岸邊集裝箱起重機虛擬實訓系統(tǒng)開發(fā)與應用

卓宏明 李獻麗

摘要：針對當前岸邊集裝箱起重機教學過程中實訓條件限制，阻礙學生實踐動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)問題。通過收集岸橋圖紙、技術資料基礎上，進行三維建模，采用VB6.0編程語言，結合Microsoft Access數(shù)據(jù)庫開發(fā)了岸邊集裝箱起重機虛擬實訓系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，用戶可以查看岸橋的各種技術資料，還可進行三維動態(tài)觀察及各機構的運動仿真動畫，零部件組裝虛擬實訓等。通過教學實踐表明，該系統(tǒng)操作簡便、可滿足教學要求，彌補了實訓條件的不足。

關鍵詞：岸邊集裝箱起重機;虛擬實訓;三維建模;VB6.0;教學改革

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）21-0067-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

隨著我國港口發(fā)展及高職百萬擴招，高端技能型人才的培養(yǎng)所需的實訓設備及教學條件的限制，已經(jīng)嚴重影響了人才培養(yǎng)的質量[1]。港機專業(yè)教學有很強的實踐性、技能性，讓學生所學的理論知識與實踐有機結合起來，必須加大實訓、實踐力度[2]。因此，在“互聯(lián)網(wǎng)+”教學的大背景下，開發(fā)虛擬實訓系統(tǒng)，將虛擬與現(xiàn)實結合、仿真與實操結合，提高教學質量已經(jīng)成為當下研究的熱點，并已經(jīng)開始應用于教學實踐中[3-6]。

2 系統(tǒng)需求分析

岸邊集裝箱起重機（簡稱岸橋）是集裝箱碼頭最重要最昂貴的設備，也是港機專業(yè)課中一塊非常重要的內容，學生需要掌握岸邊集裝箱起重機的技術參數(shù)結構組成、工作原理以及零部件組裝以及維修、保養(yǎng)、調整的方法，在正式上崗前具有一定的故障診斷和故障排除的能力。當前岸橋教學中主要存在如下問題，需要開發(fā)虛擬實訓系統(tǒng)解決。

1）無真實設備，設備內部結構難以觀察理解。學生的基礎越來越薄弱，岸橋理論學習枯燥效果不理想，授課內容主要依靠幻燈片、照片、視頻等，表現(xiàn)手法單一，系統(tǒng)內部結構難以觀察和講解等不足，也沒有真實的設備。授課中傳統(tǒng)多媒體加視頻的教學手段很難達到讓學生掌握所學專業(yè)知識的目的[7]。2）岸橋實訓設備數(shù)量難以滿足需求。學校在實訓室的硬件建設和資金投入做了大量工作，但招生規(guī)模擴大，實訓條件達不到實際需求。實訓設備的數(shù)量與參訓學生數(shù)量不匹配，價格昂貴的專業(yè)設備更是數(shù)量不足，實訓的效果大打折扣。3）岸橋實訓設備的設施相對落后。由于科技日新月異，碼頭設備不斷更新?lián)Q代，我國從無到有目前已經(jīng)建設完成了4個全自動化碼頭，然而由于實訓設備成本高，學校實訓設備未能及時更新，與企業(yè)技術發(fā)展不同步。4）岸橋實訓設備的維護成本高，實訓過程存在安全隱患。學生對實訓設備不熟悉，操作不熟練，實訓設備在拆裝過程中易出現(xiàn)個別部件損壞和人身意外傷害。

針對當前岸橋教學中存在的諸多問題，通過與港機制造企業(yè)及港機用戶收集最新的岸橋圖紙技術資料基礎上進行三維建模。為降低開發(fā)難度和成本，加快開發(fā)周期，采用MicrosoftVisual Studio VB6.0進行軟件編程。由于數(shù)據(jù)量不大，采用簡單易用的Microsoft Access關聯(lián)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)岸邊集裝箱起重機虛擬實訓系統(tǒng)，解決實訓條件、實訓時間的不足，改善學生動手能力不強、結構原理難以理解掌握的問題，減少學與企業(yè)實際工作需求的差距。岸橋虛擬實訓系統(tǒng)的使用對象主要為教師和學生，另外還需要有管理員可以對系統(tǒng)進行完善改進等。學生可以查看岸橋相關技術資料學習，進行岸橋三維動態(tài)觀察結構，查看各機構的運動仿真，以及零部件組裝虛擬實訓和使用幫助，學生還可以修改自己的登錄密碼。虛擬實訓還需要對學生的實訓進行評價。教師擁有學生的所有權限并且還有管理學生，查看學生學習情況統(tǒng)計成績等。管理員擁有所有權限，管理所有用戶，還可以進一步完善改進系統(tǒng)等。

3 系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)需求分析，結合岸橋虛擬實訓系統(tǒng)的特點，系統(tǒng)的總結構包括登錄部分和主界面部分。主界面部分又包括“技術資料”“三維視圖”“運動仿真”“零部件組裝”“首頁”“用戶管理”“幫助”“退出”八個功能菜單，整個系統(tǒng)功能圖如圖1所示。

每個用戶在使用系統(tǒng)前必須先登錄，依自己的權限使用系統(tǒng)，具有較好的安全保密機制。登錄界面主要設置有常規(guī)的用戶名，登錄密碼，角色選擇，只有當用戶名和密碼正確以及權限選擇對時，登錄成功，系統(tǒng)提示“已成功登錄”，否則就會提示錯誤。登錄界面與用戶數(shù)據(jù)庫采用Microsoft.jet. OLEDB.4.0數(shù)據(jù)引擎連接Access用戶數(shù)據(jù)庫。用戶登錄后的密碼修改，使用Adodc控件操縱用戶數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。用戶數(shù)據(jù)庫主要包括管理員表（管理員編號、管理員姓名、管理員密碼），教師表（教師編號、教師姓名、教師密碼）和學生表（學號、學生姓名、學生密碼）。

主界面設計主要采用多重文檔界面結合菜單編輯器來開發(fā)。主界面的標題欄顯示有軟件的名稱，中心部分顯示岸邊集裝箱起重機的三維模型。主界面部分有8個功能菜單，技術資料菜單包括岸橋簡介、圖紙、標準和視頻這4個二級功能菜單，里面有豐富的岸橋相關的圖文、視頻以及相關標準資料供用戶學習使用。三維視圖菜單包含總裝、機構、金屬結構和主要零部件4個二級功能菜單。機構又有起升機構、小車運行、大車運行和俯仰4個三級功能菜單。主要零部件又有電氣房、電纜轉盤和駕駛室3個三級功能菜單。選擇相應的功能菜單就可以三維動態(tài)對應的岸橋結構，用戶可以直觀學習從而掌握岸橋的結構與組成原理。

運動仿真菜單包括起升運行、小車運行、大車運行、俯仰運動這4個二級子菜單。起升機構運動仿真實現(xiàn)岸橋吊裝集裝箱進行提升和下降運動，小車運行機構運動仿真實現(xiàn)小車架沿著主梁小車軌道進行前后水平運動，大車運行機構運動仿真實現(xiàn)起重機整機沿著碼頭軌道做水平運動，俯仰運動仿真實現(xiàn)岸橋前大梁繞前大梁鉸點做俯仰運動。用戶選擇對應的子菜單就可以觀看機構運動仿真動畫，形象生動地呈現(xiàn)出各機構的運動傳動原理方便學生理解掌握。零部件組裝菜單包括海陸側門框、上橫梁梯形架、大梁組裝、總體裝配這4個二級子菜單。以海、陸側門框子菜單進行海、陸側門框虛擬裝配實訓為例，進行功能介紹。當選擇該子菜單時，進人海、陸側門框組裝界面，界面中有海、陸側門框的所有零部件，界面右上方有一個工量具下拉選擇框和一個加工方法下拉選擇框，界面右下方有裝配和還原兩個按鈕，如圖2所示。進行組裝時，先選擇工量具和加工方法，再拖動海、陸側門框零部件到合適的組裝位置，點擊裝配，如果工量具和加工方法選擇都正確并且零部件裝配位置正確，就是出現(xiàn)工量具選擇正確、加工方法選擇正確、裝配正確對話框，并且界面中出現(xiàn)海、陸側門框組裝完成后的三維視圖，如圖3所示。如果工量具選擇有誤，就會出現(xiàn)“工量具選擇有誤”對話框，否則就會出現(xiàn)“加工方法選擇有誤”對話框。如果海、陸側門框零部件位置不對就會出現(xiàn)“裝配有誤”對話框。按下還原按鈕，海、陸側門框零部件回到原始位置，工量具和加工方法下拉選擇框所選內容清空。

首頁菜單，供用戶從各子菜單直接返回主界面。用戶管理菜單只有管理員和教師才能進入用戶管理界面，學生沒有該權限。教師可以管理查看各學生的信息，學習記錄等，管理員擁有所有權限。幫助菜單里面有軟件的使用方法介紹等。退出菜單供用戶退出系統(tǒng)。

程序的調試和運行以及打包發(fā)布都可以直接在VB里面進行，但打包發(fā)布用第三方專業(yè)的VB程序工具更方便并且不容易產生錯誤。

4 結論

岸邊集裝箱起重機虛擬實訓系統(tǒng)依照實用性、可維護性、安全可靠性以及操作界面友好的基本設計原則，可視化的操作方式，界面簡潔、操作方便。用戶可以查看技術資料包括岸邊集裝箱起重機設備介紹以及圖紙，還可以進行三維視圖的查看學習，并且還有各機構的運動仿真動畫，以及零部件組裝。岸橋虛擬實訓系統(tǒng)已經(jīng)在《港口集裝箱機械與輸送機械》課程教學中進行了應用，教師通過該軟件與實訓設備結合虛實結合，線上線下結合進行岸橋相關內容的教學[8]。實踐表明：學生通過該軟件的使用可以很好掌握岸邊集裝箱起重機的結構組成、工作原理以及零部件組裝等知識，輔助教學，具有很好的應用價值。但系統(tǒng)還存在一些缺陷，如功能相對單一，實訓項目太少，虛擬實訓過程評價欠缺，無對應手機移動端等功能還需進一步開發(fā)完善。

參考文獻：

[1]陸燕飛，陳嵩.百萬擴招背景下高等職業(yè)教育供給側改革的 路徑探析[J].職教論壇，2019（7）：32-36.

[2]郭娟，于欣，高騰，虛擬現(xiàn)實技術對高等職業(yè)教育實踐教學的促進作用[J].河北科技師范學院學報，2008，22（4）：74-76.

[3]洪洲.虛擬實訓系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].實驗技術與管理，2014，31（6）：111-113.

[4]周瑾怡.網(wǎng)絡虛擬實訓平臺在高職路由交換技術課程教學中的應用與實踐[J].電腦知識與技術，2015，11（21）：131-133.

[5]卓宏明，蔣仲仁.“互聯(lián)網(wǎng)+”課程思政的高職專業(yè)課教學改革[J].寧波工程學院學報，2019，31（4）：107-111.

[6]徐媛，崔學鵬.基于VR技術的網(wǎng)絡綜合布線虛擬實訓平臺的設計研究[J].電腦知識與技術，2019，15（18）：75-76.

[7]吳衛(wèi)剛，趙秋園，于海，等.裝卸搬運機械課程虛擬實訓平臺的建設與應用[J].科教導刊（下旬），2018（3）：45-46，64.

[8]卓宏明，侯舟波，四位一體虛實結合的高職專業(yè)課教學改革——以港口集裝箱機械與輸送機械課程為例[J].物流工程與管理，2019，41（1）：148-150.

【通聯(lián)編輯：王力】

基金項目：全國教育信息技術研究課題（186140032）;浙江省高等教育“十三五”第二批教學改革研究項目（jg20190996）

作者簡介：卓宏明（1986-），男，浙江舟山人，講師，碩士，主要研究方向為機械工程、信息化教學;李獻麗（1982-），女，浙江舟山人，講師，碩士，主要研究方向為機械工程、信息化教學。