张晓澍 陈曜鹏 方贵南 杨艳芳

1武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063 2宁波梅东集装箱码头有限公司 宁波 315800

0 引言

港口是水陆交通的集结点和中心枢纽，是交通物流环节中非常重要的一环。港口起重机作为港口重要的装卸集装箱货物的特种机械设备，在港口日常作业中扮演着极其重要的角色，进而起重机的安全规范操作显得尤为重要。关于起重机的安全方面，赵勇等[1]为预防岸边集装箱起重机安全作业事故，建立了岸边集装箱起重机操作员的基本动作序列和认知可靠性模型，对该模型进行了定性分析和定量计算，验证了该模型的可靠性。段在鹏等[2]利用起重机模拟器进行仿真分析，记录新入职的员工操作起重机的各项数据，对影响起重机司机失误操作的因素进行了分析。

虚拟现实技术是一项高度集成性技术，虚拟现实技术将沉浸感、交互性与构想性融为一体，利用软件与硬件设备为用户提供模拟现实体验[3]。虚拟现实技术应用领域广泛，在工业、农业、军事、医学和教育等各个应用领域已取得很多研究成果[4-9]。随着虚拟现实技术的发展，虚拟仿真系统已经渗透进了各个行业，并且因虚拟仿真系统的可视化与交互性，虚拟仿真系统得到了多方面的应用。徐敬青等[10]针对末制导炮弹射击准备训练操作复杂、错误操作风险大等问题，设计并实现了末制导炮弹射击准备虚拟训练系统。时光志等[11]为提高对液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)船舶的整体认知以及船员应对各种海况的能力，创建船舶六自由度运动数学模型，开发了LNG船舶航行仿真系统。孙佳文等[12]将大部分的航海知识与虚拟现实技术进行有机结合，开发出整船仿真训练平台，助力于航海类学员的教学与实训。王金川等[13]基于Vega与武装直升机编队飞行训练，开发出武装直升机编队飞行训练仿真系统。丛丛等[14]为了更好地将行车作业岗位的岗位任务引领、项目驱动等职业教育的教学理念融入实践教学中，开发了城市轨道交通行车作业虚拟仿真实训系统。

近些年，国内对港口的研究主要集中在物流运输方向，缺少对港口起重机的安全规范研究。本文以起重机的安全学习为例，将港口起重机安全理论与虚拟现实技术相结合，开发交互式起重机安全学习系统，以达到港口安全教育培训，提高起重机操作员工的安全意识和安全操作能力的目的，同时还可以减少因起重机的不规范使用而导致的港口安全事故。

1 交互式起重机安全学习系统设计

1.1 系统总体框架设计

交互式起重机安全学习系统是基于虚拟现实技术进行设计的，用于辅助传统的港口安全实训教学，将港口安全理论知识和起重机安全操作实训结合为一个有机系统，通过将起重机的操作注意安全事项嵌入到起重机作业前、中、后3阶段，以起重机的操作顺序给予用户逻辑顺序上的学习及培训，然后在每一项安全注意事项中加入指令按钮，实现人机交互的效果，最终通过本虚拟系统呈现。系统包括对起重机的简介，起重机安全作业前的安全检查，作业中的安全操作和作业后的安全归位。交互式起重机安全学习系统主要结构框图如图1所示。

图1 交互式起重机安全学习系统主要结构框图

1.2 系统功能设计

根据港口起重机操作顺序，安全学习系统将起重机作业前、中、后3部分划分为3个功能模块。在3个功能模块中，又分别依据每部分操作的顺序，将每部分操作注意事项以电影字幕的方式按顺序嵌入到起重机的作业演示。为了使安全学习系统具有完备性，先将每项起重机操作安全事项独立制作成演示的一个环节，再将各环节依据起重机的操作顺序先后排列，最后用代码将各环节串联起来，并且在每个环节学习结束之后，会出现提示指令按钮，只有用户点击该指令按钮，系统才会进行下一步的安全演示。安全学习系统的安全事项碎片化与指令按钮的提示，使用户不会遗漏对任何一项安全事项的学习，并且人机交互的提示按钮还增添了用户对安全学习的趣味性。

在起重机作业前，需要对起重机主要部分进行安全检查，防止设备故障导致起重机发生安全事故。起重机作业前的6项安全注意事项：1）检查大车行走路线轨道有无障碍物，之后解除防爬装置。2）提起小车的锚定销，检查小车两个方向的终点开关是否灵活正常。3）检查吊架是否可靠。4）进行空载试车，检查各机构是否正常。5）进行重载试车，将一重箱缓慢起吊30 cm停车，检查提升性能以及制动性能。6）移动小车，检查制动性能。

在起重机作业中，需要对起重机的基本操作做出安全考虑，防止错误地操作起重机而导致故障的发生。起重机作业中的7项安全规范操作事项：1）起升高度以高于箱子30 cm为宜。2）在起升、下降或移动载荷时应做到稳、轻、准。3）夜间作业打开泛光灯。4）不准超负荷。5）禁止将集装箱悬挂在空中停留，如遇特殊情况，应尽量使货物接近地面，操作员不得离开。6）到达作业位置前，应逐渐减速、然后停车。7）不得在有载情况下调整起升制能器。

在起重机作业后，需要对起重机的各部分进行原先位置的复位检查。先对起重机的各部分部件复位到未开始作业前，然后再对其静止状态进行检查，确保起重机使用后的可靠复位。起重机作业后的4项安全注意事项：1）起重机要停在规定位置。2）吊具升到最高位置。3）把小车移动到出入口端部，将小车的锚定销放下。4）安放好大车防爬装置。

2 交互式起重机安全学习系统开发

2.1 零部件及场景建模

在虚拟安全学习系统中，虚拟场景的构建十分重要，其直观地体现了虚拟系统的沉浸感，是强化视觉体验的最简单有效的方式，故三维模型对于虚拟场景的沉浸效果影响巨大。而在Unity 3D软件中，建模功能有局限性，故选择SolidWorks对零件进行建模。

先对起重机进行整体上的分析，简化模型，并对需要进行建模的零部件进行统计。然后收集需要建模的零件尺寸数据、图纸，进行建模。最后，对各个零件进行虚拟装配，形成起重机总装配体。为了尽可能地还原港口作业的场景，还需要对场景物体进行建模，需要在场景中增添集装箱群，以及起重机的导轨部分。将起重机总装配体置于工作场景中，与导轨进行虚拟装配，形成整个工作场景的总装配体。

由于所选择的虚拟现实软件Unity 3D不支持Solid Works现有的格式的模型导入，因此，选择3DsMax作为中转平台，使模型能够顺利导入虚拟现实软件中。将Solid Works完成的模型存为.wrl格式文件；将.wrl格式文件导入3DsMax软件中，将模型整体导入3Ds Max后，可对模型进行贴图渲染，便于对各零部件的识别，增强用户的视觉体验；为了便于后续的操作，按照实际装配要求对零件以总成形式建立父子关系，并且将各总成制作成相应的预制体，存为.fbx格式文件；再将.fbx格式文件导入Unity 3D中，场景建模及优化流程图如图2所示。模型处理完成的起重机作业场景如图3所示。

图2 场景建模及优化流程图

图3 起重机工作场景

2.2 安全学习系统开发

该系统所需的三维数字模型准备就绪之后，需要在开发引擎Unity3D中开发功能模块。

1）场景导入 将场景模型经过上述2.1中步骤导入Unity3D。

2）功能场景创建 为了避免功能间的逻辑冲突，实现系统功能的可扩展性，将每个功能分别创建对应的功能场景进行封装。

3）摄像机天空球渲染 为使场景更加逼真，需在摄像头内添加Skybox（天空球）材质，使摄像头看到的天空更加接近实际。

4）实现功能场景的功能 该系统实现安全学习的方法是起重机安全操作演示的同时加入交互式的指令动作，以达到增强使用者对起重机安全操作的目的。

5）交互功能 编写控制代码，实现演示环节的顺序进行，和衔接功能场景的切换以及指令的切换。实现部分功能的具体代码如图4所示。

图4 安全操作演示的控制代码

6）系统发布 Unity3D具有多平台发布的功能，该系统选择发布于PC平台。

2.3 安全学习系统效果展示

进入安全学习系统的起重机作业前的安全检查部分，一开始系统会将起重机将要作业的环境进行漫游，但并不会有任何的安全演示，只有在用户点击开始按钮，系统才会进入作业前的安全检查演示，让用户有学习前的准备。在演示当中，除了字幕式的安全学习事项的描述，为了加深用户对安全细微部分的学习，还专门设置了明显的提示指令按钮。图5为解除防爬装置，这是起重机作业前的检查部分的第1步，在防爬装置的侧面添加指令按钮，提示用户接下来要解除防爬装置；若用户未点击按钮，则系统不会进入下一项的安全演示。起重机作业前的安全检查部分主要有6项注意事项，按操作顺序排列，每一项的安全演示都可以暂停，暂停之后还可以继续播放，返回按钮还可以复位到上一演示环节。

图5 解除防爬装置

在完成起重机作业前的安全检查部分的学习，接下来用户需要返回到主界面，进入作业中的规范操作部分。该部分的内容演示是针对起重机作业中的安全操作，但在学习形式上同起重机作业前部分是相似的。针对不同的光亮环境，系统给出了相应的安全演示，开始进入夜间工作场景时，观看到的是光亮程度非常低的工作场景，系统上有打开泛光灯的提示按钮，打开泛光灯之后的夜间工作场景如图6所示。

图6 开灯后的夜间工作场景

完成起重机作业中的学习部分之后，最后是起重机作业后的复位、检查部分。该部分对作业完成之后的起重机位置、吊具位置、小车位置进行了约束，以及防爬装置的安放，预防了作业之后的安全隐患。图7是起重机作业后的小车停放，其对应的位置是起重机作业前的第二项安全注意事项，把小车复位之后，还要再把锚定销重新锁定，防止小车未固定而来回移动。

图7 起重机作业后的小车停放

3 结语

本文以港口起重机为对象，构建了其作业场景模型，将作业场景模型与起重机安全规范操作的理论相结合，研发了交互式起重机安全学习系统，达到港口安全教育培训，提高起重机操作员工的安全意识和安全操作能力，同时提高起重机操作员的安全规范意识和减少因起重机的不规范使用而导致的港口安全事故的目的。同时，能给其他种类的起重机的安全操作实训以及虚拟仿真系统开发提供借鉴意义和价值。由于该系统平台的功能已经模块化，所以具备可扩展性，后续研究可增加更多的功能；且为了使用户体验感更佳，还可开发多种人机交互模式。