虛擬仿真技術在智能化港口設備操作員培訓中的應用

上海國際港務(集團)股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

VR(Virtual Reality，虛擬現實)仿真技術是對現實世界的虛擬和體驗的一種計算機系統。該系統利用計算機技術生成一個逼真的具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，通過使用各種交互設備，同虛擬環(huán)境中的實體相互作用，使操作者產生身臨其境的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進的數字化人機接口技術[1]。VR仿真技術應用涉及領域廣泛，飛機船舶虛擬駕駛訓練、城市規(guī)劃、醫(yī)學教育等領域常使用VR仿真技術進行模擬。在智能化港口設備的培訓中，可以通過VR仿真技術，對港口設備操作員進行具有交互性的培訓。

2 VR仿真技術在智能化港口設備培訓中應用的必要性

依托于模擬器系統、用于過程控制的連接與嵌入服務器(OPC，Object Linking and Embedding for Process Control)通信、數學模型建立和遠程操作臺(ROS，Remote Operation Station)等軟、硬件，構建了在智能化港口設備培訓中使用的VR仿真技術。這種開創(chuàng)性的培訓方式，可讓遠程操作員在虛擬環(huán)境中親身體驗港口設備操作流程，從而達到智能化港口設備培訓的要求。

VR仿真技術在智能化港口設備培訓的應用是促進港口設備培訓生動化的需要。傳統碼頭多數采用書面和實操的2種培訓方式。書面性的培訓方式枯燥、難以形象化；實操的培訓方式會降低現場港口設備的生產效率，加上現場各種因素影響，達不到培訓效果。運用VR仿真技術，使用與實際生產相同規(guī)格的ROS操作臺，虛擬相同規(guī)格的港口設備以及添加多種影響因素的數學模型，可為學員提供更真實的培訓課堂，使學員在高沉浸的虛擬環(huán)境下感知復雜港口設備的工作原理、功能演示與故障診斷[2]。形象化的培訓為學員留下了深刻的印象，也為教員提供了方便，促進智能化港口設備培訓生動化，提高培訓的質量。

VR仿真技術在智能化港口設備培訓的應用是提升港口設備操作流程規(guī)范性的需要。港口設備操作流程規(guī)范與否，直接影響碼頭業(yè)務生產的安全。錯誤地操作港口設備，最終結果是不可逆的，操作人員和碼頭需要為此承擔責任。結合港口碼頭生產安全建設的規(guī)范要求，可開發(fā)出一個有助于解決安全教育培訓與考核、安全應急預案演練、安全事故教學庫等安全管理的VR平臺[3]，提升學員對港口設備操作的規(guī)范性。

VR仿真技術在智能化港口設備培訓的應用是順應港口智能化發(fā)展的需要。隨著港口設備智能化發(fā)展，學員需要在工作前盡可能地熟練掌握設備操作流程， VR仿真技術能為學員提供安全、綠色、自動化、智能化的虛擬港口設備，符合港口智能化發(fā)展的要求。

3 VR仿真技術在智能化港口設備培訓中的應用現狀

國內目前有3個全自動化碼頭，分別為上海洋山深水港四期自動化碼頭、廈門遠海自動化碼頭和青島港集裝箱全自動化碼頭。港口擁有最先進的起重機和運輸設備，但是軟件操作人員數量僅能滿足當前生產的需要。VR仿真技術在智能化港口設備培訓中具有高效率、高安全的優(yōu)勢，改進了在設備上進行實際操作的傳統教學方式，可縮短教學周期，提高教學質量。目前VR仿真技術在智能化港口設備培訓中應用于3個方面：

(1)在智能化岸橋設備的培訓中，通過VR仿真模擬建立一個具有前伸距和后伸距尺寸、起升高度、軌距、外觀等技術參數的單起身雙吊具雙小車岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)(見圖1)。模擬岸橋可以以實際岸橋的加、減速度左右運行，小車可以以實際岸橋的加、減速度前后運行，主起升和門架起升可以以實際岸橋的加、減速度上下運行，并考慮電機恒功率。結合OPC服務器的通信，學員在ROS臺操作，可以對20 ft、40 ft、45 ft和雙20 ft集裝箱進行抓、放箱，也可以對鏈架、工作架和超高架作業(yè)，觀察模擬吊具的指示燈，顯示開閉鎖的狀態(tài)。

圖1 模擬器岸橋設備示例

(2)在集裝箱船舶的培訓中，可通過VR仿真模擬一系列船舶類型的訓練場景，包括超大型集裝箱船、超巴拿馬型船、巴拿馬型船、集裝箱駁船等。可以根據需求附加配置，新的船型在后期也能較容易的加入模擬器。模擬器系統中還包括各個船型的總長、寬度、甲板上層數、甲板下層數等，以及不同尺寸的船只進行裝載和卸載作業(yè)狀況。表1是模擬器系統中提供的集裝箱船的數據。

表1 模擬器集裝箱船數據

(3)在水平運輸機械的類型介紹培訓中，VR仿真技術會在系統中模擬卡車和自動導引車。教員可以設置其路線和管理交通，并能在模擬期間隨時控制啟動和停止，教授學員港口自動化設備之間的交互狀況。系統也支持調整一些參數，例如卡車的傾角和車輛懸架的剛性、提高鎖鈕和上鎖，使學員體驗不同難度的模擬培訓。VR仿真模擬系統不影響現場的作業(yè)，整個過程無風險，可高效完成智能化港口設備的培訓。

4 VR仿真技術在洋山深水港四期港口設備培訓中的應用

上海洋山深水港四期港口設備的培訓采用VR仿真技術，利用虛擬設備，結合ROS操作臺，與OPC服務器進行通信，在模擬系統中進行真實操作。通過VR仿真技術模擬的3D港口設備具有真實的紋理細節(jié)，再利用Vortex物理引擎，使模擬的3D港口設備具有與真實設備相符的物理性能和特性，為起重機、車輛、貨物、船舶等提供動力學和運動學的數值模擬，從而使起重機和貨物以自然的方式進行處理。使用模擬器設備的主要目標是通過有效的培訓來培養(yǎng)有經驗的遠程操作員，而不占用實際設備。

4.1 VR設備的圖像技術

模擬器生成的物體視覺圖像是根據岸橋操作員從ROS臺看到的真實畫面模擬的，岸橋裝卸作業(yè)環(huán)境中的所有物體都包含在仿真畫面里，可反映操作員控制動作的影響、半自動模式下的計算機控制動作以及其他非受控對象的影響。大風力對起重機動力學的影響(吊具運動、繩索張力等)也完全包含在模擬環(huán)境中。在渲染所有3D模擬對象時，將顏色、紋理、色調、光線和陰影等細節(jié)添加到所有可見的表面，使設備和對象具有高保真度。視頻監(jiān)控服務器用于顯示屏幕上從ROS接收的相機配置，每個相機視圖與真實岸橋上相同，包括相機安裝位置、視角、視野范圍等。

4.2 VR設備的講師臺功能

講師臺包括3個顯示器，以應用程序GUI的形式切換操作員的視角、暫停其動作、拖動和移動視圖，讓講師能夠對操作人員進行監(jiān)視、指導和協助。模擬器提供了綜合訓練場景的列表，訓練場景參數可以通過講師臺進行選擇和記錄。為滿足洋山深水港四期碼頭功能需要，講師臺可以配置模擬器程序和模擬進程，包括改變環(huán)境、光照情況、選擇集卡或者AGV模式、載荷類型等，VR圖像會因參數的調整而改變。

4.3 VR設備的數據功能

洋山深水港四期VR設備具有數據存儲及分析功能，可以管理學生數據庫，以及與培訓相關的評估數據和水平基準。VR設備可記錄吊具每個周期內的運行路徑，供訓練結束后查看。練習中任何碰撞事件和損害都會被記錄，系統生成操作員的操作質量及故障處理水平，其報告在基于Web的界面中完成，并允許分析每個單獨的任務并生成PDF報告，且可長期存儲所有學生培訓數據用于分析。

5 結語

智能化港口使用VR仿真技術進行培訓具有開創(chuàng)性，可在不占用實際設備的情況下，低風險、低成本地培訓出有經驗的遠程操作員。從效果上來看，這種培訓方式可以調動學員的積極性，提高學員對港口設備操作流程的接受程度。未來VR仿真技術會向更逼真的港口環(huán)境、更好的遠程操作方式、更真實的工作體驗方面發(fā)展。隨著時間的推移，VR仿真技術在智能化港口設備培訓的應用會更加廣泛。