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1、目 录 目 录.1 1 系统综述.-4-1.1 总体介绍.-4-1.2 系统功能简介.-5-1.2.1 六自由度振动平台起重机仿真操作模拟器系统功能简介.-6-1.2.2 六自由度振动平台起重机仿真操作模拟器详细规格.-9-1.2.3 无运动平台起重机仿真操作模拟器系统功能简介.-13-1.2.4 无运动平台起重机仿真操作模拟器详细规格.-16-2 技术总体框架及解决方案.-19-2.1 起重机操作训练集成模拟系统的总体功能设计.-19-2.1.1 五种类型起重机的功能结构和驾驶操作要求.-19-2.1.2 五种类型起重机驾驶操作模拟系统集成的技术可行性.-22-2.1.3 起重机操作训练集成
2、模拟系统的功能定位.-24-2.2 起重机操作训练集成模拟系统的总体组成及硬件设计.-26-2.2.1 起重机操作训练集成模拟系统的总体结构组成.-26-2.2.2 起重机操作训练集成模拟系统的主要硬件.-27-2.2.4 普通型起重机操作训练集成模拟系统的结构组成.-30-2.2.5 运动平台型起重机操作训练集成模拟系统的结构组成.-30-2.3 起重机操作训练集成模拟系统的软件模块设计.-31-2.3.1 系统控制层软件.-32-2.3.2 起重机操作层软件模块.-33-2.3.3 教学监控与管理软件.-37-2.4 视景系统的硬件设计.-38-2.4.1 视景系统的显示方案.-38-2.
3、4.2 投影屏幕.-39-2.4.3 投影机.-40-2.5 视景系统的软件设计.-42-2.5.1 三维场景的构建.-42-2.5.2 起重机操作模拟系统的实时显示和驱动.-44-2.5.3 参数化设置的司机训练环境.-47-2.6 视景系统的关键技术.-49-2.6.1 基于 GPU 的渲染技术.-49-2.6.2 阴影的高逼真度渲染技术.-51-2.6.3 海面模拟的高逼真度渲染.-52-2.6.4 高精度碰撞检测.-54-2.7 立体投影技术.-54-2.7.1 立体显示系统的组成.-55-2.7.2 立体显示系统的工作原理.-55-2.7.3 双中心投影算法.-57-2.7.4 立体
4、显示功能的软件实现.-59-3 大型起重机操作训练集成模拟系统动态特性关键技术.-61-3.1 港口大型起重机司机室与吊具动态特性.-61-3.1.1 起重机吊具的动态特性分析.-61-3.1.2 起重机司机室的动态特性分析.-65-3.2 司机输入与运动平台及投影动画的响应控制技术.-67-3.3 起重机驾驶操作中意外事件训练模型.-68-3.3.1 起重机操作驾驶中的意外事件分析.-68-3.3.2 港口起重机操作训练模拟系统的故障设定.-69-4 利用仿真模拟器进行作业培训.-72-4.1 起重机操作模拟系统的培训目标与内容.-72-4.1.1 起重机操作模拟系统的培训目标.-72-4.
5、1.2 起重机操作模拟系统的培训内容.-72-4.1.3 起重机操作模拟系统的培训流程.-74-4.2 起重机操作模拟系统的培训质量考核评价.-75-4.2.1 系统评价原理.-75-4.2.2 操作步骤的评价.-76-4.2.3 操作过程的评价.-76-4.2.4 故障处理和教师印象评价.-77-5 保证项目质量的技术力量及技术措施.-78-5.1 保证项目质量的技术力量.-78-5.2 保证项目质量的技术措施.-78-6 保证项目的组织方案及人力资源安排.-80-6.1 项目组织实施方案.-80-6.1.3 项目完工期、实施进度表.-80-6.1.2 项目组织实施方案.-80-6.2 项目
6、施工管理措施.-83-6.3 项目组织管理及人力安排.-84-7 安装、调试及验收方案.-86-7.1 安装、调试方案.-86-7.2 验收方案.-86-8 技术服务、技术培训、售后服务的内容和措施.-88-8.1 技术服务方案.-88-8.2 技术培训方案.-88-8.3 售后服务方案.-90-8.3.1 售后服务承诺.-90-8.3.1 售后服务体系介绍.-92-8.3.3 售后服务机构主要人员.-92-8.3.4 产品的服务时限、故障响应处理时限.-93-8.3.5 应急事件解决方案.-95-1 系统综述 1.1 总体介绍 一般来说，凡是需要有一个或一组熟练人员进行操作、控制、管理或决策
7、的工作，例如汽车、飞机、船舶的驾驶，外科手术、消防、各类工业设备的操作等都需要进行专门的职业技能训练。过去的职业训练基本上都在实际系统中进行，但随着设备复杂程度提高，或者操作设备存在着危险性，就需要对培训方式进行改革和提高。而随着计算机技术、虚拟现实技术、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和操纵控制台为基础构成的各种模拟仿真训练系统已成为当今重大生产设备或过程控制设备操作人员上岗工作、培训的必备手段，受到国内外工业界的高度重视，并在航天航空、火力及核能发电、石油化工、军事、航海等许多领域得到广泛使用。目前，模拟仿真训练系统已逐步成为培训飞机、汽车、船舶等驾驶人员的
8、重要设备之一。起重机是冶金、制造、港口、水电、建筑、铁路货场、仓储中心、工厂等部门装卸货物的主要设备，也是一种容易出安全事故的设备。起重机械的操作涉及到财产与生命安全。现代起重机日益朝着高速化、大型化、重载化及自动化方向发展，组成越来越复杂、成本越来越高，对操作人员的素质要求愈来愈高。由于起重机应用在不同行业领域，其种类繁多，操作技术多样，在生产过程中不仅要完成驾驶操作，更要与起重工协调一致、安全地完成吊装等装卸工作。另外，现代大型起重机结构复杂、造价昂贵，训练时因操作不当而引起的破坏程度和危险性都会大大增加。许多情况下起重机生产繁忙，尤其是沿海港口，根本没有空闲时间给学员进行训练，这一切都为
9、起重机新司机的培养和训练工作带来极大的挑战。随着现代科学技术的迅速发展和企业生产管理水平的提高，人们迫切需要一种安全、快速、高效的培训方式，集虚拟现实技术计算机仿真技术多媒体技术、自动化技术等先进技术于一体的高科技产品大型起重机操作训练集成模拟器的研制就应运而生。起重机操作训练模拟器相对于目前传统的操作培训方式，具有很多突出的优点：1、安全性好。使用模拟训练机可以仿真高速、重载以及其它非常危险的环境，以实现有安全保障的训练，杜绝事故隐患，减少事故损失。2、经济性好。模拟训练机的成本远低于实际起重设备。在训练过程中，还可以免除实机操作中的油耗、电耗及零部件的磨损。同时，模拟训练机使用周期长，维护
10、简单，经济优势不可忽略。3、适用面广。在模拟训练机软件系统中，可以方便地设定各种训练条件和参数，模拟不同的使用工况和环境条件；在同一套硬件系统中，配置不同类型的起重机模拟训练功能模块，实现一机多用。例如，一台起重机模拟训练机可以同时拥有桥门式起重机、港口岸边集装箱起重机、集装箱堆场龙门起重机、港口桥式抓斗卸船机、门座起重机等多种类型起重机的操作训练功能。4、培训效果好。通过使用模拟训练机，可以大大缩短学员的整个培训周期，使学员在较短的时间内完成培训任务。另外，模拟训练机可以非常方便地模拟出实际训练中很少遇到的突发性意外事件，培养学员准确的判断能力、良好的心理素质，以及正确处理紧急情况的能力，从
11、而提高培训质量。5、软、硬件不断升级。起重机操作模拟训练机软、硬件可以不断升级，维护方便，与时俱进，适应新型起重机的产生和技术性能不断提高的要求。6、在起重机操作模拟训练机上对学员进行培训时，教员可以方便地监控学员的学习状态、安全意识、技术掌握的熟练程度，计算机系统可以客观地对学员进行操作评分。大型起重机操作训练集成模拟操作系统作为一种新的培训手段，将改变传统的起重机操作培训方式，促进起重机行业，尤其是我国的港口起重机司机岗前培训及继续教育工作的发展，具有广阔的应用前景和推广价值。现代虚拟现实技术是起重机操作训练集成模拟操作系统研制的核心技术。它的发展有力地推动了职业培训模式的变革。1.2 系
12、统功能简介 六自由度振动平台起重机仿真操作模拟器由驾驶室、教员台控制系统、三维成像视景系统、动力学数学模型、六自由度运动平台和 PLC 逻辑控制系统、音响系统、教学投影系统，网络通讯系统等模块组成。其工作原理如图 1-1 所示。图 1-1 仿真系统工作原理图 其中，教员台控制系统为整个仿真系统的控制者，各个部分的运作可由它通过发送命令数据来控制，同时它也是数据传输的中转站。教员台系统接受来自 PLC 的数据，包括来自操纵台的数据，并实时发送给视景系统以通过动力学模型来驱动视景。同时它接受视景系统的反馈信息，并实时反馈信息和直接控制 PLC 以达到控制操作台及运动平台的目的。视景系统、音响系统用
13、来产生图像和声音，座椅振动控制系统模拟实际振动。驾驶室内有操作台、投影屏等用于训练操作。PLC 直接与操纵台、运动平台相联，在控制两者的同时，接受它们的信息反馈。1.2.1 六自由度振动平台起重机仿真操作模拟器系统功能简介 1.2.1.1 六自由度振动平台起重机仿真操作模拟器的主要功能包括：（1）模拟器能一机多用，已经具有下面五种起重机的训练功能，并可再扩展其他机型的训练功能：1）岸边集装箱桥式起重机；2）轮胎式集装箱门式起重机；3）桥式抓斗卸船机；4）门座式起重机；5）通用桥式起重机；（2）起重机驾驶操作环境取自于大型港口和大型工业企业典型车间，环境高度学员驾驶室操作系统PLC动力学模型 教
14、员控制台系统教员音响系统视景系统座椅振动控制系统教学投影仪 逼真，沉浸感非常好，座椅及手动操作台与实际起重机司机驾驶室的一样，与实际驾驶环境一致。（3）可生成不同气候条件的训练工况；（4）模拟器的司机驾驶台可完成六自由度空间仿真运动，其动态特性与模拟对应的实际起重机一致；（5）模拟器已经具备良好的兼容性和可扩充性，以后可以增加其他类型起重机的训练软件，而不需要增加或改变主要的硬件配置；（6）模拟器具有起重机司机考试功能，考核程序和内容符合国家或行业标准，并可根据考核程序的变化而调整；（7）模拟器的视景具有普通三维和立体两种显示功能，普通三维培训司机基本操作技能，立体视景培训司机的空间定位感觉，
15、以供用户选择使用；（8）模拟器设计思想新颖、设计目标明确，仅针对起重机司机的培训和考核，系统硬件组成简单、管理维护比较简便、可靠性高、稳定性好、使用方便。模拟器实物图如下：图 1-2 六自由度振动平台起重机仿真操作模拟器实物图 硬件配置表如下表 1.1：表 1.1 六自由度振动平台起重机仿真操作模拟器硬件配置清单 编号 设备名称 性能及技术要求 数量 单位 1 操作台训练系统 操作联动台 包括主令控制器、开关、指示灯等，关键组件全部采用施耐德品牌。1 个 司机室附属设备 司机室仪表数码显示箱、电笛等。通过系统模拟，采用软件模拟方式实现。1 批 主控计算机（不含显示器）承载训练软件模块与硬件控制
16、系统。可以流畅运行训练模块，画面帧率不低于 30，可连续 48 小时不停机运行，性能不降低。CPU：i7，内存：4G 显卡：1G，硬盘：500G 1 台 数据采集与控制软件 控制数据采集、指示灯控制。可连续无故障运行 48 小时。1 套 运动控制系统 六自由度运动控制平台，模拟起重机作业中的晃动、振动特性。静态荷载为 1000KG。1 台 摄像监控系统 监控学员操作训练 1 套 音响系统 5.1 声道，模拟港口各类作业环境音效。Sony品牌 1 套 指纹识别仪 用户通过指纹识别仪登陆系统，建立学员管理系统，图像采集高达 30 万像素，分辨率达 500DPI，拒真率：1%，认假率：0.0001%
17、，录入时间：1s，验证比对时间：1s。2 台 2 环绕视景系统 投影仪或显示器 分辨率为 12801024，亮度为 4500Lum（投影仪），模拟司机室内前方、下方、左右方四个方向的视景 4 台 屏幕系统 可实现立体成像（下方单屏），画面层次感、高度感和真实感受相符，投影面积 120 英寸。成像物体与实际操作中视觉尺寸一致。4 个 立体控制系统 将 3D 画面成像为立体画面 1 套 系统集成 将立体视景系统与操作台训练系统集成为一个整体，外观一体、空间占用小，美观大方，便于拆装组合。1 套 立体眼镜 用于观看立体画面。6 副 3 教员台系统 教员台计算机(含显示器)四核 CPU，4G 内存，1
18、T 硬盘，20 寸显示器 2 台 教员控制台软件模块 系统管理 集卡管理 气象管理 场景设置布局管理 机械参数设置管理 1 套 训练难度设置 时间管理 故障管理 监控吊具作业轨迹 统计作业效率 统计操作失误等。控制台软件可同时管理 60 台操作训练终端。网络交换机 24 口 100M 1 个 4 模拟器软件 岸边集装箱桥式起重机模拟训练系统 能模拟岸桥的作业流程，设置各种机械、气候参数。训练模拟过程真实。岸桥模型、船模型、吊具、集装箱、集卡模型清晰真实。训练过程中，动力学模型（吊具的晃动）形象真实，空载和负荷时的动力学特性符合实际作业特点。能够进行集装箱装、卸作业训练、船舱盖板卸载作业等。能够
19、进行 20 尺、40 尺、双 20 尺各种集装箱的装卸训练作业。1 套 轮胎式集装箱门式起重机模拟训练系统 能模拟场桥的作业流程，设置各种机械、气候参数。训练模拟过程真实。场桥模型、吊具、集装箱、集卡模型清晰真实。训练过程中，动力学模型（吊具的晃动）形象真实，空载和负荷时的动力学特性符合实际作业特点。能够进行 20 尺、40 尺、双 20 尺各种集装箱的装卸训练作业。1 套 桥式抓斗卸船起重机模拟训练系统 能模拟各类内河港、海港的桥式抓斗卸船机，可进行各类散货的装卸训练。1 套 门座式起重机模拟训练系统 具备门机的训练、考核功能，能够真实的模拟出门座式起重机变幅、旋转、起升等操作。1 套 通用
20、桥式起重机模拟训练系统 能够模拟各类行车的训练过程，具有国标要求的各类训练考核科目。1 套 1.2.2 六自由度振动平台起重机仿真操作模拟器详细规格 1.2.2.1 模拟器硬件组成及技术规格 模拟器主要硬件有：司机驾驶操作台、六自由度支撑运动机构、软件运行服务器、投影系统、教员监控台。（1）司机操作台就是根据实际起重机驾驶操作台改造而成，大小尺寸与实际一致；操作台上的仪表、开关、指示灯等可根据仿真训练起重机的不同类型快速更换。（2）司机室支撑运动机构为电动缸式六自由度运动控制平台。（3）软件运行服务器配置：CPUi7，内存 4G，显卡 1G，硬盘：1T。（4）投影系统为环绕式。环绕图像显示面积
21、为 4120 英寸；投影幕布位于司机操作台的正前方、正下方、左侧和右侧；其中，正下方的投影硬件支持立体图像显示。投影仪：工程投影机，配置超短焦距镜头，分辨率为 12801024，亮度为4500Lum，视景效果连续，拼接完整，在操作座椅上观察与现实中的视觉效果一致。投影幕布为背投成像方式。（5）模拟器组合形式为拆装式。（6）模拟器整体布置占地面积为 45 平方米，动态最大高度为 3.5 米。（7）教员监控台主要用于实时监控学员的学习状况、设定训练参数，包括：训练记录、设定训练内容及难度，控制整个模拟器运行的开关等。1.2.2.2 模拟器软件技术功能 六自由度振动平台起重机仿真操作模拟器软件主要由仿真训练软件、考核软件、教学管理软件、环绕视景显示控制软件、六自由度运动控制软件、操作台及其监控软件等组成（一）仿真训练软件的技术性能（1）已经具备港口岸边集装箱桥式起重机、轮胎式集装箱门式起重机、桥式抓斗卸船起重机、门座式起重机、通用桥式起重机五类起重机的训练功能；（2）可在一定范围内设置或改变起重机的速度参数；1）岸边集装箱桥式起重机 起升速度：40-180m/min；起重小车行驶速度：30-350m/min；大车行走速度：10-50m/min；岸边集装箱起重机前伸臂俯仰时间：小于 6 分钟；