虚拟仿真技术在智能化港口设备操作员培训中的应用

上海国际港务(集团)股份有限公司尚东集装箱码头分公司

1 引言

VR(Virtual Reality，虚拟现实)仿真技术是对现实世界的虚拟和体验的一种计算机系统。该系统利用计算机技术生成一个逼真的具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使操作者产生身临其境的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术[1]。VR仿真技术应用涉及领域广泛，飞机船舶虚拟驾驶训练、城市规划、医学教育等领域常使用VR仿真技术进行模拟。在智能化港口设备的培训中，可以通过VR仿真技术，对港口设备操作员进行具有交互性的培训。

2 VR仿真技术在智能化港口设备培训中应用的必要性

依托于模拟器系统、用于过程控制的连接与嵌入服务器(OPC，Object Linking and Embedding for Process Control)通信、数学模型建立和远程操作台(ROS，Remote Operation Station)等软、硬件，构建了在智能化港口设备培训中使用的VR仿真技术。这种开创性的培训方式，可让远程操作员在虚拟环境中亲身体验港口设备操作流程，从而达到智能化港口设备培训的要求。

VR仿真技术在智能化港口设备培训的应用是促进港口设备培训生动化的需要。传统码头多数采用书面和实操的2种培训方式。书面性的培训方式枯燥、难以形象化；实操的培训方式会降低现场港口设备的生产效率，加上现场各种因素影响，达不到培训效果。运用VR仿真技术，使用与实际生产相同规格的ROS操作台，虚拟相同规格的港口设备以及添加多种影响因素的数学模型，可为学员提供更真实的培训课堂，使学员在高沉浸的虚拟环境下感知复杂港口设备的工作原理、功能演示与故障诊断[2]。形象化的培训为学员留下了深刻的印象，也为教员提供了方便，促进智能化港口设备培训生动化，提高培训的质量。

VR仿真技术在智能化港口设备培训的应用是提升港口设备操作流程规范性的需要。港口设备操作流程规范与否，直接影响码头业务生产的安全。错误地操作港口设备，最终结果是不可逆的，操作人员和码头需要为此承担责任。结合港口码头生产安全建设的规范要求，可开发出一个有助于解决安全教育培训与考核、安全应急预案演练、安全事故教学库等安全管理的VR平台[3]，提升学员对港口设备操作的规范性。

VR仿真技术在智能化港口设备培训的应用是顺应港口智能化发展的需要。随着港口设备智能化发展，学员需要在工作前尽可能地熟练掌握设备操作流程， VR仿真技术能为学员提供安全、绿色、自动化、智能化的虚拟港口设备，符合港口智能化发展的要求。

3 VR仿真技术在智能化港口设备培训中的应用现状

国内目前有3个全自动化码头，分别为上海洋山深水港四期自动化码头、厦门远海自动化码头和青岛港集装箱全自动化码头。港口拥有最先进的起重机和运输设备，但是软件操作人员数量仅能满足当前生产的需要。VR仿真技术在智能化港口设备培训中具有高效率、高安全的优势，改进了在设备上进行实际操作的传统教学方式，可缩短教学周期，提高教学质量。目前VR仿真技术在智能化港口设备培训中应用于3个方面：

(1)在智能化岸桥设备的培训中，通过VR仿真模拟建立一个具有前伸距和后伸距尺寸、起升高度、轨距、外观等技术参数的单起身双吊具双小车岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)(见图1)。模拟岸桥可以以实际岸桥的加、减速度左右运行，小车可以以实际岸桥的加、减速度前后运行，主起升和门架起升可以以实际岸桥的加、减速度上下运行，并考虑电机恒功率。结合OPC服务器的通信，学员在ROS台操作，可以对20 ft、40 ft、45 ft和双20 ft集装箱进行抓、放箱，也可以对链架、工作架和超高架作业，观察模拟吊具的指示灯，显示开闭锁的状态。

图1 模拟器岸桥设备示例

(2)在集装箱船舶的培训中，可通过VR仿真模拟一系列船舶类型的训练场景，包括超大型集装箱船、超巴拿马型船、巴拿马型船、集装箱驳船等。可以根据需求附加配置，新的船型在后期也能较容易的加入模拟器。模拟器系统中还包括各个船型的总长、宽度、甲板上层数、甲板下层数等，以及不同尺寸的船只进行装载和卸载作业状况。表1是模拟器系统中提供的集装箱船的数据。

表1 模拟器集装箱船数据

(3)在水平运输机械的类型介绍培训中，VR仿真技术会在系统中模拟卡车和自动导引车。教员可以设置其路线和管理交通，并能在模拟期间随时控制启动和停止，教授学员港口自动化设备之间的交互状况。系统也支持调整一些参数，例如卡车的倾角和车辆悬架的刚性、提高锁钮和上锁，使学员体验不同难度的模拟培训。VR仿真模拟系统不影响现场的作业，整个过程无风险，可高效完成智能化港口设备的培训。

4 VR仿真技术在洋山深水港四期港口设备培训中的应用

上海洋山深水港四期港口设备的培训采用VR仿真技术，利用虚拟设备，结合ROS操作台，与OPC服务器进行通信，在模拟系统中进行真实操作。通过VR仿真技术模拟的3D港口设备具有真实的纹理细节，再利用Vortex物理引擎，使模拟的3D港口设备具有与真实设备相符的物理性能和特性，为起重机、车辆、货物、船舶等提供动力学和运动学的数值模拟，从而使起重机和货物以自然的方式进行处理。使用模拟器设备的主要目标是通过有效的培训来培养有经验的远程操作员，而不占用实际设备。

4.1 VR设备的图像技术

模拟器生成的物体视觉图像是根据岸桥操作员从ROS台看到的真实画面模拟的，岸桥装卸作业环境中的所有物体都包含在仿真画面里，可反映操作员控制动作的影响、半自动模式下的计算机控制动作以及其他非受控对象的影响。大风力对起重机动力学的影响(吊具运动、绳索张力等)也完全包含在模拟环境中。在渲染所有3D模拟对象时，将颜色、纹理、色调、光线和阴影等细节添加到所有可见的表面，使设备和对象具有高保真度。视频监控服务器用于显示屏幕上从ROS接收的相机配置，每个相机视图与真实岸桥上相同，包括相机安装位置、视角、视野范围等。

4.2 VR设备的讲师台功能

讲师台包括3个显示器，以应用程序GUI的形式切换操作员的视角、暂停其动作、拖动和移动视图，让讲师能够对操作人员进行监视、指导和协助。模拟器提供了综合训练场景的列表，训练场景参数可以通过讲师台进行选择和记录。为满足洋山深水港四期码头功能需要，讲师台可以配置模拟器程序和模拟进程，包括改变环境、光照情况、选择集卡或者AGV模式、载荷类型等，VR图像会因参数的调整而改变。

4.3 VR设备的数据功能

洋山深水港四期VR设备具有数据存储及分析功能，可以管理学生数据库，以及与培训相关的评估数据和水平基准。VR设备可记录吊具每个周期内的运行路径，供训练结束后查看。练习中任何碰撞事件和损害都会被记录，系统生成操作员的操作质量及故障处理水平，其报告在基于Web的界面中完成，并允许分析每个单独的任务并生成PDF报告，且可长期存储所有学生培训数据用于分析。

5 结语

智能化港口使用VR仿真技术进行培训具有开创性，可在不占用实际设备的情况下，低风险、低成本地培训出有经验的远程操作员。从效果上来看，这种培训方式可以调动学员的积极性，提高学员对港口设备操作流程的接受程度。未来VR仿真技术会向更逼真的港口环境、更好的远程操作方式、更真实的工作体验方面发展。随着时间的推移，VR仿真技术在智能化港口设备培训的应用会更加广泛。