筑、集裝箱、船舶、集卡、

正面吊、堆高機、叉車等。

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

以港口起重機的建模為例，分析其建模流程。

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

究，設計了起重機的幾何建模流程，如圖2-25所示。

模型優(yōu)化

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圖2-25起重機幾何建模流程

(1)分析五種類型的起重機總裝圖和零件圖，對其工作場景進行分析，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)。對復雜模型可采用紋理材

質(zhì)貼圖進行適當?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適當?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進行作業(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，通過設置左下角點和右上角點坐標，確定DEM的

坐標范圍。目前，軟件內(nèi)部設置了默認規(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)，設置了DEM的

行列數(shù)為10000*10000；

(2)導入相應的E00數(shù)據(jù)或USGS的DEM數(shù)據(jù)；

(3)為生成的DEM地形模型匹配對應的DOM圖片，完成地形地貌的重建。

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圖2-26虛擬場景地形

2.5.2起重機操作模擬系統(tǒng)的實時顯示和驅(qū)動

在虛擬對象建模過程中，當設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。建立運動學模型的思路是將運動物體依據(jù)相對運動關(guān)系進行分解，把復雜物

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

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塊；當觀察者的眼點進入或穿出云層

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

層的顏色中；而當觀察者處于云層以下或以上時，看到的云底或云頂是由擴展到

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。可以將它添加為場景

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

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

退出霧效果時，需要對當前的能見度進行較為復雜的計算，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定的運動

模型運動；通過加入涉對象，當被驅(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圖形學、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)減輕顯卡負載，從而達到優(yōu)化程序運行速度的目的。八叉

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樹不僅可以用于快速剔除不可見的物體，同樣的在計算機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)化設置的司機訓練環(huán)境

參數(shù)化設置司機訓練環(huán)境即為司機模擬駕駛起重機的周邊環(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

細描述。在此只列舉出集裝箱起重機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練系統(tǒng)中一個比較復雜并且關(guān)鍵的步驟，所以

判斷吊具是否已對準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置的精準，則會直接影響到模擬系統(tǒng)的培訓效

果，且會降低培訓者的沉浸感。

在具體操作過程中，司機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，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。

當檢測到設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

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

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

坐標，并將它們同該集裝箱的四個角配件孔的坐標進行比較，如果四個鎖旋中心

坐標全部在角配件孔內(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。

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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，既是司機操作模擬

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

模塊放