AR技術建筑施工起重機培訓系統(tǒng)研發(fā)

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摘要:針對建筑施工塔式起重機培訓過程中因其作業(yè)環(huán)境導致的難度高、安全性差的問題，通過ar技術對建筑施工塔式起重機的傳統(tǒng)教學模式進行改進，詳細描述了AR技術在改進塔式起重機傳統(tǒng)教學模式的思路及技術方案，用以滿足建筑施工塔式起重機專業(yè)技能培訓的要求降低教學成本，達到提高學員的實際操作技能，提高教學、考核的安全性，提高培訓的效率和準確性。

關鍵詞:建筑業(yè)，塔式起重機，增強現(xiàn)實技術，教學，考核

引言

塔式起重機(簡稱:塔吊)是現(xiàn)代建筑業(yè)起重、運輸、吊裝作業(yè)的主導機械，全國塔吊數(shù)量有數(shù)十萬臺，并且每年呈遞增趨勢。近年來建筑行業(yè)塔吊的大量使用，由于違規(guī)超限作業(yè)、現(xiàn)場環(huán)境變化與塔吊群干涉碰撞等引發(fā)的各類塔吊運行安全事故頻繁發(fā)生，造成了巨大的生命財產(chǎn)損失。目前全國大部分建筑單位在塔吊培訓考核方面，有許多不足和缺陷。首先司機、指揮人員(信號工)，實際操作培訓費用高、成本大，造成實際操作培訓時間短，效果差;其次，市場上現(xiàn)有的模擬仿真塔式起重機普遍存在實用價值低、價格昂貴、周轉成本高、占地面積大、后期保養(yǎng)費用高等問題，操作培訓無法模擬實際生產(chǎn)環(huán)境，如:風力、風速、變幅、群體作業(yè)等因素，存在較大安全生產(chǎn)隱患。AR(AugmentedReality，增強現(xiàn)實技術)，是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，是把原本在現(xiàn)實世界的一定時間、空間范圍內很難體驗到的實體信息(視覺，音效，嗅覺，觸覺等信息)通過電腦等科學技術，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗。增強現(xiàn)實是將虛擬事物在現(xiàn)實中的呈現(xiàn)，而交互就是幫助虛擬事物在現(xiàn)實中更好的呈現(xiàn)做準備，因此想要得到更好的AR體驗，交互就是其中的重中之重。AR系統(tǒng)具有三個突出的特點:1)真實世界和虛擬的信息集成;2)具有實時交互性;3)在三維尺度空間中增添定位虛擬物體，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術前沿學科和研究領域。

1課題研究背景

現(xiàn)階段，大多數(shù)塔式起重機司機專業(yè)技能培訓、班前崗前教育仍采用基礎理論教育+上塔實操教學，對于初學者來說存在諸多不穩(wěn)定因素，容易造成安全事故的發(fā)生。如:1)人為因素:因人為操作不當、延遲處理、對運行數(shù)據(jù)模糊不清等情況導致的安全缺失。2)機械因素:因機械設備操作難度大，潛在隱患較多造成的傷亡事故;設備安裝部署難度大、成本高、周轉難，并且隨著培訓次數(shù)的增加設備的損耗也隨之增大。3)環(huán)境因素:機械設備應用范圍廣，安裝操作環(huán)境復雜且不利于控制的問題，人員培訓過程中受時間、空間、環(huán)境的限制。

1．1AR技術發(fā)展背景

近年來，AR技術被廣泛應用于工業(yè)維修、影視娛樂、醫(yī)療手術、教育培訓等多個領域，并逐漸成為下一代人機交互技術發(fā)展的主要方向。AR技術因其功能優(yōu)勢更適用于教育領域。AR技術可以提供一種沉浸式教學模式，可以將豐富的資源信息和其他數(shù)據(jù)整合到用戶能夠觀察到的現(xiàn)實場景中，為培訓對象提供身臨其境的學習環(huán)境，提升培訓效果。

1．2政府、行業(yè)要求背景

《建設工程安全生產(chǎn)管理條例》(國務院第393號令)、《特種設備安全監(jiān)察條例》(國務院第373號令)、《建筑起重機械安全監(jiān)督管理規(guī)定》(建設部第166號令)、GB5144—2006塔式起重機安全規(guī)程、JB/T100—1999塔式起重機操作使用規(guī)程、GB/T5031—2008塔式起重機等文件都明確提出了加強對塔式起重機等特種設備作業(yè)人員的培訓教育、崗位管理，提高建筑行業(yè)科技管理能力的要求。

2研究目的

本論文主要研究AR技術在建筑工程中的應用價值，這里提到的應用主要體現(xiàn)在塔式起重機操作的教學培訓中。其目的是改變傳統(tǒng)的教學模式，通過AR技術更加生動、直觀的開展塔吊司機專業(yè)技能培訓，突破傳統(tǒng)培訓模式存在的時間、空間、環(huán)境等條件的限制，在保證操作人員安全的情況下，進一步提高教學效率。

3塔式起重機AR技術方案

3．1研究目標

結合特種作業(yè)設備崗位技能培訓的特點，塔式起重機AR技術采用BIM技術構建塔式起重機實體模型，通過AR技術模擬塔吊操作運行狀態(tài)與作業(yè)環(huán)境，全程記錄司機操作并進行違規(guī)報警、空間限制、模擬傾翻與環(huán)境變化，實現(xiàn)操作與體感的交互模擬，突破了固有培訓模式存在的位置、空間等條件的限制，提高學員的實際操作技能，提高教學培訓考核的安全性，進一步提高培訓的準確性和工作效率。

3．2技術方案

塔式起重機AR技術的實現(xiàn)，充分利用虛擬現(xiàn)實及智能控制技術，通過將體感操作控制臺、音響系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)的融合，實現(xiàn)塔式起重機教學的仿真互動體驗，教學培訓的安全性得到了有效保障，有針對性的組織培訓，進一步提高操作人員自身的應變能力與處理技能，見圖1。

3．2．1教學系統(tǒng)塔式起重機AR教學系統(tǒng)包含教員管理與學員管理，登錄系統(tǒng)時通過身份證識別操作員身份，進入對應的操作界面(見圖2)。教員或管理人員可以進行遠程系統(tǒng)維護，上傳學習資料、設置考試科目，查詢學員的操作成績，實時跟蹤學習、訓練軌跡，記錄訓練結果等。學員登錄系統(tǒng)后，可進行學習資料的瀏覽、查詢、檢索等，還具有記錄學習時長、進度，模擬考試等輔助功能(見圖3，圖4)。

3．2．2圖像視景系統(tǒng)采用高清短焦投影背投技術實現(xiàn)三維立體成像，大大提高臨場感，使培訓人員產(chǎn)生身臨其境的感覺，同比例的畫面效果，進一步提高系統(tǒng)的仿真還原度。配備高保真音響系統(tǒng)，模擬現(xiàn)場環(huán)境音效及設備運轉中的音效。

3．2．3塔吊實操模擬訓練系統(tǒng)采用體感震動座椅，模擬塔吊駕駛室晃動特性，真實還原出現(xiàn)實操作間在設備的運行情況。通過操作信號的采集與還原，模擬實際工作中的電氣參數(shù)指標，采集指令控制器、按鈕等信號，并同時反饋到軟件系統(tǒng)及指示燈系統(tǒng)。

3．3實現(xiàn)方式

1)塔吊模型仿真:建立塔吊三維模型，并在塔吊信息模型中關鍵受力節(jié)點設置傾角傳感、風速傳感、重量傳感、高度傳感、變幅傳感、角度傳感、群塔防碰撞、基礎沉降等傳感觸發(fā)點，實現(xiàn)塔吊模型高還原度仿真(見圖5)。2)運行環(huán)境仿真:建立施工現(xiàn)場信息模型，并對風、雨、霧、霾、光照、噪聲等因素加入施工現(xiàn)場信息模型，以及構件的準確位置與位移變化等，在真實環(huán)境下對塔吊關鍵節(jié)點進行受力模擬(見圖6，圖7)。3)體感控制:將各受力節(jié)點傳輸回的信息以及操作環(huán)境信息通過實時三維計算機圖形技術，全視角(多維度)立體顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網(wǎng)絡傳輸、語音輸入輸出技術等，將對司機的體感部分傳輸至體感震動座椅，模擬真實環(huán)境下塔吊操作室司機的真實感受，見圖8。4)場景仿真與機械作業(yè)模擬交互:駕駛室系統(tǒng)采用真實的操作臺，包括完整的操作臺(操作手柄、按鈕、儀表、指示器以及司機座椅等)，其原來的玻璃窗口用視景系統(tǒng)的VR顯示系統(tǒng)替代，通過“窗口”可以看到VR屏幕上的視覺景象和操作情況，見圖9。數(shù)據(jù)接口:平臺數(shù)據(jù)接口多元化，無論是塔吊信息模型，還是施工現(xiàn)場環(huán)境，均可根據(jù)不同工程類型、現(xiàn)場環(huán)境因素、塔吊規(guī)格型號等因素進行編輯修改。

3．4技術創(chuàng)新點及優(yōu)勢

1)可編輯的塔機運行環(huán)境與施工現(xiàn)場環(huán)境。將AR技術應用在塔式起重機教學中無論是塔吊信息模型，還是施工現(xiàn)場環(huán)境，均可根據(jù)不同工程類型、現(xiàn)場環(huán)境因素、塔吊規(guī)格型號等因素進行編輯修改。AR仿真支持施工現(xiàn)場光環(huán)境模擬，根據(jù)季節(jié)轉換與時間軸變化，模擬不同時間節(jié)點的日照強度對塔吊司機、司索工的操作影響，在培訓教育時進行重點加強。對即將上崗的項目塔吊司機、司索工等相關工作人員進行崗前、班前教育時，可根據(jù)該項目的實際情況，模擬真實的塔吊運行環(huán)境及施工現(xiàn)場環(huán)境，有針對性的進行培訓教育，降低了塔吊操作人員的實際操作風險。2)全視角(多維度)立體顯示技術與三維圖形處理技術應用。通過全視角(多維度)立體顯示技術與三維圖形處理技術應用實現(xiàn)三維立體成像，提高臨場感，使塔機操作人員產(chǎn)生身臨其境的感覺，同現(xiàn)實比例的畫面效果，提高了系統(tǒng)的仿真度。施工現(xiàn)場全場景視覺效果，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺、受力反饋、立體聲、網(wǎng)絡傳輸、語音輸入輸出技術等可協(xié)助塔吊司機完成高難度業(yè)務培訓，提高了塔吊操作人員的技術水平。3)交互式塔機操作模擬。模擬司機操作工作界面，采用真機仿真的方式設計制作。包括一套完整的操作臺(操作手柄、按鈕、儀表、指示器以及司機座椅等)，其原來的玻璃窗口用虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)替代，通過“窗口”可以看到屏幕上的視覺景象和操作情況。反饋系統(tǒng)可以產(chǎn)生實際作業(yè)中的各種反饋塔身傾斜、制動，傾覆，貨物撞擊，碰撞報警，現(xiàn)場的各種聲響，以及模擬操作不當造成的各類事故后果。4)部署簡單，周轉便捷。塔式起重機AR教學系統(tǒng)，通過將圖像視景、音效模擬與體感控制座椅結合于一體，實現(xiàn)了教學、訓練、考核一體化功能。安裝部署簡單，周轉便捷，損耗率低，同時解決了傳統(tǒng)塔吊技能培訓受時間、天氣、地點限制等問題，提高培訓效率的同時降低培訓成本。

4結語

基于AR技術的建筑施工塔式起重機培訓系統(tǒng)的研發(fā)，通過將電子傳感技術和增強現(xiàn)實技術結合，對塔吊使用過程和行為，以及施工現(xiàn)場設備運行過程中的危險因素和安全隱患進行仿真模擬，借助虛擬現(xiàn)實技術，受訓者可以將自身置于各種復雜、突發(fā)環(huán)境中去，從而進行針對性模擬訓練，提高自身的應變能力與問題處理技能，進一步預防和減少塔吊安全生產(chǎn)事故發(fā)生?；贏R技術的建筑施工塔式起重機培訓系統(tǒng)的研發(fā)，為今后塔吊遠程操控及無人操控收集各類真實數(shù)據(jù)，也為其他高危行業(yè)培訓教育起到了示范引領的作用。

參考文獻:

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［2］李京燕．AR增強現(xiàn)實技術的原理及現(xiàn)實應用［J］．藝術科技，2018，31(5):92．

作者：程一琳 畢詠力 常帥 單位：山西一建集團有限公司