基于AR技术的建筑施工塔式起重机培训系统的研发★

程一琳 毕咏力 常 帅

(1.山西一建集团有限公司，山西 太原 030012； 2.山西建投集团装饰有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

塔式起重机(简称：塔吊)是现代建筑业起重、运输、吊装作业的主导机械，全国塔吊数量有数十万台，并且每年呈递增趋势。近年来建筑行业塔吊的大量使用，由于违规超限作业、现场环境变化与塔吊群干涉碰撞等引发的各类塔吊运行安全事故频繁发生，造成了巨大的生命财产损失。

目前全国大部分建筑单位在塔吊培训考核方面，有许多不足和缺陷。首先司机、指挥人员(信号工)，实际操作培训费用高、成本大，造成实际操作培训时间短，效果差；其次，市场上现有的模拟仿真塔式起重机普遍存在实用价值低、价格昂贵、周转成本高、占地面积大、后期保养费用高等问题，操作培训无法模拟实际生产环境，如：风力、风速、变幅、群体作业等因素，存在较大安全生产隐患。

AR(Augmented Reality,增强现实技术)，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间、空间范围内很难体验到的实体信息(视觉,音效,嗅觉,触觉等信息)通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。

增强现实是将虚拟事物在现实中的呈现，而交互就是帮助虚拟事物在现实中更好的呈现做准备，因此想要得到更好的AR体验，交互就是其中的重中之重。AR系统具有三个突出的特点：1)真实世界和虚拟的信息集成；2)具有实时交互性；3)在三维尺度空间中增添定位虚拟物体，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。

1 课题研究背景

现阶段，大多数塔式起重机司机专业技能培训、班前岗前教育仍采用基础理论教育+上塔实操教学，对于初学者来说存在诸多不稳定因素，容易造成安全事故的发生。如：

1)人为因素：因人为操作不当、延迟处理、对运行数据模糊不清等情况导致的安全缺失。

2)机械因素：因机械设备操作难度大，潜在隐患较多造成的伤亡事故；设备安装部署难度大、成本高、周转难，并且随着培训次数的增加设备的损耗也随之增大。

3)环境因素：机械设备应用范围广，安装操作环境复杂且不利于控制的问题，人员培训过程中受时间、空间、环境的限制。

1.1 AR技术发展背景

近年来，AR技术被广泛应用于工业维修、影视娱乐、医疗手术、教育培训等多个领域，并逐渐成为下一代人机交互技术发展的主要方向。

AR技术因其功能优势更适用于教育领域。AR技术可以提供一种沉浸式教学模式，可以将丰富的资源信息和其他数据整合到用户能够观察到的现实场景中，为培训对象提供身临其境的学习环境，提升培训效果。

1.2 政府、行业要求背景

《建设工程安全生产管理条例》(国务院第393号令)、《特种设备安全监察条例》(国务院第373号令)、《建筑起重机械安全监督管理规定》(建设部第166号令)、GB 5144—2006塔式起重机安全规程、JB/T 100—1999塔式起重机操作使用规程、GB/T 5031—2008塔式起重机等文件都明确提出了加强对塔式起重机等特种设备作业人员的培训教育、岗位管理，提高建筑行业科技管理能力的要求。

2 研究目的

本论文主要研究AR技术在建筑工程中的应用价值，这里提到的应用主要体现在塔式起重机操作的教学培训中。其目的是改变传统的教学模式，通过AR技术更加生动、直观的开展塔吊司机专业技能培训，突破传统培训模式存在的时间、空间、环境等条件的限制，在保证操作人员安全的情况下，进一步提高教学效率。

3 塔式起重机AR技术方案

3.1 研究目标

结合特种作业设备岗位技能培训的特点，塔式起重机AR技术采用BIM技术构建塔式起重机实体模型，通过AR技术模拟塔吊操作运行状态与作业环境，全程记录司机操作并进行违规报警、空间限制、模拟倾翻与环境变化，实现操作与体感的交互模拟，突破了固有培训模式存在的位置、空间等条件的限制，提高学员的实际操作技能，提高教学培训考核的安全性，进一步提高培训的准确性和工作效率。

3.2 技术方案

塔式起重机AR技术的实现，充分利用虚拟现实及智能控制技术，通过将体感操作控制台、音响系统、视觉系统的融合，实现塔式起重机教学的仿真互动体验，教学培训的安全性得到了有效保障，有针对性的组织培训，进一步提高操作人员自身的应变能力与处理技能，见图1。

3.2.1教学系统

塔式起重机AR教学系统包含教员管理与学员管理，登录系统时通过身份证识别操作员身份，进入对应的操作界面(见图2)。教员或管理人员可以进行远程系统维护，上传学习资料、设置考试科目，查询学员的操作成绩，实时跟踪学习、训练轨迹，记录训练结果等。学员登录系统后，可进行学习资料的浏览、查询、检索等，还具有记录学习时长、进度，模拟考试等辅助功能(见图3，图4)。

3.2.2图像视景系统

采用高清短焦投影背投技术实现三维立体成像，大大提高临场感，使培训人员产生身临其境的感觉，同比例的画面效果，进一步提高系统的仿真还原度。配备高保真音响系统，模拟现场环境音效及设备运转中的音效。

3.2.3塔吊实操模拟训练系统

采用体感震动座椅，模拟塔吊驾驶室晃动特性，真实还原出现实操作间在设备的运行情况。通过操作信号的采集与还原，模拟实际工作中的电气参数指标，采集指令控制器、按钮等信号，并同时反馈到软件系统及指示灯系统。

3.3 实现方式

1)塔吊模型仿真：建立塔吊三维模型，并在塔吊信息模型中关键受力节点设置倾角传感、风速传感、重量传感、高度传感、变幅传感、角度传感、群塔防碰撞、基础沉降等传感触发点，实现塔吊模型高还原度仿真(见图5)。

2)运行环境仿真：建立施工现场信息模型，并对风、雨、雾、霾、光照、噪声等因素加入施工现场信息模型，以及构件的准确位置与位移变化等，在真实环境下对塔吊关键节点进行受力模拟(见图6，图7)。

3)体感控制：将各受力节点传输回的信息以及操作环境信息通过实时三维计算机图形技术，全视角(多维度)立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等，将对司机的体感部分传输至体感震动座椅，模拟真实环境下塔吊操作室司机的真实感受，见图8。

4)场景仿真与机械作业模拟交互:驾驶室系统采用真实的操作台，包括完整的操作台(操作手柄、按钮、仪表、指示器以及司机座椅等)，其原来的玻璃窗口用视景系统的VR显示系统替代，通过“窗口”可以看到VR屏幕上的视觉景象和操作情况，见图9。

5)数据接口：平台数据接口多元化，无论是塔吊信息模型，还是施工现场环境，均可根据不同工程类型、现场环境因素、塔吊规格型号等因素进行编辑修改。

3.4 技术创新点及优势

1)可编辑的塔机运行环境与施工现场环境。

将AR技术应用在塔式起重机教学中无论是塔吊信息模型，还是施工现场环境，均可根据不同工程类型、现场环境因素、塔吊规格型号等因素进行编辑修改。

AR仿真支持施工现场光环境模拟，根据季节转换与时间轴变化，模拟不同时间节点的日照强度对塔吊司机、司索工的操作影响，在培训教育时进行重点加强。

对即将上岗的项目塔吊司机、司索工等相关工作人员进行岗前、班前教育时，可根据该项目的实际情况，模拟真实的塔吊运行环境及施工现场环境，有针对性的进行培训教育，降低了塔吊操作人员的实际操作风险。

2)全视角(多维度)立体显示技术与三维图形处理技术应用。

通过全视角(多维度)立体显示技术与三维图形处理技术应用实现三维立体成像，提高临场感，使塔机操作人员产生身临其境的感觉，同现实比例的画面效果，提高了系统的仿真度。

施工现场全场景视觉效果，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉、受力反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等可协助塔吊司机完成高难度业务培训，提高了塔吊操作人员的技术水平。

3)交互式塔机操作模拟。

模拟司机操作工作界面，采用真机仿真的方式设计制作。包括一套完整的操作台(操作手柄、按钮、仪表、指示器以及司机座椅等)，其原来的玻璃窗口用虚拟现实显示系统替代，通过“窗口”可以看到屏幕上的视觉景象和操作情况。反馈系统可以产生实际作业中的各种反馈塔身倾斜、制动，倾覆，货物撞击，碰撞报警，现场的各种声响，以及模拟操作不当造成的各类事故后果。

4)部署简单，周转便捷。

塔式起重机AR教学系统，通过将图像视景、音效模拟与体感控制座椅结合于一体，实现了教学、训练、考核一体化功能。安装部署简单，周转便捷，损耗率低，同时解决了传统塔吊技能培训受时间、天气、地点限制等问题，提高培训效率的同时降低培训成本。

4 结语

基于AR技术的建筑施工塔式起重机培训系统的研发，通过将电子传感技术和增强现实技术结合，对塔吊使用过程和行为，以及施工现场设备运行过程中的危险因素和安全隐患进行仿真模拟，借助虚拟现实技术，受训者可以将自身置于各种复杂、突发环境中去，从而进行针对性模拟训练，提高自身的应变能力与问题处理技能，进一步预防和减少塔吊安全生产事故发生。

基于AR技术的建筑施工塔式起重机培训系统的研发，为今后塔吊远程操控及无人操控收集各类真实数据，也为其他高危行业培训教育起到了示范引领的作用。