1.2　起重机虚拟操作系统

起重机虚拟操作系统是采用虚拟现实技术开发的有起重机操作台，无其他机械结构的具有与起重机一样的操作功能，能真实再现起重机的工作过程及场景变化，用于起重机司机操作培训与考核的虚拟设备。

1.2.1　虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是一种高端人机接口技术，通过视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等多种感觉通道实现人与虚拟环境的实时模拟和实时交互。它作为一种先进的计算机用户接口技术和系统性技术，需要考虑系统整体性能的最优。

（1）虚拟现实技术的特性

虚拟现实技术有沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination）三个基本特性，即“3I”特性。虚拟现实技术的基本特性如图1.4所示。

①沉浸感。虚拟现实技术根据人类的视觉、听觉等心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像，使人与虚拟场景中的各种对象进行交互操作，就像在现实世界中一样，给人身临其境的感觉。

②交互性。交互性是指人与虚拟环境中各种对象的交流互动能力。虚拟现实中的人机交互是一种接近于自然的交互，用户通过键盘鼠标等设备能够在虚拟场景中自如地实时作业，并从场景中得到相应的反馈信息。

③构想性。构想性赋予给虚拟现实技术广阔的可想象空间，不仅可以再现真实存在的环境，还可以构想不存在甚至是不可能发生的各种事物和场景，以提高人们的认知能力，因此，在虚拟仿真系统的设计过程中，构想性是十分重要的方面。

（2）虚拟现实系统分类

根据用户与虚拟现实交互的形式不同以及沉浸感的程度不同，虚拟现实系统分为四类。

①桌面式虚拟现实系统。它是使用计算机或低级工作站实现虚拟仿真，计算机显示器作为用户观察虚拟世界的窗口，各种外部设备用来操纵虚拟场景中的各种虚拟模型对象。

②投影式虚拟现实系统。它是使用单个或多个投影显示器在超大屏幕上形成立体虚拟环境，可实现多人的高度沉浸。

③CAVE系统。它是一个立方体空间，也称为洞穴式立体显示系统，其中一个面用于进出和通风，其余五个面共同作用产生立体图像，整个立方体空间内形成立体虚拟环境，可实现多人的完全沉浸。

④分布式虚拟现实系统。它是在沉浸式虚拟现实系统的基础上，基于网络将不同的用户连接在一起共享一个虚拟空间，使用户协同工作达到一个更高的境界。

开发的塔式起重机虚拟操作系统属于桌面式虚拟现实系统，该系统的三维虚拟环境可以增强用户的沉浸感，用户使用键盘、鼠标、联动台等外部设备，坐在计算机面前就可以通过显示器观察360° 范围内的虚拟环境。由于它没有昂贵的硬件和软件，成本低，目前应用较为广泛，在各行业应用中很具有生命力。

1.2.2　虚拟操作系统

随着计算机技术、多媒体技术、自动控制技术的飞速发展和广泛应用，以计算机系统为核心、以操纵控制台为基础的各种虚拟操作培训与考核系统已经成为了当今很多重大生产设备操作人员上岗操作培训的重要手段，受到国内外高度重视，并在核能发电、军事模拟、航天航空、工业仿真等许多领域得到广泛使用。虚拟操作培训系统已经成为了对飞机、汽车、船舶等驾驶人员的培训的重要设备。

起重机虚拟操作培训与考核系统主要包括视景仿真系统、数据采集系统、考核与管理系统、故障再现系统等。心理学家曾经做过实验表明人获取信息主要依靠视觉，视觉对人的影响是其他任何一种感觉所不能比拟的，所以视景仿真系统是虚拟操作培训系统中的一个非常重要的组成部分。视景仿真系统主要用于生成起重机的虚拟场景和周围环境，对驾驶员的视觉进行仿真，起重机仿真训练器通过视景仿真的方式模拟塔式起重机真实的工作过程，实现起重机的起升运动、变幅（小车）运动和回转（大车、桥）运动，视景仿真技术是计算机技术、图形处理技术与图像生成技术、信息合成技术、显示技术等高新技术的综合运用，是虚拟现实技术最重要的表现形式，使用户产生身临其境的感觉，实现了用户与操作环境的交互。随着虚拟仿真训练器的广泛应用及计算机图形技术的高速发展，人们对虚拟仿真系统模拟的逼真度要求也越来越高了。

虚拟培训器是虚拟现实技术在教育与培训中的一个具体应用，学员通过使用先进的虚拟培训器可以在一个安全的环境下学习如何正确操作设备，实践学过的理论知识。与传统师傅带徒弟的培训模式相比，基于虚拟现实技术的虚拟培训技术可以杜绝培训事故的发生，缩短培训周期，降低培训成本，对促进传统培训模式的变革具有重要的意义。

1.2.3　起重机操作系统开发背景

在工厂、货场、码头、建筑施工工地上广泛使用桥式起重机、龙门起重机、塔式起重机等装卸、搬运货物属于高空危险作业的特种工作，起重机司机的操作直接影响到人们生命和财产安全。为此，我国对起重机司机的操作培训进行了立法，质量监督局批准、发布、实施了《起重机械安全规程》，规定了新司机必须到省市指定单位参加培训，并且实习操作培训时间不得少于一个月，由省、地、市劳动部门核发本机种操作证，方可从事此项工作。目前，我国起重机司机训练是采用师傅带徒弟的方式来完成的，这种传统的教授方式受人为因素的影响和天气条件的限制，存在着事故率高、培训内容欠规范、效率低等问题。这其中的安全问题尤为突出，由于起重机是由钢结构件焊接和铆接而成的，有的重心高达几十米，承受着巨大的惯性载荷，而且露天作业存在着不确定的风载荷，致使驾驶室在高空具有±500mm范围的摆动（设计规范允许的），尤其是新手操作，加大了培训工作的危险性。现代科学技术的迅速发展，使基于虚拟现实技术研究与开发无机械结构具有与起重机一样的操作功能和真实再现起重机工作过程及场景变化的虚拟设备，在室内对起重机司机进行高素质的训练与考核成为可能。

本课题组于2005年开始对这一课题进行研究，在深入系统地研究了桥式起重机、塔式起重机、岸边集装箱起重机动力学特性的基础上，研发集机-电-自动化-虚拟现实技术于一体的起重机操作、维修培训与考核设备。该设备具有如下功能：具有与真实起重机一样的操作控制台和仪表盘；真实再现不同工况下起重机三大运行机构的运动，货物的抓取、提升、运输、下降、就位、货物的摆动和碰撞等工作过程，以及动态海洋等工作场景以及周边环境，模拟由于惯性力和风载荷引起的货物和驾驶室摆动情况，模拟白天、黑夜、雾等天气的变化以及实际操作环境的三维声音；重现三大运行机构主控电路和安全保护装置的典型电气故障；记录学员的操作过程，智能评判学员的考试成绩，进行培训工作管理。

课题组成员走访了山东省建筑工程管理局培训中心、各地市的培训中心和培训学校，他们迫切需要一套具有沉浸感强、安全性强、培训规范、效率高的起重机司机虚拟培训与考核设备。虚拟操作系统的成功开发将在一定程度上改变起重机司机师傅带徒弟培训模式的落后局面，为起重机培训现代化、规范化具有重要的意义和价值。

1.2.4　起重机虚拟操作系统的先进性

目前，师傅带徒弟的起重机司机培训模式受人为因素和天气条件的影响，存在着事故率高、培训内容欠规范、效率低等问题。相比之下，起重机虚拟操作系统具有以下优势：

①安全性好。能有效杜绝真实起重机培训过程中可能出现的安全事故，减少因事故造成的机器损坏、货物磨损和货船破损等损失。

②培训成本低。虚拟培训系统的使用周期长，便于维护和扩充；学员可以不受环境和时间影响，随时使用此系统进行岗前培训，这样就大大减少了实机操作时间，降低了培训成本，经济效益较好。

③培训效率高。起重机虚拟操作系统能再现起重机的工作场景和各种工况下的工作过程，学员可以不计天气变化在各种工况下进行起重机装、卸作业的训练，方便学员在较短时间内保质保量地完成训练任务，缩短了训练周期。

④适应性较强。可以帮助初学者理解起重机的理论知识，有利于培养学员的动手能力，并且针对不同程度的学员还可以制定专门的培训方案，有侧重点地进行培训，便于新老学员的不同步学习。

可见，研究开发起重机司机虚拟操作系统不论从提高经济效益方面来说还是从进一步规范司机操作方面来说都具有重要的意义。