起重機仿真訓練器的研制與應用

 

    關鍵詞：起重機；計算機；仿真訓練器；港口

 

    隨著計算機技術、多媒體技術、自動控制技術的飛速發展和廣泛應用，以計算機系統為核心和操縱控制臺為基礎構成的各種仿真訓練器已成為當今重大生產設備或過程控制設備運行人員上崗操作、培訓的必備手段，受到國內外高度重視，并在火力及核能發電、石油化工、軍事航天航空、航海等許多領域得到廣泛使用。目前，仿真訓練器已逐步成為培訓飛機、汽車、船舶等駕駛人員的重要設備之一。起重機是港口、鐵路貨場及工礦企業裝卸貨物的主要設備，隨著港口起重設備日益朝著高速、大型化及自動化方向的發展，設備成本日益增高，對操作人員素質要求愈來愈高。同時，操作人員的技術熟練程度對港口生產安全、設備使用效率、使用壽命及港口經濟效益起著決定性的作用。綜合各方面的調查資料表明，我國目前尚沒有真正意義上的港口起重機司機計算機仿真訓練器，由于價格昂貴，也未從國外引進這種設備。隨著現代科學技術的迅速發展和港口生產水平及管理水平的提高，利用計算機系統進行對司機仿真培訓已經成為培養高素質人員的迫切需要。

 

    1　研制和應用仿真訓練器的現實意義

 

    研究和開發仿真訓練器具有重大的現實意義：

 

    1）安全性好。杜絕了培訓事故的發生，減少了培訓事故損失。

 

    2）經濟性好。它的能耗低，使用周期長，易于維護和擴充，并可一機多用。一臺仿真器可進行多種機型的操作模擬，長期使用可大大減少港口企業在培訓工作中的人力物力消耗，降低培訓費用。

 

    3）功能強。使用計算機仿真軟件，通過人機交互方式，可實現碼頭裝卸過程中各種工作狀況、天氣狀況的模擬，從而大大縮短學員的培訓周期。學員可以在較短的時間內完成培訓任務，并提高培訓質量。

 

    4）適用面廣。可以對不同水平的從業人員進行定期培訓，提高職工的綜合素質。

 

    2　國內外港口裝卸機械司機培訓概況和發展趨勢

 

    2.1　國內港口大型固定式起重機械的司機培訓工作概況

 

    目前，我國各大港口都設立了培訓中心或技工學校對港口起重機司機進行培訓，但這些培訓中心的教學設備一般只有如輪胎吊、汽車吊等機械，不可能有如門座起重機、岸邊集裝箱裝卸橋等大型起重機械。因此，對這些機械的操作培訓只能在港口裝卸公司實際的起重機上進行。目前港口起重機司機的操作培訓大部分是在裝卸公司采用師傅帶徒弟的方式來完成的。一般來說，要使一名新手取得上崗證書，大概需要一年左右的時間。這是由于門座起重機、岸邊集裝箱裝卸橋等是比較復雜而且昂貴的設備，新手操作易產生安全事故并影響港口的生產效率，同時培訓工作也會受天氣條件的限制。在跟師傅學習的一年時間里，學員的實際操作時數總共只有一個月左右，這是由于學員需要一段時間觀摩師傅的操作，然后才能小心翼翼地動手。在內河港口及新建海港，目前大部分仍未設教育培訓中心，往往需要花一定的培訓費用把學員派到其他港口培訓或交由港務公司內有經驗的司機帶。這種培訓方式與使用計算機仿真訓練器相比有下列不足之處：

 

    1）不安全，容易發生事故；

 

    2）需要花費大量的人力和物力；

 

    3）在實際設備上進行培訓影響了企業的正常生產；

 

    4）培訓內容欠規范，有隨意性，亦很難進行處理機械事故能力的訓練；

 

    5）培訓時間比較長。

 

    2.2　國外起重機操作人員培訓概況

 

    貨物裝卸是具有危險性的特種工作，起重機司機的操作直接影響到生命財產的安全。所以，西方發達國家對起重機械司機的操作培訓進行了立法，規定新司機必須到政府批準的培訓中心參加培訓，取得資格證書以后，方可從事此項工作。除了安全性的考慮外，由于操作人員技術水平的高低直接影響到生產效率及機器設備的壽命和企業的經濟效益，因此港口機械操作人員的技術培訓受到各方面關注。為此，國外經常組織關于港口培訓的國際會議，討論港口培訓工作和培訓設備等問題。同時，國外如美國有相應的社團組織、聯合生產制造商、使用單位、培訓中心等每年組織一次或兩次對起重機的工作狀況和工作資格進行核查，或對操作人員的培訓工作、發證標準等進行討論。一般來說，對不同的起重機械有不同的培訓內容及培訓期限，即使同一種類型的起重機，根據起重量的的不同也會有所區別，通過培訓再發給相應的資格證書。

 

    該項工作由政府部門監督執行。如日本石川島播磨株式會社的石川島技術教習所，屬于私營性質的培訓中心，具有日本政府核準的對起重機如汽車式、輪胎式等流動起重機及龍門吊、橋吊、及建筑機械的駕駛人員、電工的培訓和發證資格，為社會提供安全教育和技能培訓服務。從1974年成立至今，已經有7萬多人在該所獲得上崗資格證書。該所僅有教師12人，其中兼職教師4人，加上各類管理人員總共21人，但每年卻能完成8000人的培訓量。這與該所具有完備的教學設施、設備及規范的教學是分不開的。發達國家如美國、加拿大、法國、澳大利亞等國的一些港口或起重機司機的雇傭組織，都使用計算機仿真訓練器來對司機進行崗前培訓或進行技能再培訓，并取得了良好的經濟效益和社會效益。目前，在東南亞及南美洲地區的港口，對職工的培訓也相當重視。新加坡、馬來西亞、印尼等國港口以及牙買加港，近年來也都引進了美國的起重機計算機仿真訓練器。先進的教學設備不僅保證了教學質量，也縮短了培訓周期。

 

    3　起重機仿真訓練器的功能

 

    根據我國港口培訓工作的需求，在我們提出的一套港口起重機司機計算機仿真訓練器的方案中，使用先進的計算機、多媒體及自控技術，實現如門座起重機或岸邊集裝箱裝卸橋等的起重機械的仿真培訓功能，從而利用計算機仿真培訓系統部分或絕大部分地代替實機的操作培訓，主要功能包括：

 

    1）提供一套完整的司機室內的操作系統，具有如門座起重機的起升、回轉、變幅、行走四個機構仿真操作的功能；

 

    2）實現從船上裝卸貨物實時操作的仿真功能，能實現機構起動、運行、制動時司機各種真實的感覺，其中包括人的感官對視景、聲響、振動等的真實的感覺；

 

    3）帶有一整套規范的司機操作教程和安全教育課程；

 

    4）根據起重機司機的考評要求，可以實現如抓斗、吊鉤等不同工屬具的操作培訓；

 

    5）利用多媒體技術和先進的圖象處理技術，可以根據需要模擬各種天氣情況，如：晴天、多云、陰天等以及白天、夜晚的作業情況及不同風速、風向對貨物裝卸的影響等；

 

    6）教員在教練臺能實時了解學員的操作情況和控制調整教學內容，如改變天氣狀況、起重量等等；

 

    7）考評軟件系統能夠實現操作錯誤提示、實時評分功能及考核成績報告等。

 

    4　仿真訓練器的工作原理及結構組成

 

    起重機司機仿真訓練器由教員室及司機操作室兩大部分組成，如圖1所示。

 

    圖1　教員室及司機操作室

 

    4.1　司機操作室

 

    設門座起重機（或集裝箱裝卸橋）操作臺一套，包括各種按鈕、儀表、指示器、操作手柄、腳踏板以及司機座椅等。它們可以安置在一個具有三自由度的活動底座上，如圖1中直接置于室內，也可以放在司機室里，整個司機室再支承于活動底座上。操作人員通過“窗口”看到從高性能投影儀投放于屏幕中的港口實際景象。操作室內的音箱可以發出實際場景中的如電動機工作，機構起、制動的各種工作聲音以及看鉤手通過無線電話傳來的聲音及港口生產現場的各種聲響。

 

    4.2　教員室

 

    教員室中的控制臺上配有仿真主計算機，包括工控機在內的智能接口控制系統，圖象處理計算機以及彩色顯視器2臺，打印機和穩壓電源等。圖2是仿真訓練器的結構簡圖。當學員在操作臺進行操作時，其信號送入智能接口系統中，經過信息轉換把信息送入仿真主機及液壓伺服系統，主控計算機根據接受到的數據，運行相應的數學模型，把計算結果輸入圖形仿真軟件及聲響數據庫，控制圖形及聲音輸出，以便實時反映出仿真圖象、聲音效果。液壓伺服系統根據接受的信息控制活動底座的動作，如起吊重物，當重物離地時通過平臺使司機產生一種下沉感等。使司機從圖象、聲響及平臺的活動感受到與在實際機型操作時相似的感覺，教員可通過仿真主機給學員下達不同的訓練內容。打印機可根據需要打印學員訓練考核的結果。由于計算機仿真訓練器的核心是計算機系統，因此用一臺仿真器硬件可通過裝有不同的起重機機型的訓練內容及人機交互的效果圖象的仿真軟件模塊，為學員提供多種機型的操作培訓。

 

    圖2　仿真訓練器結構簡圖

 

    5　起重機仿真訓練器效益分析

 

    使用仿真訓練器代替實機進行培訓工作的優點如下：

 

    1)減少了事故的發生率，安全性好。

 

    2)提供了規范化的培訓內容，并可對不同水平的學員進行全面的技能培訓，保證了培訓質量。

 

    3)減少了操作培訓中的物耗，如實機操作中的油耗電耗以及對機器中如離合器、剎車盤等零部件的磨損。

 

    4)學員在上崗前利用仿真訓練器進行培訓，可以不受天氣及時間的影響，并減少了到港口上機操作時間，使培訓對生產影響降低到最低程度。降低了培訓費用，縮短了培訓周期。根據美國的Digitran仿真器制造公司對世界各地港口仿真訓練器用戶的調查資料表明，使用仿真訓練器可使學員到港口上機時間減至原來的25％～50％，從而使培訓費用大大下降。

 

    5)一機多用的仿真訓練器可以減少培訓中心的設備數量及維護費用。一臺起重機仿真訓練器可以帶有如橋吊、船上桅桿吊、輪胎龍門吊、輪胎吊、船上龍門吊、軌道式龍門吊、汽車吊等多個軟件模塊。目前，國外新型的起重機仿真訓練器可具有模擬9種不同機型的培訓功能。

 

    6)通過對仿真器軟件及硬件的升級和維護，可以適應港口培訓不斷發展的要求。

 

    7)引入高科技的仿真器進行培訓，縮短了與發達國家港口教育手段的差距，改善了港口企業的形象。

 

    8)一臺仿真訓練器的電耗只有4kW左右，而40.5t岸邊集裝箱裝卸橋的裝機容量為960kW，50.8t裝卸橋為1400kW，10t門機的裝機容量為320kW，使用仿真器進行培訓，其節電效果是十分明顯的。

 

    6　結束語

 

    貨物裝卸屬于一種危險作業，從國內外資料看到，由于操作不當因素引起的事故仍時有發生。為促進生產的發展，提高經濟效益，港口需要高素質的操作及維護人員。起重機計算機仿真訓練器作為一種新的培訓手段有著很好的發展前景。為使這種新的培訓手段在我國得到應用，我們應從完善崗前培訓的法規，加強對發證單位的管理，規范培訓中心的教學入手，促進我國港口職工崗前培訓及繼續教育工作的發展。