AR技術(shù)建筑施工起重機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)研發(fā)

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摘要:針對建筑施工塔式起重機(jī)培訓(xùn)過程中因其作業(yè)環(huán)境導(dǎo)致的難度高、安全性差的問題，通過ar技術(shù)對建筑施工塔式起重機(jī)的傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)，詳細(xì)描述了AR技術(shù)在改進(jìn)塔式起重機(jī)傳統(tǒng)教學(xué)模式的思路及技術(shù)方案，用以滿足建筑施工塔式起重機(jī)專業(yè)技能培訓(xùn)的要求降低教學(xué)成本，達(dá)到提高學(xué)員的實際操作技能，提高教學(xué)、考核的安全性，提高培訓(xùn)的效率和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞:建筑業(yè)，塔式起重機(jī)，增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，教學(xué)，考核

引言

塔式起重機(jī)(簡稱:塔吊)是現(xiàn)代建筑業(yè)起重、運輸、吊裝作業(yè)的主導(dǎo)機(jī)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(xùn)考核方面，有許多不足和缺陷。首先司機(jī)、指揮人員(信號工)，實際操作培訓(xùn)費用高、成本大，造成實際操作培訓(xùn)時間短，效果差;其次，市場上現(xiàn)有的模擬仿真塔式起重機(jī)普遍存在實用價值低、價格昂貴、周轉(zhuǎn)成本高、占地面積大、后期保養(yǎng)費用高等問題，操作培訓(xùn)無法模擬實際生產(chǎn)環(huán)境，如:風(fēng)力、風(fēng)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(qiáng)現(xiàn)實技術(shù))，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(shù)，是把原本在現(xiàn)實世界的一定時間、空間范圍內(nèi)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(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實的感官體驗。增強(qiáng)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(zhǔn)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(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。

1課題研究背景

現(xiàn)階段，大多數(shù)塔式起重機(jī)司機(jī)專業(yè)技能培訓(xùn)、班前崗前教育仍采用基礎(chǔ)理論教育+上塔實操教學(xué)，對于初學(xué)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(dāng)、延遲處理、對運行數(shù)據(jù)模糊不清等情況導(dǎo)致的安全缺失。2)機(jī)械因素:因機(jī)械設(shè)備操作難度大，潛在隱患較多造成的傷亡事故;設(shè)備安裝部署難度大、成本高、周轉(zhuǎn)難，并且隨著培訓(xùn)次數(shù)的增加設(shè)備的損耗也隨之增大。3)環(huán)境因素:機(jī)械設(shè)備應(yīng)用范圍廣，安裝操作環(huán)境復(fù)雜且不利于控制的問題，人員培訓(xùn)過程中受時間、空間、環(huán)境的限制。

1．1AR技術(shù)發(fā)展背景

近年來，AR技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)維修、影視娛樂、醫(yī)療手術(shù)、教育培訓(xùn)等多個領(lǐng)域，并逐漸成為下一代人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展的主要方向。AR技術(shù)因其功能優(yōu)勢更適用于教育領(lǐng)域。AR技術(shù)可以提供一種沉浸式教學(xué)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(xùn)對象提供身臨其境的學(xué)習(xí)環(huán)境，提升培訓(xùn)效果。

1．2政府、行業(yè)要求背景

《建設(shè)工程安全生產(chǎn)管理條例》(國務(wù)院第393號令)、《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》(國務(wù)院第373號令)、《建筑起重機(jī)械安全監(jiān)督管理規(guī)定》(建設(shè)部第166號令)、GB5144—2006塔式起重機(jī)安全規(guī)程、JB/T100—1999塔式起重機(jī)操作使用規(guī)程、GB/T5031—2008塔式起重機(jī)等文件都明確提出了加強(qiáng)對塔式起重機(jī)等特種設(shè)備作業(yè)人員的培訓(xùn)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(shù)在建筑工程中的應(yīng)用價值，這里提到的應(yīng)用主要體現(xiàn)在塔式起重機(jī)操作的教學(xué)培訓(xùn)中。其目的是改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，通過AR技術(shù)更加生動、直觀的開展塔吊司機(jī)專業(yè)技能培訓(xùn)，突破傳統(tǒng)培訓(xùn)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(jìn)一步提高教學(xué)效率。

3塔式起重機(jī)AR技術(shù)方案

3．1研究目標(biāo)

結(jié)合特種作業(yè)設(shè)備崗位技能培訓(xùn)的特點，塔式起重機(jī)AR技術(shù)采用BIM技術(shù)構(gòu)建塔式起重機(jī)實體模型，通過AR技術(shù)模擬塔吊操作運行狀態(tài)與作業(yè)環(huán)境，全程記錄司機(jī)操作并進(jìn)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(xùn)模式存在的位置、空間等條件的限制，提高學(xué)員的實際操作技能，提高教學(xué)培訓(xùn)考核的安全性，進(jìn)一步提高培訓(xùn)的準(zhǔn)確性和工作效率。

3．2技術(shù)方案

塔式起重機(jī)AR技術(shù)的實現(xiàn)，充分利用虛擬現(xiàn)實及智能控制技術(shù)，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(jī)教學(xué)的仿真互動體驗，教學(xué)培訓(xùn)的安全性得到了有效保障，有針對性的組織培訓(xùn)，進(jìn)一步提高操作人員自身的應(yīng)變能力與處理技能，見圖1。

3．2．1教學(xué)系統(tǒng)塔式起重機(jī)AR教學(xué)系統(tǒng)包含教員管理與學(xué)員管理，登錄系統(tǒng)時通過身份證識別操作員身份，進(jìn)入對應(yīng)的操作界面(見圖2)。教員或管理人員可以進(jìn)行遠(yuǎn)程系統(tǒng)維護(hù)，上傳學(xué)習(xí)資料、設(shè)置考試科目，查詢學(xué)員的操作成績，實時跟蹤學(xué)習(xí)、訓(xùn)練軌跡，記錄訓(xùn)練結(jié)果等。學(xué)員登錄系統(tǒng)后，可進(jìn)行學(xué)習(xí)資料的瀏覽、查詢、檢索等，還具有記錄學(xué)習(xí)時長、進(jìn)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(shù)實現(xiàn)三維立體成像，大大提高臨場感，使培訓(xùn)人員產(chǎn)生身臨其境的感覺，同比例的畫面效果，進(jìn)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(shè)備運轉(zhuǎn)中的音效。

3．2．3塔吊實操模擬訓(xùn)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(shè)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(biāo)，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(guān)鍵受力節(jié)點設(shè)置傾角傳感、風(fēng)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(chǔ)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(fēng)、雨、霧、霾、光照、噪聲等因素加入施工現(xiàn)場信息模型，以及構(gòu)件的準(zhǔn)確位置與位移變化等，在真實環(huán)境下對塔吊關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)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(jī)圖形技術(shù)，全視角(多維度)立體顯示技術(shù)，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù)，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網(wǎng)絡(luò)傳輸、語音輸入輸出技術(shù)等，將對司機(jī)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(jī)的真實感受，見圖8。4)場景仿真與機(jī)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(jī)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(jìn)行編輯修改。

3．4技術(shù)創(chuàng)新點及優(yōu)勢

1)可編輯的塔機(jī)運行環(huán)境與施工現(xiàn)場環(huán)境。將AR技術(shù)應(yīng)用在塔式起重機(jī)教學(xué)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(jìn)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(zhuǎn)換與時間軸變化，模擬不同時間節(jié)點的日照強(qiáng)度對塔吊司機(jī)、司索工的操作影響，在培訓(xùn)教育時進(jìn)行重點加強(qiáng)。對即將上崗的項目塔吊司機(jī)、司索工等相關(guān)工作人員進(jìn)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(jìn)行培訓(xùn)教育，降低了塔吊操作人員的實際操作風(fēng)險。2)全視角(多維度)立體顯示技術(shù)與三維圖形處理技術(shù)應(yīng)用。通過全視角(多維度)立體顯示技術(shù)與三維圖形處理技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)三維立體成像，提高臨場感，使塔機(jī)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(shù)，以及觸覺、受力反饋、立體聲、網(wǎng)絡(luò)傳輸、語音輸入輸出技術(shù)等可協(xié)助塔吊司機(jī)完成高難度業(yè)務(wù)培訓(xùn)，提高了塔吊操作人員的技術(shù)水平。3)交互式塔機(jī)操作模擬。模擬司機(jī)操作工作界面，采用真機(jī)仿真的方式設(shè)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(jī)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(dāng)造成的各類事故后果。4)部署簡單，周轉(zhuǎn)便捷。塔式起重機(jī)AR教學(xué)系統(tǒng)，通過將圖像視景、音效模擬與體感控制座椅結(jié)合于一體，實現(xiàn)了教學(xué)、訓(xùn)練、考核一體化功能。安裝部署簡單，周轉(zhuǎn)便捷，損耗率低，同時解決了傳統(tǒng)塔吊技能培訓(xùn)受時間、天氣、地點限制等問題，提高培訓(xùn)效率的同時降低培訓(xùn)成本。

4結(jié)語

基于AR技術(shù)的建筑施工塔式起重機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)的研發(fā)，通過將電子傳感技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合，對塔吊使用過程和行為，以及施工現(xiàn)場設(shè)備運行過程中的危險因素和安全隱患進(jìn)行仿真模擬，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，受訓(xùn)者可以將自身置于各種復(fù)雜、突發(fā)環(huán)境中去，從而進(jìn)行針對性模擬訓(xùn)練，提高自身的應(yīng)變能力與問題處理技能，進(jìn)一步預(yù)防和減少塔吊安全生產(chǎn)事故發(fā)生?；贏R技術(shù)的建筑施工塔式起重機(jī)培訓(xùn)系統(tǒng)的研發(fā)，為今后塔吊遠(yuǎn)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(xùn)教育起到了示范引領(lǐng)的作用。

參考文獻(xiàn):

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［2］李京燕．AR增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的原理及現(xiàn)實應(yīng)用［J］．藝術(shù)科技，2018，31(5):92．

作者：程一琳 畢詠力 常帥 單位：山西一建集團(tuán)有限公司