基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的卸船機(jī)司機(jī)培訓(xùn)模式

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的卸船機(jī)司機(jī)培訓(xùn)模式

港口懸浮設(shè)備通常具有規(guī)模大、能耗高、安全要求高等特點(diǎn)。青島港(集團(tuán))有限公司前港公司(以下簡(jiǎn)稱公司)20萬t級(jí)礦石碼頭,裝備2500t/h卸船機(jī)3臺(tái),單機(jī)裝機(jī)總功率2500kW,臂長(zhǎng)達(dá)百m,抓斗起重量62t,單機(jī)和單船卸船效率曾刷新2374t/h和7122t/h的記錄。在港口卸船作業(yè)中,卸船機(jī)司機(jī)的操作熟練程度是影響卸船效率和安全生產(chǎn)的最關(guān)鍵因素。1卸船機(jī)模擬訓(xùn)練傳統(tǒng)的卸船機(jī)司機(jī)培訓(xùn)大多采用卸船機(jī)現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)的方式進(jìn)行,存在諸多問題:1)卸船機(jī)使用效率普遍較高,而在空閑時(shí)需要進(jìn)行設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)、離靠船舶等,用于司機(jī)培訓(xùn)的時(shí)間非常有限。2)現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)存在諸多安全隱患,發(fā)生船損和機(jī)損的概率較大。3)耗能大、效益低。由于卸船機(jī)司機(jī)培訓(xùn)周期長(zhǎng),現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)不僅耗費(fèi)大量電能,也不能滿足患頸椎、腰椎病司機(jī)不斷退出和新港口(青島港董家口港區(qū)新建40萬t級(jí)泊位)對(duì)卸船機(jī)司機(jī)的需求。為有效解決卸船機(jī)司機(jī)培訓(xùn)中的這些問題,現(xiàn)在一些港口和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)采用卸船機(jī)實(shí)物模擬的方法,圖1是英國(guó)ABB公司和上海海事大學(xué)的卸船機(jī)模擬器。但這種實(shí)物模擬的培訓(xùn)方法仍然存在高耗能和安全隱患,而且投資高,成本幾近千萬元。隨著以計(jì)算機(jī)為核心的信息技術(shù)的進(jìn)步,上世紀(jì)九十年代逐漸成熟發(fā)展起來的虛擬現(xiàn)實(shí)(VR,VirtualReality)技術(shù)已在各領(lǐng)域模擬訓(xùn)練中得到較為普遍的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過營(yíng)造視、聽、動(dòng)等虛擬的環(huán)境,使受訓(xùn)人員仿佛置身于現(xiàn)場(chǎng),并對(duì)虛擬的對(duì)象實(shí)施操作控制,能夠以較小的投資創(chuàng)建一個(gè)沉浸的受訓(xùn)環(huán)境,并以極小的耗能和零風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行常規(guī)科目和各種高難度、高風(fēng)險(xiǎn)科目的模擬訓(xùn)練。公司采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),研制成功了“沉浸式橋式抓斗卸船機(jī)模擬訓(xùn)練器”,并應(yīng)用于卸船機(jī)司機(jī)的培訓(xùn),取得了良好的培訓(xùn)效果。在創(chuàng)新卸船機(jī)司機(jī)培訓(xùn)模式上進(jìn)行了有益的探索和實(shí)踐。2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)“沉浸式橋式抓斗卸船機(jī)模擬訓(xùn)練器”實(shí)物圖像見圖2。其研制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)橋式抓斗卸船機(jī)大貨作業(yè)、放高作業(yè)、機(jī)械吊裝、機(jī)械配合作業(yè)的過程訓(xùn)練模擬。系統(tǒng)采用局域網(wǎng)絡(luò)下以立體電視為顯示器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、司機(jī)操作座椅、計(jì)算機(jī)接口等硬件,見圖3。通過復(fù)雜的模型建立、視景和音頻生成等軟件研發(fā),實(shí)現(xiàn)模擬器研制目標(biāo)。系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。在主機(jī)上進(jìn)行訓(xùn)練科目設(shè)置、控制接口控制、運(yùn)動(dòng)仿真、音效仿真和本機(jī)視景通道的立體視景生成,并將仿真計(jì)算結(jié)果通過高層體系結(jié)構(gòu)(HLA,HighLevelArchitecture)的RTI(RunTimeInfrastructure)軟件服務(wù)支持,發(fā)送給3臺(tái)從機(jī);各從機(jī)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接收的仿真計(jì)算結(jié)果生成各視景通道的立體視景。圖5是系統(tǒng)生成的訓(xùn)練場(chǎng)景圖形。3關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)在系統(tǒng)研發(fā)過程中,研究解決了卸船機(jī)運(yùn)動(dòng)建模、料石動(dòng)態(tài)挖掘、繩索松弛、智能配合作業(yè)、碰撞檢測(cè)、高效陰影等許多關(guān)鍵技術(shù),保障了模擬器研制的順利完成。3.1抓斗運(yùn)動(dòng)分析卸船機(jī)運(yùn)動(dòng)包括大車、小車、司機(jī)室、抓斗升降的一維運(yùn)動(dòng),和抓斗的擺動(dòng)、開閉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。一維運(yùn)動(dòng)中由于電機(jī)啟動(dòng)、繩索彈性拉長(zhǎng)、克服靜摩擦力等影響,運(yùn)動(dòng)體所受合力和加速度存在一定的控制延時(shí)和復(fù)雜的變化規(guī)律,小車還同時(shí)受到抓斗擺動(dòng)所產(chǎn)生的拉力。抓斗擺動(dòng)受到抓斗當(dāng)前姿態(tài)影響和小車運(yùn)動(dòng)的控制,擺動(dòng)角可能較大,已不能采用小擺角近似方程進(jìn)行描述。這些運(yùn)動(dòng)機(jī)理和控制規(guī)律非常復(fù)雜,建模中采用二階控制方程進(jìn)行簡(jiǎn)化。同時(shí),為保證仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況盡可能的一致,需要對(duì)方程參數(shù)優(yōu)化。為此采用長(zhǎng)焦距攝像獲取控制下運(yùn)動(dòng)體的視頻圖像流,通過視頻分析得到真實(shí)情況下運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),以此為依據(jù)進(jìn)行方程參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整。圖6是典型的仿真與實(shí)際運(yùn)動(dòng)的比對(duì)校驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)司機(jī)在模擬器操作中與現(xiàn)場(chǎng)感受無明顯差異。抓斗的開閉是一個(gè)典型的四連桿機(jī)構(gòu),通過開閉繩與升降繩長(zhǎng)度之差,控制抓斗上滑輪中心鉸鏈與下滑輪下方的抓斗開閉鉸鏈之間長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)抓斗四連桿機(jī)構(gòu)的開閉運(yùn)動(dòng)。根據(jù)抓斗組成部分的幾何實(shí)體模型,獲取四連桿機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度參數(shù),并根據(jù)機(jī)構(gòu)解算結(jié)果對(duì)幾何實(shí)體進(jìn)行姿態(tài)變換和移動(dòng),產(chǎn)生實(shí)時(shí)的抓斗組合裝配效果。3.2抓斗幾何實(shí)體模型的建立抓斗對(duì)貨船艙內(nèi)料石進(jìn)行抓取過程中,抓斗觸料后會(huì)插入料石、并可能產(chǎn)生抓斗傾斜現(xiàn)象,閉合抓料中用抓斗對(duì)料石進(jìn)行挖掘抓取,料石面會(huì)出現(xiàn)滑坡等現(xiàn)象。首先對(duì)艙內(nèi)料石面采用二維均勻網(wǎng)格進(jìn)行程序描述,每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)存在對(duì)應(yīng)的高度數(shù)據(jù)。在抓斗幾何實(shí)體模型中,建立一系列均布的底面檢測(cè)點(diǎn),根據(jù)抓斗姿態(tài)對(duì)其進(jìn)行幾何變化,當(dāng)?shù)酌鏅z測(cè)點(diǎn)高度小于水平位置處料石網(wǎng)格高度時(shí)發(fā)生觸料,并根據(jù)觸料深度和抓斗下降速度來計(jì)算確定該底面檢測(cè)點(diǎn)處料石對(duì)抓斗的受力,綜合抓斗受力計(jì)算確定抓斗觸料后的垂直運(yùn)動(dòng)。同時(shí)綜合底面檢測(cè)點(diǎn)受力計(jì)算確定料石對(duì)抓斗的等效支撐點(diǎn),當(dāng)與抓斗重心位置偏差較大時(shí),計(jì)算確定抓斗的傾斜方向和動(dòng)態(tài)角度。抓斗在閉合操作時(shí),其兩側(cè)邊緣線對(duì)料石面網(wǎng)格垂線產(chǎn)生切割,被切割網(wǎng)格的深度部分產(chǎn)生為料石元,同時(shí)修正料石面網(wǎng)格高度。在抓斗幾何實(shí)體模型中,建立有均布的三維容料網(wǎng)格點(diǎn),每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)存在料石元數(shù)量的程序描述。根據(jù)切割產(chǎn)生的料石元,修改抓斗對(duì)應(yīng)位置處三維容料網(wǎng)格點(diǎn)的料石元數(shù)據(jù),并依據(jù)料石元擠壓和滑落移動(dòng)對(duì)三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行修改,從而實(shí)現(xiàn)抓斗對(duì)料石的抓取仿真。當(dāng)料石面高度數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí),計(jì)算相鄰網(wǎng)格間梯度。當(dāng)梯度大于一定數(shù)值時(shí)通過相鄰網(wǎng)格高度的增減來模擬料石面的滑坡。同時(shí),抓斗底面下方料石面網(wǎng)格的高度增加受到抓斗底面高度的約束。圖7是以料石面網(wǎng)格形式顯示的料石挖掘過程的仿真結(jié)果。3.3把握液的約束和松弛在抓斗觸料等非懸空狀態(tài)下,繩索會(huì)出現(xiàn)松弛彎曲變化,對(duì)這一視景的真實(shí)仿真將有助于受訓(xùn)司機(jī)判斷抓斗觸料或落地時(shí)機(jī)。將繩索作為兩端位置約束的長(zhǎng)線彈性體,以序列的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行程序表述。相鄰質(zhì)點(diǎn)間位置距離增加或減小時(shí),質(zhì)點(diǎn)受到拉力或壓力;同時(shí),當(dāng)相鄰的3個(gè)質(zhì)點(diǎn)位置不在一線時(shí),外側(cè)兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)受到彈性彎曲力。這樣就可以通過應(yīng)力的有限元計(jì)算實(shí)現(xiàn)繩索松弛的仿真。發(fā)生繩索碰撞后,繩索上相應(yīng)質(zhì)點(diǎn)位置受到約束,抓斗擺動(dòng)的吊點(diǎn)改變?yōu)榕鲎颤c(diǎn)。圖8是繩索松弛和碰撞的仿真效果。3.4配合行為的智能化仿真在設(shè)備吊裝和機(jī)械配合作業(yè)訓(xùn)練中,需要對(duì)工人系解吊索行為和機(jī)械設(shè)備開進(jìn)、抓料、堆料等行為進(jìn)行智能化仿真,使人員和設(shè)備智能體能夠自動(dòng)配合受訓(xùn)人員操作進(jìn)行自主的行為表現(xiàn)。采用人工智能Petri網(wǎng)技術(shù),建立配合作業(yè)人員和設(shè)備的行為模型;依據(jù)設(shè)備轉(zhuǎn)向規(guī)律,采用蟻群迭代搜索進(jìn)行運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃和優(yōu)化,見圖9~10。3.5幾何實(shí)體模型的建立對(duì)抓斗或吊裝機(jī)械設(shè)備與卸船機(jī)、碼頭、貨船發(fā)生碰撞的正確檢測(cè),能夠有效提高模擬訓(xùn)練逼真度和訓(xùn)練效果。為提高碰撞檢測(cè)的計(jì)算效率,在卸船機(jī)、碼頭、貨船的幾何實(shí)體模型中,建立有一系列的碰撞檢測(cè)盒;同時(shí)在抓斗和吊裝機(jī)械設(shè)備的幾何實(shí)體模型中,建立有一系列的碰撞檢測(cè)點(diǎn)。仿真中根據(jù)抓斗和吊裝設(shè)備的姿態(tài)和位置,對(duì)碰撞檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換后,如果其位置處于碰撞檢測(cè)盒空間內(nèi),則發(fā)生碰撞。3.6獲取投影光照的線方法計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中傳統(tǒng)的陰影算法雖然逼真度較高,但計(jì)算量大,難以滿足實(shí)時(shí)性要求。采用了射線方法在簡(jiǎn)化計(jì)算的同時(shí),取得了良好的陰影視景效果。采用天文學(xué)模型,計(jì)算晨光混影、日出日落時(shí),和太陽(yáng)高度角、方位角,確定晝夜和太陽(yáng)光照方向;通過參數(shù)射線方程計(jì)算卸船機(jī)、抓斗和船艙在料石面上產(chǎn)生的陰影區(qū)域,降低陰影區(qū)中法線矢量長(zhǎng)度,產(chǎn)生陰影效果,見圖11。4多音混合觀看模擬本系統(tǒng)具有指揮語(yǔ)音、評(píng)估打分、訓(xùn)練過程記錄與回放、卸船機(jī)運(yùn)行聲效和碰撞聲效等輔助訓(xùn)練功能。建立卸船機(jī)各種工況現(xiàn)場(chǎng)聲音文件并讀入內(nèi)存;根據(jù)實(shí)時(shí)操作控制工況和仿真狀態(tài),確定聲源類型和位置、計(jì)算雙耳時(shí)差,控制聲卡實(shí)現(xiàn)立體聲、多音效混合播放,原理如圖12所示。在建立操作流程、作業(yè)規(guī)范、定量扣分標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)作業(yè)狀態(tài)通過指揮語(yǔ)音指導(dǎo)受訓(xùn)人員掌握各種作業(yè)流程和操作;根據(jù)訓(xùn)練中發(fā)生碰撞、作業(yè)周期、卸船率等仿真計(jì)算,對(duì)作業(yè)操作進(jìn)行實(shí)時(shí)的自動(dòng)評(píng)判打分;對(duì)訓(xùn)練過程進(jìn)行記錄和復(fù)演回放,詳細(xì)分析和評(píng)價(jià)學(xué)員的練習(xí)效果,提高培訓(xùn)效果。5主要技術(shù)指標(biāo)本系統(tǒng)綜合采用虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)的多種理論和技術(shù)方法,解決“再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)”的關(guān)鍵技術(shù)難題,研究實(shí)現(xiàn)了逼真的沉浸式模擬訓(xùn)練環(huán)境,創(chuàng)新了卸船機(jī)司機(jī)培訓(xùn)方式。查新中未發(fā)現(xiàn)與本項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)相同的研究報(bào)道,科技成果評(píng)價(jià)認(rèn)為本項(xiàng)目“在橋式卸船模擬訓(xùn)練器方面填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外應(yīng)用領(lǐng)域的空白”。目前已申請(qǐng)?jiān)O(shè)備實(shí)用新型專利(受理號(hào)201220227278.9)和設(shè)備發(fā)明專利(受理號(hào)201210157045.0)。本項(xiàng)目自投入使用一年以來,先后培訓(xùn)兩批橋式卸船機(jī)司機(jī)59名,使每名受訓(xùn)司機(jī)節(jié)省了9個(gè)月的培訓(xùn)時(shí)間;青島港灣學(xué)院35名學(xué)生通過培訓(xùn)具備了橋式卸船機(jī)司機(jī)資格。青島港和青島港灣學(xué)院繼續(xù)利用卸船機(jī)模擬訓(xùn)練器培訓(xùn)司機(jī)和技術(shù)生,預(yù)計(jì)年培訓(xùn)卸船機(jī)司機(jī)50至100名。通過卸船機(jī)模擬訓(xùn)練器培訓(xùn)的司機(jī),已參與港口卸船機(jī)裝卸作業(yè),解決了港口建設(shè)發(fā)展造成司機(jī)不足的矛盾,在港口發(fā)展和生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。一年來,通過模擬訓(xùn)練節(jié)省了卸船機(jī)使用90天,按設(shè)備使用率70