高職高專港口起重運輸機械虛擬實驗室教學平臺構建

浙江交通職業技術學院機電與航空學院 章正偉

高職高專港口起重運輸機械虛擬實驗室教學平臺構建

浙江交通職業技術學院機電與航空學院 章正偉

由于起重運輸機械的設備重，占地空間比較大，起重運輸設備類型多、設備投資大，如果各種起重運輸設備都要購買的話，設備建設經費和場地都有問題。因此，構建港口起重運輸機械虛擬實驗室教學平臺就非常有針對性地解決了這個問題。本文從港口起重操作虛擬仿真訓練系統、港口起重輸送機械課程涉及的主要整機以及部件三維動畫資源庫以及港口起重輸送課程網絡資源三個方面進行開發和建設，從而構建港口起重運輸機械虛擬實驗室教學平臺。

港口起重輸送機械 虛擬 教學品臺 構建

港口起重運輸機械課程是港口機械專業的專業核心課程，也是國家職業資格《起重機械設備維修人員》重要考核模塊之一。課程內容包括驅動裝置、鋼絲繩及卷繞裝置、取物裝置、制動裝置、減速器、聯軸器、安全裝置、起升機構、運行機構、回轉機構、變幅機構、金屬結構、門機、集裝箱起重機、帶式輸送機、斗式提升機、埋刮板輸送機、螺旋輸送機、氣力輸送機等。要求學生掌握港口起重運輸機械的各個零部件以及各個機構的工作原理和零部件、機構的維修保養方法。由于起重運輸機械設備重，占地空間比較大，起重運輸設備類型多，設備投資大，如果各種起重運輸設備都要購買的話，設備建設經費和場地都有問題。因此，構建港口起重運輸機械虛擬實驗室教學平臺就非常有針對性地解決了這個問題。

筆者所在院校的港口物流設備與自動控制專業教研室的課題組成員在港口起重操作虛擬仿真訓練系統、港口起重輸送機械課程涉及的主要整機以及部件三維動畫資源庫以及港口起重輸送課程網絡資源三個方面進行開發和建設，從而構建港口起重運輸機械虛擬實驗室教學平臺。

一、港口起重操作虛擬仿真訓練系統虛擬實驗室教學平臺構建

港口起重機綜合模擬系統Port Crane Simulation System（以下簡稱為PCSS）是以先進的教學理念，結合港口起重機操作與電氣控制系統教學實訓的需要而開發的綜合訓練模擬系統。該系統采用最前沿的軟件開發、網絡通訊、系統仿真、虛擬現實、電氣控制、起重機動力學、起重機運動學等多學科技術，將港口大型起重機操作控制與教學訓練功能結合在一起，突破了傳統的駕駛操作與電氣檢修分離的教學局面，實現了學員駕駛訓練與電氣檢修訓練的一體化功能，使學員更深刻、更全面地掌握起重機實際工作原理和操作控制方法。系統中還融入了先進的視景仿真技術和強大的數據管理功能，從而構成了一個具有設備操作、故障檢測、故障維修、教學管理為一體的綜合模擬教學平臺，滿足了起重機專業的現代化教學要求，提高了我國高等職業教育的科技水平。

港口起重機綜合模擬系統分為四大部分：司機操作及視景模擬系統、教師端控制系統、起重機電氣模擬系統、電氣故障檢測及維修系統。整體組成結構示意如圖1：

1.司機操作及視景模擬系統司機操作及視景模擬系統。司機操作臺可以采集學員操作模擬數據，并將其轉換成數字信號上報給3D視景服務器，3D視景服務器接收這些操作信號驅動起重機運行。

圖1 港口起重機綜合模擬系統整體結構圖

3D視景服務器包括含力學模擬模塊，音效模擬模塊，驅動信號處理模塊和3D圖形計算模塊。力學模擬模塊會對虛擬場景中的所有元素（如起重機、地面、風力等）進行真實的物理力學運算。音效模擬模塊會對場景中的所有聲音包括：起重機的運行聲音，港口環境聲音等進行模擬。驅動信號處理模塊會對司機操作臺上報的學員操作數據進行處理從而驅動起重機運行。同時，聯動臺上的司機操作的IO信號都會以網絡方式上傳至教師端控制系統上。

2.教師端控制系統司。教師端控制系統對學員訓練進行管理。教師可以在該系統上設置學員當前訓練的起重機型和訓練任務，也可以對電器柜的故障類型進行設置。學員訓練完成后，教師可以查詢學員的訓練數據和訓練成績。

教師端聯接司機操作及視景模擬系統，并選擇訓練機型；啟動訓練機型后，可動態設定整個機構的機械物理參數，作業環境狀態，場內設備的布局，實時環境天氣及時間，記錄學員操作時的狀態等；連接電器柜PLC設備，進行CMS監控操作；系統啟動完成后，可在系統上查看所有相關的，起重機硬件狀態，起升、行走、回轉機構的控制流程，查看所有設備的組態信息。教師可動態設定模擬故障，可實時查看故障列表及跟蹤狀態，實時記錄學員的維修故障操作。同樣，也可以使用PLC編程工具進行自定義編寫PLC控制內容，通過PLC可編程控制器輸出數字控制信號，采用工業網卡，通過網絡，建立上位機和PLC的實時交互數據通訊。通過PLC傳輸的操作臺控制命令控制視景模型運行，通過上位機傳輸的數學模型數據控制PLC和操作臺的反應。

3.起重機電氣模擬系統。系統中包括真實的起重機電路，由電源、PLC、變頻器、電機等實體設備組成。系統正常工作時，“系統1”司機操作系統中的實際和都會實時反映至“系統4”的實體電路中，起重機的行走構、起升機構、變幅機構均會實時聯動。

4.電氣故障檢測及維修系統。該子系統與電氣模擬系統硬件組成為一體，由模擬主機、儀表顯示屏（左）、觸控操作屏（右）三部分組成，在系統運行時，電氣故障檢測及維修系統承擔了模擬儀表、部分模擬組態顯示、學員維修區等功能。

二、港口起重輸送機械課程涉及到的主要整機以及部件三維動畫資源庫平臺構建

港口起重輸送機械課程分為三個模塊。模塊一是起重機械、模塊二是集裝箱機械、模塊三是輸送機械。分別對三個模塊的設備整機和部件進行了資源庫建設，如圖2所示。

ISSN2095-6711/Z01-2015-06-0105