全地面起重机虚拟仿真培训系统基于起重机作业培训需求，采用起重机半实物仿真模拟器结合虚拟仿真实训软件的培训方式，将起重机的各个部件结构、运行过程、操作流程真实地模拟和仿真；学员通过半实物驾驶舱中的操作，可控制虚拟场景中对应起重机进行作业，针对起重机的上下车操作进行培训，掌握操作中的事故临界点与危险点，熟悉具体安全规范要求；系统体现整个起重作业过程和注意点，完成准备、工况设定、物体吊装至指定地点的作业过程；同时还可以对起重机操作室部件认知、下车操作、上车操作、各种工况下对不同物体的吊装操作培训等内容进行考核与评估。
1. 全地面起重机虚拟仿真培训系统建设内容
全地面起重机虚拟仿真培训系统建设内容主要涵盖3D图形渲染
1.1 驾驶舱
驾驶舱的设计参照真实起重机，功能、布局与真实起重机一致，可模拟车辆的行驶，吊臂运行时的受力效果，吊装物体时的重力特性，部件间的碰撞，吊钩摆动，危险状况（如翻车）等。
1.2 多通道环幕投影显示系统
支持多通道软件融合，实现多通道投影和立体显示，大型的环幕投影系统让操作人员的现场感更加逼真。将按照真实比例建模的设备模型和施工场地模型渲染成计算机屏幕上显示的逼真画面，让操作人员获得逼真的操作体验。
1.3 控制系统
利用工业现场总线（CAN总线）与起重机操作室进行硬件设备参数通信，实现通过现实设备操作虚拟设备与状态的实时通讯，同步，互动。
通过USBCAN数据接收卡接受CAN数据帧，按照通讯协议解析后控制虚拟吊车。模拟结果反馈到力矩限制器上显示，实现了仪表显示的真实模拟。
系统还支持鼠标键盘，游戏摇杆等多种操作方式。
并在操作虚拟设备时，根据现实运行原理实时模拟出内部的工作液压，电气系统走向，状态，并可以实时查询和显示各液压，电气元件，控制线路的位置，作用，工作原理。
1.4 虚拟仿真培训系统
虚拟仿真培训系统可用于起重机操作室部件认知培训，下车操作培训，上车操作培训，各种工况下对不同物体的吊装操作培训等；同时学员的操作可以自动记录到数据库中，能够将操作过程回放，操作过程中的错误可以由系统自动判断并进行提示与纠错，并对最终的操作结果进行评分。
1.5 虚拟仿真教学管理系统
虚拟仿真教学管理系统用于管理和记录操作人员的个人信息，操作记录，考试成绩等信息，并能够将历史操作记录调用出来回放，对操作过程进行统计和考核，并导出成独立文件。
2. 全地面起重机虚拟仿真培训系统功能
全地面起重机虚拟仿真培训系统功能主要涵盖高精度三维建模、起重机下车操作模拟、模拟车辆在各种路况下的行驶、上车操作模拟、起吊过程的物理模拟、设备物理特性模拟、被吊重物细节模拟、灯光、声音模拟、支持实物操作室操作虚拟起重机、操作记录数据库功能、场景画中画、视角转换、车辆导航和自动指北功能、实时、自由的交互操作。
2.1 高精度三维建模
严格按照1：1的比例对真实起重机的主要机械结构、施工场地、吊装物体进行三维建模，包括各个可伸缩、可旋转部分，为物理系统的精确模拟与计算提供必要的基础，能够真实地模拟出起重机的操作。
2.2 起重机下车操作模拟
通过物理引擎的车辆模拟，实现起重机下车驾驶操作。驾驶过程中通过物理引擎进行实时的碰撞检测和碰撞力度的反馈。
1) 可以通过外接设备控制车辆。
2) 模拟多种驾驶操作如前进、后退、转大弯、转小弯、原地转弯、上坡、下坡、吊重行走等。
3) 可以控制车辆的加速、减速等效果。
4) 可以实现刹车等效果。
5) 当车辆违规作业时会产生报警，达到危险临界点时可重点提示，严重时会有翻车效果。
2.3 模拟车辆在各种路况下的行驶
全地面起重机虚拟仿真培训系统通过创建一些特殊的路况场景，操作人员可以驾驶车辆在这些路况下行使，违规会产生报警，从而达到训练操作人员驾驶水平的目的。
1) 可以制作有松软路面、障碍物等特殊路况的场景。
2) 可以模拟各种危险情况，如在松软路面行驶时起重机塌陷或倾翻的场景，以提醒司机注意安全。
2.4 上车操作模拟
模拟上车的操作动作如起升、下降、回转、变幅等操作。操作过程中对与错误的操作均会有错误提示和纠正信息。
1) 模拟各种工况（如（主臂工况、轻型主臂工况、固定副臂工况、塔式副臂工况、超起主臂工况等）下的操作和吊装。
2) 模拟多种重量和形状的物体的吊装。
3) 模拟风电，盾构等特定物体的吊装。
2.5 起吊过程的物理模拟
对场景中需要调起的物体赋予重力等属性，可以对吊起重物的过程进行模拟。
1) 在起吊过程中对起吊重量进行判断，超过安全范围会进行警报。
2) 可以模拟吊起重物效果，物体和吊钩会在重力作用下自然晃动，违规操作会报警，重物因为事故掉落时会按自由落体跌落到地面发生事故。
3) 吊臂和吊绳根据真实系数设定，达到自然、真实的效果。
2.6 设备物理特性模拟
通过物理引擎，能过对设备的细节进行模拟：
1) 车辆运行过程中的颠簸情况；
2) 吊车车辆在刹车时候的惯性效果；
3) 吊绳的摆动；
4) 吊钩的摆动；
5) 物体碰撞后的力反馈效果
2.7 被吊重物细节模拟
被吊取的重物的物理模型，需要实现以下细节的模拟：
1) 具有和显示模型一致的碰撞检测形状；
2) 吊取重物重心的不同，被吊取所产生的运动也不同；
3) 吊取重物的吊取位置不同，吊起的姿势也不同；
4) 被吊取物体和整个场景均有碰撞检测，能反馈碰撞力度；
2.8 灯光、声音模拟
将实物起重机的车灯、指示灯、电机动力音效、报警音效等各种音效进行录制。经过加工处理后，在模拟过程中，根据模拟结果调用出对应的音效播放，使得模拟具有真实感。
1) 实现车辆各种灯光和各种声音的模拟。
2) 实现各种报警灯的效果模拟。
3) 实现场景灯光的模拟。
4) 模仿吊车在上车操作，下车驾驶过程中各种声音的模拟。
2.9 支持实物操作室操作虚拟起重机
为了让操作人员获得最逼真的操作体验，系统支持通过半实物操作室来操作虚拟起重机，这样操作人员使用的是实物操作设备，得到和现场操作一样的操作体验。
虚拟现实系统USB-CAN数据接收卡，通过CAN总线与操作室的设备进行数据通讯，将操作室的传感器数据和操作信号，开关量送入虚拟现实系统中进行模拟，然后将模拟结果送回CAN总线，并在操作室设备如力限器上显示模拟得到的设备数据结果。
2.10 操作记录数据库功能
对学员的培训操作，全地面起重机虚拟仿真培训系统将会自动记录操作流程。记录的操作流程可以用来对学员的虚拟操作进行自动评分，也可以通过回放的方式重现该操作。操作数据可以采用数据库系统，建立每个培训人员的培训历史和操作记录以及考核分数。
2.11 场景画中画、视角转换、车辆导航和自动指北功能
全地面起重机虚拟仿真培训系统通过画中画效果，实时显示一些特殊的细节；通过相机切换等功能在车内和车外切换视角；此外，操作人员还可以通过导航图和指北针功能定位车辆。
可以通过摄像机切换用户视角，驾车时视角在驾驶员位置，起吊重物时为了方便观察可以将视角切换到车外。
1) 可以实现画中画等功能，主视图控制车体的同时，在辅视图中可以实时观看操作的细节，比如吊起重物时可以在辅视图中观看吊钩里重物的距离，以方便使用者进行操作。
2) 可以制作导航图，实时显示车辆在场景中的位置，对其进行定位。
可以随时调出指北针，进行车辆自动指北，以对行进的方向进行调整。
2.13 实时、自由的交互操作
学员在输入设备进行的驾驶操作，将会实时计算物理运动，并且实时反映到视图场景中。操作中出现的互动、报警反馈都将实时的展示在用户面前。
学员在对虚拟场景的操作完全自主自由，所产生的结果会实时的反应到场景当中。所做的危险操作和严重后果（如车辆侧翻）将会出现报警和虚拟结果展示。
学员操作交互性采取可视、可听、立体投影、动作反馈等4D感触，以达到让虚拟系统的使用者感受到逼真的真实感。
全地面起重机虚拟仿真培训系统通过虚实结合的方式，给起重机培训提供了一个高效、安全、成本低的解决方案。
