基于VR技术的吊装设备模拟训练系统设计方案研究

张 保 王明生

（海军士官学校，蚌埠 233012）

当前，随着计算机水平的不断进步，虚拟仿真（Virtual Reality，VR）技术日臻成熟，已广泛应用于不同生产领域的模拟训练，如高危、重污染等场所，有效解决了逼真度和训练效率问题。因此，利用VR技术开发逼真的吊装设备模拟训练系统成为时下提高吊装训练水平和效率的有效手段。利用计算机虚拟仿真技术构建模拟训练场景，解决实物运动和碰撞的仿真问题，可逼真实现吊装设备基础操作和特种吊装的虚拟仿真训练。本文主要进行吊装设备模拟训练系统功能、构成、技术实现途径等设计方案的研究[1-2]。

1 研究意义

1.1 减少装备训练损耗

传统训练方式经常造成吊装设备的损坏和损伤，需耗费大量的人力和财力进行配件的补充和损伤的修复。基于VR的模拟仿真训练系统无须动用实体装备，可完全避免这种情况的出现[3]。

1.2 增强训练效果

传统训练方式需要教员对班级学员进行1对1单独培训，周期长，训练时间受到严重的压缩和限制。虚拟现实训练方式提供针对单个学员的互动教学，但训练时间不自由，受到教师、场地、装备的限制。模拟仿真训练的方式可以根据训练需求灵活安排时间。系统会根据训练时间和效果反馈自动调整训练难度和时间，选择合理的训练内容，有效增强训练效果。

1.3 强化操作技能

虚拟现实环境下，参训人员可多次重复进行吊装操作的强化训练。模拟仿真系统会根据个人需要一次又一次反复对学员进行指引和训练，达到强化操作技能的效果[4]。

1.4 训练流程标准化

不同吊装操作教员对训练操作流程存在不同的认知和理解，导致吊装操作训练学员在不同教员指导下会有不同的操作训练流程。基于VR的模拟训练系统对训练流程进行标准化设置，使所有学员都进行统一的标准化训练，避免了因教员因素而产生的训练流程误差，有效增强了训练效果。

1.5 特情处理有惊无险

传统实装训练时，由于装备经不起真实的碰撞、倾翻，因此无法进行特情训练。基于VR的模拟仿真训练系统由于不涉及实际装备，可以针对各类特殊情况进行有针对性的训练，使学员在实际工作中遇到类似特殊情况时有经验、有能力进行预想预防处理[5-6]。

2 功能分析

吊装设备模拟训练系统是一个集理论学习、技术训练和训练考核为一体的综合性仿真平台，主要功能整体框架如图1所示。由于技术的进步和功能需求的改变，要求系统具有一定的可扩展功能[7-9]。

2.1 理论知识学习模块

吊装设备理论知识学习模块的主要功能包括吊装相关理论知识和吊车结构维护保养知识。吊装相关理论知识主要包括起重机操作、指挥、特种吊装和吊装安全4部分相关理论知识。设备维护保养知识主要包括设备基本构造、工作原理、维护保养的相关知识。结合文字、图片、音视频多媒体的方式进行教学，学习模块具备入门教学、基础知识、视频教学及场景教学等功能。

2.2 吊装技术模拟训练模块

吊装技术模拟训练模块是系统的主要模块，主要包括以下两个功能：一是通用安全技术模拟训练，主要包括吊车操作训练、吊装方案制定训练和吊车指挥训练；二是特种吊装模拟训练，主要包括虚拟现实特种吊装的吊装环境，如特殊场地背景、复杂天气背景、特殊物资相关参数、起吊点和卸货点的吊装。

2.3 吊装模拟训练考核模块

吊装模拟训练考核模块具有理论和实操考核的功能，可以根据需要组织学员进行考核，以评估训练效果。它包括两个基本功能：一是理论考核模块，功能为通用吊装理论、设备维护保养理论题库，全部为客观题，考核时按照通用理论考核比例为40%、吊装维护保养理论部分比例为60%，随机选题生成100道题的考核试题，考核完毕后自动判卷给出考试分数；二是虚拟实操考核，分为指挥员虚拟考核功能和操作员虚拟考核功能，实操考核模块会根据预先设定的任务辅之以各种环境因素进行考核，在考核过程中出现违反操作规程的现象时系统自动提示并扣分，并根据分数将考核成绩分成优秀、良好、合格及不合格4个等级。

3 系统构成

吊装模拟训练系统由硬件和软件两部分组成，如图2所示。

硬件部分是模拟吊装设备驾驶舱，为模拟系统软件提供输入输出接口，包括操作员驾驶室、三维立体影响投影系统、环绕立体声音响系统和六自由度全动平台仿真系统。操作员驾驶室设置有驾驶员座椅、高灵敏度操作手柄、脚踏、模拟控制器及各种功能控制按钮组件等。设备采用与真实汽车吊装设备相同的操作部件，操作手感逼真，使得其操作功能、操作感觉与真机基本吻合。

软件部分主要处理三维仿真场景的显示和运动，计算机后台进行数据计算和用户操作记录，包括模拟仿真服务器、视景仿真系统、音效仿真系统、运动平台控制系统及模拟控制台。

3.1 硬件组成

系统硬件组织结构如图3所示。

3.1.1 高性能实时渲染三维图形工作站

负责通过图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）实时渲染虚拟现实画面，向虚拟现实系统的头盔输出双目视觉场景，向大屏幕同步输出高分辨率（不低于1920×1080）实时三维渲染头盔视角画面。

3.1.2 虚拟现实系统

虚拟现实系统负责对头盔、手柄、Tracker进行空间定位，使用一对光栅进行高分辨率、低延迟的三维空间定位。

3.1.3 大屏幕投影机

大屏幕投影机提供大尺寸高分辨率的投影显示。

3.1.4 数据库服务器

数据库服务器提供系统模块的数据服务。

3.1.5 高速网络通信设备

高速网络通信设备提供多人训练和考核模块的数据服务。

3.2 软件组成

软件系统架构分为硬件接口层、人工智能（Artificial Intelligence，AI）支持层、实时渲染业务逻辑层、通信层和数据层5个层。硬件接口层提供虚拟现实输出接口，提供Omni全向跑步机传输接口，提供大屏幕同步视景输出接口。AI支持层负责AI人工智能教学算法支持、AI人工智能辅助学员行为算法支持和AI人工智能考核评判算法支持。实时渲染业务逻辑层进行三维实时渲染的支持，基于Unity3D引擎进行三维战场环境、天气气候、车辆装备、工具操作、任务动作的虚拟仿真渲染和交互。通信层基于传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），使用TCP协议和用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）底层框架完成多人协同训练位置同步和动作同步。数据层提供数据库读写服务，主要有学员/教员数据、教学数据、场景数据及考核数据等数据读写操作和服务。

4 关键技术分析

虚拟现实技术是20世纪90年代科学界和工程界所关注的技术，通过计算机产生一种人为虚拟的环境。这种虚拟环境是通过计算机图形构成的三维空间，或是把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。

4.1 动态环境建模技术

虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用计算机辅助设计技术（Computer Aided Design，CAD）（有规则的环境），而更多的环境需要采用非接触式视觉建模技术。两者的有机结合，可以有效提高数据获取 的效率。

人工几何建模主要利用虚拟现实工具软件编程进行，如OpenGL、Java 3D及VRML等。这类方法主要针对虚拟现实技术的特点而编写，编程容易，效率较高。直接从某些商品图形库中选取所需的几何图形，可以避免直接用多边形拼构某个对象外形时烦琐的过程，也可节省大量时间。对吊装设备的实体建模主要利用实体建模软件进行，如Catia、SolidWorks等。对有易于测量的实体可采取自动建模的方法，釆用三维扫描仪对实际物体进行三维扫描，能快速、方便地将真实世界的立体彩色物体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，而无须进行复杂、费时的建模工作。

4.2 实时三维图形生成技术

三维图形的生成技术已经较为成熟，关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15帧/秒，最好是高于30帧/秒。 在不降低图形质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。可通过提高计算机性能，采取优化算法来保证三维图形的实时生成。

4.3 立体显示和传感器技术

虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要。例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小及使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高。因此，有必要开发新的三维显示技术。

4.4 实时碰撞检测技术

在虚拟现实系统中，为了保证虚拟世界的真实性，碰撞检测须有较高实时性和精确性。所谓实时性是基于视觉显示的要求，碰撞检测的速度一般要达到 24 Hz，而基于触觉要求，碰撞检测的速度至少要达到300 Hz才能维持触觉交互系统的稳定性，只有达到1000 Hz才能获得平滑的效果。

现有的碰撞检测算法主要包括层次包围盒法和空间分解法两大类。这两种方法都是为了尽可能地减少需要相交测试的对象对或是基本几何元素对的数目。层次包围盒法是解决碰撞检测问题固有时间复杂性的一种有效方法。它的基本思想是利用体积略大而几何特性简单的包围盒来近似地描述复杂的几何对象，并通过构造树状层次结构来逼近对象的几何模型，从而在对包围盒树进行遍历的过程中，通过包围盒的快速相交测试来及早排除明显不可能相交的基本几何元素，从而快速剔除不发生碰撞的元素，减少大量不必要的相交测试，而只对包围和重叠的部分元素进行进一步的相交测试，从而加快碰撞检测速度，提高碰撞检测效率。

空间分解法是将整个虚拟空间划分成相等体积的小的单元格。只对占据同一单元格或相邻单元格的几何对象进行相交测试。比较典型的方法有K-D树、八叉树、二叉空间分区树（Binary Space Partioning Tree，BSP）、四面体网及规则网等。空间分解法通常适用于稀疏环境中分布比较均匀的几何对象间的碰撞检测。

4.5 系统集成技术

由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等。

5 结语

模拟训练系统软件部分功能都可以在PE平台上实现，三维渲染模块完成视景仿真系统，多媒体处理模块全面支持音效仿真系统，运动控制模块对应运动控制系统，仿真服务器由数据库模块支持。用户的操作信息、运动控制过程和操作后的画面均在计算机内部瞬间完成，具有实时性和同步性。吊装模拟训练系统可为职业技能培训和考核提供装备保障，解决实装训练带来的高风险、高成本弊端，有效促进复杂环境吊装保障能力，节约训练经费，具有一定的经济效益。