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(duì)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(duì)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(shí)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(shí)技術(shù)，教學(xué)，考核

引言

塔式起重機(jī)(簡(jiǎn)稱:塔吊)是現(xiàn)代建筑業(yè)起重、運(yùn)輸、吊裝作業(yè)的主導(dǎo)機(jī)械，全國(guó)塔吊數(shù)量有數(shù)十萬(wàn)臺(tái)，并且每年呈遞增趨勢(shì)。近年來(lái)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(chǎng)環(huán)境變化與塔吊群干涉碰撞等引發(fā)的各類塔吊運(yùn)行安全事故頻繁發(fā)生，造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。目前全國(guó)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(hào)工)，實(shí)際操作培訓(xùn)費(fèi)用高、成本大，造成實(shí)際操作培訓(xùn)時(shí)間短，效果差;其次，市場(chǎng)上現(xiàn)有的模擬仿真塔式起重機(jī)普遍存在實(shí)用價(jià)值低、價(jià)格昂貴、周轉(zhuǎn)成本高、占地面積大、后期保養(yǎng)費(fèi)用高等問題，操作培訓(xùn)無(wú)法模擬實(shí)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(shí)技術(shù))，是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間、空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)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(shí)世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是將虛擬事物在現(xiàn)實(shí)中的呈現(xiàn)，而交互就是幫助虛擬事物在現(xiàn)實(shí)中更好的呈現(xiàn)做準(zhǔn)備，因此想要得到更好的AR體驗(yàn)，交互就是其中的重中之重。AR系統(tǒng)具有三個(gè)突出的特點(diǎn):1)真實(shí)世界和虛擬的信息集成;2)具有實(shí)時(shí)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(shí)操教學(xué)，對(duì)于初學(xué)者來(lái)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(duì)運(yùn)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(shí)間、空間、環(huán)境的限制。

1．1AR技術(shù)發(fā)展背景

近年來(lái)，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(gè)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(shì)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(shí)場(chǎng)景中，為培訓(xùn)對(duì)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?xiàng)l例》(國(guó)務(wù)院第393號(hào)令)、《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》(國(guó)務(wù)院第373號(hào)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(hào)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(duì)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(jià)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(dòng)、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(shí)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(diǎn)，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(shí)體模型，通過AR技術(shù)模擬塔吊操作運(yùn)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(bào)警、空間限制、模擬傾翻與環(huán)境變化，實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)，充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)及智能控制技術(shù)，通過將體感操作控制臺(tái)、音響系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)的融合，實(shí)現(xiàn)塔式起重機(jī)教學(xué)的仿真互動(dòng)體驗(yàn)，教學(xué)培訓(xùn)的安全性得到了有效保障，有針對(duì)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(shí)通過身份證識(shí)別操作員身份，進(jìn)入對(duì)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(jī)，實(shí)時(shí)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(shí)長(zhǎng)、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(shí)現(xiàn)三維立體成像，大大提高臨場(chǎng)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(chǎng)環(huán)境音效及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中的音效。

3．2．3塔吊實(shí)操模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用體感震動(dòng)座椅，模擬塔吊駕駛室晃動(dòng)特性，真實(shí)還原出現(xiàn)實(shí)操作間在設(shè)備的運(yùn)行情況。通過操作信號(hào)的采集與還原，模擬實(shí)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(hào)，并同時(shí)反饋到軟件系統(tǒng)及指示燈系統(tǒng)。

3．3實(shí)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(diǎn)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)塔吊模型高還原度仿真(見圖5)。2)運(yùn)行環(huán)境仿真:建立施工現(xiàn)場(chǎng)信息模型，并對(duì)風(fēng)、雨、霧、霾、光照、噪聲等因素加入施工現(xiàn)場(chǎng)信息模型，以及構(gòu)件的準(zhǔn)確位置與位移變化等，在真實(shí)環(huán)境下對(duì)塔吊關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力模擬(見圖6，圖7)。3)體感控制:將各受力節(jié)點(diǎn)傳輸回的信息以及操作環(huán)境信息通過實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，全視角(多維度)立體顯示技術(shù)，對(duì)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(yǔ)音輸入輸出技術(shù)等，將對(duì)司機(jī)的體感部分傳輸至體感震動(dòng)座椅，模擬真實(shí)環(huán)境下塔吊操作室司機(jī)的真實(shí)感受，見圖8。4)場(chǎng)景仿真與機(jī)械作業(yè)模擬交互:駕駛室系統(tǒng)采用真實(shí)的操作臺(tái)，包括完整的操作臺(tái)(操作手柄、按鈕、儀表、指示器以及司機(jī)座椅等)，其原來(lái)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(tái)數(shù)據(jù)接口多元化，無(wú)論是塔吊信息模型，還是施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，均可根據(jù)不同工程類型、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素、塔吊規(guī)格型號(hào)等因素進(jìn)行編輯修改。

3．4技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

1)可編輯的塔機(jī)運(yùn)行環(huán)境與施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。將AR技術(shù)應(yīng)用在塔式起重機(jī)教學(xué)中無(wú)論是塔吊信息模型，還是施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，均可根據(jù)不同工程類型、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素、塔吊規(guī)格型號(hào)等因素進(jìn)行編輯修改。AR仿真支持施工現(xiàn)場(chǎng)光環(huán)境模擬，根據(jù)季節(jié)轉(zhuǎn)換與時(shí)間軸變化，模擬不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的日照強(qiáng)度對(duì)塔吊司機(jī)、司索工的操作影響，在培訓(xùn)教育時(shí)進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)。對(duì)即將上崗的項(xiàng)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(shí)，可根據(jù)該項(xiàng)目的實(shí)際情況，模擬真實(shí)的塔吊運(yùn)行環(huán)境及施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，有針對(duì)性的進(jìn)行培訓(xùn)教育，降低了塔吊操作人員的實(shí)際操作風(fēng)險(xiǎn)。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(shí)現(xiàn)三維立體成像，提高臨場(chǎng)感，使塔機(jī)操作人員產(chǎn)生身臨其境的感覺，同現(xiàn)實(shí)比例的畫面效果，提高了系統(tǒng)的仿真度。施工現(xiàn)場(chǎng)全場(chǎng)景視覺效果，對(duì)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(yǔ)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(jì)制作。包括一套完整的操作臺(tái)(操作手柄、按鈕、儀表、指示器以及司機(jī)座椅等)，其原來(lái)的玻璃窗口用虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)際作業(yè)中的各種反饋塔身傾斜、制動(dòng)，傾覆，貨物撞擊，碰撞報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了教學(xué)、訓(xùn)練、考核一體化功能。安裝部署簡(jiǎn)單，周轉(zhuǎn)便捷，損耗率低，同時(shí)解決了傳統(tǒng)塔吊技能培訓(xùn)受時(shí)間、天氣、地點(diǎn)限制等問題，提高培訓(xùn)效率的同時(shí)降低培訓(xùn)成本。

4結(jié)語(yǔ)

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(shí)技術(shù)結(jié)合，對(duì)塔吊使用過程和行為，以及施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行過程中的危險(xiǎn)因素和安全隱患進(jìn)行仿真模擬，借助虛擬現(xiàn)實(shí)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(duì)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(wú)人操控收集各類真實(shí)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):

［1］吳騫華．增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)［J］．通訊世界，2019，26(1):289-290．

［2］李京燕．AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的原理及現(xiàn)實(shí)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