集装箱起重机仿真训练器的研制开发
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摘要
集装箱起重机仿真训练器是集虚拟现实技术、计算机仿真技术、机械设计技术于一体的高科技产品。在国内尚无任何成功经验借鉴的情况下，上海海运学院课题组在分析了国外同行在该领域的研究及应用情况的基础上，通过独自摸索、实践创新，开发出了适合自身教学需要的两套集装箱起重机仿真训练器：半实物集装箱起重机仿真训练器和全数字集装箱起重机仿真训练器。它的成功研制开发填补了国内在该领域的空白，顺应了港口教学的需求。
本文主要工作如下：
1．本文将计算机仿真技术、机械设计技术与起重机仿真训练器的研制结合了起来，在分析一般仿真训练器结构和功能的基础上，介绍了半实物和全数字集装箱起重机仿真训练器的结构与原理。其系统结构和功能不仅适应教学的需求，而且在很多方面都具有自我独创性，为我国起重机仿真训练器的发展开辟了道路。
2．根据三维视景生成原理，在参考上海外高桥现场、对集装箱起重机结构和性能分析的基础上，采用三维视景建模软件Multigen、OpenGVS对码头进行了3D图像建模，包括各种类型的集装箱起重机，集装箱船，相关设备和其他现场物体(如堆场，集装箱，集装箱卡车，房子等)。
3．对集装箱装卸桥运行小车工作过程进行分析，建立了“小车—重物”运动学模型，并在此基础上实现了对其运动的交互控制。
4．碰撞模型是该仿真系统中的一个关键部分。本文通过建立三维坐标系、设置碰撞检测线，很好地解决了吊具运动中的三维碰撞问题，包括碰撞后的吊具运动状态和吊具着箱判断。
5．通讯功能的实现是本文的难点和重点。针对半实物仿真训练器存在PLC的特点，本文采用GE Fanuc开发的基于Microsoft Windows NT和Windows 95的Cimplicity HIM软件来实现PLC与上位机之间的通讯。
卜海海运学院颀卜学位论义 集装箱起重机仿真训练器的研制开发
时于通讯中上位机与上位机之间的通讯，不同应用之间通讯，我们分别
采用 Winsock控件、套接字 （Socket和 DDE动态联接库、共享内存
技术宋实现。
Container crane training simulator is the high-tech production, integrating virtual reality technology, computer simulation technology and mechanical design technology. There is no any successful experience to use for reference in home. After analyzing research and application in this domain in foreign countries, and through self-thinking, practice and creativity, project group of SMU developed two type of container crane training simulator to meet our teaching: one is hardware-in-the-loop training simulator of container crane, the other is digital training simulator of container crane. Its successful develop make us the trailbreaker in this domain in our country, adapting ourselves to the port teaching.
The main work of this paper includes the following:
1. This paper combines crane training simulator with computer simulation and mechanical design, and introduces the structure and theory of hardware-in-the-loop training simulator and digital training simulator of container crane, basing on analyzing the structure and function of general training simulator. Its system structure and function not only meet the need of teaching, but also have self-creativity in many ways, making a good example for our country's developing in crane training simulator.
2. According to the theory of three-dimensional vision building, with the reference to Shanghai Waigaoqiao Terminal, and after analyzing container crane structure and function, this paper uses three-dimensional vision modeling software Multigen, OpenGVS to construct 3-D graphic models of the port, various types of container cranes, containerships, related equipment and other
on-the-spot objects (such as yards, containers, container trucks, houses, etc).
3. On the base of analyzing trolley's moving process, this paper gives the moving model of "trolley-weight". The practical program can realize interactive control.
4. Collision model is the key part of this simulator system. By building three-dimensional coordinate system, setting collision detecting lines, this paper commendably solves the three-dimensional collision problem during spreader moving, including spreader moving state after collision and spreader landed judgement.
5. Communication is the keystone and difficulty of this paper. As hardware-in-the-loop training simulator has PLC, this paper use Cimplicity HIM software to realize communication between PLC and computer. This software is developed by GE Fanuc and bases on Microsoft Windows NT / Windows 95. For communication between computer and computer, communication between different applications, we use Winsock control, Socket, DDE, and share-memory technology to realize them respectively.
本文主要工作如下：
1．本文将计算机仿真技术、机械设计技术与起重机仿真训练器的研制结合了起来，在分析一般仿真训练器结构和功能的基础上，介绍了半实物和全数字集装箱起重机仿真训练器的结构与原理。其系统结构和功能不仅适应教学的需求，而且在很多方面都具有自我独创性，为我国起重机仿真训练器的发展开辟了道路。
2．根据三维视景生成原理，在参考上海外高桥现场、对集装箱起重机结构和性能分析的基础上，采用三维视景建模软件Multigen、OpenGVS对码头进行了3D图像建模，包括各种类型的集装箱起重机，集装箱船，相关设备和其他现场物体(如堆场，集装箱，集装箱卡车，房子等)。
3．对集装箱装卸桥运行小车工作过程进行分析，建立了“小车—重物”运动学模型，并在此基础上实现了对其运动的交互控制。
4．碰撞模型是该仿真系统中的一个关键部分。本文通过建立三维坐标系、设置碰撞检测线，很好地解决了吊具运动中的三维碰撞问题，包括碰撞后的吊具运动状态和吊具着箱判断。
5．通讯功能的实现是本文的难点和重点。针对半实物仿真训练器存在PLC的特点，本文采用GE Fanuc开发的基于Microsoft Windows NT和Windows 95的Cimplicity HIM软件来实现PLC与上位机之间的通讯。
卜海海运学院颀卜学位论义 集装箱起重机仿真训练器的研制开发
时于通讯中上位机与上位机之间的通讯，不同应用之间通讯，我们分别
采用 Winsock控件、套接字 （Socket和 DDE动态联接库、共享内存
技术宋实现。
Container crane training simulator is the high-tech production, integrating virtual reality technology, computer simulation technology and mechanical design technology. There is no any successful experience to use for reference in home. After analyzing research and application in this domain in foreign countries, and through self-thinking, practice and creativity, project group of SMU developed two type of container crane training simulator to meet our teaching: one is hardware-in-the-loop training simulator of container crane, the other is digital training simulator of container crane. Its successful develop make us the trailbreaker in this domain in our country, adapting ourselves to the port teaching.
The main work of this paper includes the following:
1. This paper combines crane training simulator with computer simulation and mechanical design, and introduces the structure and theory of hardware-in-the-loop training simulator and digital training simulator of container crane, basing on analyzing the structure and function of general training simulator. Its system structure and function not only meet the need of teaching, but also have self-creativity in many ways, making a good example for our country's developing in crane training simulator.
2. According to the theory of three-dimensional vision building, with the reference to Shanghai Waigaoqiao Terminal, and after analyzing container crane structure and function, this paper uses three-dimensional vision modeling software Multigen, OpenGVS to construct 3-D graphic models of the port, various types of container cranes, containerships, related equipment and other
on-the-spot objects (such as yards, containers, container trucks, houses, etc).
3. On the base of analyzing trolley's moving process, this paper gives the moving model of "trolley-weight". The practical program can realize interactive control.
4. Collision model is the key part of this simulator system. By building three-dimensional coordinate system, setting collision detecting lines, this paper commendably solves the three-dimensional collision problem during spreader moving, including spreader moving state after collision and spreader landed judgement.
5. Communication is the keystone and difficulty of this paper. As hardware-in-the-loop training simulator has PLC, this paper use Cimplicity HIM software to realize communication between PLC and computer. This software is developed by GE Fanuc and bases on Microsoft Windows NT / Windows 95. For communication between computer and computer, communication between different applications, we use Winsock control, Socket, DDE, and share-memory technology to realize them respectively.
引文
1．吴家铸，党岗，刘华峰，程志全，阳明．视景仿真技术及应用．西安：西安电子科技大学出版社，2001
2．汪成为，高文，王行仁．灵境(虚拟现实)技术的理论、现实及应用．北京：清华大学出版社，广西：广西科学技术出版社，1996
3．张茂军．虚拟现实系统．科学出版社，2001
4．刘培志等．分布式仿真中实时网络通讯技术研究．《计算机仿真》，2000．9
5．姚新宇等．半实物仿真系统中实时控制技术．《计算机仿真》，2000．1
6．网冠科技．Visual Basic 6.0控件时尚编程百例．机械工业出版社，2001
7．李锦涛，刘国香．虚拟环境技术．中国铁道出版社，1996
8．包文俊．利用VB实现船舶电站仿真系统的通讯功能．《现代通讯技术》，2001
9．张雨非等．工控组态软件FIX与变电站仿真系统的数据接口．《工业控制计算机》，Vol．14 No．11 2001，11
10．钱学清．集装箱电子控摇技术研究．上海：上海交通大学博士学位论文，1998．6
11．王道义等．《Visual Basic 6使用详解》．机械工业出版社
12．李天启．《Visual Basic 6学习捷径》．北京：清华大学出版社
13．Cimplicity HIM基本系统用户手册(GFK-1181f)
14．同济大学计算数学教研室编．数值分析基础．上海：同济大学出版社，1998
15. Ttakasabrou Data,Toshio Okawa, Oswu Yamaguchi,Hivouki Nagai,Tatsuga Nakajima and Naomi Matsumooto.Anti-sway Control system for container Handling crane. NKK 技报 No150 (1995)
16．彭东恺．轮机模拟器多媒体仿真及教员台部分的开发方法与实现．上海：上海海运学院硕士学位论文，1999．3
17．张慎明，姚建国．调度员培训仿真系统(DTS)的现状和发展趋势．电网技术2002．7
18．行车操作人员计算机考核评价系统及专家系统应用研究．同济大学硕士学位论文，2001．6
19．左文生．行车操作人员培训计算机仿真系统及评分专家系统研究．上海：同济大学硕士学位论文，1994．3
20. Gang Liang,Chonghua Wang,Weijian Mi,Youfang Huang. Development of
Training Simulators. Engineering design conference,2002
21．李剑，王重华，梁岗．半实物仿真训练器通讯功能的实现．上海：上海海运学院学报，2002．9
22．万刚，陈刚，游雄．虚拟城市中地物几何建模技术的研究．郑州：解放军信息工程大学测绘学院
23．张建国，蒋国仁．集装箱船舶大型化和高装卸效率的对策．港口装卸，2000
24．孙国正．面向21世纪的港口物流及其技术与设备．港口装卸，2000
25．赵沁平．DVENET分布式虚拟环境．科学出版社，2002
26．彭传圣．岸边集装箱起重机的发展与选用．水运科学研究所学报，2001．6
27．王志强，洪嘉振，杨辉．碰撞检测问题综述．软件学报，1999．5
28．魏迎梅，王涌，吴泉源，石教英，沙基昌，手术仿真中碰撞检测研究．计算机研究与发展，2002．1
29．曹俊武，郭齐胜，李斌．车辆碰撞检测的一种简化数学模型，2000．6
30．谢薇，郭齐胜，郑长伟，马亚龙．基于OpenGVS的视景仿真的关键技术研究．计算机仿真，2001．11
31．魏迎梅，吴泉源，石教英．虚拟环境中的碰撞检测方法．计算机工程与科学，2001，2
32．张宇，马丽红，余英林．空间模型碰撞检测的向量符号分析方法与实现．中国图象图形学报，1998．12
33．王兆其，赵泌平．面向对象碰撞检测方法及其在分布式虚拟环境中的应用．计算机学报，1998．11
34．范昭炜，万华根，高曙明．基于图象的快速碰撞检测算法．计算机辅助设计与图形学学报，2002．9
35．杨继，陈乃刚，徐卫．虚拟现实中手与虚拟物体碰撞检测的一种算法．计算机仿真，2002．5
36．黄涛．基于VR的起重机仿真训练器实现方法与应用研究．武汉：武汉交通科技大学
2．汪成为，高文，王行仁．灵境(虚拟现实)技术的理论、现实及应用．北京：清华大学出版社，广西：广西科学技术出版社，1996
3．张茂军．虚拟现实系统．科学出版社，2001
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5．姚新宇等．半实物仿真系统中实时控制技术．《计算机仿真》，2000．1
6．网冠科技．Visual Basic 6.0控件时尚编程百例．机械工业出版社，2001
7．李锦涛，刘国香．虚拟环境技术．中国铁道出版社，1996
8．包文俊．利用VB实现船舶电站仿真系统的通讯功能．《现代通讯技术》，2001
9．张雨非等．工控组态软件FIX与变电站仿真系统的数据接口．《工业控制计算机》，Vol．14 No．11 2001，11
10．钱学清．集装箱电子控摇技术研究．上海：上海交通大学博士学位论文，1998．6
11．王道义等．《Visual Basic 6使用详解》．机械工业出版社
12．李天启．《Visual Basic 6学习捷径》．北京：清华大学出版社
13．Cimplicity HIM基本系统用户手册(GFK-1181f)
14．同济大学计算数学教研室编．数值分析基础．上海：同济大学出版社，1998
15. Ttakasabrou Data,Toshio Okawa, Oswu Yamaguchi,Hivouki Nagai,Tatsuga Nakajima and Naomi Matsumooto.Anti-sway Control system for container Handling crane. NKK 技报 No150 (1995)
16．彭东恺．轮机模拟器多媒体仿真及教员台部分的开发方法与实现．上海：上海海运学院硕士学位论文，1999．3
17．张慎明，姚建国．调度员培训仿真系统(DTS)的现状和发展趋势．电网技术2002．7
18．行车操作人员计算机考核评价系统及专家系统应用研究．同济大学硕士学位论文，2001．6
19．左文生．行车操作人员培训计算机仿真系统及评分专家系统研究．上海：同济大学硕士学位论文，1994．3
20. Gang Liang,Chonghua Wang,Weijian Mi,Youfang Huang. Development of
Training Simulators. Engineering design conference,2002
21．李剑，王重华，梁岗．半实物仿真训练器通讯功能的实现．上海：上海海运学院学报，2002．9
22．万刚，陈刚，游雄．虚拟城市中地物几何建模技术的研究．郑州：解放军信息工程大学测绘学院
23．张建国，蒋国仁．集装箱船舶大型化和高装卸效率的对策．港口装卸，2000
24．孙国正．面向21世纪的港口物流及其技术与设备．港口装卸，2000
25．赵沁平．DVENET分布式虚拟环境．科学出版社，2002
26．彭传圣．岸边集装箱起重机的发展与选用．水运科学研究所学报，2001．6
27．王志强，洪嘉振，杨辉．碰撞检测问题综述．软件学报，1999．5
28．魏迎梅，王涌，吴泉源，石教英，沙基昌，手术仿真中碰撞检测研究．计算机研究与发展，2002．1
29．曹俊武，郭齐胜，李斌．车辆碰撞检测的一种简化数学模型，2000．6
30．谢薇，郭齐胜，郑长伟，马亚龙．基于OpenGVS的视景仿真的关键技术研究．计算机仿真，2001．11
31．魏迎梅，吴泉源，石教英．虚拟环境中的碰撞检测方法．计算机工程与科学，2001，2
32．张宇，马丽红，余英林．空间模型碰撞检测的向量符号分析方法与实现．中国图象图形学报，1998．12
33．王兆其，赵泌平．面向对象碰撞检测方法及其在分布式虚拟环境中的应用．计算机学报，1998．11
34．范昭炜，万华根，高曙明．基于图象的快速碰撞检测算法．计算机辅助设计与图形学学报，2002．9
35．杨继，陈乃刚，徐卫．虚拟现实中手与虚拟物体碰撞检测的一种算法．计算机仿真，2002．5
36．黄涛．基于VR的起重机仿真训练器实现方法与应用研究．武汉：武汉交通科技大学