基于AR技術的建筑施工塔式起重機培訓系統的研發★

程一琳 畢詠力 常 帥

(1.山西一建集團有限公司，山西 太原 030012； 2.山西建投集團裝飾有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

塔式起重機(簡稱：塔吊)是現代建筑業起重、運輸、吊裝作業的主導機械，全國塔吊數量有數十萬臺，并且每年呈遞增趨勢。近年來建筑行業塔吊的大量使用，由于違規超限作業、現場環境變化與塔吊群干涉碰撞等引發的各類塔吊運行安全事故頻繁發生，造成了巨大的生命財產損失。

目前全國大部分建筑單位在塔吊培訓考核方面，有許多不足和缺陷。首先司機、指揮人員(信號工)，實際操作培訓費用高、成本大，造成實際操作培訓時間短，效果差；其次，市場上現有的模擬仿真塔式起重機普遍存在實用價值低、價格昂貴、周轉成本高、占地面積大、后期保養費用高等問題，操作培訓無法模擬實際生產環境，如：風力、風速、變幅、群體作業等因素，存在較大安全生產隱患。

AR(Augmented Reality,增強現實技術)，是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，是把原本在現實世界的一定時間、空間范圍內很難體驗到的實體信息(視覺,音效,嗅覺,觸覺等信息)通過電腦等科學技術，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗。

增強現實是將虛擬事物在現實中的呈現，而交互就是幫助虛擬事物在現實中更好的呈現做準備，因此想要得到更好的AR體驗，交互就是其中的重中之重。AR系統具有三個突出的特點：1)真實世界和虛擬的信息集成；2)具有實時交互性；3)在三維尺度空間中增添定位虛擬物體，是一門富有挑戰性的交叉技術前沿學科和研究領域。

1 課題研究背景

現階段，大多數塔式起重機司機專業技能培訓、班前崗前教育仍采用基礎理論教育+上塔實操教學，對于初學者來說存在諸多不穩定因素，容易造成安全事故的發生。如：

1)人為因素：因人為操作不當、延遲處理、對運行數據模糊不清等情況導致的安全缺失。

2)機械因素：因機械設備操作難度大，潛在隱患較多造成的傷亡事故；設備安裝部署難度大、成本高、周轉難，并且隨著培訓次數的增加設備的損耗也隨之增大。

3)環境因素：機械設備應用范圍廣，安裝操作環境復雜且不利于控制的問題，人員培訓過程中受時間、空間、環境的限制。

1.1 AR技術發展背景

近年來，AR技術被廣泛應用于工業維修、影視娛樂、醫療手術、教育培訓等多個領域，并逐漸成為下一代人機交互技術發展的主要方向。

AR技術因其功能優勢更適用于教育領域。AR技術可以提供一種沉浸式教學模式，可以將豐富的資源信息和其他數據整合到用戶能夠觀察到的現實場景中，為培訓對象提供身臨其境的學習環境，提升培訓效果。

1.2 政府、行業要求背景

《建設工程安全生產管理條例》(國務院第393號令)、《特種設備安全監察條例》(國務院第373號令)、《建筑起重機械安全監督管理規定》(建設部第166號令)、GB 5144—2006塔式起重機安全規程、JB/T 100—1999塔式起重機操作使用規程、GB/T 5031—2008塔式起重機等文件都明確提出了加強對塔式起重機等特種設備作業人員的培訓教育、崗位管理，提高建筑行業科技管理能力的要求。

2 研究目的

本論文主要研究AR技術在建筑工程中的應用價值，這里提到的應用主要體現在塔式起重機操作的教學培訓中。其目的是改變傳統的教學模式，通過AR技術更加生動、直觀的開展塔吊司機專業技能培訓，突破傳統培訓模式存在的時間、空間、環境等條件的限制，在保證操作人員安全的情況下，進一步提高教學效率。

3 塔式起重機AR技術方案

3.1 研究目標

結合特種作業設備崗位技能培訓的特點，塔式起重機AR技術采用BIM技術構建塔式起重機實體模型，通過AR技術模擬塔吊操作運行狀態與作業環境，全程記錄司機操作并進行違規報警、空間限制、模擬傾翻與環境變化，實現操作與體感的交互模擬，突破了固有培訓模式存在的位置、空間等條件的限制，提高學員的實際操作技能，提高教學培訓考核的安全性，進一步提高培訓的準確性和工作效率。

3.2 技術方案

塔式起重機AR技術的實現，充分利用虛擬現實及智能控制技術，通過將體感操作控制臺、音響系統、視覺系統的融合，實現塔式起重機教學的仿真互動體驗，教學培訓的安全性得到了有效保障，有針對性的組織培訓，進一步提高操作人員自身的應變能力與處理技能，見圖1。

3.2.1教學系統

塔式起重機AR教學系統包含教員管理與學員管理，登錄系統時通過身份證識別操作員身份，進入對應的操作界面(見圖2)。教員或管理人員可以進行遠程系統維護，上傳學習資料、設置考試科目，查詢學員的操作成績，實時跟蹤學習、訓練軌跡，記錄訓練結果等。學員登錄系統后，可進行學習資料的瀏覽、查詢、檢索等，還具有記錄學習時長、進度，模擬考試等輔助功能(見圖3，圖4)。

3.2.2圖像視景系統

采用高清短焦投影背投技術實現三維立體成像，大大提高臨場感，使培訓人員產生身臨其境的感覺，同比例的畫面效果，進一步提高系統的仿真還原度。配備高保真音響系統，模擬現場環境音效及設備運轉中的音效。

3.2.3塔吊實操模擬訓練系統

采用體感震動座椅，模擬塔吊駕駛室晃動特性，真實還原出現實操作間在設備的運行情況。通過操作信號的采集與還原，模擬實際工作中的電氣參數指標，采集指令控制器、按鈕等信號，并同時反饋到軟件系統及指示燈系統。

3.3 實現方式

1)塔吊模型仿真：建立塔吊三維模型，并在塔吊信息模型中關鍵受力節點設置傾角傳感、風速傳感、重量傳感、高度傳感、變幅傳感、角度傳感、群塔防碰撞、基礎沉降等傳感觸發點，實現塔吊模型高還原度仿真(見圖5)。

2)運行環境仿真：建立施工現場信息模型，并對風、雨、霧、霾、光照、噪聲等因素加入施工現場信息模型，以及構件的準確位置與位移變化等，在真實環境下對塔吊關鍵節點進行受力模擬(見圖6，圖7)。

3)體感控制：將各受力節點傳輸回的信息以及操作環境信息通過實時三維計算機圖形技術，全視角(多維度)立體顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等，將對司機的體感部分傳輸至體感震動座椅，模擬真實環境下塔吊操作室司機的真實感受，見圖8。

4)場景仿真與機械作業模擬交互:駕駛室系統采用真實的操作臺，包括完整的操作臺(操作手柄、按鈕、儀表、指示器以及司機座椅等)，其原來的玻璃窗口用視景系統的VR顯示系統替代，通過“窗口”可以看到VR屏幕上的視覺景象和操作情況，見圖9。

5)數據接口：平臺數據接口多元化，無論是塔吊信息模型，還是施工現場環境，均可根據不同工程類型、現場環境因素、塔吊規格型號等因素進行編輯修改。

3.4 技術創新點及優勢

1)可編輯的塔機運行環境與施工現場環境。

將AR技術應用在塔式起重機教學中無論是塔吊信息模型，還是施工現場環境，均可根據不同工程類型、現場環境因素、塔吊規格型號等因素進行編輯修改。

AR仿真支持施工現場光環境模擬，根據季節轉換與時間軸變化，模擬不同時間節點的日照強度對塔吊司機、司索工的操作影響，在培訓教育時進行重點加強。

對即將上崗的項目塔吊司機、司索工等相關工作人員進行崗前、班前教育時，可根據該項目的實際情況，模擬真實的塔吊運行環境及施工現場環境，有針對性的進行培訓教育，降低了塔吊操作人員的實際操作風險。

2)全視角(多維度)立體顯示技術與三維圖形處理技術應用。

通過全視角(多維度)立體顯示技術與三維圖形處理技術應用實現三維立體成像，提高臨場感，使塔機操作人員產生身臨其境的感覺，同現實比例的畫面效果，提高了系統的仿真度。

施工現場全場景視覺效果，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺、受力反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等可協助塔吊司機完成高難度業務培訓，提高了塔吊操作人員的技術水平。

3)交互式塔機操作模擬。

模擬司機操作工作界面，采用真機仿真的方式設計制作。包括一套完整的操作臺(操作手柄、按鈕、儀表、指示器以及司機座椅等)，其原來的玻璃窗口用虛擬現實顯示系統替代，通過“窗口”可以看到屏幕上的視覺景象和操作情況。反饋系統可以產生實際作業中的各種反饋塔身傾斜、制動，傾覆，貨物撞擊，碰撞報警，現場的各種聲響，以及模擬操作不當造成的各類事故后果。

4)部署簡單，周轉便捷。

塔式起重機AR教學系統，通過將圖像視景、音效模擬與體感控制座椅結合于一體，實現了教學、訓練、考核一體化功能。安裝部署簡單，周轉便捷，損耗率低，同時解決了傳統塔吊技能培訓受時間、天氣、地點限制等問題，提高培訓效率的同時降低培訓成本。

4 結語

基于AR技術的建筑施工塔式起重機培訓系統的研發，通過將電子傳感技術和增強現實技術結合，對塔吊使用過程和行為，以及施工現場設備運行過程中的危險因素和安全隱患進行仿真模擬，借助虛擬現實技術，受訓者可以將自身置于各種復雜、突發環境中去，從而進行針對性模擬訓練，提高自身的應變能力與問題處理技能，進一步預防和減少塔吊安全生產事故發生。

基于AR技術的建筑施工塔式起重機培訓系統的研發，為今后塔吊遠程操控及無人操控收集各類真實數據，也為其他高危行業培訓教育起到了示范引領的作用。