CN110570744A - 一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统，具体涉及起重机械操作安全培训技术领域。该教学系统包括操作端、指挥端和教师端，所述操作端包括驾驶室操作单元、信号采集及逻辑控制单元、声响单元、座椅震动单元、三维立体视景单元、教学投影单元、网络通讯单元和计算机主控单元，所述座椅震动单元包括多自由度运动平台，多自由度运动平台对起重操作过程中由于错误或违章操作而产生的起重机事故或异常状态做出及时反馈与动作，计算机主控单元嵌有操作训练模块、理论考核模块和操作考核模块；所述指挥端包括视角切换模块和指挥信号模块；所述教师端包括学员管理模块、资料维护模块、实时跟踪模块、训练结果记录模块和成绩统计模块。

Description

一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统

技术领域

本发明涉及起重机械操作安全培训技术领域，具体涉及一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统。

背景技术

传统的起重作业安全培训多为课堂讲授方式，缺乏实践性。若利用实际的起重机械进行培训，成本高且培训过程的风险难以控制。

目前三维虚拟仿真技术在员工培训工作中的应用愈来愈广泛，现有技术中，专利号为201120543745.4的中国专利文献公开了一种门座式起重机操作教学仪，实现了高仿真，提高真实训练效果。专利号为200820230329.7的中国专利文献公开了一种用于起重模拟培训系统的多通道立体显示体统，利用多个投影仪及投影屏幕实现多通道显示，增强立体感。专利号为201710575508.8的中国文献专利公开了一种通用起重机械作业人员培训装备，通过将显示屏铰接，并由评估系统控制来同时满足桥/门和塔式起重机作业人员的培训需求。

但目前的仿真起重作业安全培训研究主要集中于学员的操作技能训练，而对于使学员在保证安全的前提下体验错误或违章操作可能造成的严重后果，从而提高学员安全意识的起重作业安全培训装置尚无研究。

现有装置无法实现教师与学员的同步交互，不便于教师对学员的操作进行指导，以及对违章原因的深入分析，达不到人机结合的良好培训效果。

现有起重作业仿真培训系统的培训项目固定，培训场景不能实时改变，使得培训内容一成不变，学员应对突发状况的能力得不到有效的训练。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出了一种既能对学员进行操作技能训练，又能使学员在保证安全的前提下体验错误或违章操作可能造成的严重后果的种交互式起重作业仿真安全培训教学系统。

本发明具体采用如下技术方案：

一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统，包括操作端、指挥端和教师端，所述操作端包括驾驶室操作单元、信号采集及逻辑控制单元、声响单元、座椅震动单元、三维立体视景单元、教学投影单元、网络通讯单元和计算机主控单元，所述座椅震动单元包括多自由度运动平台，多自由度运动平台对起重操作过程中由于错误或违章操作而产生的起重机事故或异常状态做出及时反馈与动作，计算机主控单元嵌有操作训练模块、理论考核模块和操作考核模块；所述指挥端包括视角切换模块和指挥信号模块；所述教师端包括学员管理模块、资料维护模块、实时跟踪模块、训练结果记录模块和成绩统计模块；

操作端的信号实时传递给指挥端和教师端；

指挥端从多个视角监测操作端的整个操作过程，并及时做出相应指挥信号实时传递给操作端和教师端；

教师端一是监测操作端和指挥端的整个操作过程并对错误点进行存储记录；二是学员在训练或考核过程中，随时改变场景设置的参数，培训学员正确处理作业突发情况的能力；三是通过资料维护模块编辑学员的学习和考核的项目内容和培训内容的实时更新，满足各种起重设备人员的培训；四是将学员考核成绩以图表形式进行展示。

优选地，所述驾驶室操作单元包括仿真驾驶室和数控模拟操作台，数控模拟操作台位于仿真驾驶室前方，数控模拟操作台上的各按钮的操作状态在三维立体视景单元中实时显示，并通过各按钮对应的传感器做出相应的起重操作，实时显示在三维立体视景单元。

优选地，所述驾驶室操作单元内设有座椅，座椅的正前方设有转向器，转向器的下方设有踏板，座椅的左、右两侧对应设有左、右控制手柄，右控制手柄一侧设有手刹。

优选地，所述三维立体视景单元包括计算机、投影仪和投影屏幕，计算机和投影仪位于驾驶室内，投影屏幕位于驾驶室的正前方。

优选地，所述投影屏幕包括三个分屏，相邻两个分屏的夹角为90°～150°。

优选地，所述投影屏幕为一个弧屏。

优选地，所述多自由度运动平台为六自由度动感平台，该平台包括上平台、下平台、电动缸、伺服电机、驱动器系统上平台和综合控制监测系统，电动缸和伺服电机通过控制电动缸的活塞杆的行程，实现多自由度运动平台台体的六自由度运动，驱动器系统用来接收用户控制指令，通过控制伺服电机的输入，对伺服电机的输出转速和转角进行控制，实现对电动缸的活塞杆速度和行程的控制，该平台对起重作业操作过程出现的吊装异常状态做出及时反馈与动作。

优选地，所述多自由度运动平台为三自由度动感平台，该平台包括计算机控制系统、伺服驱动系统、运动平台、驱动器和电动缸。

优选地，所述计算机控制系统包括上位机、实时控制计算机和数据采集卡；伺服驱动系统包括全数字驱动器和三台伺服电机；上位机通过网络通讯把期望位姿和控制命令传给实时控制计算机，计算出电动缸位移量传给相应的驱动器，驱动伺服电机运转，实现电动缸的运动；同时下位机通过电机的实际位置，将运动平台姿态发送给上位机；编码器实时反馈电动缸位移信号，实现三台伺服电机位置闭环控制，使电动缸达到所要求的位移量。

优选地，开展培训时：

首先，学员学习起重作业基本知识；

其次，学员了解各主要部件的位置及功能，然后进行起重操作演示；

最后由学员进行训练：在自主训练模式下，学员利用数控操作台进行起重作业训练；在违章体验模式下，以起重作业“十吊十不吊”为基础，设计违章体验场景，学员从任务开始至发生事故，在分步骤操作过程中，体验违章行为的危害；被动训练模式下，由教师预置训练场景，学员以完成任务的形式进行训练，期间，教师还能对训练环境进行控制，随时设置突发情况让学员处理。

本发明具有如下有益效果：

与现有起重作业安全培训系统相比，本发明集成起重作业风险知识点，设计典型起重吊装作业安全培训场景，装置中的多自由度运动平台对起重操作过程，由于错误或违章操作，而产生的起重机倾覆、断索、吊物散落等典型事故或异常状态做出及时反馈与动作，使学员能够直接体验到违章操作后果，在保证人身安全的前提下提高安全作业意识。

该交互式起重作业仿真安全培训教学系统提供了培训观察者视角，可以观察到学员的整个操作过程并对错误点进行存储记录；学员在训练或考核过程中，可随时改变场景设置的参数，培训学员正确处理作业突发情况的能力；可通过资料维护模块编辑学员的学习和考核的项目内容，能满足各种起重设备人员的培训，和培训内容的实时更新，大大节约成本；学员考核成绩可以图表形式进行展示，便于统计和分析。

与现有起重作业安全培训系统相比，本发明设计了教学投影系统，学员的操作训练情况可传出到培训教室，供其他学员观察学习，或作为标准教学使用，从而增加培训容量。

与现有起重作业安全培训系统相比，本发明设计了指挥端，多角色同时操作，与实际情况更加相近，增强真实感。

与现有起重作业安全培训系统相比，本发明通过多通道立体显示系统和软件的资料维护模块可实现桥门式/塔式/汽车起重机和叉车等各种起重机械的培训，使得该系统更具全面性和系统性，大大节约成本，缩短培训周期。

本发明占地空间较小，安装方便，安全性高，充分满足教学需要。

附图说明

图1为一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统的系统框图；

图2为学员端操作流程图；

图3为教师端操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图1所示，一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统，包括操作端、指挥端和教师端，所述操作端包括驾驶室操作单元、信号采集及逻辑控制单元、声响单元、座椅震动单元、三维立体视景单元、教学投影单元、网络通讯单元和计算机主控单元，所述座椅震动单元包括多自由度运动平台，多自由度运动平台对起重操作过程中由于错误或违章操作而产生的起重机事故或异常状态做出及时反馈与动作，计算机主控单元嵌有操作训练模块、理论考核模块和操作考核模块；所述指挥端包括视角切换模块和指挥信号模块；所述教师端包括学员管理模块、资料维护模块、实时跟踪模块、训练结果记录模块和成绩统计模块；

操作端的信号实时传递给指挥端和教师端；

指挥端从多个视角监测操作端的整个操作过程，并及时做出相应指挥信号实时传递给操作端和教师端；

教师端一是监测操作端和指挥端的整个操作过程并对错误点进行存储记录；二是学员在训练或考核过程中，随时改变场景设置的参数，培训学员正确处理作业突发情况的能力；三是通过资料维护模块编辑学员的学习和考核的项目内容和培训内容的实时更新，满足各种起重设备人员的培训；四是将学员考核成绩以图表形式进行展示。

驾驶室操作单元包括仿真驾驶室和数控模拟操作台。数控模拟操作台位于仿真驾驶室前方，数控模拟操作台上的各按钮的操作状态在三维立体视景单元中实时显示，并通过各按钮对应的传感器做出相应的起重操作，实时显示在三维立体视景单元仿真驾驶室外观尺寸与实际汽车起重机相同，具有承重底板，侧壁采用轻质型材，用于模拟汽车起重机环境。驾驶室内部部件包括转向器、换挡器、转向灯、远光灯组合开关、离合、油门、刹车踏板、手刹和高精度操纵杆，均采用原装配件+高灵敏度电位器或传感器，将动作与程序实时响应，实现真实的操作效果；另外还包括力矩限制器，进行实时的各项参数显示及设置，力矩保护及报警等。

所述的数控模拟操作台与实际的汽车起重机操作台的外观和功能一致，用于模拟汽车起重机操作。其中各种功能调节组件等组成在视屏上输出与操作相对应的三维场景与各种语音提示的实时操作界面。

所述的信号采集和PLC逻辑控制单元模拟实际工作中的参数指标，采集指令控制器、按钮等信号，并同时反馈到软件系统及指示灯系统。采用高速芯片，性能指标高，稳定性强。

声响单元模拟现场环境音效、设备运转中的音效及学员操作过程中的提示。

三维立体视景单元可根据操作指令三维显示与现实同比例的起重作业场景，大大提高沉浸感，同时能实时显示操作台的操作状态。

教学投影单元包括监控系统、信号传输系统和投影屏幕，实现将学员的操作训练情况传出到培训教室，供其他学员观察学习，同时也可作为标准教学使用，从而增大培训的学员容量。

网络通讯系统负责各系统间的数据通讯，便于端对学员端系统的控制。

驾驶室操作单元内设有座椅，座椅的正前方设有转向器，转向器的下方设有踏板，座椅的左、右两侧对应设有左、右控制手柄，右控制手柄一侧设有手刹。

三维显示系统包括计算机、投影仪和投影屏幕，计算机和投影仪位于驾驶室内，投影屏幕位于驾驶室的正前方。

投影屏幕包括三个分屏，相邻两个分屏的夹角为90°～150°，或者投影屏幕为一个弧屏。

多自由度运动平台为六自由度动感平台，该平台包括上平台、下平台、电动缸、伺服电机、驱动器系统上平台和综合控制监测系统，电动缸和伺服电机通过控制电动缸的活塞杆的行程，实现多自由度运动平台台体的六自由度运动，驱动器系统用来接收用户控制指令，通过控制伺服电机的输入，对伺服电机的输出转速和转角进行控制，实现对电动缸的活塞杆速度和行程的控制，该平台对起重作业操作过程出现的吊装异常状态做出及时反馈与动作。

多自由度运动平台为三自由度动感平台，该平台包括计算机控制系统、伺服驱动系统、运动平台、驱动器和电动缸。综合控制监测系统对多自由度运动平台的运动过程进行监测，预防和处理系统的异常情况，相比实际现场的操作安全系数高，因此可以在保证安全的前提下，学员体验违章后果，提高安全意识。

采用六自由度或三自由度移动平台，模拟驾驶室晃动特性，真实反映现实的工况，如起重机倾覆、断索、吊物散落等，使学员可以亲身体验违章后果。为了保证平台安全可靠运行，平台实时控制计算机通过数据采集卡实时读取平台极限位置信号和故障安全报警信号，实时处理，同时把平台运行状态返回到计算机界面，供使用者监控。

计算机控制系统包括上位机、实时控制计算机和数据采集卡；伺服驱动系统包括全数字驱动器和三台伺服电机；上位机通过网络通讯把期望位姿和控制命令传给实时控制计算机，计算出电动缸位移量传给相应的驱动器，驱动伺服电机运转，实现电动缸的运动；同时下位机通过电机的实际位置，将运动平台姿态发送给上位机；编码器实时反馈电动缸位移信号，实现三台伺服电机位置闭环控制，使电动缸达到所要求的位移量。

如图2所示，操作训练模块包括不同项目，如定点投放、绕定位杆/击落木块和起吊货物等。这些项目场景的参数均由端维护设置，学员训练时包括三种模式，一是自主训练模式，二是违章体验模式，三是被动训练模式。自主训练模式下，学员根据要求和自身情况，选择训练项目自主练习；违章体验模式下，以起重作业“十吊十不吊”为基础，设计了违章体验场景，学员从任务开始至发生事故，在分步骤操作过程中，体验违章行为的危害，从而增强安全操作知识，提高安全意识，达到培训的目的；被动训练模式下，由教师预置训练场景，学员以完成任务的形式进行训练，期间，教师还能对训练环境进行控制，随时设置突发情况让学员处理，培训学员正确处理意外突发情况的能力。根据学员的失误操作，系统会实时做出文字及声音提示，并显示在屏幕上。训练结束后，学员还可进行失误点回放，查漏补缺，提高训练效果。另外，程序增加了速度调节按钮，满足了不同学习阶段的需求，使软件更加人性化。

所述的理论考核模块包括基础知识和指挥信号，由端上传试题，根据学员回答情况，系统会自动按国家标准进行评分，呈现在屏幕上，另外还能显示错题，供学员查漏补缺，考核结果实时上传至教师端系统。

所述的操作考核模块包括特定场景考核和综合场景考核。根据学员的岗位需求进行选择。特定场景指随机分配给学员一个项目进行考核，综合场景指学员在考核过程中外加干预，考核学员的基础能力和应对突发状况的能力。系统会自动按国家标准进行评分，呈现在屏幕上，另外还可以进行失误点回放，供学员查漏补缺，考核结果实时上传至端系统。

如图3所示，学员管理模块存储学员基础信息。

资料维护模块包括对学习文档、学习视频、理论考题、操作训练场景及考核场景的添加、编辑和删除，场景的编辑主要为改变参数设置，如气象条件、场景布局、机械参数和训练时长等。

实时跟踪模块为在学员训练或考核过程中，可通过360度视角全景旋转、拉伸实现对任意学员的多视角观察，同时还可以随时进行场景的参数设置，如改变气象条件或增设故障等，增加考核难度，训练学员应对突发状况的能力。

训练结果记录模块指学员的学习时长、训练过程视频、失误点和失误次数等结果均会存储记录，并可以图表的形式进行统计分析。另外，还可进行失误点回放，便于指正。

学员成绩模块为存储学员的考核成绩，并可以图表的形式进行统计分析。学员的基础信息、训练结果和考试成绩均可通过学员姓名或身份证号进行搜索查询。另外，学员信息及成绩单可以通过所连接的计算机进行打印。

开展培训时：学员通过读卡器刷卡登录，学员信息会自动传到教师端进行存储。

首先，学员学习起重作业基本知识；主要包括起重机相关的理论知识、注意事项以及一些安全规定；

其次，学员了解各主要部件的位置及功能，然后教师进行起重操作演示；

最后由学员进行训练：学员训练时有三种方式；一是自主训练模式，二是违章体验模式，三是被动训练模式。在自主训练模式下，学员利用数控操作台进行起重作业训练；在违章体验模式下，以起重作业“十吊十不吊”为基础，设计违章体验场景，学员从任务开始至发生事故，在分步骤操作过程中，体验违章行为的危害。从而增强安全操作知识，提高安全意识，达到培训的目的。被动训练模式下，由教师预置训练场景，学员以完成任务的形式进行训练，期间，教师还能对训练环境进行控制，随时设置突发情况让学员处理，培训学员正确处理意外突发情况的能力。训练结束后，学员还可进行失误点回放，查漏补缺，提高训练效果，整个训练过程中可进行操作人员和指挥人员的配合训练。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统，其特征在于，包括操作端、指挥端和教师端，其特征在于，所述操作端包括驾驶室操作单元、信号采集及逻辑控制单元、声响单元、座椅震动单元、三维立体视景单元、教学投影单元、网络通讯单元和计算机主控单元，所述座椅震动单元包括多自由度运动平台，多自由度运动平台对起重操作过程中由于错误或违章操作而产生的起重机事故或异常状态做出及时反馈与动作，计算机主控单元嵌有操作训练模块、理论考核模块和操作考核模块；所述指挥端包括视角切换模块和指挥信号模块；所述教师端包括学员管理模块、资料维护模块、实时跟踪模块、训练结果记录模块和成绩统计模块；

操作端的信号实时传递给指挥端和教师端；

指挥端从多个视角监测操作端的整个操作过程，并及时做出相应指挥信号实时传递给操作端和教师端；

教师端一是监测操作端和指挥端的整个操作过程并对错误点进行存储记录；二是学员在训练或考核过程中，随时改变场景设置的参数，培训学员正确处理作业突发情况的能力；三是通过资料维护模块编辑学员的学习和考核的项目内容和培训内容的实时更新，满足各种起重设备人员的培训；四是将学员考核成绩以图表形式进行展示。

2.如权利要求1所述的一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统，其特征在于，所述驾驶室操作单元包括仿真驾驶室和数控模拟操作台，数控模拟操作台位于仿真驾驶室前方，数控模拟操作台上的各按钮的操作状态在三维立体视景单元中实时显示，并通过各按钮对应的传感器做出相应的起重操作，实时显示在三维立体视景单元。

3.如权利要求1所述的一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统，其特征在于，所述驾驶室操作单元内设有座椅，座椅的正前方设有转向器，转向器的下方设有踏板，座椅的左、右两侧对应设有左、右控制手柄，右控制手柄一侧设有手刹。

4.如权利要求1所述的一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统，其特征在于，所述三维立体视景单元包括计算机、投影仪和投影屏幕，计算机和投影仪位于仿真驾驶室内，投影屏幕位于仿真驾驶室的正前方。

5.如权利要求4所述的一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统，其特征在于，所述投影屏幕包括三个分屏，相邻两个分屏的夹角为90°～150°。

6.如权利要求4所述的一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统，其特征在于，所述投影屏幕为一个弧屏。

7.如权利要求1所述的一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统，其特征在于，所述多自由度运动平台为六自由度动感平台，该平台包括上平台、下平台、电动缸、伺服电机、驱动器系统上平台和综合控制监测系统，电动缸和伺服电机通过控制电动缸的活塞杆的行程，实现多自由度运动平台台体的六自由度运动，驱动器系统用来接收用户控制指令，通过控制伺服电机的输入，对伺服电机的输出转速和转角进行控制，实现对电动缸的活塞杆速度和行程的控制，该平台对起重作业操作过程出现的吊装异常状态做出及时反馈与动作。

8.如权利要求1所述的一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统，其特征在于，所述多自由度运动平台为三自由度动感平台，该平台包括计算机控制系统、伺服驱动系统、运动平台、驱动器和电动缸。

9.如权利要求8所述的一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统，其特征在于，所述计算机控制系统包括上位机、实时控制计算机和数据采集卡；伺服驱动系统包括全数字驱动器和三台伺服电机；上位机通过网络通讯把期望位姿和控制命令传给实时控制计算机，计算出电动缸位移量传给相应的驱动器，驱动伺服电机运转，实现电动缸的运动；同时下位机通过电机的实际位置，将运动平台姿态发送给上位机；编码器实时反馈电动缸位移信号，实现三台伺服电机位置闭环控制，使电动缸达到所要求的位移量。

10.如权利要求1所述的一种交互式起重作业仿真安全培训教学系统，其特征在于，开展培训时：

首先，学员学习起重作业基本知识；

其次，学员了解各主要部件的位置及功能，然后教师进行起重操作演示；

最后由学员进行训练：在自主训练模式下，学员利用数控操作台进行起重作业训练；在违章体验模式下，以起重作业“十吊十不吊”为基础，设计违章体验场景，学员从任务开始至发生事故，在分步骤操作过程中，体验违章行为的危害；被动训练模式下，由教师预置训练场景，学员以完成任务的形式进行训练，期间，教师还能对训练环境进行控制，随时设置突发情况让学员处理。