1、.摘 要本文介紹了汽車起重機的重大市場需求和吊裝仿真系統在施工現場吊裝方案制定中的重要性，了解了目前國內外起重機吊裝仿真系統的研究現狀和云計算的研究現狀，對相關仿真技術進行了分析，并針對其他吊裝仿真系統的不足提出一種基于云計算的汽車起重機三維仿真系統研究方法。此系統旨在搭建一個云架構下起重機三維仿真平臺，允許用戶在不同平臺下通過網絡訪問系統首頁和吊裝仿真頁面，形成一種服務器端/客戶端的訪問模式，對仿真功能的擴展和系統的升級帶來很大便利，同時也減輕了客戶端系統的硬件要求。另一方面，云計算中大數據存儲和快速計算的優勢，為該平臺下某些仿真功能的實現提供了相應的技術支持，同時能提高系統三維吊裝仿真速度

2、。本系統中仿真平臺的研究為起重機三維吊裝仿真系統功能的實現提供了基礎，對現場汽車起重機吊裝方案的生成有一定的作用。關鍵字：起重機仿真, 三維吊裝, 云計算 ;II目 錄第一章 緒論11.1 背景介紹21.2 研究內容與意義4第二章 國內外研究現狀52.1 二維仿真研究52.2 三維仿真研究62.2.1 國外研究現狀62.2.2 國內研究現狀72.3 云計算研究現狀8第三章 起重機仿真相關技術分析103.1 起重機仿真建模技術103.2 確定起重機定位區113.3 吊裝路徑規劃123.4 云計算架構的關鍵技術13第四章 方案提出與總結14參考文獻17基于云計算的汽車起重機三維仿真研究 第一章 緒

3、論2第一章 緒論隨著我國基礎設施建設的加強，特別是受建筑、電力、石油、化工等行業迅速發展的拉動，國內起重機尤其是大型起重機的市場需求增長顯著，起重機的結構和各方面性能都有新的發展。完成一次吊裝任務大體上需要經過如下流程：將起重機各部分運輸到吊裝作業地點，然后安裝起重機，進行實際吊裝作業，最后拆卸起重機并將其運回。可由于起重機體積大、重量大，運輸、安裝和拆卸都很花費時間和資源。由此可見，起重機每次吊裝的費用很高，但效率卻不高，而且施工現場存在著危險性，這些并不能從改變起重機的性能而得到大的提升。這就有必要在實際吊裝之前制定一個合理、高效、可靠的吊裝方案，輔助完成施工現場汽車起重機的吊裝，節省吊裝

4、成本和時間，保障汽車起重機和操作人員的安全。目前，大多數是人工制定吊裝方案，先到吊裝現場進行考察，研究吊裝環境，然后選擇所需要的平衡梁、索具、吊耳等輔助設備，再對這些設備進行校核計算和有限元分析，最后選擇合適的起重機完成吊裝。考慮到平衡梁、索具、吊耳等設備很多，起重機的性能參數也非常多，因此手工進行吊裝方案的制定需要花費很多的時間和精力，而且準確性無法保證，并且在方案確定后看不到吊裝方案實施的效果，那么也就不能在真正吊裝之前進行有效性和可行性分析。汽車起重機的作用是在指定地點，將吊裝物體移動到目標位置。整個吊裝過程要消耗能量，消耗時間，而且一般情況下，現場的吊裝是一種嘗試性的工作，沒人知道具體

5、的吊裝行為參數，只是以操作人員的視覺和經驗來判斷吊裝過程及是否達到終點。這在無形之中增加了很多不必要的工作量，對吊裝效率來說也是一種限制。試想，如果我們在現場吊裝之前就能知道具體的吊裝行為參數，那么就能在最短的時間里以最快的速度完成吊裝，吊裝過程也是最為理想的。汽車起重機三維吊裝仿真系統就是在這種情況下提出的。通過仿真系統，希望能夠得到汽車起重機吊裝方案，它可以用來輔助完成施工現場汽車起重機的吊裝。系統還可以模擬起重機吊裝操作，有一個可視化的三維起重機運作畫面可供觀察，可進行人機交互。使用者可以選擇不同型號的汽車起重機，設置某些結構參數，在場景中通過相關的按鍵操作來指導起重機吊裝。現在的很多系

6、統都需要先下載，然后安裝，才能使用，這就對客戶端計算機的硬件配置有一定的要求，占據了內存空間，而且每次升級還需要重新下載安裝，軟件使用麻煩。如果我們能通過瀏覽器直接去訪問系統頁面，完成同樣的起重機機型選擇和吊裝操作，那么對使用者而言無疑更加方便，只需連上網絡就行。這就形成了一種服務器端/客戶端的訪問模式，客戶端通過網絡實行對服務器的訪問，服務器端可以對網頁的訪問進行權限設置。汽車起重機三維仿真中有許多的數據、圖片、文件等需要保存和使用，對服務器端的硬件要求較高，為解決這個問題，我們可以采用云計算技術進行大量數據存儲和計算，提高網頁運行效率。基于云計算的汽車起重機三維仿真系統就是在這種條件下產生

7、的。1.1 背景介紹汽車起重機英文名Truck Crane，是裝在普通汽車底盤或特質汽車底盤上的一種起重機，其行駛駕駛室與起重操縱室分開設置。汽車起重機的底盤性能等同于整車總重的載重汽車，符合公路車輛的技術要求，因此可以在各類公路上通行無阻。汽車起重機配備有上下兩個操縱室，作業時必須伸出支腿以保持穩定。汽車起重機主要由起升機構、變幅機構、回轉機構、起重臂和汽車底盤組成。起升機構控制吊鉤上升和下降，變幅機構改變吊臂的仰角，回轉機構控制車身正、反方向運動。汽車起重機廣泛的應用于運輸、建筑、礦山等行業中，用來裝卸大型零件、移動建筑構件等，它可以在很小的空間中完成大的運輸任務。它具有如下幾個優點：（1

8、）可以自由行動，在承受能力范圍內，能將大量物體進行高效的移動；（2）除了可以作為汽車起重機使用外，能配合其他設備進行其他的工作；（3）不需要其他外加設備就可進行作業，減少了生產成本，降低維修費用；（4）具有獨立的動力裝置，不需要其他導電裝置；（5）可以把物體移動到比汽車起重機本身更高的地方。由于汽車起重機具有這么多的特點，它靈活、起重量大、行駛速度塊，使得汽車起重機的市場需求量越來越大，因此也推動了汽車起重機技術的革新。汽車起重機可載物體從幾噸到上千噸不等，不同型號的起重機起重能力不同。按照起重量可分為輕型汽車起重機（起重量在5噸以下）、中型汽車起重機（起重量在5-15噸）、重型汽車起重機（起

9、重量在15-50噸）、超重型汽車起重機（起重量在50噸以上）。國內汽車起重機與國外的相比還有一定的差距，國內市場汽車起重機的需求量還是很大的。為適用市場需求，各企業也在不斷創新，爭取在保證汽車起重機性能的基礎上開發出起重量更大的產品。國內生產大型汽車起重機的廠家以中聯重科、三一重工、撫挖等公司產品系列較全，國外專業生產大型汽車起重機廠家以利勃海爾、特雷克斯-德馬格、馬尼托瓦克、神鋼等公司產品系列較全，市場占有率較高1。就發展趨勢而言，國內汽車起重機注重于擴大產品的種類，生產出起重量范圍更寬的機型，同時增大起重力矩，滿足大噸位汽車起重機的起重需求，提升汽車起重機各方面的性能，全力打造出自己的品牌

10、。國外汽車起重機向著專業化、標準化、系列化前進，將汽車起重機進行模塊化設計，結合現代計算機技術設計控制模塊，給起重機裝上防撞系統減少其損傷的可能性。綜合來說，國內外汽車起重機將向著更大噸位更易于控制的方向進行創新設計，繼續提高汽車起重機的性能，來滿足市場對汽車起重機更高的需求。下文所提到的起重機均指汽車起重機。虛擬現實技術(Virtual Reality Technique，簡稱VR技術)是1989年美國VPL公司的創建人之一Jaron Lanier提出來的，國內也有人譯為“靈境”、“幻真”等，國外與虛擬現實同類的術語，還有虛擬環境、人工現實及電腦空間等2。虛擬現實是計算機學科的一個分支，能夠

11、逼真的模擬人在自然環境中視覺、聽覺、嗅覺和運動等行為，是以多感知性、沉浸性、交互性和直觀性為基本特征的計算機高級人機界面。它綜合利用了計算機圖形學、傳感技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術等多項技術，使人能夠沉浸在計算機生成的虛擬世界中。使用者不僅能夠感受到在客觀物理世界中所經歷的“身臨其境”的真實性，而且還能突破空間、時間以及其他客觀條件限制，感受到真實世界中沒有的體驗。虛擬現實技術在軍事訓練、室內設計、工業仿真、施工建設等行業應用非常廣泛，效果顯著。隨著互聯網上信息與數據的快速增長，人們對計算機的存儲能力和計算能力有了更高的要求，單一的計算機已經不能滿足需要。為了提

12、高系統的可擴展性和節省成本，一種云計算技術被提了出來。云計算是繼分布式計算、并行處理和網格計算后計算機領域的又一發展，它是一種基于互聯網的計算，能夠提供硬件服務、軟件服務、平臺服務、存儲服務等。云計算的思想源自于一個叫John McCarthy的人，他曾經說過“計算遲早有一天會變成一種公用基礎設施”，這就意味著計算能力可以作為一種商品進行流通，就像煤氣、水電一樣，取用方便費用低廉3。云計算的出現使人們可以直接通過網絡獲取計算能力和數據存儲能力，這給傳統的信息產業帶來了很大的變革，并且已經漸漸成為一種趨勢，為此許多大公司，包括谷歌、亞馬遜、微軟等都推出了與云計算有關的云解決方案，并且將之應用于相

13、關研究項目中。那么什么是云計算呢？IBM將云計算理解為一種計算模式，它能通過網絡以服務的方式將應用數據和IT資源提供給用戶使用，是系統虛擬化的最高境界。加州大學伯克利分校在云計算白皮書中寫到：云計算指的是互聯網上各種服務形式的應用以及被這些服務所依托的數據中心的軟硬件設施，云計算就是軟件服務與效用計算，可分為兩種云：一種是通過即用即付方式提供給公眾的叫公共云；一種把不開放給公眾的內部數據中心資源叫私有云4。簡單的說，云計算就是利用虛擬化技術，通過網絡來提供大規模數據計算、存儲和管理的一種計算模式。在這種模式下，用戶不需要購買硬件設備和軟件，只需要付費給提供云計算服務的供應商就能獲取到資源。1.

14、2 研究內容與意義本課題研究的主要內容是在云平臺下，搭建一個汽車起重機三維吊裝仿真系統，用戶可以通過網絡進行訪問，實現多平臺快速可操作性。為觀察三維吊裝仿真過程，系統需要實時顯示汽車起重機操作圖。為實現多平臺操作，需要建立遠程訪問程序，將服務器端和客戶端分離，形成一種服務器端/客戶端的訪問模式，將程序和大量數據文件存放在服務器端，客戶端無需下載，連接網絡后，進入系統頁面即可操作。為實現汽車起重機快速高性能仿真操作，在服務器端嵌入云計算技術，在云平臺下，實現服務器端大量數據存儲和高速計算，加快吊裝方案的生成。系統能夠實現三維場景渲染和汽車起重機模型加載，在連接上網絡情況下，允許客服端實現遠程訪問

15、，并進行簡單的汽車起重機吊裝操作。而在服務器端，將大量數據的存儲和計算放在“云”上，加快仿真速度，實現云平臺下網絡訪問的汽車起重機三維吊裝仿真系統。本系統主要針對吊裝行業的吊裝成本高、吊裝效率低的問題，欲研究一個汽車起重機三維吊裝仿真系統，模擬施工現場的狀況，搭建一個虛擬的三維仿真平臺，能夠完成汽車起重機吊裝仿真，將整個吊裝過程顯示出來，并且輸出吊裝方案。此吊裝方案可給施工現場的操作人員提供一個參考，對于實際吊裝方案的制定有一定輔助作用。而且，系統允許不同平臺的客戶端通過網絡進行訪問，便于系統的優化和擴展，服務器端系統的升級不影響客戶端下次訪問。8基于云計算的汽車起重機三維仿真研究 第三章 起

16、重機仿真相關技術分析第三章 起重機仿真相關技術分析起重機三維仿真軟件的作用主要是輔助吊裝人員制定現場吊裝方案，這就要求軟件里除了能實現三維仿真可視化外，還要模擬現場的工況條件，進行起重機運作的實時計算和判斷，保證仿真中起重機的每個運動在實際操作中的可行性。另一方面，為節約吊裝成本、節省吊裝時間，希望仿真輸出中吊裝方案里的吊裝路徑為最佳可行路徑。仿真中需要進行起重機碰撞檢測和路徑規劃，根據現場中起重機的立體結構和起重量，計算其可達最大和最小范圍18，從而判斷在范圍內的路徑為可行路徑，再選擇一條最短的作為最佳路徑。考慮到起重機的移動對仿真過程計算值的影響，一般三維起重機仿真軟件會固定起重機位置，或

17、者在同一個吊裝物移動過程中起重機不會移動，從而起重機位置點的確定就顯得比較重要。根據起重機型號的不同，相應的起重機模型和性能也會不同，要選擇合適的起重機進行吊裝，首先得建立起重機模型。3.1 起重機仿真建模技術對于三維汽車起重機仿真軟件來說，建立合理的、逼真的起重機模型是很重要的。目前有三種方法建立起重機三維模型：基于現有軟件的二次開發建模技術、基于VRML（Virtual Reality Model Language）建模技術、基于Visual C+和OpenGL的建模技術。第一種方法可以用現有的軟件如ProE、AutoCAD等進行二次開發，成本低、周期短，但系統的通用性和交互性不好。第二種

18、方法可以開發出基于網絡的仿真系統，但對于某些軟件的網絡化實現有一定的難度。第三種方法用了Microsoft開發的面向對象的編程語言和性能卓越的三維圖形軟件接口OpenGL，這樣開發的軟件通行強，但編程工作量大。綜合來說，應用第三種方法開發最適宜。文獻十九用第三種方法自主開發了三維引擎SR系統，為三維場景建模提供很好的數據接口，能夠產生高質量的三維圖形。對于起重機吊裝過程的顯示而言，模型越精致越好，而模型越精致仿真速度越慢，這兩個方面存在著矛盾。為盡可能同時滿足系統高可視化和高速度仿真要求，對起重機模型的建立有三個規則19：（1）為滿足運行速度要求，忽略起重機的內部結構，在整體結構上做必要處理；

19、（2）為滿足碰撞檢測需要，起重機的外形尺寸不可少，尤其是涉及到與起重性能相關的尺寸；（3）為體現不同風格的機種，實現起重機主要部分的顏色修改與設置。起重機三維模型建立過程需要很多數據，一般用數據庫來存儲，可分為幾何尺寸和邏輯尺寸。三維引擎接受起重機各部分的幾何尺寸來建立模型，通過邏輯尺寸將各部件組織起來，形成一臺完整的起重機模型。而對于船舶貨物吊裝而言，物體的建模要求卻不相同，僅僅取得好的視覺效果還不行，因為船舶貨物裝卸仿真的主要目的是驗證貨物吊裝的可行性和安全性，同樣在起重機吊裝場景中也應該考慮到吊裝的安全性和可行性。場景中除了起重機外，還有吊裝物和其他設備的建模，模型越細致，仿真時的真實性

20、越高，但是碰撞檢測時計算就越復雜，這時可以采用“細節水平”（LOD-Levels of Detail）技術20。細節水平是以復雜度不同的物體來代替在視覺上同樣的模型，物體的復雜程度取決于物體和觀察點之間的距離。距離越遠，就用越少的多邊形來代替此物體，而當觀察點靠近時，顯示出物體的更多細節，這種方法在碰撞檢測中有一定的應用。3.2 確定起重機定位區在已知吊裝物的情況下，選擇一個好的起重機定位點，能提高吊裝效率和吊裝過程的安全性。汽車起重機的立體構型和吊臂決定了可吊裝空間的最大和最小半徑，而不同的起重機操作如升降、回轉、變幅等所需要的工作區和消耗的能量都不相同，當起重機選擇一個好的定位點時，就能夠

21、最快、最省、最安全的完成吊裝。不同的定位點下，起重機的工作區不同，由此會產生多條吊裝路徑。文獻二十一提出了一種自動生成起重機二維定位區的方法，因為起重機的工作區與場景中障礙物和邊界的限制有關21，和起重機本身性能也有關，用傳統的方法憑著操作者的經驗、技能及適當的規劃來確定起重機的定位點會花費很多時間，且易于出錯。所以，此文獻中提出的這種自動生成起重機定位區的方法可以找到進行吊裝的定位區，使起重機停在某處完成吊裝，同時配合自動尋徑方法，可以找出一條最佳的吊裝路徑。算法是一種有力的工具來優化吊裝過程，但其實現卻不容易，文獻二十一嘗試用算法來選擇起重機定位區。以往的算法都是先考慮起重機的可吊裝區，然

22、后選擇可行的起重機位置，而這個算法先考慮場景中障礙物的位置和邊界值來確定起重機定位區間，根據起重機選型計算起重機吊臂的可運行范圍，最后確定起重機定位點，這樣使施工現場的安全性得到提高。現場中汽車起重機吊臂在移動過程中會有振動，在大噸位起重機中振動會影響系統的控制精度，甚至會引起事故的發生22。為提高安全度，可以在起重機定位時將障礙物的空間擴大，減小起重機工作區，從而確定定位點。當場景中障礙物和邊界限制較多時，提前進行場景分析確定起重機定位區，能夠加快吊裝的完成，節省吊裝成本。3.3 吊裝路徑規劃吊裝路徑規劃23指在有障礙物的吊裝環境中尋找一條從起吊狀態（起點）到就位狀態（終點）的動作序列，使起

23、重機在運動過程中能無超載、無碰撞的完成吊裝。一般的吊裝系統中，允許用戶單獨對起重機進行操作，并且實時顯示吊裝物移動的位置和相關參數，整個吊裝過程只依據用戶的經驗、視覺及手工計算，當移動到終點時顯示吊裝完成。整個過程是一種人工路徑搜索，雖然仿真成本低，但是效率也低。路徑規劃中一個重要的技術是碰撞檢測。為保證施工現場人員和設備的安全，在仿真中不允許起重機發生碰撞，一旦碰撞發生，說明此路徑不可行，原則上應該保持起重機和設備之間有一定的間隙。在三維仿真中，可能發生空間沖突，碰撞檢測就從二維空間上升為三維空間，難度增加，場景中障礙物和起重機的立體構型對碰撞檢測有很大影響。場景渲染中一般選擇特殊立體構型虛

24、擬化施工現場的障礙物24，比如說：正方體、長方體、圓錐、圓柱、球體等，這些特殊多面體的中心和大小比較容易計算，這就簡化了碰撞檢測和吊裝過程參數的計算。當需要可視化障礙物時，可以利用二維基本圖形構造形象化物體，再用一個大的虛擬包圍盒封裝此物體。可以將碰撞檢測分為兩個檢測階段25：粗略檢測階段和精確檢測階段。粗略檢測階段進行各包圍盒之間和包圍盒與起重機組件之間的空間碰撞檢測，排除不可能產生碰撞的物體。如果發生包圍盒碰撞檢測，就進入精確檢測階段，對物體內層結構進行碰撞檢測。這樣先排除一些不可能發生情況，留下碰撞發生率較高的物體，再進行重點檢測，范圍就會縮小很多，從而能夠提高碰撞檢測的效率，但是對障礙

25、物的二次虛擬化增加了系統數據存儲量。起重機安全高效的完成吊裝不僅需要好的吊裝操作，還需要足夠的吊裝時間完成吊裝，默認同一次吊裝過程中場景沒有發生變化，是在靜態環境中完成吊裝。而現實生活中，施工現場是一個動態的環境，在一次吊裝路徑的執行中，有可能出現其他物體。如果與場景中定時出現的物體發生沖突，那么此次路徑就不能再繼續進行，吊裝過程就會失敗，這時提出了一個實時路徑規劃26的概念。一個動態的實時路徑算法被提出，通過快速路徑規劃和避障提高現場操作的安全性和效率。起重機吊裝過程與起重機容量、吊裝路徑、起重機視角等都有關，其中一個好的吊裝路徑是起重機成功吊裝的關鍵。起重機路徑規劃和機器人路徑規劃是不同的