張曉澍 陳曜鵬 方貴南 楊艷芳

1武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)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(jié)點和中心樞紐，是交通物流環(huán)節(jié)中非常重要的一環(huán)。港口起重機(jī)作為港口重要的裝卸集裝箱貨物的特種機(jī)械設(shè)備，在港口日常作業(yè)中扮演著極其重要的角色，進(jìn)而起重機(jī)的安全規(guī)范操作顯得尤為重要。關(guān)于起重機(jī)的安全方面，趙勇等[1]為預(yù)防岸邊集裝箱起重機(jī)安全作業(yè)事故，建立了岸邊集裝箱起重機(jī)操作員的基本動作序列和認(rèn)知可靠性模型，對該模型進(jìn)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(jī)模擬器進(jìn)行仿真分析，記錄新入職的員工操作起重機(jī)的各項數(shù)據(jù)，對影響起重機(jī)司機(jī)失誤操作的因素進(jìn)行了分析。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一項高度集成性技術(shù)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將沉浸感、交互性與構(gòu)想性融為一體，利用軟件與硬件設(shè)備為用戶提供模擬現(xiàn)實體驗[3]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)和教育等各個應(yīng)用領(lǐng)域已取得很多研究成果[4-9]。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真系統(tǒng)已經(jīng)滲透進(jìn)了各個行業(yè)，并且因虛擬仿真系統(tǒng)的可視化與交互性，虛擬仿真系統(tǒng)得到了多方面的應(yīng)用。徐敬青等[10]針對末制導(dǎo)炮彈射擊準(zhǔn)備訓(xùn)練操作復(fù)雜、錯誤操作風(fēng)險大等問題，設(shè)計并實現(xiàn)了末制導(dǎo)炮彈射擊準(zhǔn)備虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。時光志等[11]為提高對液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)船舶的整體認(rèn)知以及船員應(yīng)對各種海況的能力，創(chuàng)建船舶六自由度運動數(shù)學(xué)模型，開發(fā)了LNG船舶航行仿真系統(tǒng)。孫佳文等[12]將大部分的航海知識與虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，開發(fā)出整船仿真訓(xùn)練平臺，助力于航海類學(xué)員的教學(xué)與實訓(xùn)。王金川等[13]基于Vega與武裝直升機(jī)編隊飛行訓(xùn)練，開發(fā)出武裝直升機(jī)編隊飛行訓(xùn)練仿真系統(tǒng)。叢叢等[14]為了更好地將行車作業(yè)崗位的崗位任務(wù)引領(lǐng)、項目驅(qū)動等職業(yè)教育的教學(xué)理念融入實踐教學(xué)中，開發(fā)了城市軌道交通行車作業(yè)虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)。

近些年，國內(nèi)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(jī)的安全規(guī)范研究。本文以起重機(jī)的安全學(xué)習(xí)為例，將港口起重機(jī)安全理論與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)交互式起重機(jī)安全學(xué)習(xí)系統(tǒng)，以達(dá)到港口安全教育培訓(xùn)，提高起重機(jī)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(jī)的不規(guī)范使用而導(dǎo)致的港口安全事故。

1 交互式起重機(jī)安全學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

交互式起重機(jī)安全學(xué)習(xí)系統(tǒng)是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行設(shè)計的，用于輔助傳統(tǒng)的港口安全實訓(xùn)教學(xué)，將港口安全理論知識和起重機(jī)安全操作實訓(xùn)結(jié)合為一個有機(jī)系統(tǒng)，通過將起重機(jī)的操作注意安全事項嵌入到起重機(jī)作業(yè)前、中、后3階段，以起重機(jī)的操作順序給予用戶邏輯順序上的學(xué)習(xí)及培訓(xùn)，然后在每一項安全注意事項中加入指令按鈕，實現(xiàn)人機(jī)交互的效果，最終通過本虛擬系統(tǒng)呈現(xiàn)。系統(tǒng)包括對起重機(jī)的簡介，起重機(jī)安全作業(yè)前的安全檢查，作業(yè)中的安全操作和作業(yè)后的安全歸位。交互式起重機(jī)安全學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 交互式起重機(jī)安全學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)港口起重機(jī)操作順序，安全學(xué)習(xí)系統(tǒng)將起重機(jī)作業(yè)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(jù)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(jī)的作業(yè)演示。為了使安全學(xué)習(xí)系統(tǒng)具有完備性，先將每項起重機(jī)操作安全事項獨立制作成演示的一個環(huán)節(jié)，再將各環(huán)節(jié)依據(jù)起重機(jī)的操作順序先后排列，最后用代碼將各環(huán)節(jié)串聯(lián)起來，并且在每個環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)結(jié)束之后，會出現(xiàn)提示指令按鈕，只有用戶點擊該指令按鈕，系統(tǒng)才會進(jìn)行下一步的安全演示。安全學(xué)習(xí)系統(tǒng)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(xué)習(xí)，并且人機(jī)交互的提示按鈕還增添了用戶對安全學(xué)習(xí)的趣味性。

在起重機(jī)作業(yè)前，需要對起重機(jī)主要部分進(jìn)行安全檢查，防止設(shè)備故障導(dǎo)致起重機(jī)發(fā)生安全事故。起重機(jī)作業(yè)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(guān)是否靈活正常。3）檢查吊架是否可靠。4）進(jìn)行空載試車，檢查各機(jī)構(gòu)是否正常。5）進(jìn)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(jī)作業(yè)中，需要對起重機(jī)的基本操作做出安全考慮，防止錯誤地操作起重機(jī)而導(dǎo)致故障的發(fā)生。起重機(jī)作業(yè)中的7項安全規(guī)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(yīng)做到穩(wěn)、輕、準(zhǔn)。3）夜間作業(yè)打開泛光燈。4）不準(zhǔn)超負(fù)荷。5）禁止將集裝箱懸掛在空中停留，如遇特殊情況，應(yīng)盡量使貨物接近地面，操作員不得離開。6）到達(dá)作業(yè)位置前，應(yīng)逐漸減速、然后停車。7）不得在有載情況下調(diào)整起升制能器。

在起重機(jī)作業(yè)后，需要對起重機(jī)的各部分進(jìn)行原先位置的復(fù)位檢查。先對起重機(jī)的各部分部件復(fù)位到未開始作業(yè)前，然后再對其靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行檢查，確保起重機(jī)使用后的可靠復(fù)位。起重機(jī)作業(yè)后的4項安全注意事項：1）起重機(jī)要停在規(guī)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(jī)安全學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)

2.1 零部件及場景建模

在虛擬安全學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，虛擬場景的構(gòu)建十分重要，其直觀地體現(xiàn)了虛擬系統(tǒng)的沉浸感，是強(qiáng)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(jìn)行建模。

先對起重機(jī)進(jìn)行整體上的分析，簡化模型，并對需要進(jìn)行建模的零部件進(jìn)行統(tǒng)計。然后收集需要建模的零件尺寸數(shù)據(jù)、圖紙，進(jìn)行建模。最后，對各個零件進(jìn)行虛擬裝配，形成起重機(jī)總裝配體。為了盡可能地還原港口作業(yè)的場景，還需要對場景物體進(jìn)行建模，需要在場景中增添集裝箱群，以及起重機(jī)的導(dǎo)軌部分。將起重機(jī)總裝配體置于工作場景中，與導(dǎo)軌進(jìn)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(xiàn)實軟件Unity 3D不支持Solid Works現(xiàn)有的格式的模型導(dǎo)入，因此，選擇3DsMax作為中轉(zhuǎn)平臺，使模型能夠順利導(dǎo)入虛擬現(xiàn)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(dǎo)入3DsMax軟件中，將模型整體導(dǎo)入3Ds Max后，可對模型進(jìn)行貼圖渲染，便于對各零部件的識別，增強(qiáng)用戶的視覺體驗；為了便于后續(xù)的操作，按照實際裝配要求對零件以總成形式建立父子關(guān)系，并且將各總成制作成相應(yīng)的預(yù)制體，存為.fbx格式文件；再將.fbx格式文件導(dǎo)入Unity 3D中，場景建模及優(yōu)化流程圖如圖2所示。模型處理完成的起重機(jī)作業(yè)場景如圖3所示。

圖2 場景建模及優(yōu)化流程圖

圖3 起重機(jī)工作場景

2.2 安全學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)

該系統(tǒng)所需的三維數(shù)字模型準(zhǔn)備就緒之后，需要在開發(fā)引擎Unity3D中開發(fā)功能模塊。

1）場景導(dǎo)入 將場景模型經(jīng)過上述2.1中步驟導(dǎo)入Unity3D。

2）功能場景創(chuàng)建 為了避免功能間的邏輯沖突，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性，將每個功能分別創(chuàng)建對應(yīng)的功能場景進(jìn)行封裝。

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

4）實現(xiàn)功能場景的功能 該系統(tǒng)實現(xiàn)安全學(xué)習(xí)的方法是起重機(jī)安全操作演示的同時加入交互式的指令動作，以達(dá)到增強(qiáng)使用者對起重機(jī)安全操作的目的。

5）交互功能 編寫控制代碼，實現(xiàn)演示環(huán)節(jié)的順序進(jìn)行，和銜接功能場景的切換以及指令的切換。實現(xiàn)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(tǒng)發(fā)布 Unity3D具有多平臺發(fā)布的功能，該系統(tǒng)選擇發(fā)布于PC平臺。

2.3 安全學(xué)習(xí)系統(tǒng)效果展示

進(jìn)入安全學(xué)習(xí)系統(tǒng)的起重機(jī)作業(yè)前的安全檢查部分，一開始系統(tǒng)會將起重機(jī)將要作業(yè)的環(huán)境進(jìn)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(tǒng)才會進(jìn)入作業(yè)前的安全檢查演示，讓用戶有學(xué)習(xí)前的準(zhǔn)備。在演示當(dāng)中，除了字幕式的安全學(xué)習(xí)事項的描述，為了加深用戶對安全細(xì)微部分的學(xué)習(xí)，還專門設(shè)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(jī)作業(yè)前的檢查部分的第1步，在防爬裝置的側(cè)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(tǒng)不會進(jìn)入下一項的安全演示。起重機(jī)作業(yè)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(xù)播放，返回按鈕還可以復(fù)位到上一演示環(huán)節(jié)。

圖5 解除防爬裝置

在完成起重機(jī)作業(yè)前的安全檢查部分的學(xué)習(xí)，接下來用戶需要返回到主界面，進(jìn)入作業(yè)中的規(guī)范操作部分。該部分的內(nèi)容演示是針對起重機(jī)作業(yè)中的安全操作，但在學(xué)習(xí)形式上同起重機(jī)作業(yè)前部分是相似的。針對不同的光亮環(huán)境，系統(tǒng)給出了相應(yīng)的安全演示，開始進(jìn)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(tǒng)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(jī)作業(yè)中的學(xué)習(xí)部分之后，最后是起重機(jī)作業(yè)后的復(fù)位、檢查部分。該部分對作業(yè)完成之后的起重機(jī)位置、吊具位置、小車位置進(jìn)行了約束，以及防爬裝置的安放，預(yù)防了作業(yè)之后的安全隱患。圖7是起重機(jī)作業(yè)后的小車停放，其對應(yīng)的位置是起重機(jī)作業(yè)前的第二項安全注意事項，把小車復(fù)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(jī)作業(yè)后的小車停放

3 結(jié)語

本文以港口起重機(jī)為對象，構(gòu)建了其作業(yè)場景模型，將作業(yè)場景模型與起重機(jī)安全規(guī)范操作的理論相結(jié)合，研發(fā)了交互式起重機(jī)安全學(xué)習(xí)系統(tǒng)，達(dá)到港口安全教育培訓(xùn)，提高起重機(jī)操作員工的安全意識和安全操作能力，同時提高起重機(jī)操作員的安全規(guī)范意識和減少因起重機(jī)的不規(guī)范使用而導(dǎo)致的港口安全事故的目的。同時，能給其他種類的起重機(jī)的安全操作實訓(xùn)以及虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)提供借鑒意義和價值。由于該系統(tǒng)平臺的功能已經(jīng)模塊化，所以具備可擴(kuò)展性，后續(xù)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(fā)多種人機(jī)交互模式。