1.3　起重机虚拟操作系统的国内外研究现状及发展趋势

1.3.1　国内研究现状

我国在20世纪90年代开始提出开发塔式起重机仿真模拟训练器，由于资金与技术短缺，开发进度缓慢。Chen Xuemei等通过基于虚拟现实技术创建了一个路口的场景模型，模拟了路口交通事故，帮助了人们分析路口交通事故的原因。Huang Ting等提出的一个用于模拟建筑施工过程的虚拟样机系统，帮助了施工管理者有效地评估施工场地的布局、资源和工程计划的可行性。Zang Yu等基于真实拖拉机的运动学特性开发了一个拖拉机虚拟操作系统，再现拖拉机的制动性能和转向性能。Shen Zhipeng等应用Creator软件和Vega软件设计了一个在PC机上运行的锅炉虚拟操作系统，模拟锅炉的燃烧过程。Gao Ying等描述了飞行驾驶舱虚拟操作系统的开发流程和关键技术，实现了驾驶舱内仪表功能。Zhao Wenjuan等认为集卡到达集装箱堆场处的顺序影响集装箱码头工作效率，因而，创建了一个虚拟的集装箱码头，模拟集卡运动，应用随机算法生成集卡运动顺序，研究集卡顺序如何影响集装箱码头工作效率。Tang Lixin等也研究了在集装箱码头处集卡调度的问题，提出了一个改良的PSO（Particle Swarm Optimization）算法，证明了使用这一算法能够有效地减少港口起重机和集卡相互的等待时间，提高起重机的工作效率。武汉理工大学是最早研究港口起重机模拟器的院校之一，最先联合天津港务局研究开发过起重机驾驶员计算机仿真培训系统，提供了一套供驾驶员进行训练的虚拟环境。上海海事大学致力于岸边集装箱起重机方面的研究，开发了一个集装箱起重机模拟训练器，该训练器不仅较真实地再现了港口环境和起重机工作状态，再现了集装箱起重机操作环境，还仿真了起重机座椅的振动。2004年，交通部水运科学研究院开发了一套基于虚拟现实技术的具有6自由度液压伺服控制系统的港口起重机驾驶员训练模拟器，如图1.5所示。该模拟器采用主令控制器控制起重机的三大运动，能模拟岸边集装箱起重机和龙门起重机装、卸集装箱的过程，基本达到了现今世界上先进港机训练模拟器的水平，符合我国普遍的教学训练模式。

图1.5　港口起重机驾驶员训练模拟器

1998年12月，上海港务局教育培训中心开发的比例式起重机仿真操作系统，主要包括一台集装箱装卸桥模拟器和两台门式机模拟器，它采用1∶10的缩微实物模型，实现起重机的部分操作培训，如模拟起重机回转运动、货物起升运动、定点卸货等。华中科技大学计算机学院与南昌铁路局合作，设计开发了一套门式起重机虚拟仿真训练系统，该系统以计算机为核心，将物理建模和几何建模结合起来，采用模拟控制台和计算机两种交互的方式，实现基本的起重机模拟操作功能。这个系统已应用到实际起重机的培训工作中。哈尔滨工程大学自动化学院对船载特种起重机作业模拟训练系统进行了初期研究，首先分析系统的结构组成和功能特点，研究了主要组成部分的关键建模技术。北京建筑工程学院以塔式起重机为对象，基于低成本的PC平台开发了塔式起重机模拟操作系统，该系统可以模拟各种环境和工况，可专门设置危险场景以训练驾驶员对危险情况的反应和处理。香港大学基于VirTools软件平台成功研制了imseCAVE系统，该系统主要用来训练使用者如何操控身处高空的码头起重机，将集装箱送入港口或仓库，这是一个采用虚拟现实技术开发的完全沉浸式的虚拟实景互动装置，能够呈现出非常鲜明的立体模拟景致。中国台湾淡江大学基于微机集群，以PZP体系结构开发了成本低、交互性能好的起重机虚拟训练系统，该仿真系统具有可重用性，可以构建不同类型的仿真模型。

1.3.2　国外研究现状

20世纪80年代以来，发达国家的仿真训练器已经从研究阶段进入到应用阶段，并从航空航天和军事领域迅速扩展到民用领域。美国Digitran公司在1989年开发出第一个真正意义的起重机仿真模拟器，此模拟器以虚拟现实技术为基础，运用三维动画来模拟装卸船的过程，并带有一定的振动感觉。该公司所生产的仿真训练器已用于石油勘探、石油化工、核工业、汽车和起重机等方面的仿真培训，产品已经出口到欧美、澳大利亚、亚洲等地。20世纪90年代后期，世界上许多国家相继研制起重机培训模拟器，用来培训起重机驾驶员。近些年来，最新的起重机仿真器已能实现一机多用，如马来西亚Joho港使用Digitran公司生产的起重机计算机仿真训练器，实现了9种不同机型的操作模拟，包括：码头龙门吊、龙门轮胎吊、塔吊等机型。起重机仿真训练器不但可以培训新上岗的学员，还能对有经验的司机进行定期的全面技术培训，提高操作技能。目前，最新型的已经能够模拟13种不同机型的操作培训，实用性和灵活性很强。随着模拟训练器科技水平的提高，操作者在模拟训练器上的操作跟在真实机器上操作一样，可以感受到机器的各种运动和振动，听到机器运行的各种声响，看到随着不同操作真实场景的动态变化。利用模拟器培训驾驶员可以减少培训风险、缩短培训时间、降低培训成本，国内一些港口通过巨大耗资从国外引进起重机仿真培训系统，培训效果较好。

Simon Westerberg等开发了一个液压林业起重机虚拟操作系统，主要研究了基于液压林业起重机的运动学特性模拟装、卸木材过程。基于开发的塔式起重机模拟培训器，Iman Mohammad Rezazadeh等提出了一个通过人面部表情来实现人机交互的新方法，使脖颈以下高度残疾者操纵起重机运动成为了可能。Mario Rodriguez-Molins等提出了一种GRASP（Greedy Randomized Adaptive Search Procedures）元启发式算法，研究了如何应用元启发式算法缩短集装箱船等待时间，提高泊位利用率和码头生产量。Henry Lau等通过分析CAVE（the Cave Automatic Virtual Environment）系统的结构和开发环境，应用Autodesk、Maya和3D Studio MAX软件创建了虚拟集装箱码头模型，应用Virtools软件进行模型驱动，进一步基于行为分布和效果分布方法研究集装箱碰撞检测和如何堆放集装箱，集装箱的堆放和布置过程实时显示在PC机上，用户通过码头的工作状态进行有效合理调度。

从上面的研究可以看出，起重机驾驶员训练模拟器因其培训成本低、效率高和效益高等优势愈来愈受到人们的关注和使用，众多公司和研究人员致力于这一领域的研究。

1.3.3　国内外发展趋势

起重机虚拟操作系统综合了视景、信号、音响等仿真技术，视景系统的研制是起重机仿真培训器研制成功的关键，国外在视景仿真方面的技术是比较先进的，并且产品已经实现商品化多年。另外，国外在非港口起重机仿真研究方面成果也很突出，而我国在这方面还没有研究，应用到实际工程中的自主研制的模拟培训器更是没有。所以，提高我国起重机仿真培训器的研制水平是一项长期的任务。

起重机是由小车机构的运动通过钢丝绳拉动货物来完成的，钢丝绳是有个柔性机械环节，由于起重机的频繁启动、制动可能引起货物的摆动，使起重机的动力学特性表现为柔性系统的动态特性。因此，如何准确模拟起重机货物摆动真实再现真实工作场景是提高虚拟操作系统真实感的关键技术。碰撞检测技术利用Vega提供的碰撞检测工具，实时检测是否碰撞，在VC++环境中编程控制碰撞效果，实现人机交互的自然性和实时性，增强操作真实感。在保证虚拟培训系统能够正常培训学员的基础上，如何最大程度减小系统成本，也是今后起重机驾驶员虚拟培训系统研究的一项重要工作。