起重机仿真训练器的研制与应用

作者：武汉交通科技大学王少梅王海平

摘要：通过对国内外港口装卸机械司机的培训状况分析，论述了在我国研制和应用计算机仿真训练器的现实意义和效益，提出了计算机仿真训练器的初步方案，并对其功能、结构和工作原理作了说明。

关键词：起重机；计算机；仿真训练器；港口 随着计算机技术、多媒体技术、自动控制技术的飞速发展和广泛应用，以计算机系统为核心和操纵控制台为基础构成的各种仿真训练器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、培训的必备手段，受到国内外高度重视，并在火力及核能发电、石油化工、军事航天航空、航海等许多领域得到广泛使用。目前，仿真训练器已逐步成为培训飞机、汽车、船舶等驾驶人员的重要设备之一。起重机是港口、铁路货场及工矿企业装卸货物的主要设备，随着港口起重设备日益朝着高速、大型化及自动化方向的发展，设备成本日益增高，对操作人员素质要求愈来愈高。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、使用寿命及港口经济效益起着决定性的作用。综合各方面的调查资料表明，我国目前尚没有真正意义上的港口起重机司机计算机仿真训练器，由于价格昂贵，也未从国外引进这种设备。随着现代科学技术的迅速发展和港口生产水平及管理水平的提高，利用计算机系统进行对司机仿真培训已经成为培养高素质人员的迫切需要。 1研制和应用仿真训练器的现实意义 研究和开发仿真训练器具有重大的现实意义： 1）安全性好。杜绝了培训事故的发生，减少了培训事故损失。 2）经济性好。它的能耗低，使用周期长，易于维护和扩充，并可一机多用。一台仿真器可进行多种机型的操作模拟，长期使用可大大减少港口企业在培训工作中的人力物力消耗，降低培训费用。 3）功能强。使用计算机仿真软件，通过人机交互方式，可实现码头装卸过程中各种工作状况、天气状况的模拟，从而大大缩短学员的培训周期。学员可以在较短的时间内完成培训任务，并提高培训质量。 4）适用面广。可以对不同水平的从业人员进行定期培训，提高职工的综合素质。 2国内外港口装卸机械司机培训概况和发展趋势 2．1国内港口大型固定式起重机械的司机培训工作概况 目前，我国各大港口都设立了培训中心或技工学校对港口起重机司机进行培训，但这些培训中心的教学设备一般只有如轮胎吊、汽车吊等机械，不可能有如门座起重机、岸边集装箱装卸桥等大型起重机械。因此，对这些机械的操作培训只能在港口装卸公司实际的起重机上进行。目前港口起重机司机的操作培训大部分是在装卸公司采用师傅带徒弟的方式来完成的。一般来说，要使一名新手取得上岗证书，大概需要一年左右的时间。这是由于门座起重机、岸边集装箱装卸桥等是比较复杂而且昂贵的设备，新手操作易产生安全事故并影响港口的生产效率，同时培训工作也会受天气条件的限制。在跟师傅学习的一年时间里，学员的实际操作时数总共只有一个月左右，这是由于学员需要一段时间观摩师傅的操作，然后才能小心翼翼地动手。在内河港口及新建海港，目前大部分仍未设教育培训中心，往往需要花一定的培训费用把学员派到其他港口培训或交由港务公司内有经验的司机带。这种培训方式与使用计算机仿真训练器相比有下列不足之处： 1）不安全，容易发生事故； 2）需要花费大量的人力和物力； 3）在实际设备上进行培训影响了企业的正常生产； 4）培训内容欠规范，有随意性，亦很难进行处理机械事故能力的训练； 5）培训时间比较长。 2．2国外起重机操作人员培训概况 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。所以，西方发达国家对起重机械司机的操作培训进行了立法，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效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等问题。同时，国外如美国有相应的社团组织、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，根据起重量的的不同也会有所区别，通过培训再发给相应的资格证书。 该项工作由政府部门监督执行。如日本石川岛播磨株式会社的石川岛技术教习所，属于私营性质的培训中心，具有日本政府核准的对起重机如汽车式、轮胎式等流动起重机及龙门吊、桥吊、及建筑机械的驾驶人员、电工的培训和发证资格，为社会提供安全教育和技能培训服务。从1974年成立至今，已经有7万多人在该所获得上岗资格证书。该所仅有教师12人，其中兼职教师4人，加上各类管理人员总共21人，但每年却能完成8000人的培训量。这与该所具有完备的教学设施、设备及规范的教学是分不开的。发达国家如美国、加拿大、法国、澳大利亚等国的一些港口或起重机司机的雇佣组织，都使用计算机仿真训练器来对司机进行岗前培训或进行技能再培训，并取得了良好的经济效益和社会效益。目前，在东南亚及南美洲地区的港口，对职工的培训也相当重视。新加坡、马来西亚、印尼等国港口以及牙买加港，近年来也都引进了美国的起重机计算机仿真训练器。先进的教学设备不仅保证了教学质量，也缩短了培训周期。 3起重机仿真训练器的功能 根据我国港口培训工作的需求，在我们提出的一套港口起重机司机计算机仿真训练器的方案中，使用先进的计算机、多媒体及自控技术，实现如门座起重机或岸边集装箱装卸桥等的起重机械的仿真培训功能，从而利用计算机仿真培训系统部分或绝大部分地代替实机的操作培训，主要功能包括： 1）提供一套完整的司机室内的操作系统，具有如门座起重机的起升、回转、变幅、行走四个机构仿真操作的功能； 2）实现从船上装卸货物实时操作的仿真功能，能实现机构起动、运行、制动时司机各种真实的感觉，其中包括人的感官对视景、声响、振动等的真实的感觉； 3）带有一整套规范的司机操作教程和安全教育课程； 4）根据起重机司机的考评要求，可以实现如抓斗、吊钩等不同工属具的操作培训； 5）利用多媒体技术和先进的图象处理技术，可以根据需要模拟各种天气情况，如：晴天、多云、阴天等以及白天、夜晚的作业情况及不同风速、风向对货物装卸的影响等； 6）教员在教练台能实时了解学员的操作情况和控制调整教学内容，如改变天气状况、起重量等等； 7）考评软件系统能够实现操作错误提示、实时评分功能及考核成绩报告等。 4仿真训练器的工作原理及结构组成 起重机司机仿真训练器由教员室及司机操作室两大部分组成，如图1所示。

4．1司机操作室 设门座起重机（或集装箱装卸桥）操作台一套，包括各种按钮、仪表、指示器、操作手柄、脚踏板以及司机座椅等。它们可以安置在一个具有三自由度的活动底座上，如图1中直接置于室内，也可以放在司机室里，整个司机室再支承于活动底座上。操作人员通过“窗口”看到从高性能投影仪投放于屏幕中的港口实际景象。操作室内的音箱可以发出实际场景中的如电动机工作，机构起、制动的各种工作声音以及看钩手通过无线电话传来的声音及港口生产现场的各种声响。 4．2教员室 教员室中的控制台上配有仿真主计算机，包括工控机在内的智能接口控制系统，图象处理计算机以及彩色显视器2台，打印机和稳压电源等。图2是仿真训练器的结构简图。当学员在操作台进行操作时，其信号送入智能接口系统中，经过信息转换把信息送入仿真主机及液压伺服系统，主控计算机根据接受到的数据，运行相应的数学模型，把计算结果输入图形仿真软件及声响数据库，控制图形及声音输出，以便实时反映出仿真图象、声音效果。液压伺服系统根据接受的信息控制活动底座的动作，如起吊重物，当重物离地时通过平台使司机产生一种下沉感等。使司机从图象、声响及平台的活动感受到与在实际机型操作时相似的感觉，教员可通过仿真主机给学员下达不同的训练内容。打印机可根据需要打印学员训练考核的结果。由于计算机仿真训练器的核心是计算机系统，因此用一台仿真器硬件可通过装有不同的起重机机型的训练内容及人机交互的效果图象的仿真软件模块，为学员提供多种机型的操作培训。

5起重机仿真训练器效益分析 使用仿真训练器代替实机进行培训工作的优点如下： 1)减少了事故的发生率，安全性好。 2)提供了规范化的培训内容，并可对不同水平的学员进行全面的技能培训，保证了培训质量。 3)减少了操作培训中的物耗，如实机操作中的油耗电耗以及对机器中如离合器、刹车盘等零部件的磨损。 4)学员在上岗前利用仿真训练器进行培训，可以不受天气及时间的影响，并减少了到港口上机操作时间，使培训对生产影响降低到最低程度。降低了培训费用，缩短了培训周期。根据美国的Digitran仿真器制造公司对世界各地港口仿真训练器用户的调查资料表明，使用仿真训练器可使学员到港口上机时间减至原来的25％～50％，从而使培训费用大大下降。 5)一机多用的仿真训练器可以减少培训中心的设备数量及维护费用。一台起重机仿真训练器可以带有如桥吊、船上桅杆吊、轮胎龙门吊、轮胎吊、船上龙门吊、轨道式龙门吊、汽车吊等多个软件模块。目前，国外新型的起重机仿真训练器可具有模拟9种不同机型的培训功能。 6)通过对仿真器软件及硬件的升级和维护，可以适应港口培训不断发展的要求。 7)引入高科技的仿真器进行培训，缩短了与发达国家港口教育手段的差距，改善了港口企业的形象。 8)一台仿真训练器的电耗只有4kW左右，而40.5t岸边集装箱装卸桥的装机容量为960kW，50.8t装卸桥为1400kW，10t门机的装机容量为320kW，使用仿真器进行培训，其节电效果是十分明显的。 6结束语 货物装卸属于一种危险作业，从国内外资料看到，由于操作不当因素引起的事故仍时有发生。为促进生产的发展，提高经济效益，港口需要高素质的操作及维护人员。起重机计算机仿真训练器作为一种新的培训手段有着很好的发展前景。为使这种新的培训手段在我国得到应用，我们应从完善岗前培训的法规，加强对发证单位的管理，规范培训中心的教学入手，促进我国港口职工岗前培训及继续教育工作的发展。