面向港口起重機操作維護的虛擬仿真實驗平臺研發

程 濤 白海天 孫 暉

1 江蘇省大港中等專業學校 2 武漢理工大學交通與物流工程學院

1 引言

近年來，我國港口碼頭建筑構造、港口裝備設計制造、自動化控制等技術快速發展，部分港口已經實現了由遠程操作與智能裝備相結合的自動化作業模式。在此背景下，我國港口未來建設與發展對生產一線高素質技術操作工人的需求越來越大，尤其需要熟悉港口物流設備遠程操作與自動控制系統維修方面的技術人才[1]。港口設備大多作業環境惡劣且運行流程復雜，操作人員必須經歷專業性培訓以保障設備運行安全。目前大部分的港口裝備操作培訓都采用“師帶徒”模式[2]，受到實際裝備數量和操作安全規則的限制，這種傳統的培訓方式很難采用實際的工程機械進行，因此存在培訓周期長、培訓內容局限等缺陷，給新晉操作人員獨立作業過程帶來一定的安全隱患。而隨著“互聯網+”技術日新月異的快速發展，三維仿真技術已經在港口工程機械的技術培訓領域得到廣泛應用[3-5]。通過計算機模擬裝置和仿真技術將虛擬環境與現實作業實操相結合，開發港口起重機虛擬操作系統進行模擬訓練，已經逐漸成為大型港口裝備操作實訓教學的最佳選擇。

本文根據港口大型裝備作業人員與電氣控制系統維護人員的實際培訓需要，研發了一套面向港口起重機操作維護的虛擬仿真實驗平臺。該系統利用起重機機械裝置動力學及運動學模型，融合了當下最前沿的虛擬現實、三維仿真、自動化控制等多學科技術，將港口大型起重機操作控制與教學訓練功能結合在一起，突破了傳統培訓模式下駕駛操作與實際作業環境相分離的限制，實現了學生駕駛訓練與電氣檢修訓練的一體化功能，可以使培訓對象更深刻、更全面地掌握起重機實際工作原理和操作控制方法。

2 系統需求分析

現階段虛擬仿真實驗技術主要有桌面虛擬仿真、沉浸式虛擬仿真、分布式虛擬仿真和增強型虛擬仿真4大類型[6]。其中，三維虛擬環境下的沉浸式虛擬仿真具有模擬效果真實、人機交互性強等優點，非常適合于工程機械操作實訓。本仿真實驗平臺的主要功能為模擬港口裝備的遠程和就地操作作業，其要求是達到操作過程的真實性和顯示過程的虛擬性同步。系統具體設計目標應包括以下幾個方面：

(1)虛擬仿真作業流程應與實際操作流程保持一致，使得學員能更加快速適應真實港機設備的操作環境。

(2)駕駛員虛擬作業視野狀態與實際作業視野狀態盡量一致，操作平臺應具有視角自適應功能，即達到“實物仿真，虛擬環境”的要求。

(3)能夠針對不同起重機的運行特點模擬出全部作業工況，并能夠通過參數設定實現極端運行條件和常見故障現象。

(4)具備較強的通用性和可擴展性，配置合適的軟硬件接口，可便于開發人員通過通用仿真技術，對實訓平臺進行系統升級和二次開發。

總的來說，港口起重機操作維護的虛擬仿真實驗平臺系統開發需求就是給用戶提供一個真實的操作環境，從顯示設備可以清晰看到操作過程中港口物流裝備各機構的運動狀態，并且讓操作者身臨其境。培訓對象可以使用鍵盤或手柄等控制部件，實現對三維模型的運行控制，并在真實視野下觀察到各機構的運動狀態，最大程度地還原現實操作環境。

3 港口機械裝備控制系統實驗平臺開發

港口起重機操作維護的虛擬仿真實驗平臺研發的主要流程包括：①運用虛擬軟件對港口裝備的關鍵結構和器件進行三維仿真，并建立標準化結構模型；②設計與港口起重裝備電氣控制系統一致的PLC硬件控制系統，與上位軟件實現通訊，對建立的三維模型進行互相配合試驗；③搭建虛擬場景，對作業環境中的仿真空間進行參數化設計，并在此基礎上完成數據化驅動設計及數據處理；④運用VR技術對模型進行動作控制，并通過參數化建模技術真實地展示真實作業現場的狀態。

3.1 系統構建

實驗平臺系統結構見圖1。底層的實物操作臺通過數字/模擬量接口接入PLC控制器，再通過以太網通訊和圖形工作站的三維顯示界面進行網絡連接。三維軟件系統接收來自操作臺的輸入命令，數據再通過通訊網絡發送給運動平臺，并使用圖形工作站實時向運動平臺發送運動數據從何改變模型的位姿。另外，培訓對象還可以通過觸摸屏等人機交互界面實現培訓場景選擇、參數調整等操作。

圖1 實驗平臺系統組成

3.2 系統關鍵技術分析

虛擬仿真實驗平臺可以實現人機交互，系統中包含了視覺感知信息建模和實際操作裝備設計。其中視覺感知信息建模是實現實驗平臺仿真模擬效果的核心部分，包含以下關鍵技術。

(1)靜態幾何模型建模

利用向港機制造企業及港機用戶收集到的最新港口物流裝備圖紙及其他技術資料，根據設備機械設計參數，運用SolidWorks、Pro/E等計算機三維設計軟件，對設備的各個機構結構進行靜態三維建模。本文中主要采用多邊形建模技術和曲面建模技術：將真實起重設備的幾何模型分割成若干多邊形，對其進行修改最終生成對象的三維模型，其主要應用的是四邊形和三角形建模；同時對機構間的連接部分采用曲面建模即通過控制1個點來生成周圍圖形。建模完成后再利用三維軟件生成能識別的文件，并導入到中進行模型的優化，消除冗余的多邊形。對于設備仿真模型的周邊自然環境建模也采用同樣的方法。

(2)動態運動過程建模

根據所仿真的對象設備的功能，分析設備的動作特性，將設備所包含的驅動機構進行動作分解，按照設備一個正常工作循環為周期進行運動學分析實現建模。動態運動過程建模方法見圖2。

圖2 動態運動過程建模示意圖

動態運動過程建模的核心是通過仿真計算確定各個運動參量在模擬空間坐標系中的位置，并利用坐標變換得到對象的行為對應各模擬部件的運動方向和速度。由于港口物流裝備1個部件的運動可能帶動其他部件的運動，所以要在參考系中準確的把握每個部件運動的狀態。對環境中坐標的定義不同，所得到的對象的運動狀態也是不一樣的。

本實驗平臺通過PLC控制程序編制各種動作控制邏輯和條件完成一些機構的動作聯鎖、動作協同和動作觸發條件。例如抓斗式卸船機小車機構x軸行走和升降機構y軸方向行走的動作同步、吊具動作的聯鎖等。同時根據設備1個工作循環中所有機構的運動情況及運行參數在計算機中搭建仿真虛擬樣機，使仿真模型與現實設備運行節拍一致，并替換上所搭建的設備三維外觀，使虛擬樣機可以對設備在現場的運行情況進行三維模擬，讓虛擬樣機最大程度接近現實設備運行狀態。

(3)模型渲染及優化

為了保證三維顯示效果，虛擬系統在展現給用戶的過程中需要進行渲染，這些渲染需要經過一系列很復雜的計算才能進行顯示。為了降低計算機的處理復雜度，提高處理速度，可以通過減少模型的面數進行優化，主要通過細節簡化和紋理映射技術實現[7]。細節簡化是指在建模過程中通過算法把使用人員觀看的部分信息給忽略掉，特別是針對自然場景的布局，這樣就可以大大減少幾何場景建模的復雜度。紋理映射就是通過改變物體的表面屬性，在不增加物體幾何的表面屬性的同時讓物體看起來更加逼真、數量減少。

3.3 電氣控制系統硬件設計

實驗平臺的硬件系統主要包括PLC控制系統、三維界面顯示器和實物操作平臺(見圖3)。

圖3 中央控制臺實物圖

其中PLC控制系統是整個硬件系統的控制核心，選用德國西門子S7-200smart系列可編程控制器，通過梯形圖程序實現各個機構設備運行邏輯控制。PLC系統輸入信號為實物操作平臺中所有操作按鈕的數字/模擬量信號，通過硬線連接；PLC系統輸入信號為三維界面顯示軟件，通過以太網線實現通訊連接。實物操作平臺模擬真實港口設備系統的中央控制臺設計，具體包含教學管理系統、工業電視監控系統、實驗管理工程師站系統、操作指令執行系統和運行監控系統、人機界面。它們完成實驗教學系統中的實驗管理、實驗設備運行狀態監控、現場設備運行狀態監控、實時視頻監控、三維成像系統和執行設備的操作動作等功能。

同時，中央控制臺上還集成了所有試驗設備的操作箱，具體包括：斗輪堆取料機聯動臺現場操作箱、堆場皮帶機和埋刮板輸送機現場操作箱、前沿皮帶機和螺旋輸送機現場操作箱、橋式抓斗卸船機聯動臺現場操作箱、裝船機聯動臺現場操作箱。它們以真實港口設備的操作臺為原型，具體按鈕手柄設計與港機聯動臺基本一致，可以完成實驗教學系統中的各個實驗設備的現場操作動作功能。

3.4 虛擬仿真系統及上位監控軟件設計

本實訓系統包含裝船機、斗輪堆取料機、橋式抓斗卸船機、輸送機(皮帶機、螺旋輸送機、埋刮板輸送機)等。實驗設備整體實現散貨物料(無污染無灰塵的顆粒)經卸船、輸送、后方堆場堆積的卸船工藝流程，及從后方堆場取料、輸送、裝船的裝船工藝流程。具體布置見圖4。

圖4 虛擬仿真系統整體布置圖

其中，溜筒式裝船機模型為軌道式移動裝船機，是為散貨碼頭自動化裝卸工藝系統裝船泊位配備的碼頭前沿裝船設備。裝船機由主機和尾車兩大部分組成，設置大車行走機構、臂架俯仰機構、回轉機構、伸縮溜筒驅動機構。裝船機含門架、臂架、轉臺立柱等金屬結構，以及尾車、輸送系統。裝船機跨下軌距內布置落地帶式輸送機，與裝船機尾車相聯接并沿尾車爬升卸料，通過裝船機將物料連續輸送到船艙中。橋式抓斗卸船機主要由抓斗及其起升開閉機構、小車運行機構、大車運行機構、料斗、俯仰機構、金屬結構以及電氣控制系統組成。卸船機通過抓斗從船艙中抓取散粒物料，由小車運行至料斗上方后打開抓斗，物料經漏斗卸至帶式輸送機。皮帶機、螺旋輸送機、埋刮板輸送機負責物料的水平輸送。其單機靜態仿真模型見圖5。

圖5 單機靜態仿真模型

自動裝船流程及設備啟動順序為：移動裝船機——前沿皮帶機啟動運行—埋刮板輸送機啟動運行—堆場皮帶機啟動運行——斗輪堆取料機。自動卸船流程及設備啟動順序為：斗輪堆取料機—堆場皮帶機啟動運行—螺旋輸送機啟動運行——前沿皮帶機啟動運行——橋式抓斗卸船機。

另外，實訓平臺還以實際港口起重設備中央控制系統為原型，配置了現場電氣設備運行狀態實時監控軟件。操作人員通過觸摸屏和模型系統組態工程師站可以實時監控設備運行狀態和電氣參數。工作站監控畫面全部采用彈進彈出菜單形式，全中文提示。輔助鼠標器操作使操作人員能方便地掌握使用。另外，中控臺控制面板上設有指示燈，用以監控設備故障情況。模型組態工程師站上的工控軟件實時顯示設備運行情況，具體參數與觸摸屏中設置參數一致。監控軟件主要功能為：

(1)記錄所有設備電氣運行實時參數。顯示并記錄所有運行電氣，由PLC控制器中獲得，以開關量觸點的形式進行顯示。具體參數見表1。

表1 起重機監控參數表

(2)顯示設備實時運行狀態。工控軟件上可實時顯示各機構運行畫面，每臺設備的組態畫面又分為整機畫面和各機構畫面，當設備處于所設定的初始狀態開始運行時，組態畫面中各機構隨真機一起運行，并實時顯示設備機構位置。監控畫面示意圖見圖6。

圖6 監控畫面示意圖(裝船機+卸船機)

(3)設備故障狀態顯示。工控軟件上展示整個系統的電氣原理圖紙，并在系統出現電氣故障時進行記錄并存儲。便于操作人員隨時查閱。

目前該仿真實訓系統已經在江蘇省大港中專專業學校進行了實際應用。基于以上軟硬件功能的實現，使用該虛擬仿真培訓系統進行實驗教學己成為相關專業學生和未來起重機司機培訓的重要方式。從實際應用的效果來看，本虛擬仿真實驗平臺與早期的培訓機制相比有兩項主要優勢：一是提高操作安全性，不受天氣和時間等環境因素的影響，避免培訓人員因不熟悉實際操作環境或操作失誤造成安全隱患和事故的發生；二是與傳統的“師帶徒”培訓方式相比，使用此虛擬仿真培訓系統的效率高，可使受訓學員很快進入獨立操作狀態，也可避免長時間占用實際設備，影響企業的正常生產。同時，使用虛擬仿真軟件費用更低，使用周期更長。

4 結語

研發了一套面向港口起重機操作維護的虛擬仿真實驗平臺。實驗平臺依照實用性、可維護性、安全可靠性以及操作界面友好的基本設計原則，以港口機械中的散貨裝卸貨設備如裝船機、斗輪堆取料機、橋式抓斗卸船機、地面輸送系統等的正確使用、維護和保養為對象，實現了設備靜態三維結構建模、工作過程機理建模和運行狀態半實物仿真，形成了集教學、實驗、科研、培訓、考核、評估等于一體的開放式實驗平臺。與傳統培訓機制相比，無需操作員親自到現場進行實際操作，可避免不熟悉環境和操作失誤帶來的工業安全風險，學習周期短、效率高、安全性好，能夠很好地滿足港口裝備操作人員和相關高校專業學生的培養和綜合實訓的要求。