TWI444939B - 工程吊車之模擬系統及其方法 - Google Patents

Description

工程吊車之模擬系統及其方法

本發明係關於一種模擬系統及其方法，尤指一種適用於工程吊車之模擬系統及其方法。

於現代營建工程中，工程吊車扮演著舉足輕重之地位，以鋼構建築工程為例，約有25%工程費用與吊車及其作業直接相關，故吊裝施作之效率為營建工程探討的重要課題，而合適的工程吊車模擬可提供數值化及視覺化的資訊，使操作機具人員經由先期吊裝模擬訓練中獲取完善之施工資訊，進而避免實際施工上可能發生的問題。且現今之吊車操作較傳統施工更為複雜，建築之構件外型亦更多樣化，需要更細微且小心的吊裝操作，此外，預製施工法亦增加吊裝設備之使用頻率，因此於現代施工技術中，於電腦上規劃精確之吊裝計畫是相當必要的。

近幾年來，吊裝行為的電腦視覺化技術被廣泛使用於協助吊裝計畫與訓練，免除了空間與時間之限制，電腦視覺化之吊裝規畫相較於紙上作業規畫更能被工程人員所理解，這些使用電腦視覺化技術的模擬系統大致上可分為三種：教學模擬系統、半自動及全自動模擬系統。於教學模擬系統方面，商業吊車操作訓練模擬系統已有SimLog及CMLabs等二家公司販售，其提供客製化且融入性之環境予吊車操作者操作虛擬之吊車，這些系統可依特殊需求客製成專門之訓練操作，其係使用以物理為基礎之模擬方法。

於半自動模擬系統方面，一般使用動畫軟體如3D studio Max或Maya，其主要的方法係對虛擬之目標定義重要的畫面或指令，系統再自動衍生一系列之動作，使用者必須於動畫中設定關鍵之畫面，此種技術適用於計畫吊裝之移動方向，然而若要產生細微之動作，使用者需要輸入大量之關鍵畫面以決定每一畫面之間的合理行為，故其於模擬複雜行為之實際案例中並不是一種高效率的方法。

自動模擬系統係結合現代搜尋處理或來自數值化運動學中的嘗試錯誤技術以及移動規劃，以自動地產生虛擬吊車的移動，使用者只需要設定施工地點之初始條件，電腦便會決定出最高效率、安全且無碰撞的路徑模擬吊裝行為。這種技術一般用於協助吊裝計畫，透過吊車工作路徑的最佳化，工程人員得以知道計畫中還有哪些地方不足並於電腦上改善，但此種模擬系統最大的困難點在於實際操作中所規畫的路徑或移動能否真正實行。

然而因為建築結構的多樣化，現今之吊車操作較傳統施工更為複雜，模擬系統需要更詳細的吊裝行為敘述，以提高其擬真性，上述之教學施工模擬系統僅是使用於簡單訓練的模擬場景，為能協助其使用於其他目的，例如規劃吊裝計畫或證實由自動技術建立之施工路徑的可行性及合理性，因此，本發明提出一種模擬實際吊裝作業之技術，藉由與真實情境近似之物理行為，提高工程吊車之操作與吊裝作業的擬真性，進而延伸應用於吊裝計畫的完整模擬，以評估施工路徑的可行性及碰撞機率等等，讓先期的吊裝計畫具有更高的可信度。

有鑒於上述吊裝計畫模擬系統之擬真性仍不夠的問題，本發明提供一種工程吊車系統之模擬方法，其中，於工程吊車系統中建立一工程吊車數值模型，其包括一可操作性機具模型(Manipulation model)及一非操作性懸吊模型(Suspension model)，可操作性機具模型包括吊車之履帶、機身及吊臂部件之數值模型，以模擬可操作性、剛性之工程吊車部件的連續動作，而非操作性懸吊模型包括吊車之吊索及吊鉤部件之數值模型，以模擬動態行為明顯之部件的晃動及碰撞等物理行為。

本發明工程吊車系統之模擬方法(其中該工程吊車系統中建立之工程吊車數值模型包括一可操作性機具模型及一非操作性懸吊模型)，包括下列步驟：(A)接收指令以產生可操作性機具模型各可動部件之位置及方向參數變化量；(B)累加可操作性機具模型中各可動部件之位置及方向參數；(C)擷取可操作性機具模型與非操作性懸吊模型連接點之位置及方向參數，並代入非操作性懸吊模型；(D)以非操作性懸吊模型之各參數進行矩陣運算，得到非操作性懸吊模型之各部件位置與方向資訊；以及(E)根據工程吊車各部件之位置與方向參數判斷是否發生碰撞，若是，於工程吊車數值模型中加入碰撞之限制條件，再計算各部件位置與方向資訊。

本發明工程吊車系統之模擬方法，細節之部分詳述如下：首先，使用者輸入操作指令以產生可操作性機具模型各可動部件之位置及方向參數變化量，系統會累加可操作性機具模型中各可動部件(履帶、機身及吊臂等)之位置及方向參數，並擷取可操作性機具模型與非操作性懸吊模型連接處之位置及方向參數，將其代入非操作性懸吊模型，再依據非操作性懸吊模型之各參數進行矩陣運算，得到非操作性懸吊模型之各部件(吊索及吊鉤等)位置與方向資訊，且系統可根據工程吊車各部件(履帶、機身、吊臂、吊索及吊鉤等)之位置與方向參數判斷是否發生碰撞，若是，於工程吊車數值模型中加入碰撞之限制條件，再計算各部件位置與方向資訊，最後系統以可操作性機具模型與非操作性懸吊模型之位置與方向資訊進行三維動態影像繪圖，並輸出於顯示裝置上。

本發明所提供之工程吊車系統的模擬方法，其包括吊車之吊索及吊鉤部件的數值模型，能用以模擬吊索及吊鉤部件實際晃動及碰撞之動態物理行為，故能進行吊裝作業的詳細模擬，提高擬真性並減少與實際施作過程中之差異。

本發明提出之工程吊車模擬系統包括有輸入裝置、處理裝置以及顯示裝置，其中，輸入裝置接收指令或提供使用者輸入指令以操控模擬系統中之虛擬吊車，而處理裝置包括運算單元、碰撞偵測單元、儲存單元以及繪圖單元。運算單元是用以進行工程吊車數值模型(操作性機具模型及非操作性懸吊模型)之矩陣運算，以求得工程吊車各部件(履帶、機身、吊臂、吊索及吊鉤等)於模擬過程中的位置及方向。碰撞偵測單元可以偵測工程吊車各部件(履帶、機身、吊臂、吊索及吊鉤等)是否發生碰撞之情況，若是，加入碰撞之限制條件再計算各部件的位置與方向，若否，則將工程吊車各部件(履帶、機身、吊臂、吊索及吊鉤等)於模擬過程中之位置及方向資訊透過繪圖單元轉換成為三維動態影像，且吊裝作業模擬之過程會記錄於儲存單元中，而模擬完成之工程吊車的三維動態影像則呈現於顯示裝置上。

於本發明中，前述之輸入裝置可以是鍵盤、滑鼠、搖桿及操控平台，而顯示裝置可以是一平面顯示器、複數個平面顯示器之組合及投影設備，前述裝置再配合本發明之工程吊車模擬系統，俾能讓使用者於虛擬環境中操作工程吊車詳細地模擬各種吊裝情境，以評估施工路徑的可行性及碰撞機率等，進而規劃有效率且安全的吊裝作業。

有關本發明之工程吊車之模擬系統及其方法，請先參閱圖1，圖1為一較佳實施例之工程吊車模擬系統1的架構圖，其包括有輸入裝置10、處理裝置11以及顯示裝置12，其中，輸入裝置10提供使用者輸入指令以操控模擬系統中之虛擬吊車，而處理裝置11包括運算單元110、碰撞偵測單元111、儲存單元113以及繪圖單元112。運算單元110是用以進行工程吊車數值模型之矩陣運算，以求得工程吊車各部件於模擬過程中的位置及方向。碰撞偵測單元111可以偵測工程吊車各部件是否發生碰撞之情況，若是，加入碰撞之限制條件再計算各部件的位置與方向，若否，則將工程吊車各部件於模擬過程中之位置及方向資訊透過繪圖單元112轉換成為三維動態影像，且吊裝作業模擬之過程會記錄於儲存單元113中，而模擬完成之工程吊車的三維動態影像則呈現於顯示裝置12上。

請參閱圖2，其為一較佳實施例之工程吊車數值模型2的示意圖，本發明針對工程吊車之物理特性發展數值化之吊車模型，依據吊車各部件活動之性質，將工程吊車數值模型2分為可操作性機具模型21及非操作性懸吊模型22二部份，可操作性機具模型21包含履帶211、機身212、吊臂213等剛體部份之數值模型，而非操作性懸吊模型22則包含吊索221與吊鉤222等動態部份之數值模型，模擬系統判別履帶211、機身212、吊臂213等剛體位置的改變量，再將此改變量視為外來之力代入非操作性懸吊模型22中，以決定吊索221與吊鉤222等動態部份之運動，如此即能模擬吊索221與吊鉤222真實甩動的物理行為。

其中，可操作性機具模型21是依據前序運動學(closed－form forward kinematics)之原理所建構，前序運動學定義各部件連結的從屬結構及座標轉換運算，以求得工程吊車機具於虛擬環境中的幾何位置，配合使用者輸入之操作指令，即能動態地反映虛擬吊車的動作行為。而非操作性懸吊模型22是依據約束剛體動力學(constraint－based rigid body dynamics)所建構，約束剛體動力學描述各部件之運動限制，於運動方程式中求取受限制之力作用下的位置與方位資訊，表現出類似真實世界的物理行為，故本發明之工程吊車模擬系統能進行吊裝作業的詳細模擬、提高擬真性並減少與實際施作過程中之差異。

請參閱圖3，其為本發明一較佳實施例之工程吊車系統模擬方法的流程圖，亦請同時參閱圖2，首先，使用者透過輸入裝置10輸入操作指令以產生可操作性機具模型21中履帶211、機身212及吊臂213等可動部件之位置及方向參數變化量(步驟31)，模擬系統會累加可操作性機具模型21中各可動部件之位置及方向參數，並擷取可操作性機具模型21與非操作性懸吊模型22之連接處23(示於圖2)的位置及方向參數，將其代入非操作性懸吊模型22中，再依據非操作性懸吊模型22之各參數進行矩陣運算，以得到非操作性懸吊模型22中吊索221及吊鉤222等部件之位置與方向資訊，且模擬系統可根據工程吊車中履帶211、機身212、吊臂213、吊索221及吊鉤222等部件之位置與方向參數判斷是否發生碰撞，若是，於工程吊車數值模型中加入碰撞之限制條件，再計算上述各部件之位置與方向資訊，最後，依據可操作性機具模型21與非操作性懸吊模型22中之位置與方向等資訊進行三維動態影像繪圖，並輸出於顯示裝置12上。

於本實施例中，前述之輸入裝置10是為鍵盤、滑鼠、搖桿及操控平台，而顯示裝置12是為一平面顯示器、複數個平面顯示器之組合及投影設備，上述之裝置再配合本發明的工程吊車模擬系統，俾能讓使用者於虛擬環境中操作工程吊車詳細地模擬各種吊裝情境，以評估施工路徑的可行性及碰撞機率等，進而規劃有效率且安全的吊裝作業。

為能讓讀者更瞭解本發明之技術內容，本發明另以模擬柱吊裝作業及雙吊車協同作業為具體實施例說明如下，請先參閱圖4，圖4為本發明之工程吊車模擬系統模擬柱吊裝作業過程示意圖，如圖4(a)~(c)所示，首先將虛擬吊車4之吊鉤41與柱狀物體7連接(示於圖4(a))，於本實施例中，柱狀物體可為一樑柱、一圓柱、一鋼柱或一貨櫃等大型物體，接著，操作員透過輸入裝置10操作虛擬吊車4以將柱狀物體7升起(示於圖4(b))，使柱狀物體7逐漸垂直於地面9，於實際之吊裝作業過程，優秀之吊車操作員必須在升起柱狀物體7時將晃動減至最低，最後使柱狀物體7離開並垂直於地面9，再將柱狀物體7通過無碰撞之路徑移動至預定位置後放下(示於圖4(c))，如此即完成柱吊裝作業之模擬。

於現代建築工程中，上述之柱吊裝作業佔吊車作業時間中的大多數，為能減少成本及提高建造速率，故必須控制吊裝進度並規劃高效率之工作路徑，本發明之系統於虛擬環境中可針對複雜之吊車操作進行重複測試，故能協助規劃詳細之吊裝作業。

於實際之建築工程中，雙吊車協同作業意味著高度風險及獨特之建築案例，尤其是特別且大尺吋之建造物，例如：石油槽，此種大型物體之吊裝作業需要同時操作二台吊車以在吊裝過程中維持物體之穩定，於此請參閱圖5，圖5為本發明之工程吊車模擬系統模擬雙吊車協同吊裝石油槽過程的示意圖，如圖5(a)~(d)所示。

首先將第一虛擬吊車5之懸架51固定於石油槽8之頂端81，第二虛擬吊車6之懸架61固定於石油槽8之底端82(示於圖5(a))，接著第一虛擬吊車5將石油槽8之頂端81升起，於此同時，第二虛擬吊車6維持石油槽8之平穩以減少其晃動，並隨著第一虛擬吊車5將石油槽8之底端82升起，直到石油槽8位於距離地面9一適當之高度(示於圖5(b))。然後，第一虛擬吊車5繼續將石油槽8之頂端81升起，第二虛擬吊車6同時穩定地向第一虛擬吊車5靠近，以使石油槽8便逐漸垂直於地面9(示於圖5(c))，最後，當石油槽8完全垂直置於地面9時，將第二虛擬吊車6之懸架61脫離石油槽8之底端82(示於圖5(d))，第一虛擬吊車5完成剩餘之吊裝步驟後，即完成雙吊車協同吊裝石油槽之模擬。

雙吊車協同作業不僅需要好的操作技巧，亦需要二台吊車之間良好的協調能力，由於雙吊車協同作業之獨特性及昂貴成本，於吊裝計畫之專業領域中，雙吊車協同作業被視為須要詳盡之計畫的關鍵工作項目，故其十分必要透過工程吊車模擬系統協助規劃詳細之雙吊車協同作業，同時並能增進操作人員操作工程吊車之技巧，以降低吊裝作業之風險。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1．．．工程吊車模擬系統

10．．．輸入裝置

11．．．處理裝置

110．．．運算單元

111．．．碰撞偵測單元

112．．．繪圖單元

113．．．儲存單元

12．．．顯示裝置

2．．．工程吊車數值模型

21．．．可操作性機具模型

211．．．履帶

212．．．機身

213．．．吊臂

22．．．非操作性懸吊模型

221．．．吊索

222．．．吊鉤

23．．．連接處

31,32,33,34,35,36,37．．．步驟

圖1係本發明一較佳實施例之工程吊車模擬系統架構圖。

圖2係本發明一較佳實施例之工程吊車數值模型示意圖。

圖3係本發明一較佳實施例之工程吊車系統模擬方法的流程圖。

圖4係本發明一較佳實施例之工程吊車模擬系統模擬柱吊裝作業過程的示意圖。

圖5係本發明一較佳實施例之工程吊車模擬系統模擬雙吊車協同吊裝石油槽過程的示意圖。

1．．．工程吊車模擬系統

10．．．輸入裝置

11．．．處理裝置

110．．．運算單元

111．．．碰撞偵測單元

112．．．繪圖單元

113．．．儲存單元

12．．．顯示裝置

Claims (13)

1. 一種工程吊車系統之模擬方法，其中，該工程吊車系統中建立之工程吊車數值模型包括一可操作性機具模型及一非操作性懸吊模型，該工程吊車系統包括一輸入裝置、一處理裝置、及一顯示裝置，且該處理裝置包括一運算單元、一碰撞偵測單元、及一繪圖單元，該方法包括下列步驟：(A)該輸入裝置接收指令以產生可操作性機具模型各可動部件之位置及方向參數變化量；(B)該處理裝置累加可操作性機具模型中各可動部件之位置及方向參數；(C)該處理裝置擷取可操作性機具模型與非操作性懸吊模型連接點之位置及方向參數，並代入非操作性懸吊模型；(D)該運算單元以非操作性懸吊模型之各參數進行矩陣運算，得到非操作性懸吊模型之各部件位置與方向資訊；以及(E)該碰撞偵測單元根據工程吊車各部件之位置與方向參數判斷是否發生碰撞，若是，於工程吊車數值模型中加入碰撞之條件，再計算各部件位置與方向資訊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其更包含下列步驟：(F)該繪圖單元以可操作性機具模型與非操作性懸吊模型之位置與方向資訊進行繪圖，並輸出於該顯示裝置上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該可操作性機具模型係依據前序運動學之原理所建構。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該可操作性機具模型選自下列可操作性部件之數值模型：吊車之履帶、機身及吊臂，以模擬該等部件之連續動作。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該非操作性懸吊模型係依據約束剛體動力學所建構。
6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該非操作性懸吊模型選自下列非操作性部件之數值模型：吊車之吊索及吊鉤，以模擬該等部件之晃動及物體碰撞的動態行為。
7. 一種工程吊車之模擬系統，包括：一輸入裝置，用以接收指令；一處理裝置，用以累加可操作性機具模型中各可動部件之位置及方向參數，以及擷取可操作性機具模型與非操作性懸吊模型連接點之位置及方向參數，並代入非操作性懸吊模型，該處理裝置包括：一運算單元，非操作性懸吊模型之各參數進行矩陣運算，得到非操作性懸吊模型之各部件位置與方向資訊於模擬過程中；一碰撞偵測單元，偵測根據工程吊車各部件之位置與方向參數是否發生碰撞之情況，若是，加入碰撞之條件再計算各部件的位置與方向資訊；一儲存單元，記錄模擬之過程；及 一繪圖單元，將模擬過程中之資訊轉換為三維動態影像；以及一顯示裝置，用以呈現模擬完成之三維動態影像。
8. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中，該可操作性機具模型係依據前序運動學之原理所建構。
9. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中，該可操作性機具模型選自下列可操作性部件之數值模型：吊車之履帶、機身及吊臂，以模擬該等部件之連續動作。
10. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中，該非操作性懸吊模型係依據約束剛體動力學所建構。
11. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中，該非操作性懸吊模型選自下列非操作性部件之數值模型：吊車之吊索及吊鉤，以模擬該等部件之晃動及物體碰撞的動態行為。
12. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中，該輸入裝置是為鍵盤、滑鼠、搖桿或操控平台。
13. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中，該顯示裝置是為一平面顯示器、複數個平面顯示器之組合或投影設備。