基于開放式系統及COTS 技術的起重機操作訓練模擬系統的開發＊

董熙晨 朱 澤 王國賢 周 強 胡 侃

（武漢理工大學物流工程學院1） 武漢 430063） （武漢科碼軟件有限公司2） 武漢 430074）

0 引 言

隨著計算機技術、虛擬現實技術、多媒體技術、自動控制等技術的飛速發展和廣泛應用，以計算機系統為核心和操縱控制臺為基礎構成的各種模擬仿真訓練系統已成為當今重大生產或過程控制設備操作人員的崗前培訓的必備手段，成為培訓飛機、汽車、船舶等駕駛人員的重要途徑［1－5］.起重機操作訓練模擬器是眾多訓練模擬器應用領域中的重要種類之一，早在20世紀90年代即已出現，目前國外少數幾家高科技公司也推出了一些市場化的產品，但價格昂貴且缺少在地化服務.因此開發國產高性能起重機操作訓練模擬器，具有較大的技術和市場的需求，但由于它是一個把系統仿真技術與起重機動力學分析技術相結合的復雜的分布式實時仿真系統，存在著大量的不確定因素，需要漫長的開發周期，導致國內有關研發機構組織的起重機操作訓練模擬器的自主開發，一直停留在方案階段，沒有達到系統性的突破［6］.

武漢理工大學物流工程學院與武漢科碼軟件有限公司于2010年開始聯合開發大型起重機操作訓練集成模擬系統，通過以基礎理論研究為先導，解決了一系列技術難題，終于取得了成功.本文介紹了在起重機操作訓練模擬系統的開發實踐中所采用的以減少系統開發風險、加快系統開發進程為目的的促進系統快速實現的方法——基于開放式系統及COTS技術的方法.這種方法亦可為相關模擬訓練系統的研發人員提供參考.

1 開放式體系與COTS組件相結合

開發起重機操作訓練模擬系統首先要解決的問題是，系統的體系結構如何定義，以什么樣的方式促進系統的設計方案可以低風險的快速實現.基于開放式系統［7－8］及商用成品構件（commercial off－the－shelf，COTS）技術［9－10］的方法就是經過深入研究之后提出的適合于開發模擬訓練系統的構建方法，它的核心是把開放式的體系結構與COTS組件進行有機的結合.

系統的開放性概念出現在20世紀80年代末90年底初，目的是解決變化頻繁的需求與控制系統專一固定的框架之間的矛盾，從而建立一個統一的可重構的系統工具平臺極大地增強系統的柔性和適應性.COTS，即商業成品構件技術則從另一個角度規范系統，特別是軟件系統的實現模式，即系統的開發不是采用傳統的瀑布模型，進行從零開始的源代碼級開發，而是盡量地采用現成的商業成品構件COTS.為了實現系統的快速開發，擬采用的COTS組件只要其功能經過裁剪后能與系統匹配，就可以考慮先行使用，即使該組件可能有大量的功能閑置.

把開放式體系結構與COTS 組件進行有機結合的方法的具體含義是，充分吸取這兩種技術各自積累的研究成果，在系統架構的設計上，參照開放式系統推薦的成功模式，定義一個恰當的開放平臺和參考結構；而在體系結構中各功能模塊單元的定義上盡量使之被刻畫成COTS組件，只有完全獨特的專業性的功能模塊才需要進行全新的開發.其實施步驟是，首先建立一個系統的概念性模型，明確系統的主要功能和大致結構，并在系統的實施過程中不斷地對它進行完善.接下來根據開放性原理確定一個恰當的開放平臺和參考結構.之后運用COTS 技術，建立相關的分析測試標準并以此為依據選用COTS組件.最后對系統進行規整，完成COTS 組件的包裹器（wrapper）及系統專有功能模塊的開發.

2 系統的概念模型

起重機操作訓練模擬系統屬于人在回路中仿真系統，是對實際的由起重機和操縱者組成的人機系統中的起重機部分進行感官效果相同或相近的等效替代，被仿真的對象實體的動態特性通過建立數學模型在計算機上運行及驅動各種物理效應設備生成人的感覺環境，包括視覺、聽覺、觸覺、動感等，讓操作者如同駕駛真實的起重機一樣.由此可確定原型系統的原理見圖1，其組成見圖2.

圖1 起重機操作訓練模擬系統原理框圖

圖2 起重機操作訓練模擬系統的結構組成

模擬司機室是提供學員實際操作學習的地方，其結構布局、尺寸大小、內部環境與真實的起重機駕駛室基本一樣，有真實的操作聯動臺、司機座椅、操作手柄、開關、按鈕、儀表、指示器等部件，在還可以在6 自由度運動平臺的作用下產生晃動.實時仿真主控系統是系統的核心，主要用于接收實時訓練數據采集系統及訓練教學管理系統的指令，控制模擬司機室、6 自由度運動平臺、投影系統、音響系統等設備，使它們產生和諧的訓練氛圍.視景系統由4個高清晰的投影儀和4塊大尺寸幕布圍繞司機室的左右兩側、正前方和前下方，使司機向這幾個方向看時，都有虛擬畫面，與音響系統配合形成強烈的沉浸感.音響系統配合司機操作產生現場工作背景聲音、工作機構的聲音或物體碰擊聲.6自由度運動平臺是用來給司機駕駛培訓室產生運動感覺的設備，模擬起重機在進行裝卸生產作業時，各種因素產生的整機振動最終傳遞到司機室的有感振動.

3 開放式的架構及組件COTS化

根據系統的概念模型研制原型系統是一個大型而復雜的系統工程，開發過程中將商用成品構件與開放式的架構進行有效的結合，將會大大提高開發效率，縮短開發周期，并且使系統升級換代方便.

3.1 基于USB數據采集器的數據采集系統

模擬器是根據各種操縱信號產生模擬效果的，這些信號來自多個信號源，既有模擬的也有數字的，需要實時采集、緩存并在進入模擬主控系統之前進行初級處理.按照開放式的架構及組件COTS化的思想，通過對可行的數據采集系統構建方式，即基于PCI總線、USB總線和CAN 總線等3種主要方式進行對比（見圖3），決定選用USB總線方式.理由如下：它的開放性雖然不及CAN 總線方式，但因數據采集點較集中，USB 總線方式可方便地進行有限的開放式擴展，遠勝過遠距離接線多且需要進行箱內安裝的PCI總線方式，完全能滿足應用要求，且由于它封裝有更多的數據處理功能，相當于附加了大量的即插即用的COTS組件，無需重新開發，可促進原型系統的快速開發.

圖3 3種數據采集系統構建模式

3.2 基于運動控制卡的6自由度運動平臺控制系統

與數據采集系統的信息流向相反，6 自由度運動平臺控制系統將上位機輸入的期望動感運動參數，轉換成運動驅動數字信號，實時送往6自由度運動平臺的伺服電機驅動器中，也有兩種結構方式：“上位機＋運動控制計算機＋CAN 總線通信＋伺服驅動”的方式及“上位機＋運動控制計算機＋運動控制卡＋伺服驅動”的方式.從系統開放性上看，采用CAN 總線的方式更好，但是基于COTS組件的思想，由于運動控制卡中封裝了大量的經過裁減后可以直接利用的COTS 軟件模塊，不同于采用CAN 總線方式需要進行大量的底層的通信等輔助功能的開發，所以本模擬器的6自由度運動平臺控制系統最終決定采用“上位機＋運動控制計算機＋運動控制卡＋伺服驅動”的方式.

3.3 基于以太網的分布式計算機系統

開放式的架構與組件COTS 化的系統設計開發原則不僅體現在數據采集系統和運動控制系統等主要組成部分中，也體現在系統的整體設計上，特別是網絡通信方式的選擇.最終的方案是通過以太網交換機將視景計算機等計算機系統連結成一體，見圖4.系統的工作過程是：教員通過訓練服務器制定訓練環境并分配訓練任務，學員通過與主控系統連結的學員監視屏領取訓練任務，啟動實時主控平臺.主控系統根據操縱控制系統傳送過來的操作信息，實時進行起重機動力學仿真計算，對相關物體的狀態、位置、動作、干涉等進行計算和判斷，并將相關信息分別傳送到視景系統、振動平臺系統和操縱控制系統，完成三維動畫視景變換、平臺各自由度振動和聯動臺后續操作工作.

圖4 模擬系統計算機網絡拓撲結構圖

4 軟件開發、系統集成及調試

由于采用開放式系統架構，且各軟硬件組成模塊又盡量地采用了COTS組件，因此軟件開發工作的展開主要是圍繞將各COTS 組件的功能進行裁剪后重新組合集成，重點是在現有的操作系統功能和COTS模塊的基礎上進行深度應用開發，因此，減少了開發工作量.軟件系統主要分3大部分：

1）系統實時控制軟件，它們駐留在實時主控計算機、USB數據采集器、視景計算機及6 自由度運動控制計算機上，包括實時調度模塊、通信模塊、任務同步模塊、數據采集模塊和視景、音響及動感輸出模塊等.

2）起重機動力學及環境仿真軟件，它駐留在實時主控計算機上，包括起重機動力學分析計算模塊、天氣風力等環境模擬模塊和視景、音響及動感數據生成模塊等.

3）教學監控與管理軟件.它們駐留在訓練管理服務器及實時主控計算機上，包括教學監控數據庫、教員管理模塊和學員模塊等.

系統的集成主要解決了數據通信和時鐘同步等2個方面的問題.系統的基礎運行平臺為Windows操作系統，編程語言為VC＋＋，圖5為正在運行中的、采用開放式系統及COTS技術開發成功的起重機操作訓練模擬器的實物場景圖.目前，已有多套系統推向了市場，運行性能獲得了包括寧波港、福州港等國內多家大型港口企業的認可，更多的訂購意向還在不斷地達成.雖然大量采用包含了一些多余功能的COTS組件，系統的成本還有較大下降空間，但由于產品的稀缺性，市場可接受的價格較高，在售價定在不到進口同類產品的1／3的情況仍有豐厚的盈利.鑒于系統定位于把開放性與組件COTS化進行完美結合，因此系統的快速開發及后續的功能升級擴展有可靠的保證.

圖5 起重機模擬訓練系統實物場景

5 結束語

基于開放式系統及COTS 組件技術的計算機系統的開發方法，是一種快速的原型系統開發方法，可保證所開發的系統具有強大的柔性和適應性.首先，縮短系統調試開發周期是其主要出發點，而經濟性先放在其次，就是說即使被考慮的COTS組件可能含有較多的、昂貴的、閑置的功能，只要它能提供待設計的系統所需要的功能，就可以先予以選用.其次，當原型系統研制成功、系統預期的功能得以驗證之后，就要利用系統的開放性和適應性對系統進行重構，重點改善被暫時擱置的經濟性能.因此，這一系統開發方法具有良好的可操作性，既保證企業迅速培育出在某一領域的技術能力，快速占領市場，又能為企業后續的降低成本、提高經濟效益預留了發展空間.

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