AR技術(shù)在建筑施工塔式起重機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

馮保明

(上海建工七建集團(tuán)有限公司，上海 200120)

1 技術(shù)方案

AR技術(shù)在建筑施工塔式起重機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出非常重要的應(yīng)用價(jià)值，不僅實(shí)現(xiàn)了交互式塔機(jī)操作的智能化模擬，而且綜合運(yùn)用了全視角立體顯示技術(shù)與三維圖形處理技術(shù)，為提高師生良好的使用體驗(yàn)發(fā)揮出重要作用。建筑施工塔式起重機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)離不開對(duì)AR技術(shù)的應(yīng)用，AR技術(shù)主要借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和人工智能技術(shù)，通過采用子系統(tǒng)融合的方式，將體感操作控制臺(tái)、視覺系統(tǒng)、音響系統(tǒng)結(jié)合為統(tǒng)一整體[1]，為師生提供良好的塔式起重機(jī)仿真互動(dòng)體驗(yàn)，有效地提高了教學(xué)培訓(xùn)的可靠性和安全性，教師利用該系統(tǒng)，對(duì)學(xué)員進(jìn)行針對(duì)性地培訓(xùn)，可以最大限度地提高學(xué)員的操作技能和突發(fā)事件處理能力。基于AR技術(shù)建筑施工塔式起重機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 基于AR技術(shù)建筑施工塔式起重機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)組成

1.1 教學(xué)系統(tǒng)

基于AR技術(shù)建筑施工塔式起重機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)主要包含兩大核心功能，分別是教員管理功能和學(xué)員管理功能。教員和學(xué)員在使用該系統(tǒng)之前[2]，需要通過身份認(rèn)證后，方可進(jìn)入到系統(tǒng)相應(yīng)界面。其中，教員通過利用該系統(tǒng)可以采用遠(yuǎn)程控制的方式，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，或者遠(yuǎn)程上傳教學(xué)資料等操作，同時(shí)，還擁有設(shè)置學(xué)員考試科目、查看學(xué)員考試成績(jī)、跟蹤學(xué)員訓(xùn)練狀態(tài)以及記錄學(xué)員訓(xùn)練結(jié)果等功能；學(xué)員利用該系統(tǒng)可以對(duì)學(xué)習(xí)資料進(jìn)行檢索、查看和瀏覽。

1.2 圖像視景系統(tǒng)

該子系統(tǒng)在具體的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，在AR技術(shù)的應(yīng)用背景下，充分借助了投影背投技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多維立體成像相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)，為學(xué)員帶來真實(shí)化的臨場(chǎng)感[3]，最大限度地提高系統(tǒng)的仿真還原程度。同時(shí)，在音響系統(tǒng)的配備下，還可以為學(xué)員模擬真實(shí)化的現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境音效。

1.3 塔吊實(shí)操模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

在AR技術(shù)的應(yīng)用背景下，該子系統(tǒng)在具體的設(shè)計(jì)中，借助體感震動(dòng)座椅的使用優(yōu)勢(shì)，對(duì)塔吊駕駛室的環(huán)境進(jìn)行真實(shí)化模擬，同時(shí)，還對(duì)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行真實(shí)化還原，讓學(xué)員在虛擬化的工作環(huán)境中，對(duì)相關(guān)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行配置[4]，便于更好地提高學(xué)員的操作技能。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

2.1 塔吊模型仿真

通過對(duì)塔吊三維模型進(jìn)行構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種傳感器出發(fā)點(diǎn)的設(shè)置，如風(fēng)速傳感器、高度傳感器、角度傳感器等，以達(dá)到提高塔吊實(shí)際運(yùn)行環(huán)境模擬效果的目的。塔式起重機(jī)三維模型如圖2所示。

圖2 塔式起重機(jī)三維模型

2.2 運(yùn)行環(huán)境仿真

在這一環(huán)節(jié)中，根據(jù)建筑工程施工需求，通過將多種外界影響因素融入到對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)信息模型進(jìn)行構(gòu)建中，如空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度等，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)信息模型的科學(xué)構(gòu)建和應(yīng)用，同時(shí)，還要在真實(shí)化的施工環(huán)境中，對(duì)塔吊的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行真實(shí)化模擬，以得到真實(shí)化的塔式起重機(jī)作業(yè)場(chǎng)景。塔式起重機(jī)作業(yè)場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 塔式起重機(jī)作業(yè)場(chǎng)景

2.3 數(shù)據(jù)接口

在AR技術(shù)的應(yīng)用背景下，建筑施工塔式起重機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)具有多個(gè)數(shù)據(jù)接口，便于學(xué)員根據(jù)訓(xùn)練需要，在結(jié)合工程種類以及塔吊規(guī)格的基礎(chǔ)上，對(duì)塔吊信息模型以及施工環(huán)境進(jìn)行針對(duì)性地編輯和修改，極大地提高了學(xué)員的使用體驗(yàn)。

3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

3.1 可編輯塔機(jī)運(yùn)行環(huán)境與施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

通過將AR技術(shù)應(yīng)用于建筑施工塔式起重機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，學(xué)員借助該系統(tǒng)相關(guān)功能，可以根據(jù)建筑工程各種施工因素，如工程塔吊型號(hào)、工程種類以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)塔吊信息模型、現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境進(jìn)行針對(duì)性地編輯和修改，以滿足建筑工程施工需求，為進(jìn)一步提高建筑施工質(zhì)量和施工進(jìn)度打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，AR技術(shù)還對(duì)真實(shí)化模擬施工現(xiàn)場(chǎng)的光環(huán)境提供了很好的支持，施工現(xiàn)場(chǎng)光環(huán)境可以針對(duì)當(dāng)前季節(jié)特點(diǎn)，對(duì)不同時(shí)間段的光照強(qiáng)度進(jìn)行真實(shí)化模擬，讓學(xué)員在不同的光照強(qiáng)度下進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練以提高培訓(xùn)教育的有效性和科學(xué)性。此外，在對(duì)那些即將持證上崗的學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)時(shí)，通過利用該系統(tǒng)，可以針對(duì)建筑工程的實(shí)際需求，對(duì)塔吊的工作環(huán)境進(jìn)行真實(shí)化模擬，將塔式起重機(jī)實(shí)際操作風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

3.2 全視角立體顯示技術(shù)與三維圖形處理技術(shù)應(yīng)用

通過綜合運(yùn)用全視角立體顯示技術(shù)與三維圖形處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多維立體成像相關(guān)功能的設(shè)計(jì)和開發(fā)，為學(xué)員呈現(xiàn)出與現(xiàn)實(shí)比例相同的景物和畫面，向?qū)W員呈現(xiàn)真實(shí)的虛擬環(huán)境，產(chǎn)生一種身臨其境的感覺，從而保證了系統(tǒng)的仿真效果。同時(shí)，在AR技術(shù)的應(yīng)用背景下，該系統(tǒng)還可以為學(xué)員呈現(xiàn)出真實(shí)化的施工現(xiàn)場(chǎng)全景視覺效果，借助跟蹤技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)學(xué)員進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)培訓(xùn)，以達(dá)到提高學(xué)員技術(shù)水平的目的。

3.3 交互式塔機(jī)操作模擬

為了充分發(fā)揮和利用AR技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，學(xué)員通過利用該系統(tǒng)可以對(duì)實(shí)際操作工作進(jìn)行真實(shí)化模擬，然后，借助仿真設(shè)計(jì)方式，對(duì)各個(gè)操作技能進(jìn)行針對(duì)性地學(xué)習(xí)，以達(dá)到提高自身專業(yè)操作技能的目的。同時(shí)，還可以對(duì)各種突發(fā)事件進(jìn)行模擬，如貨物撞擊、塔身傾斜、碰撞報(bào)警器異常等，便于學(xué)員在處理這些突發(fā)事件的過程中，提高自身的隨機(jī)應(yīng)變能力和突發(fā)事件處理能力。

3.4 部署簡(jiǎn)單，周轉(zhuǎn)便捷

通過將AR技術(shù)應(yīng)用于建筑施工塔式起重機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，確保圖像視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、體感控制平臺(tái)進(jìn)行有效融合，使其結(jié)合為統(tǒng)一整體，為學(xué)員提供訓(xùn)練、考核一體化的學(xué)習(xí)功能。同時(shí)，還可以提高該系統(tǒng)部署簡(jiǎn)單性和周轉(zhuǎn)便捷性，從根本上解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)受外界因素限制等問題，為縮小學(xué)員培訓(xùn)成本，提高學(xué)員培訓(xùn)效率和效果提供了重要的平臺(tái)支持。

4 結(jié)束語

在AR技術(shù)的應(yīng)用背景下，建筑施工塔式起重機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面取得了很大的突破和創(chuàng)新，該系統(tǒng)通過綜合運(yùn)用電子傳感技術(shù)和AR技術(shù)，科學(xué)模擬了塔式起重機(jī)使用過程以及在實(shí)際使用中可能出現(xiàn)的安全隱患，學(xué)員通過利用該系統(tǒng)可以在多種虛擬化的復(fù)雜、突發(fā)施工環(huán)境中，進(jìn)行針對(duì)性地訓(xùn)練和提高自身的操作技能以及處理突發(fā)事件能力，為更好地保證塔吊可靠、安全生產(chǎn)提供有力的保障。因此，AR技術(shù)具有非常高的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景，為促進(jìn)建筑施工塔式起重機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)的健康、可持續(xù)發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持。

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