1.1 研究目的

对岸边集装箱起重机进行总体设计，确定岸边集装箱起重机的主要技术参数、工作机构、金属结构。使用VTK（可视化工具函式库）^[1]结合CATIA二次开发系统对岸边集装箱起重机及其工作环境进行数字化三维设计，构建当代物流港口的虚拟现实环境。结合VTK与QT编写GUI交互软件，让使用者在计算机所建立的港口世界中遨游，沉浸在现代化集装箱码头上高耸的起重机与密布的集装箱阵列带来的视觉体验，并可以与岸桥的虚拟化身进行交互，操纵其工作。综上所述，该系统为港口工作人员提供一种学习起重机作业、港口构建的工具；为港机、港口物流教学提供一种使用方便、交互性良好的软件；为使用者提供一种深入了解岸边集装箱起重机作业流程、深刻认识现代化集装箱码头宏伟蓝图的世界。

1.2 研究意义

在世界经济全球化的发展背景下，国家之间的交往日益频繁，对外贸易在一个国家经济中占据着重要的地位。港口作为货物进出、水陆联运的重要枢纽，在整个集装箱运输过程中占有重要地位。作为集装箱码头的主要装卸设备，岸边集装箱起重机在很大程度上决定着集装箱码头的作业能力。岸边集装箱起重机装、卸集装箱属于高空危险作业，驾驶员的操作直接影响人身和财产安全。为了提高操作安全性，岸边集装箱起重机司机必须通过安全技术培训和考核，考核通过后才能持证上岗。因此，开发一套供技术人员了解、学习岸边集装箱起重机工作的系统尤为重要^[2-3]。

随着计算机技术的高速发展，虚拟现实（Virtual Reality:VR）技术已渗透进诸多领域当中。虚拟现实是以计算机为平台，利用虚拟现实硬件、软件资源，实现一种极其复杂的人与计算机之间的交互和沟通过程。利用虚拟现实技术为人类创建一个虚拟空间，并向参与者提供视觉、听觉、触觉、嗅觉、导航漫游等身临其境的感受，亲身体验在虚拟现实世界遨游的神秘、浩瀚的感受。它以检测技术、控制理论、电子通讯、信息处理以及机械工程等众多学科理论为基础、综合了计算机科学、多媒体技术、图像处理、人工智能和神经网络、生理学、心理物理学，以及认知科学等的最新研究成果，创造性地把人类引向了一个全新的四维世界^[4-7]。

利用VTK几何建模技术对岸边集装箱起重机进行三维数字化设计，编写算法生成起重机零件的类^[8-9]。利用CATIA二次开发系统对起重机重要零件进行设计^[10-11]，编写零件的参数驱动软件。二者结合构建港口三维虚拟环境，在计算机前为使用者展现逼真的港口世界。使用者可利用键盘或鼠标与虚拟环境进行交互，在现代化集装箱码头遨游；控制起重机大车、小车、起升机构的工作；进行集装箱搬运。该仿真系统能够正确模拟岸边集装箱起重机的动作，并能在主要性能上与真实起重机工作时的状态相同^[12]。

我国工业生产的不断发展促使岸桥的用量也在不断增长，因而起重机从业人员的数量也在大幅度上升，对作业人员技术能力的要求也不断提高。利用虚拟现实技术的岸边集装箱起重机仿真系统可以使学习工作不依赖于现场作业，不需要在船舶在港和货物装卸的情况下进行，为港口起重机的学习提供了有益工具^[13]。

因此，基于虚拟现实技术的岸边集装箱起重机数字化设计与仿真系统的开发具有理论和实用的意义，其研究价值高，应用前景好。

1.3国内外研究现状

虚拟现实概念从1984年被William Gibson提出以来，在系统仿真领域造成了巨大的影响。20世纪90年代初，E.Robert探讨了可视化仿真的发展前景，此后C.James提出用三维图形渲染二维动画仿真环境的机制。M.bames论述了虚拟现实和系统仿真结合所需要的方法和硬件设备。世界上早期的起重机操作仿真训练机是20世纪80年代由荷兰B051CAT研制的，可以模拟港口岸边集装箱起重机、抓斗起重机的作业，但该模拟器只是初级的，达不到完全的沉浸感和真实感，因此没有被大量使用^[14-15]。