岸边集装箱起重机虚拟实训系统开发与应用

卓宏明 李献丽

摘要：针对当前岸边集装箱起重机教学过程中实训条件限制，阻碍学生实践动手能力和创新能力的培养问题。通过收集岸桥图纸、技术资料基础上，进行三维建模，采用VB6.0编程语言，结合Microsoft Access数据库开发了岸边集装箱起重机虚拟实训系统。利用该系统，用户可以查看岸桥的各种技术资料，还可进行三维动态观察及各机构的运动仿真动画，零部件组装虚拟实训等。通过教学实践表明，该系统操作简便、可满足教学要求，弥补了实训条件的不足。

关键词：岸边集装箱起重机;虚拟实训;三维建模;VB6.0;教学改革

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）21-0067-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

随着我国港口发展及高职百万扩招，高端技能型人才的培养所需的实训设备及教学条件的限制，已经严重影响了人才培养的质量[1]。港机专业教学有很强的实践性、技能性，让学生所学的理论知识与实践有机结合起来，必须加大实训、实践力度[2]。因此，在“互联网+”教学的大背景下，开发虚拟实训系统，将虚拟与现实结合、仿真与实操结合，提高教学质量已经成为当下研究的热点，并已经开始应用于教学实践中[3-6]。

2 系统需求分析

岸边集装箱起重机（简称岸桥）是集装箱码头最重要最昂贵的设备，也是港机专业课中一块非常重要的内容，学生需要掌握岸边集装箱起重机的技术参数结构组成、工作原理以及零部件组装以及维修、保养、调整的方法，在正式上岗前具有一定的故障诊断和故障排除的能力。当前岸桥教学中主要存在如下问题，需要开发虚拟实训系统解决。

1）无真实设备，设备内部结构难以观察理解。学生的基础越来越薄弱，岸桥理论学习枯燥效果不理想，授课内容主要依靠幻灯片、照片、视频等，表现手法单一，系统内部结构难以观察和讲解等不足，也没有真实的设备。授课中传统多媒体加视频的教学手段很难达到让学生掌握所学专业知识的目的[7]。2）岸桥实训设备数量难以满足需求。学校在实训室的硬件建设和资金投入做了大量工作，但招生规模扩大，实训条件达不到实际需求。实训设备的数量与参训学生数量不匹配，价格昂贵的专业设备更是数量不足，实训的效果大打折扣。3）岸桥实训设备的设施相对落后。由于科技日新月异，码头设备不断更新换代，我国从无到有目前已经建设完成了4个全自动化码头，然而由于实训设备成本高，学校实训设备未能及时更新，与企业技术发展不同步。4）岸桥实训设备的维护成本高，实训过程存在安全隐患。学生对实训设备不熟悉，操作不熟练，实训设备在拆装过程中易出现个别部件损坏和人身意外伤害。

针对当前岸桥教学中存在的诸多问题，通过与港机制造企业及港机用户收集最新的岸桥图纸技术资料基础上进行三维建模。为降低开发难度和成本，加快开发周期，采用MicrosoftVisual Studio VB6.0进行软件编程。由于数据量不大，采用简单易用的Microsoft Access关联数据库，开发岸边集装箱起重机虚拟实训系统，解决实训条件、实训时间的不足，改善学生动手能力不强、结构原理难以理解掌握的问题，减少学与企业实际工作需求的差距。岸桥虚拟实训系统的使用对象主要为教师和学生，另外还需要有管理员可以对系统进行完善改进等。学生可以查看岸桥相关技术资料学习，进行岸桥三维动态观察结构，查看各机构的运动仿真，以及零部件组装虚拟实训和使用帮助，学生还可以修改自己的登录密码。虚拟实训还需要对学生的实训进行评价。教师拥有学生的所有权限并且还有管理学生，查看学生学习情况统计成绩等。管理员拥有所有权限，管理所有用户，还可以进一步完善改进系统等。

3 系统开发

根据需求分析，结合岸桥虚拟实训系统的特点，系统的总结构包括登錄部分和主界面部分。主界面部分又包括“技术资料”“三维视图”“运动仿真”“零部件组装”“首页”“用户管理”“帮助”“退出”八个功能菜单，整个系统功能图如图1所示。

每个用户在使用系统前必须先登录，依自己的权限使用系统，具有较好的安全保密机制。登录界面主要设置有常规的用户名，登录密码，角色选择，只有当用户名和密码正确以及权限选择对时，登录成功，系统提示“已成功登录”，否则就会提示错误。登录界面与用户数据库采用Microsoft.jet. OLEDB.4.0数据引擎连接Access用户数据库。用户登录后的密码修改，使用Adodc控件操纵用户数据库来实现。用户数据库主要包括管理员表（管理员编号、管理员姓名、管理员密码），教师表（教师编号、教师姓名、教师密码）和学生表（学号、学生姓名、学生密码）。

主界面设计主要采用多重文档界面结合菜单编辑器来开发。主界面的标题栏显示有软件的名称，中心部分显示岸边集装箱起重机的三维模型。主界面部分有8个功能菜单，技术资料菜单包括岸桥简介、图纸、标准和视频这4个二级功能菜单，里面有丰富的岸桥相关的图文、视频以及相关标准资料供用户学习使用。三维视图菜单包含总装、机构、金属结构和主要零部件4个二级功能菜单。机构又有起升机构、小车运行、大车运行和俯仰4个三级功能菜单。主要零部件又有电气房、电缆转盘和驾驶室3个三级功能菜单。选择相应的功能菜单就可以三维动态对应的岸桥结构，用户可以直观学习从而掌握岸桥的结构与组成原理。

运动仿真菜单包括起升运行、小车运行、大车运行、俯仰运动这4个二级子菜单。起升机构运动仿真实现岸桥吊装集装箱进行提升和下降运动，小车运行机构运动仿真实现小车架沿着主梁小车轨道进行前后水平运动，大车运行机构运动仿真实现起重机整机沿着码头轨道做水平运动，俯仰运动仿真实现岸桥前大梁绕前大梁铰点做俯仰运动。用户选择对应的子菜单就可以观看机构运动仿真动画，形象生动地呈现出各机构的运动传动原理方便学生理解掌握。零部件组装菜单包括海陆侧门框、上横梁梯形架、大梁组装、总体装配这4个二级子菜单。以海、陆侧门框子菜单进行海、陆侧门框虚拟装配实训为例，进行功能介绍。当选择该子菜单时，进人海、陆侧门框组装界面，界面中有海、陆侧门框的所有零部件，界面右上方有一个工量具下拉选择框和一个加工方法下拉选择框，界面右下方有装配和还原两个按钮，如图2所示。进行组装时，先选择工量具和加工方法，再拖动海、陆侧门框零部件到合适的组装位置，点击装配，如果工量具和加工方法选择都正确并且零部件装配位置正确，就是出现工量具选择正确、加工方法选择正确、装配正确对话框，并且界面中出现海、陆侧门框组装完成后的三维视图，如图3所示。如果工量具选择有误，就会出现“工量具选择有误”对话框，否则就会出现“加工方法选择有误”对话框。如果海、陆侧门框零部件位置不对就会出现“装配有误”对话框。按下还原按钮，海、陆侧门框零部件回到原始位置，工量具和加工方法下拉选择框所选内容清空。

首页菜单，供用户从各子菜单直接返回主界面。用户管理菜单只有管理员和教师才能进入用户管理界面，学生没有该权限。教师可以管理查看各学生的信息，学习记录等，管理员拥有所有权限。帮助菜单里面有软件的使用方法介绍等。退出菜单供用户退出系统。

程序的调试和运行以及打包发布都可以直接在VB里面进行，但打包发布用第三方专业的VB程序工具更方便并且不容易产生错误。

4 结论

岸边集装箱起重机虚拟实训系统依照实用性、可维护性、安全可靠性以及操作界面友好的基本设计原则，可视化的操作方式，界面简洁、操作方便。用户可以查看技术资料包括岸边集装箱起重机设备介绍以及图纸，还可以进行三维视图的查看学习，并且还有各机构的运动仿真动画，以及零部件组装。岸桥虚拟实训系统已经在《港口集装箱机械与输送机械》课程教学中进行了应用，教师通过该软件与实训设备结合虚实结合，线上线下结合进行岸桥相关内容的教学[8]。实践表明：学生通过该软件的使用可以很好掌握岸边集装箱起重机的结构组成、工作原理以及零部件组装等知识，辅助教学，具有很好的应用价值。但系统还存在一些缺陷，如功能相对单一，实训项目太少，虚拟实训过程评价欠缺，无对应手机移动端等功能还需进一步开发完善。

参考文献：

[1]陆燕飞，陈嵩.百万扩招背景下高等职业教育供给侧改革的 路径探析[J].职教论坛，2019（7）：32-36.

[2]郭娟，于欣，高腾，虚拟现实技术对高等职业教育实践教学的促进作用[J].河北科技师范学院学报，2008，22（4）：74-76.

[3]洪洲.虚拟实训系统的研究现状及发展趋势[J].实验技术与管理，2014，31（6）：111-113.

[4]周瑾怡.网络虚拟实训平台在高职路由交换技术课程教学中的应用与实践[J].电脑知识与技术，2015，11（21）：131-133.

[5]卓宏明，蒋仲仁.“互联网+”课程思政的高职专业课教学改革[J].宁波工程学院学报，2019，31（4）：107-111.

[6]徐媛，崔学鹏.基于VR技术的网络综合布线虚拟实训平台的设计研究[J].电脑知识与技术，2019，15（18）：75-76.

[7]吴卫刚，赵秋园，于海，等.装卸搬运机械课程虚拟实训平台的建设与应用[J].科教导刊（下旬），2018（3）：45-46，64.

[8]卓宏明，侯舟波，四位一体虚实结合的高职专业课教学改革——以港口集装箱机械与输送机械课程为例[J].物流工程与管理，2019，41（1）：148-150.

【通联编辑：王力】

基金项目：全国教育信息技术研究课题（186140032）;浙江省高等教育“十三五”第二批教学改革研究项目（jg20190996）

作者簡介：卓宏明（1986-），男，浙江舟山人，讲师，硕士，主要研究方向为机械工程、信息化教学;李献丽（1982-），女，浙江舟山人，讲师，硕士，主要研究方向为机械工程、信息化教学。