CN103400515A - 一种用于塔机操作培训的虚拟考核评分装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于塔机操作培训的虚拟考核评分装置和方法。该装置包括：档位操作检测模块，用于接收档位开关信号，并根据所述档位开关信号得到档位信号；操作平稳性检测模块，用于根据所述档位信号对应的档位速度信号以及预定的目标速度分别绘制速度曲线，并计算运动相对偏差；考核评分模块，用于接收所述档位操作检测模块发送的所述档位信号，并根据档位信号更改的频率和预设的档位考评规则对所述塔机操作计分；所述考核评分模块还用于根据所述操作平稳性检测模块发送的所述运动相对偏差对所述塔机操作计分。本发明可以使得虚拟考核评分过程中无需人工干预或人工辅助，并且使得整个考核对于所有的被考核的操作人员而言更加客观和公正。

Description

一种用于塔机操作培训的虚拟考核评分装置和方法

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种用于塔机操作培训的虚拟考核评分装置和方法。

背景技术

对于设备操作人员的培训和考核对于公司或企业而言，是耗费时间、人力和财力的活动。为了减少对于操作人员的培训和考核所需要的支出，现在已经开发出了许多虚拟的培训和考核系统。具体而言，虚拟的考核培训系统就是结合了计算机仿真和设备的操作舱或驾驶舱，使操作人员通过操作的真实手柄或控制按钮，可以在计算机中显示出操作的效果。

在工程机械领域中，对于塔机操作的培训和考核是一项非常重要的工作。塔机虚拟培训系统的应用，比传统真实的培训大大节约了成本，提高了效率和安全性能，已经引起行业的关注与重视，越来越多用来替代真实的塔机培训。有鉴于此，现有技术中已经发展了一些虚拟的培训虚拟系统，例如中国专利申请200910018737.5所公开的“塔式起重机操作模拟培训虚拟现实软件系统”。尽管如此，但在塔机虚拟培训系统的考核评分中，大部分的考核方式不系统，也不规范，只能罗列一些简单的操作规则以及统计规则。在现有模拟操作系统中，正式考核过程中一般会有教练员通过教练机向主机发送考核指令进行考核，或者在操作员边上有专门的教练员发送口头指令。可以看出，现有的考核方式仍然需要教练员的参与才能完成。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于塔机操作培训的虚拟考核评分装置和方法，以便能够实现对塔机操作培训以虚拟的方式进行考核，并且可以由操作人员在考核过程中独自完成，无需教练员的参与。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于塔机操作培训的虚拟考核评分装置，该装置包括：档位操作检测模块，用于接收档位开关信号，并根据所述档位开关信号得到档位信号；操作平稳性检测模块，用于根据所述档位信号对应的档位速度信号以及预定的目标速度分别绘制速度曲线，并计算运动相对偏差；考核评分模块，用于接收所述档位操作检测模块发送的所述档位信号，并根据档位信号更改的频率和预设的档位考评规则对所述塔机操作计分；所述考核评分模块还用于根据所述操作平稳性检测模块发送的所述运动相对偏差对所述塔机操作计分。

相应地，本发明提供了一种用于塔机操作培训的虚拟考核评分方法，该方法包括接收档位开关信号，并根据所述档位开关信号得到档位信号；根据所述档位信号对应的档位速度信号以及预定的目标速度分别绘制速度曲线，并计算运动相对偏差；根据档位信号更改的频率和预设的档位考评规则对所述塔机操作计分；根据所述运动相对偏差对所述塔机操作计分

本发明可以使得在对塔机操作人员进行虚拟考核评分过程中无需人工干预或人工辅助，节约了人力成本，并且使得整个考核对于所有的被考核的操作人员而言更加客观和公正。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的用于塔机操作培训的虚拟考核评分装置示意图；

图2是本发明提供的用于塔机操作培训的虚拟考核评分流程示意图；

图3是本发明提供的考核评分过程的详细流程图。

附图标记说明

101   档位操作检测模块   102操作平稳性检测模块

103   能耗检测模块     104指挥口令执行检测模块

105   位置控制检测模块   106物体碰撞检测模块

107   考核评分模块

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1示出了本发明提供的用于塔机操作培训的虚拟考核评分装置，包括档位操作检测模块101、操作平稳性检测模块102、能耗检测模块103、指挥口令执行检测模块104、位置控制检测模块105、物体碰撞检测模块106、以及考核评分模块107。需要说明的是，尽管图1中示出了档位操作检测模块101、操作平稳性检测模块102、能耗检测模块103、指挥口令执行检测模块104、位置控制检测模块105、以及物体碰撞检测模块106，但是本领域技术人员可以根据需要选择实现其中的一些模块，从而可以对塔机操作人员针对所选择的一些指标进行考核。不言而喻，本领域技术人员也可以实现所有的模块，从而可以对塔机操作人员进行更全面的考核。其中档位操作检测模块101，用于接收档位开关信号，并根据所述档位开关信号得到档位信号；；操作平稳性检测模块102，用于根据所述档位信号对应的档位速度信号以及预定的目标速度分别绘制速度曲线，并计算运动相对偏差；考核评分模块107，用于接收所述档位操作检测模块发送的所述档位信号，并根据档位信号更改的频率和预设的档位考评规则对所述塔机操作计分；所述考核评分模块还用于根据所述操作平稳性检测模块发送的所述运动相对偏差对所述塔机操作计分。在对塔机操作人员进行考核时，操作人员在驾驶舱中操作手柄和按钮。档位操作检测模块101主要是用来检测操作人员在换挡的过程中所使用的档位，并将该档位发送给考核评分模块107，考核评分模块107可以根据接收到的档位以及时间可以判定操作人员换挡的间隔是否符合预设的规则，例如两次换挡之间的间隔是否小于3s，如果小于3s的话则认定该操作人员违反了操作规定。

具体而言，操作人员在驾驶舱操作手柄时，其输出的是24V的开关信号，而由于计算机只能处理5V的信号，因此需要先将24V的开关信号转换为5V的开关信号。这些5V的开关信号可以输入档位操作检测模块101，档位操作检测模块101可以通过以下的表格分别解析出塔机当前的档位。

表1变幅档位与开关信号V1、V2、V3的对应关系（V1、V2、V3表示三种不同的基本频率）

变幅档位	V1	V2	V3
				1	0	0	0
2	1	0	0
				3	0	1	0
4	1	1	0
				5	0	0	1

表2起升档位与开关信号V1、V2、V3的对应关系

起升档位	V1	V2	V3
				1	1	0	0

2	0	1	0
				3	1	1	0
4	0	0	1
				5	1	0	1

表3回转档位与开关信号V1、V2、V3的对应关系

回转档位	V1	V2	V3
				1	0	0	0
2	1	0	0
				3	0	1	0
4	1	1	0
				5	0	0	1

档位操作检测模块101可以通过接收的开关信号解析出具体的档位，从而可以将档位信号发送至考核评分模块107。

优选地，操作平稳性检测模块102，根据下式计算运动相对偏差：

${\∂}_i=\frac{\underset{\mathrm{ts}}{\overset{\mathrm{tf}}{\∫}}|V_{\mathrm{iD}}\left(t\right)-V_{\mathrm{iR}}\left(t\right)|\mathrm{dt}}{\underset{\mathrm{ts}}{\overset{\mathrm{tf}}{\∫}}\left|V_{\mathrm{iD}}\left(t\right)\right|\mathrm{dt}},$ i＝起升,变幅,回转;

其中

为运动相对偏差，V_iD(t)为目标速度曲线，V_iR(t)为实际速度曲线，ts和tf分别为所述塔机操作的开始时间和结束时间；V_iD(t)根据理论吊装考核路径预置。

所述V_iR(t)根据所述档位速度信号V_i以及时间绘制，V_i＝K_i×VF_i，

VF_iMax表示最大频率数（即最大的变频器频率，其与电机速度成正比），VF_iMin表示最小频率数，VF_i1、VF_i2和VF_i3表示三档频率数（即三种不同的频率），K_i表示传动比；

具体地，所述考核评分模块107可以具有运动相对偏差的预设范围，并可以判断接收到的运动相对偏差是否在该预设范围内来确定操作人员的操作是否符合规范，并相应地计分，例如不扣除分数或者扣除一定的分数。该项考核可以考核操作人员是否能够将吊钩准确地放置在指定位置。

优选地，用于塔机操作培训的虚拟考核评分装置还可以包括能耗检测模块103，用于根据下式计算出目标能耗以及实际能耗：

$\begin{array}{c}W=\underset{\mathrm{ts}}{\overset{\mathrm{tf}}{\∫}}(F_x\left(t\right)\×V_x\left(t\right)+F_y\left(t\right)V_y\left(t\right)+F_z\left(t\right)\×V_z\left(t\right))\mathrm{dt}\\ F_j\left(t\right)=m\×a_j\left(t\right),j=x,y,z\\ a_j\left(t\right)\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{V_j(t+\mathrm{\Δt})-v_j\left(t\right)}{\mathrm{\Δt}}\end{array};$ 其中W为目标能耗或实际能耗，F_j(t)为j方向的力，a_j(t)为j方向的加速度，t为时间，Δt为时间差，ts和tf分别为所述塔机操作的开始时间和结束时间；

所述考核评分模块107还用于根据所述能耗检测模块103发送的所述实际能耗与所述目标能耗的比以及预存储的所述实际能耗与所述目标能耗的比的范围对所述塔机操作计分。具体地，所述考核评分模块107可以预先存储有所述实际能耗与所述目标能耗的比的范围，并可以判定接收到的所述实际能耗与所述目标能耗的比是否在所述预先存储的所述实际能耗与所述目标能耗的比的范围内，如果在该范围内，则说明操作人员的操作符合操作规范，否则可以针对该操作人员在能耗考核方面扣除一定的分数。

用于塔机操作培训的虚拟考核评分装置还可以包括指挥口令执行检测模块104，用于根据档位开关信号、鸣笛开关信号、吊钩开关信号或停止信号得到所述塔机操作的类型；所述考核评分模块还用于根据所述指挥口令执行检测模块104发送的所述塔机操作的类型与预设的指挥口令所对应的所述塔机操作的类型是否一致对所述塔机操作计分。具体地，档位开关信号又可以分为变幅档位开关信号、起升档位开关信号以及回转档位开关信号，不同的信号对应着不同的塔机操作类型，例如变幅档位开关信号对应着操作人员正在进行变幅操作，鸣笛开关信号对应着操作人员正在进行鸣笛操作。操作人员在此进行的操作可以对应着根据设定的口令进行，例如变幅口令，回转口令，起升口令，吊钩口令等等，一旦出现了口令，操作人员应该根据该口令进行操作，从而指挥口令执行检测模块104可以接收到相应的开关信号，并将这些开关信号对应的操作类型发送到所述考核评分模块107，而所述考核评分模块107可以根据预设的口令对应的操作类型是否与判定接收到的操作类型是否一致来判定该操作人员的操作是否符合规范，如果一致，则说明操作符合规范，否则针对该操作人员在是否服从口令这一项目考核中扣除相应的分数。

用于塔机操作培训的虚拟考核评分装置还可以包括位置控制检测模块105，用于检测所述塔机的变幅机构、回转机构、以及起升机构中至少一者的工作状态；所述考核评分模块107还用于根据所述位置控制检测模块105发送的所述工作状态是否为限位状态对所述塔机操作计分。具体地，可以通过判断所述塔机的变幅机构、回转机构、以及起升机构是否被限位来确定这些机构是否处于正常工作状态还是限位工作状态，如果处于限位工作状态，则所述考核评分模块107在接收到该限位工作状态后，可以认定操作人员的操作不符合规范，并可以扣除相应的分数，如果接收到的工作状态是正常工作状态，则说明该操作人员的操作符合规范。

用于塔机操作培训的虚拟考核评分装置还可以包括物体碰撞检测模块106，用于检测所述塔机的吊钩、吊物、塔臂、以及吊物中至少一者的位置状态；所述考核评分模块107还用于根据所述物体碰撞检测模块106发送的所述位置状态是否发生碰撞对所述塔机操作计分。具体地，可以通过吊钩、吊物、塔臂、以及吊物是否发生了碰撞来判定吊钩、吊物、塔臂、以及吊物的位置状态是否正常，如果吊钩、吊物、塔臂、以及吊物与其他部件发生了碰撞（例如可以通过检测吊钩、吊物、塔臂、以及吊物与其他部件之间的距离来检测是否发生了碰撞，在软件模拟中，任何物体都有位置信息，物体与物体之间的距离，只需通过位置获取函数即可得到。），则可以认定为异常状态，所述考核评分模块107在接收到该异常状态后，可以针对该操作人员在该项考核中扣除相应的分数，如果考核评分模块107接收的状态是到正常状态，则说明该操作人员的操作符合规范。

可以看出，本发明所提供的用于塔机操作培训的虚拟考核评分装置可以无需人工干预或人工辅助来实现，从而可以节约人力并使得考核更加客观和公正。同时，还可以防止驾驶员任意操作，从而能够增加操作人员在实际操作中的平稳性和安全性。本发明可以对很多的指标进行考核，可以分别对各个指标单独进行考核，也可以对许多指标进行综合考核，能够真实地反映操作人员的操作技能，在通过增加虚拟指挥口令，增强了整个渣U能根治的真实感与沉浸感。此外，还在用于塔机操作培训的虚拟考核评分装置引入了能耗计算模块，用以计算操作过程中的能耗，从而可以对操作人员操作的能耗有效性进行考核。

相应地，本发明提供了用于塔机操作培训的虚拟考核评分方法，如图2所示，包括接收档位开关信号，并根据所述档位开关信号得到档位信号（步骤201）；根据所述档位信号对应的档位速度信号以及预定的目标速度分别绘制速度曲线，并计算运动相对偏差（步骤203）；根据档位信号更改的频率和预设的档位考评规则对所述塔机操作计分；根据所述运动相对偏差对所述塔机操作计分（步骤205）。需要说明的是，此处的方法仅用作示例，可以完成对操作人员是否进行了越档操作进行考核。对于其他操作的考核同样也可以实现，在此不再赘述。

此外，本发明还提供了考核评分的详细流程，如图3所示，该流程可以在考核评分模块107中实施。首先考核评分模块107可以判断操作是否超时（步骤301），如果超时的话，直接认定该操作人员不合格（步骤302）。如果没有超时，则可以根据各个模块发送的检测结果并结合该检测结果对应的评分规则进行计分（步骤303），并可以统计最终的计分结果，将计分结果显示出来（步骤304），该计分结果可以作为该操作人员此次考核整体上是否符合要求，也就是说计分结果可以反映出该操作人员是否已经掌握了塔机的操作技能。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种用于塔机操作培训的虚拟考核评分装置，其特征在于，该装置包括：

档位操作检测模块，用于接收档位开关信号，并根据所述档位开关信号得到档位信号；

操作平稳性检测模块，用于根据所述档位信号对应的档位速度信号以及预定的目标速度分别绘制速度曲线，并计算运动相对偏差；

考核评分模块，用于接收所述档位操作检测模块发送的所述档位信号，并根据档位信号更改的频率和预设的档位考评规则对所述塔机操作计分；所述考核评分模块还用于根据所述操作平稳性检测模块发送的所述运动相对偏差对所述塔机操作计分。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述操作平稳性检测模块根据下式计算运动相对偏差：

${\∂}_i=\frac{\underset{\mathrm{ts}}{\overset{\mathrm{tf}}{\∫}}|V_{\mathrm{iD}}\left(t\right)-V_{\mathrm{iR}}\left(t\right)|\mathrm{dt}}{\underset{\mathrm{ts}}{\overset{\mathrm{tf}}{\∫}}\left|V_{\mathrm{iD}}\left(t\right)\right|\mathrm{dt}},$ i＝起升,变幅,回转;

其中

为运动相对偏差，V_iD(t)为目标速度曲线，V_iR(t)为实际速度曲线，ts和tf分别为所述塔机操作的开始时间和结束时间；

所述V_iR(t)根据所述档位速度信号V_i以及时间绘制，V_i＝K_i×VF_i，

VF_iMax表示最大频率数，VF_iMin表示最小频率数，VF_i1、VF_i2和VF_i3表示三档频率数，K_i表示传动比。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

能耗检测模块，用于根据下式计算出目标能耗以及实际能耗：

$\begin{array}{c}W=\underset{\mathrm{ts}}{\overset{\mathrm{tf}}{\∫}}(F_x\left(t\right)\×V_x\left(t\right)+F_y\left(t\right)V_y\left(t\right)+F_z\left(t\right)\×V_z\left(t\right))\mathrm{dt}\\ F_j\left(t\right)=m\×a_j\left(t\right),j=x,y,z\\ a_j\left(t\right)\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{V_j(t+\mathrm{\Δt})-v_j\left(t\right)}{\mathrm{\Δt}}\end{array};$ 其中W为目标能耗或实际能耗，F_j(t)为j方向的力，a_j(t)为j方向的加速度，t为时间，Δt为时间差，ts和tf分别为所述塔机操作的开始时间和结束时间；

所述考核评分模块还用于根据所述能耗检测模块发送的所述实际能耗与所述目标能耗的比以及预存储的所述实际能耗与所述目标能耗的比的范围对所述塔机操作计分。

4.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

位置控制检测模块，用于检测所述塔机的变幅机构、回转机构、以及起升机构中至少一者的工作状态；

所述考核评分模块还用于根据所述位置控制检测模块发送的所述工作状态是否为限位状态对所述塔机操作计分。

5.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

物体碰撞检测模块，用于检测所述塔机的吊钩、吊物、塔臂、以及吊物中至少一者的位置状态；

所述考核评分模块还用于根据所述物体碰撞检测模块发送的所述位置状态是否发生碰撞对所述塔机操作计分。

6.一种用于塔机操作培训的虚拟考核评分方法，其特征在于，该方法包括：

接收档位开关信号，并根据所述档位开关信号得到档位信号；

根据所述档位信号对应的档位速度信号以及预定的目标速度分别绘制速度曲线，并计算运动相对偏差；

根据档位信号更改的频率和预设的档位考评规则对所述塔机操作计分；根据所述运动相对偏差对所述塔机操作计分。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

根据下式计算所述运动相对偏差：

${\∂}_i=\frac{\underset{\mathrm{ts}}{\overset{\mathrm{tf}}{\∫}}|V_{\mathrm{iD}}\left(t\right)-V_{\mathrm{iR}}\left(t\right)|\mathrm{dt}}{\underset{\mathrm{ts}}{\overset{\mathrm{tf}}{\∫}}\left|V_{\mathrm{iD}}\left(t\right)\right|\mathrm{dt}},$ i＝起升,变幅,回转;

其中为运动相对偏差，V_iD(t)为目标速度曲线，V_iR(t)为实际速度曲线，ts和tf分别为所述塔机操作的开始时间和结束时间；

所述V_iD(t)根据所述档位速度信号V_i以及时间绘制，V_i＝K_i×VF_i，

VF_iMax表示最大频率数，VF_iMin表示最小频率数，VF_i1、VF_i2和VF_i3表示三档频率数，K_i表示传动比。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

根据下式计算出目标能耗以及实际能耗：

$\begin{array}{c}W=\underset{\mathrm{ts}}{\overset{\mathrm{tf}}{\∫}}(F_x\left(t\right)\×V_x\left(t\right)+F_y\left(t\right)V_y\left(t\right)+F_z\left(t\right)\×V_z\left(t\right))\mathrm{dt}\\ F_j\left(t\right)=m\×a_j\left(t\right),j=x,y,z\\ a_j\left(t\right)\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{V_j(t+\mathrm{\Δt})-v_j\left(t\right)}{\mathrm{\Δt}}\end{array};$ 其中W为目标能耗或实际能耗，F_j(t)为j方向的力，a_j(t)为j方向的加速度，t为时间，Δt为时间差，ts和tf分别为所述塔机操作的开始时间和结束时间；

根据所述实际能耗与所述目标能耗的比以及预存储的所述实际能耗与所述目标能耗的比的范围对所述塔机操作计分。

9.根据权利要求6-8任一所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

检测所述塔机的变幅机构、回转机构、以及起升机构中至少一者的工作状态；

根据所述工作状态是否为限位状态对所述塔机操作计分。

10.根据权利要求6-8任一所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

检测所述塔机的吊钩、吊物、塔臂、以及吊物中至少一者的位置状态；

根据所述位置状态是否发送碰撞对所述塔机操作计分。

Images