岸邊集裝箱起重機虛擬實訓系統開發與應用

卓宏明 李獻麗

摘要：針對當前岸邊集裝箱起重機教學過程中實訓條件限制，阻礙學生實踐動手能力和創新能力的培養問題。通過收集岸橋圖紙、技術資料基礎上，進行三維建模，采用VB6.0編程語言，結合Microsoft Access數據庫開發了岸邊集裝箱起重機虛擬實訓系統。利用該系統，用戶可以查看岸橋的各種技術資料，還可進行三維動態觀察及各機構的運動仿真動畫，零部件組裝虛擬實訓等。通過教學實踐表明，該系統操作簡便、可滿足教學要求，彌補了實訓條件的不足。

關鍵詞：岸邊集裝箱起重機;虛擬實訓;三維建模;VB6.0;教學改革

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）21-0067-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

隨著我國港口發展及高職百萬擴招，高端技能型人才的培養所需的實訓設備及教學條件的限制，已經嚴重影響了人才培養的質量[1]。港機專業教學有很強的實踐性、技能性，讓學生所學的理論知識與實踐有機結合起來，必須加大實訓、實踐力度[2]。因此，在“互聯網+”教學的大背景下，開發虛擬實訓系統，將虛擬與現實結合、仿真與實操結合，提高教學質量已經成為當下研究的熱點，并已經開始應用于教學實踐中[3-6]。

2 系統需求分析

岸邊集裝箱起重機（簡稱岸橋）是集裝箱碼頭最重要最昂貴的設備，也是港機專業課中一塊非常重要的內容，學生需要掌握岸邊集裝箱起重機的技術參數結構組成、工作原理以及零部件組裝以及維修、保養、調整的方法，在正式上崗前具有一定的故障診斷和故障排除的能力。當前岸橋教學中主要存在如下問題，需要開發虛擬實訓系統解決。

1）無真實設備，設備內部結構難以觀察理解。學生的基礎越來越薄弱，岸橋理論學習枯燥效果不理想，授課內容主要依靠幻燈片、照片、視頻等，表現手法單一，系統內部結構難以觀察和講解等不足，也沒有真實的設備。授課中傳統多媒體加視頻的教學手段很難達到讓學生掌握所學專業知識的目的[7]。2）岸橋實訓設備數量難以滿足需求。學校在實訓室的硬件建設和資金投入做了大量工作，但招生規模擴大，實訓條件達不到實際需求。實訓設備的數量與參訓學生數量不匹配，價格昂貴的專業設備更是數量不足，實訓的效果大打折扣。3）岸橋實訓設備的設施相對落后。由于科技日新月異，碼頭設備不斷更新換代，我國從無到有目前已經建設完成了4個全自動化碼頭，然而由于實訓設備成本高，學校實訓設備未能及時更新，與企業技術發展不同步。4）岸橋實訓設備的維護成本高，實訓過程存在安全隱患。學生對實訓設備不熟悉，操作不熟練，實訓設備在拆裝過程中易出現個別部件損壞和人身意外傷害。

針對當前岸橋教學中存在的諸多問題，通過與港機制造企業及港機用戶收集最新的岸橋圖紙技術資料基礎上進行三維建模。為降低開發難度和成本，加快開發周期，采用MicrosoftVisual Studio VB6.0進行軟件編程。由于數據量不大，采用簡單易用的Microsoft Access關聯數據庫，開發岸邊集裝箱起重機虛擬實訓系統，解決實訓條件、實訓時間的不足，改善學生動手能力不強、結構原理難以理解掌握的問題，減少學與企業實際工作需求的差距。岸橋虛擬實訓系統的使用對象主要為教師和學生，另外還需要有管理員可以對系統進行完善改進等。學生可以查看岸橋相關技術資料學習，進行岸橋三維動態觀察結構，查看各機構的運動仿真，以及零部件組裝虛擬實訓和使用幫助，學生還可以修改自己的登錄密碼。虛擬實訓還需要對學生的實訓進行評價。教師擁有學生的所有權限并且還有管理學生，查看學生學習情況統計成績等。管理員擁有所有權限，管理所有用戶，還可以進一步完善改進系統等。

3 系統開發

根據需求分析，結合岸橋虛擬實訓系統的特點，系統的總結構包括登錄部分和主界面部分。主界面部分又包括“技術資料”“三維視圖”“運動仿真”“零部件組裝”“首頁”“用戶管理”“幫助”“退出”八個功能菜單，整個系統功能圖如圖1所示。

每個用戶在使用系統前必須先登錄，依自己的權限使用系統，具有較好的安全保密機制。登錄界面主要設置有常規的用戶名，登錄密碼，角色選擇，只有當用戶名和密碼正確以及權限選擇對時，登錄成功，系統提示“已成功登錄”，否則就會提示錯誤。登錄界面與用戶數據庫采用Microsoft.jet. OLEDB.4.0數據引擎連接Access用戶數據庫。用戶登錄后的密碼修改，使用Adodc控件操縱用戶數據庫來實現。用戶數據庫主要包括管理員表（管理員編號、管理員姓名、管理員密碼），教師表（教師編號、教師姓名、教師密碼）和學生表（學號、學生姓名、學生密碼）。

主界面設計主要采用多重文檔界面結合菜單編輯器來開發。主界面的標題欄顯示有軟件的名稱，中心部分顯示岸邊集裝箱起重機的三維模型。主界面部分有8個功能菜單，技術資料菜單包括岸橋簡介、圖紙、標準和視頻這4個二級功能菜單，里面有豐富的岸橋相關的圖文、視頻以及相關標準資料供用戶學習使用。三維視圖菜單包含總裝、機構、金屬結構和主要零部件4個二級功能菜單。機構又有起升機構、小車運行、大車運行和俯仰4個三級功能菜單。主要零部件又有電氣房、電纜轉盤和駕駛室3個三級功能菜單。選擇相應的功能菜單就可以三維動態對應的岸橋結構，用戶可以直觀學習從而掌握岸橋的結構與組成原理。

運動仿真菜單包括起升運行、小車運行、大車運行、俯仰運動這4個二級子菜單。起升機構運動仿真實現岸橋吊裝集裝箱進行提升和下降運動，小車運行機構運動仿真實現小車架沿著主梁小車軌道進行前后水平運動，大車運行機構運動仿真實現起重機整機沿著碼頭軌道做水平運動，俯仰運動仿真實現岸橋前大梁繞前大梁鉸點做俯仰運動。用戶選擇對應的子菜單就可以觀看機構運動仿真動畫，形象生動地呈現出各機構的運動傳動原理方便學生理解掌握。零部件組裝菜單包括海陸側門框、上橫梁梯形架、大梁組裝、總體裝配這4個二級子菜單。以海、陸側門框子菜單進行海、陸側門框虛擬裝配實訓為例，進行功能介紹。當選擇該子菜單時，進人海、陸側門框組裝界面，界面中有海、陸側門框的所有零部件，界面右上方有一個工量具下拉選擇框和一個加工方法下拉選擇框，界面右下方有裝配和還原兩個按鈕，如圖2所示。進行組裝時，先選擇工量具和加工方法，再拖動海、陸側門框零部件到合適的組裝位置，點擊裝配，如果工量具和加工方法選擇都正確并且零部件裝配位置正確，就是出現工量具選擇正確、加工方法選擇正確、裝配正確對話框，并且界面中出現海、陸側門框組裝完成后的三維視圖，如圖3所示。如果工量具選擇有誤，就會出現“工量具選擇有誤”對話框，否則就會出現“加工方法選擇有誤”對話框。如果海、陸側門框零部件位置不對就會出現“裝配有誤”對話框。按下還原按鈕，海、陸側門框零部件回到原始位置，工量具和加工方法下拉選擇框所選內容清空。

首頁菜單，供用戶從各子菜單直接返回主界面。用戶管理菜單只有管理員和教師才能進入用戶管理界面，學生沒有該權限。教師可以管理查看各學生的信息，學習記錄等，管理員擁有所有權限。幫助菜單里面有軟件的使用方法介紹等。退出菜單供用戶退出系統。

程序的調試和運行以及打包發布都可以直接在VB里面進行，但打包發布用第三方專業的VB程序工具更方便并且不容易產生錯誤。

4 結論

岸邊集裝箱起重機虛擬實訓系統依照實用性、可維護性、安全可靠性以及操作界面友好的基本設計原則，可視化的操作方式，界面簡潔、操作方便。用戶可以查看技術資料包括岸邊集裝箱起重機設備介紹以及圖紙，還可以進行三維視圖的查看學習，并且還有各機構的運動仿真動畫，以及零部件組裝。岸橋虛擬實訓系統已經在《港口集裝箱機械與輸送機械》課程教學中進行了應用，教師通過該軟件與實訓設備結合虛實結合，線上線下結合進行岸橋相關內容的教學[8]。實踐表明：學生通過該軟件的使用可以很好掌握岸邊集裝箱起重機的結構組成、工作原理以及零部件組裝等知識，輔助教學，具有很好的應用價值。但系統還存在一些缺陷，如功能相對單一，實訓項目太少，虛擬實訓過程評價欠缺，無對應手機移動端等功能還需進一步開發完善。

參考文獻：

[1]陸燕飛，陳嵩.百萬擴招背景下高等職業教育供給側改革的 路徑探析[J].職教論壇，2019（7）：32-36.

[2]郭娟，于欣，高騰，虛擬現實技術對高等職業教育實踐教學的促進作用[J].河北科技師范學院學報，2008，22（4）：74-76.

[3]洪洲.虛擬實訓系統的研究現狀及發展趨勢[J].實驗技術與管理，2014，31（6）：111-113.

[4]周瑾怡.網絡虛擬實訓平臺在高職路由交換技術課程教學中的應用與實踐[J].電腦知識與技術，2015，11（21）：131-133.

[5]卓宏明，蔣仲仁.“互聯網+”課程思政的高職專業課教學改革[J].寧波工程學院學報，2019，31（4）：107-111.

[6]徐媛，崔學鵬.基于VR技術的網絡綜合布線虛擬實訓平臺的設計研究[J].電腦知識與技術，2019，15（18）：75-76.

[7]吳衛剛，趙秋園，于海，等.裝卸搬運機械課程虛擬實訓平臺的建設與應用[J].科教導刊（下旬），2018（3）：45-46，64.

[8]卓宏明，侯舟波，四位一體虛實結合的高職專業課教學改革——以港口集裝箱機械與輸送機械課程為例[J].物流工程與管理，2019，41（1）：148-150.

【通聯編輯：王力】

基金項目：全國教育信息技術研究課題（186140032）;浙江省高等教育“十三五”第二批教學改革研究項目（jg20190996）

作者簡介：卓宏明（1986-），男，浙江舟山人，講師，碩士，主要研究方向為機械工程、信息化教學;李獻麗（1982-），女，浙江舟山人，講師，碩士，主要研究方向為機械工程、信息化教學。