虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在港口起重機(jī)培訓(xùn)中的應(yīng)用

郭小強(qiáng) 劉星宇 黃大志 馮 文

（1.江蘇海洋大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇連云港222005；2.江蘇海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，江蘇連云港222005）

0 引言

在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，海運(yùn)已經(jīng)成為全球貨物貿(mào)易的重要輸出輸入方式。港口是海陸運(yùn)輸方式的交匯點(diǎn)，是世界資源流動(dòng)的樞紐，是城市乃至社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的增長(zhǎng)點(diǎn)和推動(dòng)點(diǎn)[1]。港口起重機(jī)的正常運(yùn)行離不開技術(shù)嫻熟的操作者，而操作者的培養(yǎng)則成了港口經(jīng)濟(jì)發(fā)展一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)。

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種集多種產(chǎn)業(yè)科技于一身的技術(shù)，利用電子科技、計(jì)算機(jī)模擬、仿真?zhèn)鞲械榷喾N方式來(lái)模擬真實(shí)環(huán)境[2]。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入傳統(tǒng)的起重機(jī)駕駛員培訓(xùn)過程中，使學(xué)員在一個(gè)生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)與練習(xí)任務(wù)，可以幫助學(xué)員通過真實(shí)的自身感受來(lái)增強(qiáng)對(duì)基本知識(shí)及操作經(jīng)驗(yàn)的理解與記憶[3-4]。本文分析了基于起重機(jī)操作培訓(xùn)的特點(diǎn)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，達(dá)到改善學(xué)員培訓(xùn)效果的目的[5]。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在起重機(jī)教學(xué)過程中使用的意義

（1）傳統(tǒng)起重機(jī)司機(jī)的培訓(xùn)模式是一種師徒制的手把手教學(xué)模式。學(xué)員經(jīng)過一系列灌輸式學(xué)習(xí)，往往只知道如何去做，卻不明白這樣做的道理。利用虛擬現(xiàn)實(shí)這一技術(shù)，可以擺脫傳統(tǒng)的技能培訓(xùn)體系對(duì)學(xué)員的束縛，從根本上解決學(xué)員難以自主學(xué)習(xí)的問題。

（2）如果遇到惡劣天氣等外部因素，學(xué)員的培訓(xùn)工作就不得不暫停，使得培訓(xùn)周期無(wú)法預(yù)估地加長(zhǎng)，不能滿足當(dāng)前背景下港口的發(fā)展需求，而應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)這一技術(shù)能很好地突破時(shí)間與空間的限制，學(xué)員可以便捷地進(jìn)行知識(shí)理論和實(shí)踐操作的考核工作，使得空間和時(shí)間問題不再成為培訓(xùn)的限制。

（3）利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，規(guī)避了不可控因素對(duì)起重機(jī)的損害，有效延長(zhǎng)了起重機(jī)的使用壽命，同時(shí)也避免了設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)，很大程度上減少了成本的投入。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在起重機(jī)教學(xué)課程中的應(yīng)用

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要具備理論教學(xué)、實(shí)踐加工、考核展示等功能。因此，在虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)中主要將系統(tǒng)分為三個(gè)模塊，如圖1所示。

2.1.1 理論教學(xué)模塊

該模塊中主要包括起重機(jī)電路系統(tǒng)理論與起重機(jī)構(gòu)造基礎(chǔ)理論。由于起重機(jī)的尺寸規(guī)模較大，傳統(tǒng)教學(xué)模式下學(xué)員了解起重機(jī)的結(jié)構(gòu)較為困難，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和主要電路原理進(jìn)行模擬和實(shí)物虛化，建立相關(guān)的模塊為學(xué)員展示宏觀工作細(xì)節(jié)和微觀電路分析，可以使得學(xué)員對(duì)于起重機(jī)工作狀態(tài)有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，提高教學(xué)的質(zhì)量與效果。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)教學(xué)示意圖

2.1.2 實(shí)踐教學(xué)模塊

該模塊由基礎(chǔ)操作與工作環(huán)境實(shí)體模擬兩部分組成?；A(chǔ)操作將強(qiáng)化學(xué)員對(duì)提升機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)的操作。這一部分是實(shí)現(xiàn)貨物運(yùn)輸和大范圍作業(yè)的基礎(chǔ)。工作環(huán)境模擬，將進(jìn)行港口起重機(jī)工作循環(huán)的兩種操作情況培訓(xùn)，由單操作循環(huán)和往復(fù)操作循環(huán)組成。單程工作循環(huán)為起重機(jī)由碼頭前沿出發(fā)往船上裝運(yùn)集裝箱，之后由船上空載返回原處循環(huán)。往復(fù)操作循環(huán)為起重機(jī)從船上往碼頭前沿卸重箱，返回時(shí)往船上裝空箱循環(huán)。

2.1.3 考核模塊

在考核模塊中，學(xué)員可以不受時(shí)間地點(diǎn)限制進(jìn)行自我測(cè)試，而相關(guān)技術(shù)人員可以對(duì)題庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，設(shè)置和組織相關(guān)考試。另外，學(xué)員在熟悉了基本操作后，可以利用所學(xué)習(xí)的基本操作知識(shí)，舉一反三，在反復(fù)練習(xí)的情況下，熟悉每一種環(huán)境下的操作，進(jìn)一步強(qiáng)化自身的起重機(jī)操作技能。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)

本文所述虛擬現(xiàn)實(shí)起重機(jī)教學(xué)系統(tǒng)由三個(gè)功能模塊組成：顯示模塊、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)處理模塊、人機(jī)交互模塊。

（1）顯示模塊的效果直接決定了系統(tǒng)的交互性，目前常用的虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯（頭戴式顯示器）是利用人的左右眼獲取信息差異，使得用戶自身感覺處于相關(guān)虛擬環(huán)境中的一種立體顯示器。其主要原理：人眼獲取信息后，因?yàn)樾畔⒌牟町愋?，左右眼分別顯示出不同的圖像信號(hào)，在腦海中產(chǎn)生一種立體的感覺。

（2）運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)處理模塊主要用來(lái)控制采集起重機(jī)部分的運(yùn)動(dòng)以及它們之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系邏輯。起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集方便了學(xué)員在交互過程中實(shí)時(shí)了解機(jī)器的運(yùn)動(dòng)狀況，起重機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以通過相關(guān)手冊(cè)來(lái)獲取，但是在虛擬模擬環(huán)境中搜集到的參數(shù)數(shù)據(jù)是起重機(jī)模型的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，所以必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的后處理（圖2）。

圖2 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)處理模塊

（3）人機(jī)交互模塊連通著用戶與系統(tǒng)，學(xué)員通過人機(jī)交互界面與系統(tǒng)交流，進(jìn)行相關(guān)的操作。系統(tǒng)為學(xué)員提供各種如光、聲音等感官刺激，檢測(cè)學(xué)員的各種動(dòng)作，感知并同時(shí)辨別用戶肢體及視角的變化。學(xué)員接受系統(tǒng)提供的各種刺激輸入信息，并反饋于自己的動(dòng)作轉(zhuǎn)變上。系統(tǒng)通過特定的數(shù)據(jù)模擬出需要的環(huán)境場(chǎng)景與聲音信號(hào)，通過顯示設(shè)備輸出給學(xué)員。學(xué)員根據(jù)所看到的信息和訓(xùn)練項(xiàng)目，通過對(duì)手柄、鍵盤等外設(shè)的操作將自身行動(dòng)數(shù)據(jù)反饋給計(jì)算機(jī)，來(lái)達(dá)到人機(jī)交互的目的。

（4）虛擬現(xiàn)實(shí)起重機(jī)教學(xué)模塊的主體三維機(jī)械模型在Solidworks等制圖軟件中建立，裝配完成后進(jìn)行后期的貼圖烘焙，在3DMAX軟件中完成，最后導(dǎo)出可以使用程序讀取的模型。系統(tǒng)編程基于Windows平臺(tái)下的開發(fā)工具，主要有C++、Pascal等語(yǔ)言分別對(duì)應(yīng)Visual Studio.Net、Delphi等?；贠SG中STL的大量使用，可以選用與之配對(duì)的Visual Studio.Net作為程序的工具，故綜上考慮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是可用的，能夠服務(wù)于港口起重機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)軟件開發(fā)工作。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)港口經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，港口設(shè)備也隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展迎來(lái)了新一輪的更新與拓展。在起重機(jī)操作員培訓(xùn)方面，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可使學(xué)員在虛擬環(huán)境下反復(fù)對(duì)起重機(jī)進(jìn)行操作，提升學(xué)員的操作技能，減輕教員的負(fù)擔(dān)，最大程度上避免了因?qū)W員不成熟的操作技能引起一系列安全問題；同時(shí)也打破了教學(xué)工具不足的局限，使培訓(xùn)人數(shù)得以增加。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展還未達(dá)到成熟階段，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在起重機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用將會(huì)得到進(jìn)一步鞏固。