基于VR的交互式起重機安全學習系統設計與開發

張曉澍 陳曜鵬 方貴南 楊艷芳

1武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430063 2寧波梅東集裝箱碼頭有限公司 寧波 315800

0 引言

港口是水陸交通的集結點和中心樞紐，是交通物流環節中非常重要的一環。港口起重機作為港口重要的裝卸集裝箱貨物的特種機械設備，在港口日常作業中扮演著極其重要的角色，進而起重機的安全規范操作顯得尤為重要。關于起重機的安全方面，趙勇等[1]為預防岸邊集裝箱起重機安全作業事故，建立了岸邊集裝箱起重機操作員的基本動作序列和認知可靠性模型，對該模型進行了定性分析和定量計算，驗證了該模型的可靠性。段在鵬等[2]利用起重機模擬器進行仿真分析，記錄新入職的員工操作起重機的各項數據，對影響起重機司機失誤操作的因素進行了分析。

虛擬現實技術是一項高度集成性技術，虛擬現實技術將沉浸感、交互性與構想性融為一體，利用軟件與硬件設備為用戶提供模擬現實體驗[3]。虛擬現實技術應用領域廣泛，在工業、農業、軍事、醫學和教育等各個應用領域已取得很多研究成果[4-9]。隨著虛擬現實技術的發展，虛擬仿真系統已經滲透進了各個行業，并且因虛擬仿真系統的可視化與交互性，虛擬仿真系統得到了多方面的應用。徐敬青等[10]針對末制導炮彈射擊準備訓練操作復雜、錯誤操作風險大等問題，設計并實現了末制導炮彈射擊準備虛擬訓練系統。時光志等[11]為提高對液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)船舶的整體認知以及船員應對各種海況的能力，創建船舶六自由度運動數學模型，開發了LNG船舶航行仿真系統。孫佳文等[12]將大部分的航海知識與虛擬現實技術進行有機結合，開發出整船仿真訓練平臺，助力于航海類學員的教學與實訓。王金川等[13]基于Vega與武裝直升機編隊飛行訓練，開發出武裝直升機編隊飛行訓練仿真系統。叢叢等[14]為了更好地將行車作業崗位的崗位任務引領、項目驅動等職業教育的教學理念融入實踐教學中，開發了城市軌道交通行車作業虛擬仿真實訓系統。

近些年，國內對港口的研究主要集中在物流運輸方向，缺少對港口起重機的安全規范研究。本文以起重機的安全學習為例，將港口起重機安全理論與虛擬現實技術相結合，開發交互式起重機安全學習系統，以達到港口安全教育培訓，提高起重機操作員工的安全意識和安全操作能力的目的，同時還可以減少因起重機的不規范使用而導致的港口安全事故。

1 交互式起重機安全學習系統設計

1.1 系統總體框架設計

交互式起重機安全學習系統是基于虛擬現實技術進行設計的，用于輔助傳統的港口安全實訓教學，將港口安全理論知識和起重機安全操作實訓結合為一個有機系統，通過將起重機的操作注意安全事項嵌入到起重機作業前、中、后3階段，以起重機的操作順序給予用戶邏輯順序上的學習及培訓，然后在每一項安全注意事項中加入指令按鈕，實現人機交互的效果，最終通過本虛擬系統呈現。系統包括對起重機的簡介，起重機安全作業前的安全檢查，作業中的安全操作和作業后的安全歸位。交互式起重機安全學習系統主要結構框圖如圖1所示。

圖1 交互式起重機安全學習系統主要結構框圖

1.2 系統功能設計

根據港口起重機操作順序，安全學習系統將起重機作業前、中、后3部分劃分為3個功能模塊。在3個功能模塊中，又分別依據每部分操作的順序，將每部分操作注意事項以電影字幕的方式按順序嵌入到起重機的作業演示。為了使安全學習系統具有完備性，先將每項起重機操作安全事項獨立制作成演示的一個環節，再將各環節依據起重機的操作順序先后排列，最后用代碼將各環節串聯起來，并且在每個環節學習結束之后，會出現提示指令按鈕，只有用戶點擊該指令按鈕，系統才會進行下一步的安全演示。安全學習系統的安全事項碎片化與指令按鈕的提示，使用戶不會遺漏對任何一項安全事項的學習，并且人機交互的提示按鈕還增添了用戶對安全學習的趣味性。

在起重機作業前，需要對起重機主要部分進行安全檢查，防止設備故障導致起重機發生安全事故。起重機作業前的6項安全注意事項：1）檢查大車行走路線軌道有無障礙物，之后解除防爬裝置。2）提起小車的錨定銷，檢查小車兩個方向的終點開關是否靈活正常。3）檢查吊架是否可靠。4）進行空載試車，檢查各機構是否正常。5）進行重載試車，將一重箱緩慢起吊30 cm停車，檢查提升性能以及制動性能。6）移動小車，檢查制動性能。

在起重機作業中，需要對起重機的基本操作做出安全考慮，防止錯誤地操作起重機而導致故障的發生。起重機作業中的7項安全規范操作事項：1）起升高度以高于箱子30 cm為宜。2）在起升、下降或移動載荷時應做到穩、輕、準。3）夜間作業打開泛光燈。4）不準超負荷。5）禁止將集裝箱懸掛在空中停留，如遇特殊情況，應盡量使貨物接近地面，操作員不得離開。6）到達作業位置前，應逐漸減速、然后停車。7）不得在有載情況下調整起升制能器。

在起重機作業后，需要對起重機的各部分進行原先位置的復位檢查。先對起重機的各部分部件復位到未開始作業前，然后再對其靜止狀態進行檢查，確保起重機使用后的可靠復位。起重機作業后的4項安全注意事項：1）起重機要停在規定位置。2）吊具升到最高位置。3）把小車移動到出入口端部，將小車的錨定銷放下。4）安放好大車防爬裝置。

2 交互式起重機安全學習系統開發

2.1 零部件及場景建模

在虛擬安全學習系統中，虛擬場景的構建十分重要，其直觀地體現了虛擬系統的沉浸感，是強化視覺體驗的最簡單有效的方式，故三維模型對于虛擬場景的沉浸效果影響巨大。而在Unity 3D軟件中，建模功能有局限性，故選擇SolidWorks對零件進行建模。

先對起重機進行整體上的分析，簡化模型，并對需要進行建模的零部件進行統計。然后收集需要建模的零件尺寸數據、圖紙，進行建模。最后，對各個零件進行虛擬裝配，形成起重機總裝配體。為了盡可能地還原港口作業的場景，還需要對場景物體進行建模，需要在場景中增添集裝箱群，以及起重機的導軌部分。將起重機總裝配體置于工作場景中，與導軌進行虛擬裝配，形成整個工作場景的總裝配體。

由于所選擇的虛擬現實軟件Unity 3D不支持Solid Works現有的格式的模型導入，因此，選擇3DsMax作為中轉平臺，使模型能夠順利導入虛擬現實軟件中。將Solid Works完成的模型存為.wrl格式文件；將.wrl格式文件導入3DsMax軟件中，將模型整體導入3Ds Max后，可對模型進行貼圖渲染，便于對各零部件的識別，增強用戶的視覺體驗；為了便于后續的操作，按照實際裝配要求對零件以總成形式建立父子關系，并且將各總成制作成相應的預制體，存為.fbx格式文件；再將.fbx格式文件導入Unity 3D中，場景建模及優化流程圖如圖2所示。模型處理完成的起重機作業場景如圖3所示。

圖2 場景建模及優化流程圖

圖3 起重機工作場景

2.2 安全學習系統開發

該系統所需的三維數字模型準備就緒之后，需要在開發引擎Unity3D中開發功能模塊。

1）場景導入 將場景模型經過上述2.1中步驟導入Unity3D。

2）功能場景創建 為了避免功能間的邏輯沖突，實現系統功能的可擴展性，將每個功能分別創建對應的功能場景進行封裝。

3）攝像機天空球渲染 為使場景更加逼真，需在攝像頭內添加Skybox（天空球）材質，使攝像頭看到的天空更加接近實際。

4）實現功能場景的功能 該系統實現安全學習的方法是起重機安全操作演示的同時加入交互式的指令動作，以達到增強使用者對起重機安全操作的目的。

5）交互功能 編寫控制代碼，實現演示環節的順序進行，和銜接功能場景的切換以及指令的切換。實現部分功能的具體代碼如圖4所示。

圖4 安全操作演示的控制代碼

6）系統發布 Unity3D具有多平臺發布的功能，該系統選擇發布于PC平臺。

2.3 安全學習系統效果展示

進入安全學習系統的起重機作業前的安全檢查部分，一開始系統會將起重機將要作業的環境進行漫游，但并不會有任何的安全演示，只有在用戶點擊開始按鈕，系統才會進入作業前的安全檢查演示，讓用戶有學習前的準備。在演示當中，除了字幕式的安全學習事項的描述，為了加深用戶對安全細微部分的學習，還專門設置了明顯的提示指令按鈕。圖5為解除防爬裝置，這是起重機作業前的檢查部分的第1步，在防爬裝置的側面添加指令按鈕，提示用戶接下來要解除防爬裝置；若用戶未點擊按鈕，則系統不會進入下一項的安全演示。起重機作業前的安全檢查部分主要有6項注意事項，按操作順序排列，每一項的安全演示都可以暫停，暫停之后還可以繼續播放，返回按鈕還可以復位到上一演示環節。

圖5 解除防爬裝置

在完成起重機作業前的安全檢查部分的學習，接下來用戶需要返回到主界面，進入作業中的規范操作部分。該部分的內容演示是針對起重機作業中的安全操作，但在學習形式上同起重機作業前部分是相似的。針對不同的光亮環境，系統給出了相應的安全演示，開始進入夜間工作場景時，觀看到的是光亮程度非常低的工作場景，系統上有打開泛光燈的提示按鈕，打開泛光燈之后的夜間工作場景如圖6所示。

圖6 開燈后的夜間工作場景

完成起重機作業中的學習部分之后，最后是起重機作業后的復位、檢查部分。該部分對作業完成之后的起重機位置、吊具位置、小車位置進行了約束，以及防爬裝置的安放，預防了作業之后的安全隱患。圖7是起重機作業后的小車停放，其對應的位置是起重機作業前的第二項安全注意事項，把小車復位之后，還要再把錨定銷重新鎖定，防止小車未固定而來回移動。

圖7 起重機作業后的小車停放

3 結語

本文以港口起重機為對象，構建了其作業場景模型，將作業場景模型與起重機安全規范操作的理論相結合，研發了交互式起重機安全學習系統，達到港口安全教育培訓，提高起重機操作員工的安全意識和安全操作能力，同時提高起重機操作員的安全規范意識和減少因起重機的不規范使用而導致的港口安全事故的目的。同時，能給其他種類的起重機的安全操作實訓以及虛擬仿真系統開發提供借鑒意義和價值。由于該系統平臺的功能已經模塊化，所以具備可擴展性，后續研究可增加更多的功能；且為了使用戶體驗感更佳，還可開發多種人機交互模式。