虛擬現實技術在港口起重機培訓中的應用

郭小強 劉星宇 黃大志 馮 文

（1.江蘇海洋大學機械工程學院，江蘇連云港222005；2.江蘇海洋大學海洋工程學院，江蘇連云港222005）

0 引言

在經濟全球化的今天，海運已經成為全球貨物貿易的重要輸出輸入方式。港口是海陸運輸方式的交匯點，是世界資源流動的樞紐，是城市乃至社會經濟發展的增長點和推動點[1]。港口起重機的正常運行離不開技術嫻熟的操作者，而操作者的培養則成了港口經濟發展一個不可或缺的環節。

虛擬現實是一種集多種產業科技于一身的技術，利用電子科技、計算機模擬、仿真傳感等多種方式來模擬真實環境[2]。將虛擬現實技術融入傳統的起重機駕駛員培訓過程中，使學員在一個生動、逼真的學習環境中進行學習與練習任務，可以幫助學員通過真實的自身感受來增強對基本知識及操作經驗的理解與記憶[3-4]。本文分析了基于起重機操作培訓的特點，結合虛擬現實技術，達到改善學員培訓效果的目的[5]。

1 虛擬現實技術在起重機教學過程中使用的意義

（1）傳統起重機司機的培訓模式是一種師徒制的手把手教學模式。學員經過一系列灌輸式學習，往往只知道如何去做，卻不明白這樣做的道理。利用虛擬現實這一技術，可以擺脫傳統的技能培訓體系對學員的束縛，從根本上解決學員難以自主學習的問題。

（2）如果遇到惡劣天氣等外部因素，學員的培訓工作就不得不暫停，使得培訓周期無法預估地加長，不能滿足當前背景下港口的發展需求，而應用虛擬現實這一技術能很好地突破時間與空間的限制，學員可以便捷地進行知識理論和實踐操作的考核工作，使得空間和時間問題不再成為培訓的限制。

（3）利用虛擬現實技術，規避了不可控因素對起重機的損害，有效延長了起重機的使用壽命，同時也避免了設備的維護與保養，很大程度上減少了成本的投入。

2 虛擬現實技術在起重機教學課程中的應用

2.1 虛擬現實系統的構成

虛擬現實系統主要具備理論教學、實踐加工、考核展示等功能。因此，在虛擬現實教學系統構成設計中主要將系統分為三個模塊，如圖1所示。

2.1.1 理論教學模塊

該模塊中主要包括起重機電路系統理論與起重機構造基礎理論。由于起重機的尺寸規模較大，傳統教學模式下學員了解起重機的結構較為困難，利用虛擬現實技術對機械結構和主要電路原理進行模擬和實物虛化，建立相關的模塊為學員展示宏觀工作細節和微觀電路分析，可以使得學員對于起重機工作狀態有一個直觀的認識，提高教學的質量與效果。

圖1 虛擬現實系統教學示意圖

2.1.2 實踐教學模塊

該模塊由基礎操作與工作環境實體模擬兩部分組成。基礎操作將強化學員對提升機構、旋轉機構和行走機構的操作。這一部分是實現貨物運輸和大范圍作業的基礎。工作環境模擬，將進行港口起重機工作循環的兩種操作情況培訓，由單操作循環和往復操作循環組成。單程工作循環為起重機由碼頭前沿出發往船上裝運集裝箱，之后由船上空載返回原處循環。往復操作循環為起重機從船上往碼頭前沿卸重箱，返回時往船上裝空箱循環。

2.1.3 考核模塊

在考核模塊中，學員可以不受時間地點限制進行自我測試，而相關技術人員可以對題庫進行實時更新，設置和組織相關考試。另外，學員在熟悉了基本操作后，可以利用所學習的基本操作知識，舉一反三，在反復練習的情況下，熟悉每一種環境下的操作，進一步強化自身的起重機操作技能。

2.2 虛擬現實的關鍵技術

本文所述虛擬現實起重機教學系統由三個功能模塊組成：顯示模塊、運動數據處理模塊、人機交互模塊。

（1）顯示模塊的效果直接決定了系統的交互性，目前常用的虛擬現實頭顯（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虛擬環境中的一種立體顯示器。其主要原理：人眼獲取信息后，因為信息的差異性，左右眼分別顯示出不同的圖像信號，在腦海中產生一種立體的感覺。

（2）運動數據處理模塊主要用來控制采集起重機部分的運動以及它們之間的運動關系邏輯。起重機的運動參數采集方便了學員在交互過程中實時了解機器的運動狀況，起重機的實際運動參數可以通過相關手冊來獲取，但是在虛擬模擬環境中搜集到的參數數據是起重機模型的運動參數，所以必須對數據進行相關的后處理（圖2）。

圖2 運動數據處理模塊

（3）人機交互模塊連通著用戶與系統，學員通過人機交互界面與系統交流，進行相關的操作。系統為學員提供各種如光、聲音等感官刺激，檢測學員的各種動作，感知并同時辨別用戶肢體及視角的變化。學員接受系統提供的各種刺激輸入信息，并反饋于自己的動作轉變上。系統通過特定的數據模擬出需要的環境場景與聲音信號，通過顯示設備輸出給學員。學員根據所看到的信息和訓練項目，通過對手柄、鍵盤等外設的操作將自身行動數據反饋給計算機，來達到人機交互的目的。

（4）虛擬現實起重機教學模塊的主體三維機械模型在Solidworks等制圖軟件中建立，裝配完成后進行后期的貼圖烘焙，在3DMAX軟件中完成，最后導出可以使用程序讀取的模型。系統編程基于Windows平臺下的開發工具，主要有C++、Pascal等語言分別對應Visual Studio.Net、Delphi等。基于OSG中STL的大量使用，可以選用與之配對的Visual Studio.Net作為程序的工具，故綜上考慮虛擬現實技術是可用的，能夠服務于港口起重機虛擬現實技術的教學軟件開發工作。

3 結語

目前，我國港口經濟發展迅猛，港口設備也隨著經濟的發展迎來了新一輪的更新與拓展。在起重機操作員培訓方面，運用虛擬現實技術可使學員在虛擬環境下反復對起重機進行操作，提升學員的操作技能，減輕教員的負擔，最大程度上避免了因學員不成熟的操作技能引起一系列安全問題；同時也打破了教學工具不足的局限，使培訓人數得以增加。虛擬現實技術的發展還未達到成熟階段，但隨著技術的進步，虛擬現實技術在起重機教學中的應用將會得到進一步鞏固。