虛擬仿真技術(shù)在智能化港口設(shè)備操作員培訓(xùn)中的應(yīng)用

上海國際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

VR(Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實)仿真技術(shù)是對現(xiàn)實世界的虛擬和體驗的一種計算機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用計算機(jī)技術(shù)生成一個逼真的具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實體相互作用，使操作者產(chǎn)生身臨其境的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)[1]。VR仿真技術(shù)應(yīng)用涉及領(lǐng)域廣泛，飛機(jī)船舶虛擬駕駛訓(xùn)練、城市規(guī)劃、醫(yī)學(xué)教育等領(lǐng)域常使用VR仿真技術(shù)進(jìn)行模擬。在智能化港口設(shè)備的培訓(xùn)中，可以通過VR仿真技術(shù)，對港口設(shè)備操作員進(jìn)行具有交互性的培訓(xùn)。

2 VR仿真技術(shù)在智能化港口設(shè)備培訓(xùn)中應(yīng)用的必要性

依托于模擬器系統(tǒng)、用于過程控制的連接與嵌入服務(wù)器(OPC，Object Linking and Embedding for Process Control)通信、數(shù)學(xué)模型建立和遠(yuǎn)程操作臺(ROS，Remote Operation Station)等軟、硬件，構(gòu)建了在智能化港口設(shè)備培訓(xùn)中使用的VR仿真技術(shù)。這種開創(chuàng)性的培訓(xùn)方式，可讓遠(yuǎn)程操作員在虛擬環(huán)境中親身體驗港口設(shè)備操作流程，從而達(dá)到智能化港口設(shè)備培訓(xùn)的要求。

VR仿真技術(shù)在智能化港口設(shè)備培訓(xùn)的應(yīng)用是促進(jìn)港口設(shè)備培訓(xùn)生動化的需要。傳統(tǒng)碼頭多數(shù)采用書面和實操的2種培訓(xùn)方式。書面性的培訓(xùn)方式枯燥、難以形象化；實操的培訓(xùn)方式會降低現(xiàn)場港口設(shè)備的生產(chǎn)效率，加上現(xiàn)場各種因素影響，達(dá)不到培訓(xùn)效果。運用VR仿真技術(shù)，使用與實際生產(chǎn)相同規(guī)格的ROS操作臺，虛擬相同規(guī)格的港口設(shè)備以及添加多種影響因素的數(shù)學(xué)模型，可為學(xué)員提供更真實的培訓(xùn)課堂，使學(xué)員在高沉浸的虛擬環(huán)境下感知復(fù)雜港口設(shè)備的工作原理、功能演示與故障診斷[2]。形象化的培訓(xùn)為學(xué)員留下了深刻的印象，也為教員提供了方便，促進(jìn)智能化港口設(shè)備培訓(xùn)生動化，提高培訓(xùn)的質(zhì)量。

VR仿真技術(shù)在智能化港口設(shè)備培訓(xùn)的應(yīng)用是提升港口設(shè)備操作流程規(guī)范性的需要。港口設(shè)備操作流程規(guī)范與否，直接影響碼頭業(yè)務(wù)生產(chǎn)的安全。錯誤地操作港口設(shè)備，最終結(jié)果是不可逆的，操作人員和碼頭需要為此承擔(dān)責(zé)任。結(jié)合港口碼頭生產(chǎn)安全建設(shè)的規(guī)范要求，可開發(fā)出一個有助于解決安全教育培訓(xùn)與考核、安全應(yīng)急預(yù)案演練、安全事故教學(xué)庫等安全管理的VR平臺[3]，提升學(xué)員對港口設(shè)備操作的規(guī)范性。

VR仿真技術(shù)在智能化港口設(shè)備培訓(xùn)的應(yīng)用是順應(yīng)港口智能化發(fā)展的需要。隨著港口設(shè)備智能化發(fā)展，學(xué)員需要在工作前盡可能地熟練掌握設(shè)備操作流程， VR仿真技術(shù)能為學(xué)員提供安全、綠色、自動化、智能化的虛擬港口設(shè)備，符合港口智能化發(fā)展的要求。

3 VR仿真技術(shù)在智能化港口設(shè)備培訓(xùn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)目前有3個全自動化碼頭，分別為上海洋山深水港四期自動化碼頭、廈門遠(yuǎn)海自動化碼頭和青島港集裝箱全自動化碼頭。港口擁有最先進(jìn)的起重機(jī)和運輸設(shè)備，但是軟件操作人員數(shù)量僅能滿足當(dāng)前生產(chǎn)的需要。VR仿真技術(shù)在智能化港口設(shè)備培訓(xùn)中具有高效率、高安全的優(yōu)勢，改進(jìn)了在設(shè)備上進(jìn)行實際操作的傳統(tǒng)教學(xué)方式，可縮短教學(xué)周期，提高教學(xué)質(zhì)量。目前VR仿真技術(shù)在智能化港口設(shè)備培訓(xùn)中應(yīng)用于3個方面：

(1)在智能化岸橋設(shè)備的培訓(xùn)中，通過VR仿真模擬建立一個具有前伸距和后伸距尺寸、起升高度、軌距、外觀等技術(shù)參數(shù)的單起身雙吊具雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡稱岸橋)(見圖1)。模擬岸橋可以以實際岸橋的加、減速度左右運行，小車可以以實際岸橋的加、減速度前后運行，主起升和門架起升可以以實際岸橋的加、減速度上下運行，并考慮電機(jī)恒功率。結(jié)合OPC服務(wù)器的通信，學(xué)員在ROS臺操作，可以對20 ft、40 ft、45 ft和雙20 ft集裝箱進(jìn)行抓、放箱，也可以對鏈架、工作架和超高架作業(yè)，觀察模擬吊具的指示燈，顯示開閉鎖的狀態(tài)。

圖1 模擬器岸橋設(shè)備示例

(2)在集裝箱船舶的培訓(xùn)中，可通過VR仿真模擬一系列船舶類型的訓(xùn)練場景，包括超大型集裝箱船、超巴拿馬型船、巴拿馬型船、集裝箱駁船等?？梢愿鶕?jù)需求附加配置，新的船型在后期也能較容易的加入模擬器。模擬器系統(tǒng)中還包括各個船型的總長、寬度、甲板上層數(shù)、甲板下層數(shù)等，以及不同尺寸的船只進(jìn)行裝載和卸載作業(yè)狀況。表1是模擬器系統(tǒng)中提供的集裝箱船的數(shù)據(jù)。

表1 模擬器集裝箱船數(shù)據(jù)

(3)在水平運輸機(jī)械的類型介紹培訓(xùn)中，VR仿真技術(shù)會在系統(tǒng)中模擬卡車和自動導(dǎo)引車。教員可以設(shè)置其路線和管理交通，并能在模擬期間隨時控制啟動和停止，教授學(xué)員港口自動化設(shè)備之間的交互狀況。系統(tǒng)也支持調(diào)整一些參數(shù)，例如卡車的傾角和車輛懸架的剛性、提高鎖鈕和上鎖，使學(xué)員體驗不同難度的模擬培訓(xùn)。VR仿真模擬系統(tǒng)不影響現(xiàn)場的作業(yè)，整個過程無風(fēng)險，可高效完成智能化港口設(shè)備的培訓(xùn)。

4 VR仿真技術(shù)在洋山深水港四期港口設(shè)備培訓(xùn)中的應(yīng)用

上海洋山深水港四期港口設(shè)備的培訓(xùn)采用VR仿真技術(shù)，利用虛擬設(shè)備，結(jié)合ROS操作臺，與OPC服務(wù)器進(jìn)行通信，在模擬系統(tǒng)中進(jìn)行真實操作。通過VR仿真技術(shù)模擬的3D港口設(shè)備具有真實的紋理細(xì)節(jié)，再利用Vortex物理引擎，使模擬的3D港口設(shè)備具有與真實設(shè)備相符的物理性能和特性，為起重機(jī)、車輛、貨物、船舶等提供動力學(xué)和運動學(xué)的數(shù)值模擬，從而使起重機(jī)和貨物以自然的方式進(jìn)行處理。使用模擬器設(shè)備的主要目標(biāo)是通過有效的培訓(xùn)來培養(yǎng)有經(jīng)驗的遠(yuǎn)程操作員，而不占用實際設(shè)備。

4.1 VR設(shè)備的圖像技術(shù)

模擬器生成的物體視覺圖像是根據(jù)岸橋操作員從ROS臺看到的真實畫面模擬的，岸橋裝卸作業(yè)環(huán)境中的所有物體都包含在仿真畫面里，可反映操作員控制動作的影響、半自動模式下的計算機(jī)控制動作以及其他非受控對象的影響。大風(fēng)力對起重機(jī)動力學(xué)的影響(吊具運動、繩索張力等)也完全包含在模擬環(huán)境中。在渲染所有3D模擬對象時，將顏色、紋理、色調(diào)、光線和陰影等細(xì)節(jié)添加到所有可見的表面，使設(shè)備和對象具有高保真度。視頻監(jiān)控服務(wù)器用于顯示屏幕上從ROS接收的相機(jī)配置，每個相機(jī)視圖與真實岸橋上相同，包括相機(jī)安裝位置、視角、視野范圍等。

4.2 VR設(shè)備的講師臺功能

講師臺包括3個顯示器，以應(yīng)用程序GUI的形式切換操作員的視角、暫停其動作、拖動和移動視圖，讓講師能夠?qū)Σ僮魅藛T進(jìn)行監(jiān)視、指導(dǎo)和協(xié)助。模擬器提供了綜合訓(xùn)練場景的列表，訓(xùn)練場景參數(shù)可以通過講師臺進(jìn)行選擇和記錄。為滿足洋山深水港四期碼頭功能需要，講師臺可以配置模擬器程序和模擬進(jìn)程，包括改變環(huán)境、光照情況、選擇集卡或者AGV模式、載荷類型等，VR圖像會因參數(shù)的調(diào)整而改變。

4.3 VR設(shè)備的數(shù)據(jù)功能

洋山深水港四期VR設(shè)備具有數(shù)據(jù)存儲及分析功能，可以管理學(xué)生數(shù)據(jù)庫，以及與培訓(xùn)相關(guān)的評估數(shù)據(jù)和水平基準(zhǔn)。VR設(shè)備可記錄吊具每個周期內(nèi)的運行路徑，供訓(xùn)練結(jié)束后查看。練習(xí)中任何碰撞事件和損害都會被記錄，系統(tǒng)生成操作員的操作質(zhì)量及故障處理水平，其報告在基于Web的界面中完成，并允許分析每個單獨的任務(wù)并生成PDF報告，且可長期存儲所有學(xué)生培訓(xùn)數(shù)據(jù)用于分析。

5 結(jié)語

智能化港口使用VR仿真技術(shù)進(jìn)行培訓(xùn)具有開創(chuàng)性，可在不占用實際設(shè)備的情況下，低風(fēng)險、低成本地培訓(xùn)出有經(jīng)驗的遠(yuǎn)程操作員。從效果上來看，這種培訓(xùn)方式可以調(diào)動學(xué)員的積極性，提高學(xué)員對港口設(shè)備操作流程的接受程度。未來VR仿真技術(shù)會向更逼真的港口環(huán)境、更好的遠(yuǎn)程操作方式、更真實的工作體驗方面發(fā)展。隨著時間的推移，VR仿真技術(shù)在智能化港口設(shè)備培訓(xùn)的應(yīng)用會更加廣泛。