（电力电子与电力传动专业论文）集装箱起重机仿真训练器中的教员台系统设计.pdf

上海海运学院硕士学位论文映实际情况l 厂关键词；集装箱起重机i 医亘至二匿茁二匾l 西皿一一上海海运学院硕士学位论文a 转s t p a c tp o r tc r a n ei st h em a i nl o a da n du n l o a de q u i p m e n ti np o r t ，h o wg o o dt h em a n i p u l a t o r ss k i l li st h ek e yf a c t o ri nd e t e r m i n et h es a f e t y , e f f i d e n c y 。d u m b l ea n dp r o f i to fu s i n gt h ee q u i p m e n t c o m p a r e dw i t ht r a i ni nr e a le q u i p m e n t t r a i ns i m u l a t o rh a so b v i o u sa d v a n t a g e o u si ne c o n o m i c a la n ds a f e t y , s o ，i ti so fg r e a tr e a l i s ms e n s e 埝d e v e l o p i n gp o r tc r a n et r a i ns i m u l a t o r t h i sp a p e rd e s c r i b ep a r to fw o r ki nt h ep r o j e c t “t r a i ns i m u l a t o ro fc o n t a i n e rc r a n e ”。i n c l u d i n gt h ed e s i g no ft e a c h e rw o r k t a b l ea n dt h er e a l i z eo fs o m eo fi t sf u n c t i o n ，t e a c h e rw o r k t a b l ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d i n gm a i nc o m p u t e r , i n s t r u c ts c r e e n ，s c e n ew a t c hs c r e e n ，d r i v e r 埔a m b e rm o n i t o fa n dr e l a t i v ei n p u to u t p u te q u 溺m e n t 。m a i nc o m p u t e ri st h ec o n t r o lc e n t e ro ft h ew h o l et e a 蛹e rw o r k t a b l es y s t e m 确em a i n 气n c t i o no ft h es y s t e mi n c | u d es e r fc h e c k ；p a r a m e t e r ss e t ；t r a i nc o n d 疆i o ns e t ；s e l e c t i o nt h et y p eo fc o n t a i n e ra n dr e l a t l v ee q u i p m e n t s ；s y s t e mc o n t r o la n dm o n i t o ro f t h es i m u l a t o rp r o c e s s ；r e c o r da n dr e p l a yo f t h et r a i np r o c e s s ；a u t o m a t ee v a l u a t i n ga n dm i s t a k ea n a l y s i s t e a c h e rw o r k t a b l es y s t e mw a sd e s i g n e dw 孙m o d u l a r i z e dm e t h o da n dt h em a i np a r tw a sw r i t t e nw i t hv b c o n t a i n e rm o v e m e n tt r a c ko p t i m i z a t i o na n dt h ea u t o m a t ee v a l u a t i n go fs t u d e n t sa c t i o na t et w oi m p o r t a n tf u n c f = o no ft h et e a c h e rw o r k t a b l e c o m p a r i n gt h em o v i n gt r a c ko fc o n t a i n e rw i t ht h eo p t i m i z e dm o v i n gt r a c ko fc o n t a i n e rg e n e r a t e da u t o m a t i ca saw a yo fj u d g et h eo p e r a t i o no fs t u d e n t i ti saf e a t u r eo ft h i sp r o j e c t i ti sd i f f i c u rt os o l v et h ec o n t a i n e rm o v e m e n tt r a c ko p t i m i z a t i o np r o b l e mb yu s i n gg e n e r a lm e t h o dt os o l v eo p t i m i z a t i o np r o b l e ms u c ha sm i n i m u mv a l u em e t h o da n dd y n a m i cp l a n t h i sc a nb es e e nc l e a r l yt h r o u g hm a t h e m a t i ca n a l y s i s a f t e rs i m p l yt h i sp r o b l e m 。m a k ee l e m e n t a r yf o l dl i n ea c c o r d i n gt ot h es t a r tp o i n t ，t h ee n dp o i n 童a n dt h eh i n d e rp o i n tb e t w e e nt h e m n o tc o n s i d e rt h es w a yw h e ns t u d e n ta r eo p e r a t i n ga n dj u s ts e a r c hf o ro p t i m a lt r a c ki nt h ef o i dl i n e sw h i c ht h r o u g hs t a r tp o i n ta n de n dp o i n ta n dc o v e rt h eh i n d e rp o i n t f o rt h es a k eo f上海海运学院硕士学位论文r e a l i z es p e e dc h a n g eb e t w e e nt w ol i n k e dp a r to faf o l dl i n e u s i n gg r i n df u n c t i o nt op r o c e s st h ef o l dl i n e st oc h a n g ei ti n t or e a l i z a b l em o v i n gt r a c k i nr e a l i z et h ea u t o m a t ee v a l u a t i n go fs t u d e n t so p e r a t i o n j u d g i n gt h eo p e r a t i o ni nf o u rw a y s ：t h es t e po fo p e r a t i o n ；t h eq u a l i t yo fo p e r a t i o n ；t h ed i s p o s ei nf a i l u r ea n dt h ei m p r e s s i o no ft e a c h e nt h ei m p r e s s i o no ft e a c h e rw a si n p u tb yt e a c h e rt h r o u g ht e a c h e rw o r k t a b l e t h es t e pe v a l u a t ep r o g r a mr e a dt h es t a t eo fe q u i p m e n te v e r yo t h e rt h i r t ym i l l i s e c o n dt ot r a c kt h es t u d e n t so p e r a t i o n t h es t e pe v a l u a t ep r o g r a mr e a l i z ee v a l u a t eb yu s i n gs o m er u l eb a s e do no p e r a t i o nf o r m u l a t h eq u a l i t ye v a l u a t ep r o g r a mw o r k sa c c o r d i n gt oo p e r a t i o ne f f i c i e n c ya n ds p e e do fc o l l i s i o n t h ed i s p o s ei nf a i l u r ee v a l u a t i n gp r o g r a me v a l u a t eh o wg o o dt h es t u d e n tp r o c e s sf a i l u r ew h e nt e a c h e rs e tf a i l u r ei nt e a c h e rw o r k t a b l e t h et e a c h e r si m p r e s s i o ne v a l u a t i n gw a ss e tb yt e a c h e ri nt e a c h e rw o r k t a b l e u s i n gf u z z ym e t h o dt oo b t a i nt h ei n t e g r a t i o ne v a l u a t i n g f i m tf u z z yt h ee v a l u a u n go b t a i n e di nd i f f e r e n tw a y sf og e tt h em a t r i xo ff u z z yc o l l e c t i o na n dt h e ng e tt h ef u z z yr u l ea c c o r d i n gt ok n o w l e d g ea n de x p e r i e n c e u s i n gm a x i m u m m i n i m u mr u l et oi n t e g r a t et h em a t r i xo ff u z z yr u l ea n dt h em a t d xo ff u z z yi n p u tt oo b t a i nt h ef u z z yo u t p u t d e f u z z yt h eo u t p u ti fp o i n t si sn e e d e d u s i n gf u z z ym e t h o dc a nf o r m a l i z ea n dm o d e l i z et h ee x p e r i e n c eo fp e o p l ea n dc h a n g ei ti n t om o d e lt h a tc a nb ep r o c e s s e db yc o m p u t e r t h i sk i n do fm e t h o dc a nr e f l e c tt h er e a l i t yb e 牡e rt h a na v e r a g em e t h o dw i t hw e i g h tf o ri tc a ns i m u l a t e t h ee x p e r i e n c eo fp e o p l e k e y - w o r d sc o n t a i n e rc r a n e ，t e a c h e rw o r k t a b l e 。o p t i m i z e ，f u z z y , e v a l u a t i n gl ix i a n gr o n g ( p o w e re l e c t r o n i c s & e l e c t r i cd d v e ld i r e c t e db yp r o f y uh o n gs h e n gf e b 2 0 0 3论文独创性声明本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表皱撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并衷示了谢意。作者签名：纽整日期：圣：趁本人同意上海海运学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文保密的论文在解密后遵守此规定。日期：塑：型上海海运学院硕士学位论文第一章概述海上集装箱运输开始于上世纪五十年代的后半期，最初只限于美国的国内航线。六十年代后半期逐步发展到欧洲、北美、澳大利亚、日本等发达国家。七十年代初期，第三世界一些国家和地区也相继开展海上集装箱运输。我国从七十年代后半期开始发展国际集装箱运输。海上集装箱运输出现以来，以其安全性和高效率在全球范围内得到了广泛的应用。港口起重机是港口装卸货物的主要设备。随着全球经济一体化步伐的加快和国际航运事业的飞速发展，港口装卸作业量成倍地增长。上海港1 9 9 6 年港口吞吐量达1 6 5亿吨，2 0 0 0 年超过2 亿吨。港口起重设备也随之日益高速化、大型化及自动化，世界发达港口的矿石和煤炭装船机台时效率已分别达到1 6 万吨和1 8 万吨，卸船机台时效率已分别达到6 0 0 0 吨和5 4 0 0 吨，岸边集装箱起重机台时效率近6 0 箱，几乎每分钟就装卸1 箱。港口机械设备成本日益增高，对操作人员技能及素质要求也愈来愈高。同时，操作人员的技术熟练程度对港口生产安全、设备使用效率、使用寿命及经济效益起着决过定性的作用。货物装卸是具有危险性的特种工作，起重机司机的操作直接影响到生命财产的安全。西方发达国家对起重机司机的培训进行了立法，规定新司机必须到政府批准的培训中心参加培训，取得资格证书以后，方可从事此项工作。除了安全性的考虑外，由于操作人员技术水平的高低直接影响到生产率及机器设备的寿命和企业的经济效益，因此港口机械操作人员的技术培训受到各方面的关注。为此，国外经常组织关于港口培训的国际会议，讨论港口培训工作和培训设备的问题。同时，国外如美国有影响的社团组织、联合生产制造商、使用单位、培训中心等每年组织一次或两次对起重机的工作状况和工作资格进行核查，或对操作人员的培训工作、发证标准等进行讨论。一般来说，对不同的起重机械有不同的培训内容及培训期限，即使同一种类型的起重机，根据起重量的不同也会有所区别，通过培训再发给相应的资格证书。近2 0 年来，基于虚拟现实的仿真技术随着计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多种高新技术的发展而得到飞速的发展，其应用已从传统的工程领域扩展到非工程领域。作为其主要应用之一的各种仿真训练系统已成为当今重大生产设备或过程控制设备运行人员上岗操作、教育培训的必备手段，受到国内外高度重视，并已在航天航空、航海、火力及核能发电、石油化工等许多领域得到广泛使用。目前，仿真训练器己逐步成为培训飞机、船舶、汽车等驾驶人上海海运学院硕士攀位论文2员的重要筝段。发这羯家魏美餮、魏零大、法嚣、溪丈翠l 疆等嚣嚣蕉港霸或起藿枫霹辍弱雇镛组绞，都健羽计算枫仿粪稍练器来对谣梳进行随黻辫诩并取樽了懿好豹缀济效益和社会效益。目前，在东南旺及南美她区的港口，对职工的培硼也相当重视。新加坡、玛寒疆甄、绨藩等鬻港毯戳及牙买麓港，近年寒迮都孳l 送了美鬻籍怒整钒彷囊蓼| | 练嚣。先进的教学设镰不仅绦证了教学菔量，瞧缩短了绩谰髑期。目前，我豳各大港口郝采用师傅带徒弟的实机操僚培训方式来对港口机械司机进行培诵。生产强务繁忙翔上门窿起霪梳、岸边集装籍装酾轿等都爨复杂孵蠢器费熬大型设餐，新手的撵律荔产生安垒事簸并会影响港豳的正常生产，囡照看的多动手少。要使一名新手取得上岗证书，般器黉一年左右的时间。劳熙由予很滩进行姆爨工况稀梳藏事放楚瑾等龛嚣艇力鹣销练，遘爨突发事释镬会等 亡辩鬣。对内海港爨及凝建海港，出子生产耀模苓丈，没螽条件魄较茇，往往爨要恕学员派到其他港口蹬训，入力秘费用的花赞就熨大。与实梳操作培训稿诧，研究释舞发港醴橇械操作铸囊调练系统其有鬟大豹现实意义：1 ) 安全瞧好。挺绝了培溯事故熬发生，减少了培调攀敛损失。2 ) 经济性磐。它的能耧低，使熙鼹期长，易予维护秘扩充，共砸枫多用，在一台仿嶷训练爨上进行多种枫型的操作训练。长期使髑可大大减少港口金妲在培稍王俸中静入力物力消耗，降 聚塔调费翅。3 ) 功戆强。使髑诗算航仿真软 孛，透过人热交互方式，露实现妈头装卸进程中备辩王搀状况、天气状况的模拟，并可进行各秘特殊工况和桃披事投处理能力的训练，从而大犬缩短学员的培谰庵期，并提高培训质爨。4 ) 适用面广。可以对不羁拳平约跌蔓k 大员进彳子定糕培谶，撬裹敬王躲综会素质。我爨已经加入擞界贸器维绂，这给我爨航运攀妲带来了蘸掰米鸯的契概，需要大量谳练有素的港门装卸机械操作人员。利用计弊机模拟仿真系统对港口装卸梳械驾驶受透露傍囊培调程戏兔壤葬嵩素震人员豹遗韬嚣要，瞧是提凑港翻生产水平秘管理拳平静漆搦需要。除上海港从国外引进外，我国目前尚没有真难意义上的港鼯机械司机计算杭仿真潮练系统。萼| 避产晶鑫于价格籀贵，国内一般港蟊瞧秃法接受。戮魏礴镪斑符合我毽国清并整具有先进水平的港韶梳械搡作仿爽训练系统，填补浅潜在这方蘑豹空自，辩发展我图交通运输事业是报甯必要的，具有重要的现实意义。1 1 盛羧蕊实镑真谶练攀的发震现状寝接臻实技术是俦粪诿练器震裂豹主蒌技术之一。寝撼瑷安是一耱霹洪截建耩2上海海运学院磺士学位论文体验虚拟世界的计算机系统。虚拟世界是全体虚拟环境或给寇仿真对象的全体。虚拟环境跫由计算机产生的，通过视觉、听觉、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉静交互式裰录仿真环境。为了 鼗计和构成这样一个廒损现实系统，需要厢到商性计算机系统魏计算壤墨像处理技术、智能接墨接零、人工麓链技本、传感嚣技寒、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术等多种先进技术，两掰骞这些技术都越信息技术的分支。裔一九霞六年第一台现代计算机在美国研制成功以来。信息技术得到了飞速发震。避三十年采( 尤其是避年来) ，毒 舞撬、逶待技术能同步发晨和襁互键迸成为全世界信息技术与产业发展的主要特征。由于光纤技术的发展促进了宽始戆攫广秘应用，也使计算机广域网和声图文一体化的多维信息传输及应用成为现实。人类并不是仪仅依靠文字或数据的单一形式来传递信息和接受概念的，而是通过多种感钶来接受钤界信息。掺j 如近+ 多年来，入稍对蓉予褫颓信怠的依赣性在增强。随着计算杌软硬件技术的发展可以较方便越把声膏、颜色、墅缘等鳃会褒一起，瑟视簇的售怒压缩能力又很强，因此，为了改蛰表达概念的能力，绒短传递概念的途径，单靠提离传遴和处理文字、数据的能力是不够韵，而应按照人类的习惯，提供各个感官能接受的多种璃牲盼信惠。通过各种信意存储载棒和信息传送工兵，通过商性能计算机等信息加工设备囱入提供声、瑟、文集或崧一越豹，菇能冬人发生交互襻耀匏信怠。这就是近年来多媒体技术飞速发展的原因。多媒体技术的发麟使得人不仅仅能通过打印输出或显示屏纂的窗口，从外部观察信怠处理韵结果，而且能通过入的视觉、听觉、触徽、等多种方式参与到信恿处理环境孛去，钛褥取褥身貉其凌熬体验。这种信恚簸理系统已不是建立在一个单维的数字化的信息空阅上，恧悬建立在一个多维他的傣患空阅之中，建鏖在一个定性秘定爨耀结合，感性认识和理性认识相结合的综合集成环境之中了。虚拟现实技术就是支撑这个多维信息空间的关键技术。盘撅现实技术主簧由入枫接口和寝叛环境产生器两部分缎成，而虚拟环境产生器熬功黢是摄擐铥务豹髅矮寒要求，在忑兵较转帮数据库静支持下产蹩任务所需的、多维的、适应予用户的情景和实例，使用户毒身临其境的沉浸感和交互馋媚能力。“逼真”是衡量虚拟环境性能的主要指标。因此，宴时性和图形处理能力是熊拟现实的关键技术。虚羧现实技拳静发展移疲雳l l 尊阏并不长，鬣它毫尽袋现了广漓豹应羯前豢。它可应用于建模姆仿粪、科学诗舞与可援他、设计皇规划、教学与训练、远程医疗、娱乐等很多方面。仿真模拟训练器是其中的一个璧要领域。它是以计算机为基础的人一机实时仿真系上海海运学院琰士学位论文4统。仿真训练器能够遥真地实时模拟被操作对象的各种特性、现象和参数变化等。并其有麓麓、安全、经济、效率商等优赢，西蔼得蜀了广泛的应稻。仿真模攒训练器的秘类缀多，1 2 上训练的曩标碍分必飞移训练摸羧器、汽车训练模拟嚣、鬟壳铡练模羧嚣等。像们都具有相似的结构：学员奁系统、教员台系统、仿真模型。它靠】之闻的关系如下黼所示：图1 一l仿真训练系统的组成一个仿真模拟训练系统的人机界面邋常包括很多复杂的软硬件配擞。这些人机界面通常使用传感器从输入设备读取数据并把数据传给计算机。计算机运行仿真模澄产生驱动辕赉设备瓣相关输逛。这些输崮使萄面产生运动、音频设备发声、运动视构动揍。这些共同梭残7 一个袭投现实熟环境。按照训练的目的和任务的不同，可将仿真器贫为：1 )载体操纵型：这种仿真训练器主隳用于载体操作的训练，包括航空载体、航天飞梳、航海和船舶方面的诩练，其主婺目的是训练驾驶者的操作技术能。2 )_ 逑程控糕型：这类仿真器瑶来培调各耱工厂孛的搡侔久爨( 黧奄厂、漂予麓电厂、化工厂等) 。3 )博弈决策型：这类仿真器主蒙用来培训公司经理、交通监管人员( 列车调度、航空管理、港口管理、城市交通指挥等) 和军潦指挥人员( 空战、海战、电子战等) 。霭麸系统溉模豹蕉壤，胃将侪真调练系统分为西个级掰，它稍分剽是：a ：多王馋套大规模训练器b ：单工作台机组训练器c ：单工作台操作，维修人员训练器d ：个入基础技术调练器系绞的双模由d 斗a 逐缀窟大，嚣嚣，我蓬蔓要对a ，d 掰类稍练傣囊器豹需求较上海海运学院硕士学位论文大，前者是为了解决安全、经济等因素，而后者为我国的燕规化职业培训所大量需要，其有广泛的应用前景。晷耱静仿真稍练系统发展较翠，餐其价格灞赍、技术保密，在浅莓难戬推广。进入八十年钱以来，我黧在弓l 进释淡化i 蒌i # i - 仿真谢练系统基礁上，瞧舞发了许多系统，下砸是其中比较成功的几类：1 ) 飞行、舰船仿真器j e 寨靛空航天大学研制的拜六飞行模拟器，曾经获得国家科技进步一等奖。此外，终者了鼹豹还有海洋模羧王程公司戆c c f - 2 s 舰艇搡缀仿宾系统；鞭安二炮学院静缝一地导弹发射操纵模拟器；清华大学的潢艇操纵仿囊训练器等。这类系统的特点是有精确的幼力学模型，能根据操纵动作及外部环境的变化( 参数改变) 做出准确的计算和快速反应。本项目也属于这一类。这类训练器一般有一个类似于实际驾驶蜜( 舱)静学员操作螽。逶遭盛撅嚣实技术使学员在操作时获得等在现场操作相似的感受。阁1 2 美豳d i g i t r a n 公司豹起重机仿真训练器2 过程控铋辏翼器这类系统主要应用于化工、电站等方磷，以集散控卷4 系统失主要模拟对象。这类仿真器颇向复杂的生产过程，具有丰富的数据库是它的一大特点。3 ) 战术调练系统这一类蘩系统韵特点是与军事躲谈紧密结合，因为律缓不廷是窳器瀚单纯对抗，也是敌我双方战术思想摆撵艺零的综食对捷。嚣防科技大学在莲予知识蛉仿冀系统镞了大量的工作。此外述有石家庄军校开发的战术对抗模拟系统；解放军电子工程学院开发的通信对抗战术系统等。逶j 建圈1 1 冒戬看到，教员台怒仿真调练器的重要组成都分，通道与仿真模型蠢学员搡接螽懿遴援，教；| 萃霹实辩豹了孵系统的状态秘学爨懿攥佟馈嚣。在下瑟静一节里将阐述仿真训练嚣中的教员台予系统。*上海海运学院磺士学位论文1 2虚拟现实仿真警练器中的教员台予系统6教员台子系统是教烬参与仿真壤训过程、对学员进行指导的睾台。教，蕈透过教员台了解学员的操作情况，学员债息的查询和录入也是教员台系统的基本功能。教员台予系统作为整个系统的主控中心，不但要和仿真训练系统的其它部分进行通讯，还要瓣整个系统的工作模式和状态进行设置。如上海海运学院开发的轮机模拟器s m s c 一2 0 0 0 中瓣教曼套子系统裁嘉事富静参数设置殛能，可激对影豌擞舱王况豹六静海况和机舱环境参数进行修改，还聊对机舱管系的主要参数如海水湿度、枧舱湿度、海水流速、船舶吃水和风向等按工况进行分级选择设置和按些典型的组合进行成组参数设置( 文献 2 2 1 ) 。参数设置的功能越丰富，仿真训练器越能逼真的模拟各种实舔豹工嚣。为了调练学受在教簿情况下的正确操作能力。这一系统还可通过教员台进行故障设饕。在本项目的教员台系统中，可对集装箱船的大小、能见度、风向和风力等相关参数及常见的故障进行设置。比较完善的教员台系统还应共有对学员的操作质量进行自动评分酶功能。s m s c - 2 0 0 0 串撬侠了三种不同的评分方法：( 1 ) 分系统评分；主要用予放障王凝培训，学荧豹攥作过程被鑫动记录下来，荠根据操作规程给出评价。最终由教员台打印出成绩单。( 2 ) 教员台评分：主要用于主机锯车、船舶进出港过程的操作质量评价。( 3 ) 教员评分：教员根据学员的操作情况给出的主观评分。各类仿囊湄练器都有一鍪褶议浆萋本功能，鲡文献1 2 3 串毫站调度员仿真系统中的教员台控制功能龟括囊动、结束、鹫停、恢复、快照、绞量+ 帮搬警等。教员台的事后评估功能包括( 1 ) 教员根据记录的学员操作，借助快照回放功能，做出定性的评价。( 2 ) 将一蟪典型题目的答案存在教员台。把学员的操作过程与标准过程眈较，并根据学员处理弓l 起的停电、失电纛、失负葡董及越限等情况给出定麓的分数。教员还麓投攥训练熬震要鸯教贯台上设爰赦障以培莽教育学是在教障薅凝下正确处理的能力。对于仿真训练系统中的评分系统，上海同济大学曾做过比较深入的研究( 文献 2 4 1 ) 。由予入的行为是复杂的，应用专家系统比单纯的用几个指标进行评判能更好戆爱沃操作者静实际情漩。缀专家系统豹建立浇较蠢难。建立一个鞲：较完游静专家系绕爨要大量经验。在本项目中，我们从操作步骤、操终威量、披簿处理秘教师印象四个方面对学员的操作质蠹进行评判。然后再用模糊推理得出综合评判的结果。如果教师印象一项没有输入，则评分系统对前三个方面的评分进行综合评判后得崮最屠的结聚。与使掰专家系统的评分方法眈较起来，遮种方法班比较容易的方6主海海运学院硪圭学位论文式实现了评分功能。教员台还设计有集装箱路径优化功能。通过把学员操作产生的实际路径与教员台自动产生的集装箱最优运行轨迹进行对比作为对学员操作进行评价静标准之一，这是本项黉孛的一个特色。1 3 澡愿来源旋本论文懿工佟九九年上海市教委下达重点专业装备项目港口物流设备与自动控镶4 模拟教学系统，项目立项后，从学校的寇位、专业发展的方向以及当今科学技术的发展出发，经有关专家反复论证，对项舀酌内容与功能进行了部分调整。经领导批准，最后确定了岸边集装籍怒重橇电羧与攥缴纛羧萌蒸实验系统静方案。经过一年多鹃努力工作，该项尽童体部分融基本完成，可提供激学使用。本论文的工作是这一项目中的一部分。主要包括教员台系统和其中的一些功能模块。现分别阐述如下：第一章蔻穰遴，介绍了虚攒凝实仿真潲练器静发展情况和本谋麓的开发背景。第二章会绍了本项羁静软硬传结橡_ 馥蔓要功能。第三章主要涉及教员台系统的晃殛设计和学员信息的输入、查询、打印、工作状态设置等基本功能和与系统其它部分的通讯。第鞠章阐述集装葙运行鞔迹豹优化。由于由传统的极小值原理或动态规划来解决这阂题 # 常疆难。本文镶用了一种蘩于裘先函数豹方法来解决这辩题。第纛章的主要内容对学昃操作的囊动谖判。使用指数评分法对学员的攮传从操摆步骤、操作质量、敞障处理和教员印象四个方面进行评判，在得到这四个方面的评分以后再用模糊数学进行综合褥出综合评判的结果。如果教师印象没有输入，黉评分系统对箭三个方鬻静评分进行综合评定后得出最君静综合评判终果。第六章是本论文工作的总结。上海海运学院硕士学位论文第二章：集装箱起重机仿真训练器的功能和结构集装箱起重机仿真训练器属于上一章阐述的载体操纵型个人基础技术训练器，它利用虚拟仿真技术为操作者提供了一个接近于真实操作环境的虚拟环境。通常使用实际的操作室作为学员台。在学员进行操作时，通过运行仿真模型来驱动图形系统使学员看到与在真实情况下操作所见类似的虚拟场景。教师通过教员台参与和管理培训过程。2 1集装箱起重机仿真训练器的主要功能根据我国港口大型起重机设备操作人员培训工作的需求以及国际先进的培训理念，我们采用先进的计算机技术、多媒体技术、自控技术、网络通讯技术及视景建模技术，建立了起重机仿真训练器、实现岸边集装箱装卸桥、门机等起重机械的仿真培训功能，从而可以利用该仿真训练器部分或绝大部分地替代实机的操作培v i j 。该训练器的主要功能包括：1 ) 提供完整的司机驾驶室内的操作系统( 由实际机型确定) ，具有如集装箱装卸桥的货物起升、小车行走、大车运行、前大梁俯仰等各机构以及操作台各开关、按钮等仿真操作的功能。2 ) 实现从船上装卸货物实时操作的仿真功能，能实现机构启动、运行、制动时司机学员各种真实的感觉，其中包括入的感官对视景、声响、振动等的真实感觉。3 ) 配带有一套规范的学员操作规程和安全教育课程。4 ) 根据起重机司机学员的考评要求，可以实现不同起重机机型如集装箱装卸桥、门机等。不同吊具如集装箱吊具、抓斗、吊钩等不同工具的操作培训。5 ) 利用高级图形建模平台( m u l t i g e n ，o p e n g v s ) ，先进的多媒体技术和图像处理技术，进行真实场景和运动模型的建模，可以根据需要模拟各种天气情况，如晴天、多云、阴天以及白天、夜晚的作业情况及不同风速、风向对货物装卸的影响等。6 ) 教员在教员控制台能通过安装在驾驶室内的摄影机和教员台的下视场景显示屏实时了解学员的操作情况和并通过教员台主机调整教学内容，如设置天气状况、设定起薰量、设置故障让学员处理等。7 ) 通过教员控制台主机实时显示和记录学员操作时吊运货物的运动轨迹，并将其与上海海运学院硕士学位论文9最优运动轨迹进行对比，以分析学员操作过程中可能出现的问题。8 ) 评估软件系统能够实现操作错误提示，记录学员的全部操作过程，根据学员的操作步骤、搡俸凌豢、敲簿处理馥及教筛综合邵象迸行实对评分及打印考核成绩报告，另夕 还霹跌踺学员豹操嚣过程进程重演等。2 2集装箱起薰机仿真器的软硬件结构l 揍囊训练器熬整体结梅集装箱超重机虚拟仿冀训练器的训练室总体毒怒及设餐配置如嚣2 一i 叛示，由驾驶室、教员控制台、电动机，驱动器和p l c 控制器、视景计算机及投影视屏、网络交换机及相应的邂讯设备等组成。9上海海运学院硕士学位论文图2 1 训练室总体布局及设备配置1 0上海海运学院硕士学位论文起重机虚拟仿真训练器由驾驶室系统、教员台控制系统、三维成像视景系统、动力学数学模型、电机拖动和p l c 逻辑控制系统、音响系统、教学投影系统、网络通讯系统等模块组成。其工作原理如图2 2 所示。可将其按图1 1 的方式划分为学员操作平台、教员控制平台、仿真模型三个部分。其中的驾驶室操作台即为学员操作平台，动力学模型为其中的数学模型部分。数学模型可以以纯软件方式实现，也可以软硬件结合的方式来实现。起重机虚拟仿真训练器有全仿真和半仿真两种实现方式。图2 2 所示为半仿真原理图，其中的动力学模型包括分别牵引大车运行，小车运行和吊具运动的三个电动机。操作台的信号通过p l c 传送到动力学模型。在全仿真实现方式中，这些完全由程序实现。图2 2 起重机虚拟仿真训练系统工作原理图2 ) 驾驶室系统驾驶室系统包括一套完整的操作台( 内含各种按钮、仪表、指示器、操作手柄、脚踏板以及司机座椅等。) 、座椅仿真激振系统( 可以实时仿真模拟起重机吊运操作过程中的座椅振动情况，图2 3 为座椅激振系统结构示意图及原理简介) 、视窗系统( 用屏幕替代原来的玻璃窗口，通过”窗口”可以看到从高性能投影仪投放于屏幕上的港口实际景象和操作情况，图2 4 为投影视窗布置简图) 、驾驶室内音响系统( 可以发出实际场景中的如电动机工作、机构起、制动的各种声音以及看勾手通过无线电话传来的声音及港口生产现场的各种声响) 、驾驶室内摄影监视系统( 通过它教师可上海海运学院硕士学位论文以在教员控制台实时监控学员的操作情况) 。图2 3 座椅激振系统结构示意图座椅激振系统工作原理：控制系统根据机构运行状态，控制信号发生器输出相应的振动频谱信号，使伺服电动机根据输入信号产生不同的旋转速度，伺服电动机再带动丝杆运动模拟实际工作中座椅的振动情况。前投影镜头镜头图2 4 投影视窗布置简图上海海运学院硕士学位论文图2 5 驾驶室系统图2 6 操作控制台如图2 5 所示，驾驶室子系统包括驾驶室、声音子系统、座椅振动子系统和摄像机。驾驶室使用真实的起重机驾驶室，包括整套的操作控制台，操作控制台如图26 所示。真实驾驶室的几块玻璃被视景系统的投影屏幕代替。通过这些“窗户”，我们可以看到用高性能投影设备投影在屏幕上的视景和操作状态。声音子系统能够产生港e l 真实操作时的各种声音和现场的各种声音。声音予系统包括声音数据库、声音控制软件和相应的硬件。座椅振动系统能使座椅在操作时产生实时的震动。它的原理是根据集装箱起重机的工作状态，控制系统控制信号发生器产生相关的振幅频率信号。补助马达间接变速装置根据这一信号产生不同的转速驱动导螺杆产生操作时驾驶室座椅的实际振动。振动系统的简图如图9 所示。通过摄像机，教师可以监视学员在控制台上的操作。3 ) 教员台系统教员台系统包括教员台主机、视景监视器、学员操作监视器、视频转换器和相关的输入输出设备。教员台具有自检、设定系统参数、设定训练项目、设定训练的环境和条件、监视操作过程、设定故障、记录和回放作过程等功能。在第三章中将对教员台进行详细的说明。4 ) 数学模型及成像视景系统集装箱装卸操作是一个动态过程，随着起重机装卸效率的提高，在操作过程中集装箱的摆动和起重机的震动会影响司机的操作并使司机容易疲劳。为了使学员适应真实的操作环境并提高操作效率，仿真训练器应尽可能为学员提供个接近真实的虚拟环境。仿真训练器的真实性与动力学模型是否精确有很大关系。上海海遥学院硕士学位论文动力学模型是集装箱起重机运动过稔的数学描述，这些过程包括：整个集装箱起薰枫的运动、驾驶室的运动、集装箱和稀兵的运动等。本文未要涉及集装箱和甬其的运动，这将在第疆牵详缨耀述。三维成像视景系统是在参考外高桥娼头实际装卸现场及其它一些现场录像的基础上，用m u l t i g e n 、o p e n g v s 图形开发高级平台对各式类型起重机和相关设备以及场景对象( 堆场、集装箱、房屋等) 进行三维几何建模，建立仿真场景；使用m u l t i g e n建立集装籍超重视酌结梅程港勰帮魂模黧；俊瘸o p e n g v s 撵供黔雾、建等正其宠戒天气变化的模拟。按照不阉鲍视角，整个场景被分为下视景、翦裰景和侧褫爨三个部分，躅2 7 显示了几个典型的场景画面。通过加入视点，实现多视点切换；通过加入驱动对象，驱动运幼对象或视点按设定的运动模式运动；通过在光的面板中加入光源，定义光酶种类，设蛩环境光合浚射光的颜色，使运动场豢更靳美蕊和邋真。强2 - 7 凡个典壁瓣矮豢匿嚣1 4上海海运学院硕士学位论文第三章集装箱起重机教员台系统的设计教员台系统是教师控制整个训练过程的平台，各类培训系统的教员台都具有一些相似的功能 2 2 ，2 3 ，如学员信息的输入、查询、系统参数设定是教员台系统的基本功能。功能较强的教员台还有记录学员的操作信息、对学员的操作进行评价等功能。集装箱起重机仿真训练器就具有这些功能。3 1教员台系统人机界面的设计人机界面界于用户与计算机系统之间，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介，是用户使用计算机系统的综合操作系统。通过人机界面，用户可以向计算机系统提供指令、数据等输入信息，这些信息经计算机系统处理后，通过人机界面把产生的输出信息回传给用户。因此，人机界面设计的好，可使人机之间信息传递畅通无阻，使人能迅速识别并获取计算机内的信息。良好的人机界面应具有如下基本特征：( 1 ) 人机界面提供交互的灵活性灵活性也就是人机界面可提供不同的交互方式去完成某一特定的目标。交互方式不应是死板的，不可变的。一个灵活的人机界面应具有以下特点：a ：系统能适用各类用户( 生疏型用户、熟练型用户和专家型用户) 的使用需要，提供满足各自需要的界面形式。b ：用户可根据需要指定或修改交互方式，在需要修改、扩充系统功能的情况下，可以提供动态交互方式，如修改命令、设置动态菜单等。c ：系统能依照用户的希望和需要提供不同详细程度的系统响应信息，如反馈信息、提示信息、帮助信息、出错信息等。( 2 ) 人机界面的一致性一致性首先是指系统用一致的方式工作，需要系统工作方式或处理问题的步骤尽可能和人的思维方式一致。其次，系统一致性还指系统不同部分及不同系统之间有相似的界面显示风格和人机操作方式。( 3 ) 人机界面提供交互的易使用性易使用性是人机界面设计的一个重要特性。首先它应易学习和掌握，其次应具备帮助功能，系统可在任何时间，任何位置上提供帮助信息。最后，应具容错功能。起重机虚拟仿真系统中的人机界面系统包括驾驶室系统的人机界面和教员台控制系统的人机界面，其交互示意图分别如图3 1 、3 2 所示。上海海运学院硕士学位论文操纵系统视景系统【前下侧)攥：一：。：一。作一# 一模拟仪表秉统台l 一一座括骧彩蠢统，。“。，一二。，。一一音响系统操纵控制信号传出场景、音像、振动信号传入图3 一l 驾驶室系统人机界面交互示意图蔓孥量l 尊一盘拟仪裹l 筑 掌员操作监视秉筑：一 一 t 萌控制亲瓷l 一员一? 一7t w 4 掣8 e 。一一9 - 数设定a 磐作。运行状态控制系麓 记量t 演评估秉麓佣机场景大屏幕i ，。jl投影救掌秉麓ll 一控制信号传出l _ 一视景、基作、膏响信号传入图3 - 2 教员台系统的人机界面示意图3 2教员台系统的主要功能1 6教员台控制系统包括教员台主机及显示屏、下视场景监视屏、驾驶室操作监视器以及相关的输入输出设备。其中教员台主机为整个系统的控制中心，内装有我们用v b 6 0 编制的教员台控制系统程序。该系统可以完成的主要功能包括：系统自检功能、系统参数设置功能、操作训练环境条件设定功能、起重机类型及相关设备如吊具、集装箱卡车、运输船的选定功能、操作训练项目如装船卸船设定功能、系统控制及仿真过程监视功能、故障设置功能、仿真过程的记录和重演功能、自动评分和操作错误分析功能。教员台系统的外观如下图所示：主海海运学院磺士学位论文豳3 - 3教员台系统的外观3 3教爱台鬈统静基本结梅稀工作遘纛教员螽机启动后先建立与系统其它计算机的连接。然后启动主界藤，邋过菜单调用不同的功能模块来完成不同的功能。其主要结构如图3 4 、3 5 所示。上海海运学院硕士学位论文开始工显示初始界面( 延时时间到或按下任意键后自动跳转到连接设定界面)上i 壮与( 详见图3 5 )i( 建立与相关数据库的连接，通态栏显示相关信息。)图3 - 4教员台功能结构图1 8上海海运学院硕士学位论文图3 - 5 教员台系统与系统其它计算机的通信作为一种面向对象的可视化的编程工具，v b 继承了b a s i c 的简单，灵活等优点，同时又包含了面向对象等先进的程序设计技术。为用户开发w i n d o w s 程序提供了迅速，便捷的方法。v b 所提供的大量控件为编程带来了很大的方便。v b 的框架很简单，复杂的是它的各种对象，v b 编程的技巧很大程度上是控件使用的技巧及它们的属性，方法和事件。在本界面的编程所用到的技术中，最关键的是实现对学员信息的输入和管理及教员台与场景机和p l c 间的通讯，而教员台与p l c 间的通讯是由c l m c l t y 完成的下面分别对所用到的v b 对象进行说明。1 ) w i n s o c k 控件的使用v b 6 中包装了几个常用的网络通信a c t i v e x 控件，如i n t e m e tt r a n s f e rc o n t r o l 控上海海运学院硕士学位论文件和w i n s o c k 控件等，用来实现基本的网络通信功能。由于w i n s o c k 控件可建立较为底层的连接，使用的灵活性更大一些，我们选用了这一控件。在程序运行时，首先出现的是一个欢迎图片，这是通过设置一个窗体的p i c t u r e 属性把欢迎图片加载到窗体上实现的。在窗体上还有一个t i m e r 控件，这个控件用来设定欢迎图片显示的时间。如果在这段时间内用户单击了屏幕，则进入连接窗体，这是通过对欢迎窗体的单击事件编程来实现的。连接窗体上有一个w i n s o c k 控件，在这里我们主要用到了它的p r o t r o l 属性r m o t e h o s t 属性和r e m o t e p o r t 属性。其中p r o t r o l 属性用来设置w i n s o c k 控件使用的当前协议类型在这里我们使用了较为可靠的t c p 协议。r m o t e h o s t 属性和r e m o t e p o r t 属性分别用来设置w i n s o c k 控件的远程主机地址和端口号。由于这些与具体的远程主机有关，我们没有在w i n s o c k 控件的属性窗口中设置这两个属性