基于VR技術的吊裝設備模擬訓練系統設計方案研究

張 保 王明生

（海軍士官學校，蚌埠 233012）

當前，隨著計算機水平的不斷進步，虛擬仿真（Virtual Reality，VR）技術日臻成熟，已廣泛應用于不同生產領域的模擬訓練，如高危、重污染等場所，有效解決了逼真度和訓練效率問題。因此，利用VR技術開發逼真的吊裝設備模擬訓練系統成為時下提高吊裝訓練水平和效率的有效手段。利用計算機虛擬仿真技術構建模擬訓練場景，解決實物運動和碰撞的仿真問題，可逼真實現吊裝設備基礎操作和特種吊裝的虛擬仿真訓練。本文主要進行吊裝設備模擬訓練系統功能、構成、技術實現途徑等設計方案的研究[1-2]。

1 研究意義

1.1 減少裝備訓練損耗

傳統訓練方式經常造成吊裝設備的損壞和損傷，需耗費大量的人力和財力進行配件的補充和損傷的修復。基于VR的模擬仿真訓練系統無須動用實體裝備，可完全避免這種情況的出現[3]。

1.2 增強訓練效果

傳統訓練方式需要教員對班級學員進行1對1單獨培訓，周期長，訓練時間受到嚴重的壓縮和限制。虛擬現實訓練方式提供針對單個學員的互動教學，但訓練時間不自由，受到教師、場地、裝備的限制。模擬仿真訓練的方式可以根據訓練需求靈活安排時間。系統會根據訓練時間和效果反饋自動調整訓練難度和時間，選擇合理的訓練內容，有效增強訓練效果。

1.3 強化操作技能

虛擬現實環境下，參訓人員可多次重復進行吊裝操作的強化訓練。模擬仿真系統會根據個人需要一次又一次反復對學員進行指引和訓練，達到強化操作技能的效果[4]。

1.4 訓練流程標準化

不同吊裝操作教員對訓練操作流程存在不同的認知和理解，導致吊裝操作訓練學員在不同教員指導下會有不同的操作訓練流程。基于VR的模擬訓練系統對訓練流程進行標準化設置，使所有學員都進行統一的標準化訓練，避免了因教員因素而產生的訓練流程誤差，有效增強了訓練效果。

1.5 特情處理有驚無險

傳統實裝訓練時，由于裝備經不起真實的碰撞、傾翻，因此無法進行特情訓練。基于VR的模擬仿真訓練系統由于不涉及實際裝備，可以針對各類特殊情況進行有針對性的訓練，使學員在實際工作中遇到類似特殊情況時有經驗、有能力進行預想預防處理[5-6]。

2 功能分析

吊裝設備模擬訓練系統是一個集理論學習、技術訓練和訓練考核為一體的綜合性仿真平臺，主要功能整體框架如圖1所示。由于技術的進步和功能需求的改變，要求系統具有一定的可擴展功能[7-9]。

2.1 理論知識學習模塊

吊裝設備理論知識學習模塊的主要功能包括吊裝相關理論知識和吊車結構維護保養知識。吊裝相關理論知識主要包括起重機操作、指揮、特種吊裝和吊裝安全4部分相關理論知識。設備維護保養知識主要包括設備基本構造、工作原理、維護保養的相關知識。結合文字、圖片、音視頻多媒體的方式進行教學，學習模塊具備入門教學、基礎知識、視頻教學及場景教學等功能。

2.2 吊裝技術模擬訓練模塊

吊裝技術模擬訓練模塊是系統的主要模塊，主要包括以下兩個功能：一是通用安全技術模擬訓練，主要包括吊車操作訓練、吊裝方案制定訓練和吊車指揮訓練；二是特種吊裝模擬訓練，主要包括虛擬現實特種吊裝的吊裝環境，如特殊場地背景、復雜天氣背景、特殊物資相關參數、起吊點和卸貨點的吊裝。

2.3 吊裝模擬訓練考核模塊

吊裝模擬訓練考核模塊具有理論和實操考核的功能，可以根據需要組織學員進行考核，以評估訓練效果。它包括兩個基本功能：一是理論考核模塊，功能為通用吊裝理論、設備維護保養理論題庫，全部為客觀題，考核時按照通用理論考核比例為40%、吊裝維護保養理論部分比例為60%，隨機選題生成100道題的考核試題，考核完畢后自動判卷給出考試分數；二是虛擬實操考核，分為指揮員虛擬考核功能和操作員虛擬考核功能，實操考核模塊會根據預先設定的任務輔之以各種環境因素進行考核，在考核過程中出現違反操作規程的現象時系統自動提示并扣分，并根據分數將考核成績分成優秀、良好、合格及不合格4個等級。

3 系統構成

吊裝模擬訓練系統由硬件和軟件兩部分組成，如圖2所示。

硬件部分是模擬吊裝設備駕駛艙，為模擬系統軟件提供輸入輸出接口，包括操作員駕駛室、三維立體影響投影系統、環繞立體聲音響系統和六自由度全動平臺仿真系統。操作員駕駛室設置有駕駛員座椅、高靈敏度操作手柄、腳踏、模擬控制器及各種功能控制按鈕組件等。設備采用與真實汽車吊裝設備相同的操作部件，操作手感逼真，使得其操作功能、操作感覺與真機基本吻合。

軟件部分主要處理三維仿真場景的顯示和運動，計算機后臺進行數據計算和用戶操作記錄，包括模擬仿真服務器、視景仿真系統、音效仿真系統、運動平臺控制系統及模擬控制臺。

3.1 硬件組成

系統硬件組織結構如圖3所示。

3.1.1 高性能實時渲染三維圖形工作站

負責通過圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）實時渲染虛擬現實畫面，向虛擬現實系統的頭盔輸出雙目視覺場景，向大屏幕同步輸出高分辨率（不低于1920×1080）實時三維渲染頭盔視角畫面。

3.1.2 虛擬現實系統

虛擬現實系統負責對頭盔、手柄、Tracker進行空間定位，使用一對光柵進行高分辨率、低延遲的三維空間定位。

3.1.3 大屏幕投影機

大屏幕投影機提供大尺寸高分辨率的投影顯示。

3.1.4 數據庫服務器

數據庫服務器提供系統模塊的數據服務。

3.1.5 高速網絡通信設備

高速網絡通信設備提供多人訓練和考核模塊的數據服務。

3.2 軟件組成

軟件系統架構分為硬件接口層、人工智能（Artificial Intelligence，AI）支持層、實時渲染業務邏輯層、通信層和數據層5個層。硬件接口層提供虛擬現實輸出接口，提供Omni全向跑步機傳輸接口，提供大屏幕同步視景輸出接口。AI支持層負責AI人工智能教學算法支持、AI人工智能輔助學員行為算法支持和AI人工智能考核評判算法支持。實時渲染業務邏輯層進行三維實時渲染的支持，基于Unity3D引擎進行三維戰場環境、天氣氣候、車輛裝備、工具操作、任務動作的虛擬仿真渲染和交互。通信層基于傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），使用TCP協議和用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）底層框架完成多人協同訓練位置同步和動作同步。數據層提供數據庫讀寫服務，主要有學員/教員數據、教學數據、場景數據及考核數據等數據讀寫操作和服務。

4 關鍵技術分析

虛擬現實技術是20世紀90年代科學界和工程界所關注的技術，通過計算機產生一種人為虛擬的環境。這種虛擬環境是通過計算機圖形構成的三維空間，或是把其他現實環境編制到計算機中去產生逼真的“虛擬環境”，從而使得用戶在視覺上產生一種沉浸于虛擬環境的感覺。

4.1 動態環境建模技術

虛擬環境的建立是虛擬現實技術的核心內容。動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，并根據應用需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。三維數據的獲取可以采用計算機輔助設計技術（Computer Aided Design，CAD）（有規則的環境），而更多的環境需要采用非接觸式視覺建模技術。兩者的有機結合，可以有效提高數據獲取 的效率。

人工幾何建模主要利用虛擬現實工具軟件編程進行，如OpenGL、Java 3D及VRML等。這類方法主要針對虛擬現實技術的特點而編寫，編程容易，效率較高。直接從某些商品圖形庫中選取所需的幾何圖形，可以避免直接用多邊形拼構某個對象外形時煩瑣的過程，也可節省大量時間。對吊裝設備的實體建模主要利用實體建模軟件進行，如Catia、SolidWorks等。對有易于測量的實體可采取自動建模的方法，釆用三維掃描儀對實際物體進行三維掃描，能快速、方便地將真實世界的立體彩色物體信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，而無須進行復雜、費時的建模工作。

4.2 實時三維圖形生成技術

三維圖形的生成技術已經較為成熟，關鍵是如何實現“實時”生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15幀/秒，最好是高于30幀/秒。 在不降低圖形質量和復雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術的研究內容。可通過提高計算機性能，采取優化算法來保證三維圖形的實時生成。

4.3 立體顯示和傳感器技術

虛擬現實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術的發展。現有的虛擬現實還遠遠不能滿足系統的需要。例如，數據手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小及使用不便等缺點；虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高。因此，有必要開發新的三維顯示技術。

4.4 實時碰撞檢測技術

在虛擬現實系統中，為了保證虛擬世界的真實性，碰撞檢測須有較高實時性和精確性。所謂實時性是基于視覺顯示的要求，碰撞檢測的速度一般要達到 24 Hz，而基于觸覺要求，碰撞檢測的速度至少要達到300 Hz才能維持觸覺交互系統的穩定性，只有達到1000 Hz才能獲得平滑的效果。

現有的碰撞檢測算法主要包括層次包圍盒法和空間分解法兩大類。這兩種方法都是為了盡可能地減少需要相交測試的對象對或是基本幾何元素對的數目。層次包圍盒法是解決碰撞檢測問題固有時間復雜性的一種有效方法。它的基本思想是利用體積略大而幾何特性簡單的包圍盒來近似地描述復雜的幾何對象，并通過構造樹狀層次結構來逼近對象的幾何模型，從而在對包圍盒樹進行遍歷的過程中，通過包圍盒的快速相交測試來及早排除明顯不可能相交的基本幾何元素，從而快速剔除不發生碰撞的元素，減少大量不必要的相交測試，而只對包圍和重疊的部分元素進行進一步的相交測試，從而加快碰撞檢測速度，提高碰撞檢測效率。

空間分解法是將整個虛擬空間劃分成相等體積的小的單元格。只對占據同一單元格或相鄰單元格的幾何對象進行相交測試。比較典型的方法有K-D樹、八叉樹、二叉空間分區樹（Binary Space Partioning Tree，BSP）、四面體網及規則網等。空間分解法通常適用于稀疏環境中分布比較均勻的幾何對象間的碰撞檢測。

4.5 系統集成技術

由于虛擬現實中包括大量的感知信息和模型，因此系統的集成技術起著至關重要的作用。集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別和合成技術等。

5 結語

模擬訓練系統軟件部分功能都可以在PE平臺上實現，三維渲染模塊完成視景仿真系統，多媒體處理模塊全面支持音效仿真系統，運動控制模塊對應運動控制系統，仿真服務器由數據庫模塊支持。用戶的操作信息、運動控制過程和操作后的畫面均在計算機內部瞬間完成，具有實時性和同步性。吊裝模擬訓練系統可為職業技能培訓和考核提供裝備保障，解決實裝訓練帶來的高風險、高成本弊端，有效促進復雜環境吊裝保障能力，節約訓練經費，具有一定的經濟效益。