上海交通大学
硕士学位论文
塔式起重机远程虚拟监控建模与运行可视化研究
姓名：李超
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：李彦明
20090201
塔式起重机远程虚拟监控建模与运行可视化研究
摘 要
塔式起重机是各类高层建筑和大型建设工程必不可少的施工设备。随着建筑业的蓬勃发展，塔机也向大型化、高速化、智能化方向发展，从而对其安全性也提出了更高要求。本文结合国家863项目(2007AA04Z419)“大型塔式起重机安全状态实时监控及预警关键技术研究”，利用虚拟现实技术开发塔式起重机远程虚拟监控系统。建立塔机运动模型并确定关键远动参数，通过现场传感信息驱动塔机动作，基于DirectX技术构建虚拟场景渲染引擎，最终实现了一个三维、具有高度逼真性、实时性、交互性的塔机实时监控系统。
本文主要研究内容包括：
1、建立起完善的塔机三维模型与环境模型库。根据塔机的结构与运动特点，分析塔机各部件之间的拓扑关系，建立起各类塔机模型部件库；根据虚拟场景中的环境要素特点采用相适应的建模技术完成模型建构；同时对于建模技术的几个关键问题实现优化。
2、实现塔机远程虚拟监控系统的可视化与操作性。基于计算机图形学，采用DirectX设计虚拟监控系统的渲染引擎，既实现了逼真、准确、生动的三维图像显示，而且实现了人机交互操作。
3、对于塔机虚拟监控系统的视觉呈现能力进行优化。从虚拟监控系统的3D裁剪、深度缓冲、快速可见性计算三方面进行优化研究，不仅提高监控平台的画面呈现的逼真性，而且进一步增强系统的实时性。
4、完成塔机虚拟监控系统的实现。集成各功能模块开发的塔机虚拟监控系统具有高度沉浸感和交互性，用户可多方式、高效全面地实现远程监控；塔机场景建模模块实现了参数化建构塔机虚拟场景，使得本塔机虚拟监控系统具有广泛的适应性。
关键词：虚拟监控；远程监控；传感信息驱动；塔机
RESEARCH ON MODELING TOWER CRANE AND VISUALIZATION OF THE MOVEMENT FOR THE REMOTE
VIRTUAL MONITORING SYSTEM
ABSTRACT
Tower cranes are essential equipment for large construction projects. With the construction boom, tower cranes are becoming large-scale, high-speed and intelligent, and thus the more secure system for them is required. Based on the national 863 project “Research on remote monitoring and intelligent maintenance of tower cranes”, a remote virtual monitoring system for tower crane is implemented by adopting virtual reality technology. The kinematical model of tower cranes is built and the key motion parameters are defined also. The virtual tower cranes are driven with the data from sensors in field. The rendering engine of virtual scene is developed with DirectX. So a real-time monitoring environment is achieved, which is 3D, highly vivid and interactive.
The main research contents in this thesis are as follow:
1. Establish the total scene and the tower crane model library. According to the characteristics of the structure and movement of tower cranes, analyze the relationship between every part of the cranes, and then create the 3D models; Model the environmental elements through suitable technology; achieve optimization of several key issues for modeling.
2. Realize the visualization and interoperability of the remote virtual monitoring system for tower crane. Design the rendering engine for monitoring system with DirectX. Then achieve a realistic, accurate and vivid 3D image display, and realize the human-computer interaction.
3. Optimize the visual representation for the monitoring system. The aim of study is not only to improve the realistic picture, but also to enhance the real-time system.
4. Achieve the virtual monitoring system of tower cranes. The monitoring system has high sense of immersion and interactivity, and the users could monitor the tower crane in many ways; the virtual working scene could be constructed quickly with parameterized design, which make the monitoring system has a wide range of adaptability.
KEY WORDS: virtual monitoring; remote monitoring; sensor data based driven; tower crane
上海交通大学
学位论文原创性声明
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上海交通大学
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日期： 年 月 日 日期： 年 月 日
第一章 绪论
1.1课题来源、课题背景及研究意义
1.1.1课题来源
课题来源于国家863项目(2007AA04Z419)：大型塔式起重机安全状态实时监控及预警关键技术研究（Research in remote monitoring and intelligent maintenance of tower cranes)。随着建筑业的蓬勃发展，塔机也向大型化、高速化、智能化方向发展，从而对其安全性也提出了更高要求。状态安全监控成为保证塔机可靠工作的重要手段和研究热点。
1.1.2课题背景及研究意义
塔式起重机是各类高层建筑和大型建设工程必不可少的施工设备。它具有工作效率高、适用范围广、回转半径大、起升高度高、操作方便，安装与拆卸也比较方便等特点，在建筑安装施工中得到了广泛的使用，并成为吊运各种建筑材料、物件、装配工具的主要施工机械。近年来，随着我国经济建设的高速增长，基础建设规模不断扩大，特别是高层建筑施工的不断增多，塔式起重机的使用也越来越普及，塔机成为国民经济建设提供了有力的装备支持。但是，随着塔机的广泛使用，塔机在使用过程中出现倒塌、断臂等事故现象也日益严重，给社会带来的损失也无法估量。随着建筑业的蓬勃发展，塔机在向大型化、高速化、智能化方向发展的同时，也对其安全性也提出了更高要求。
目前我国的起重设备只有简单的安全装置，没有在线安全监测系统，安全隐患严重。操作者不能实时直观地看到所吊物的实际重量、小车位置与起吊高度，只能凭肉眼与估计进行判断，带有很大的盲目性。且塔机的起重量限制器与力矩限制器均为机械式，靠人为事先手动调节限位开关的触点位置来设定超载报警与停机值。若手动调节值过大，重量与力矩限制器形同虚设；调节值过小，又影响设备的正常运行。有的作业人员为了省事，有意将力矩限制器拆除或放大调节值。由于设备本身没在线监测系统，这样违章的情况，设备管理者是无法监视的，造成重大安全隐患。据权威部门对1200台事故塔机的跟踪调查发现，80%的事故是
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由于人为的违章与超载引起的。如果起重设备本身能够从技术上作到上杜绝和防范人为违章行为，事故发生率一定会大幅度降低。
状态安全监控成为保证塔机可靠工作的重要手段和研究热点。文献[1-5]对塔机现场实时状态监控进行了研究，随着Internet技术和无线通讯技术的发展，机械装备的实时监控与诊断日益朝WEB化和无线远程化发展[6-9]，已经构建了基于数据的远程监控系统结构和通道。但对于现场作业复杂的工程机械而言，技术和管理人员往往需要远程对装备的作业情况有个直观了解，基于摄像头的远程视频工况监控系统只能监控一两个最重要的机构动作，由于传输数据量大，使其只能在驾驶室应用，不能用作远程工况视频监控[10]。而采用VRML构建的基于B/S的虚拟监控系统，效率低下、着色渲染速度慢、没有底层控制[11]，并不能满足塔机远程监控系统的需要。而采用“示意图+图例+数据”的平面图形人机交互界面实时显示塔机的运行信息，使用动态示意图或图例的方式模拟塔机的运行。这种信息呈现方式具有许多缺点：
（1）同一时刻只能用2D图形模拟单个机械或机械某个部件在某一投影面上的运行信息，信息量不够全面；
（2）虽然也可以采用轴测图模拟三维运动，但是这也只能是在预先确定的投影视角下的运行模拟，而且非常不容易实现；
（3）用户无法自由地改变监测点和监测视角，以获取感兴趣的信息；
（4）无法同时显示塔机运行时周围的环境对象，运行模拟没有参照，不够直观。
现有的方式遮盖了大量的运行姿态和运行环境信息，同一时刻的监测视觉信息量非常有限，缺乏与用户的交互而且不够直观形象。同时，由于系统大多采用组态软件进行开发，价格也[12-13]非常昂贵。
塔式起重机的应用与发展使得机械生产商和设备管理层对安全监控系统的要求越来越高，不仅仅是正确控制和运行，而且希望全面地监控设备运行的姿态、运行状况、运行效率以及各种流程的复杂信息。所以，当前形势迫切需求一个监控系统能够基于三维、具有沉浸感和交互性的实时仿真环境，实时立体模拟显示塔式起重机的运行姿态、运行环境和运行状况信息。用户可以漫游其中，任意调整观察点和观察视角进行实时监测，传统的监控系统很难胜任这种需求。
随着计算机技术的发展和普及，计算机技术在各行各业中的应用越来越广泛，在科学技术的发展中起着越来越重要的作用。在机械工业中，传统技术与计算机技术的结合也越来越紧密。自美国VPL公司的创建人Jaron Lanier于二十世纪八十年
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代首先提出“虚拟现实”的概念以来[14-15]，虚拟现实技术日益受到国内外学者的重视，并已在航空航天、军事、科研、工业、医学、教育、娱乐等许多领域得到了应用。虚拟现实技术可以为用户提供实时交互性操作、三维视觉空间和多通道的人机界面，可以对真实世界进行动态模拟，产生的动态环境能对用户输入做出实时响应。虚拟现实技术改变了人获取信息的方式，提高人机之间的和谐程度，使人机界面更加直观。虚拟现实的沉浸感和交互性特征为解决当前塔式起重机虚拟监控系统的提供了有效途径。将远程监控系统与虚拟现实技术相结合，立体显示塔式起重机，在监控中心屏幕上显示具有很强真实感的虚拟塔机工作场景。利用虚拟现实技术的视点变换和场景漫游功能也可以方便用户对机械进行全面监测，使用户能够及时、准确、动态地掌握机械设备的运行姿态和运行状况信息。同时，结合现有监控系统中的故障诊断和故障预警技术，就形成了一个三维、具有沉浸感和交互性的塔式起重机远程监控系统。
针对以上情况，结合国家863项目“大型塔式起重机安全状态实时监控及预警关键技术研究”课题，基于DirectX技术开发了一套基于现场传感信息驱动的塔机远程虚拟监控系统。通过三维塔机建模和虚拟场景构建，在C/S架构下，利用Internet/GPRS传输较少量的状态数据信息实现远程监控中心的塔机工况真实再现，为管理和技术人员的管理和评判提供直观依据，并为基于虚拟现实的远程监控技术的实用化打下了一定基础。虚拟系统给用户一个三维沉浸可交互的虚拟场景，实时直观地模拟显示塔机的运行姿态和运行状况信息，并可以从任意视点、任意角度和所期望的分辨率进行观察，在观察的灵活性提高的同时大大提高了视觉信息量，将塔式起重机远程监控系统上升到一个新的阶段。同时，由于虚拟平台的开放性，便于集成管理系统，保证系统的实时性，并最终实现一个集机械管理、设备监控、调度规划与一体的一体化三维虚拟监控平台，对实现塔机监控现代化有重要的意义。
1.2塔式起重机远程监控系统研究现状
塔式起重机早期的产品一般也仅仅具有力矩限制和起重量限制的功能，即起重力矩限制器和起重量限制器。而当前很多国内国际的产品具有更大容量的信息集成度，称为塔机安全监控系统，监测范围从过去的起重力矩、起重量到塔机运行的位置、速度、加速度，甚至还包括风速、温度等信息，因此是全方面多方位的信息集成安全监控。
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1.2.1国内外研究概况
国际上塔机设计制造行业较发达的国家主要有德国、法国、英国、意大利、西班牙、丹麦、俄罗斯、美国和日本。比较著名的厂家有德国的LIEBHERR公司、WOLFF公司、法国的POTAIN公司等几十家制造商，其产品占据国际起重机市场的大部分份额，也代表着塔机生产的最先进技术[16-17]。他们大都根据自己的起重机产品研制有配套的安全监控装置。这些制造商的产品，基本上反映了国外安全监控装置的发展历程、现状和趋势。大型高效起重机的新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。主要由全数字化控制驱动装置、可编程序控制器PLC、故障诊断及数据管理系统、数字化操纵给定检测等设备组成。它赋与起重机信息功能，可进行信息传递、处理及动力控制，大大提高了综合自动化水平。如德国的LIEBHERR起重机融合各家所长，研制成功了LIKAS系列塔机电子监控系统[18]。该系统功能齐全，包括监视系统、力矩限制系统、防碰撞系统及数据记录系统等；大规模点阵彩色LCD液晶显示，采用“图文并茂”方式显示的内容丰富多彩；模块化结构设计，用户可自行开发以适应需要。
国内的安全监控产品开发起步较晚，从80年代初，有关行业、大专院校、研究院所等单位对超载保护装置进行了研究设计、生产，发展至今也已渐成规模，研究方面也有了长足进步。但其主要性能与国外同类产品相比，仍有较大的差距。目前，国内长沙浦沉电子安全信息技术开发有限公司采用汉显技术[19]，监控装置其所有的操作均可用汉字菜单显示，使用操作性强；采用大型液晶图形点阵显示，能直观清晰地显示出起重机工作图形及工况参数；具有独特的自诊断功能，直接用汉字提示出故障现象和处理办法等；具有“黑匣子”功能，可自动记录起重机在作业过程中危险工况，为事故分析处理提供可靠依据。国内产品技术与国外相比仍有较大差距，最主要问题是可靠性与稳定性不能适应复杂运行环境要求，整机性能完善方面也有待提高。
1.2.2国内外研究现状分析
总结国内外研究现状，已经实现的主要功能有：
（1）数据的采集与处理：实现了对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、解析和必要的预处理，并且能够以一定的形式存储和输出，如打印报表、图表输出等，为生产人员提供详实的数据，帮助他们了解现场的运行情况和分析现场的运行状态。
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（2）数据分析功能：实现了将检测到的实时数据、生产人员发出的操作命令和输入的数据参数进行分析、整理、统计和计算，并分别作为实时数据和历史数据加以存储；提供基于专用数据库的监控数据的记录、查询和图形曲线显示。并可提供历史趋势显示与记录功能。
（3）管理功能：能够利用己有的数据、图表、报表等对现场的工作情况进行分析，做出故障诊断和险情预测，并以一定的形式对故障和突发事件进行报警;
（4）控制功能：能够根据采集或是检测数据，经过信息的加工和分析，并根据事先做出的控制策略形成控制输出，直接作用于监控现场，或者由操作人员来完成的远程控制。
现有的塔机远程监控系统中，机械的运行时状态监控是各家软件共同关注的重点，表示形式虽然不尽相同，但全都采用了“示意图+图例+数据”的形式进行呈现。前面已经提到，这种模拟方式遮盖了大量的运行姿态和运行环境信息，监测视觉信息量非常有限，缺乏与用户的交互而且不够直观形象。不能满足现代对临场感和交互性的需求。
为了克服“示意图+图例+数据”模式进行模拟呈现的局限性，有的远程监控系统会加入数字视频监视模块，使用基于IP的网络视频解码端设备，利用工业电视监控系统直观的监视现场作业图像。这种方式虽然可以通过远程控制操作云台调整观察角度实现不同视点的监视，但云台本身的空间调整毕竟有限，而且增加了监控系统的实现成本。对于现场作业复杂的工程机械而言，技术和管理人员往往需要远程对装备的作业情况有个直观了解，基于摄像头的远程视频工况监控系统只能监控一两个最重要的机构动作，由于传输数据量大，使其只能在驾驶室应用，不能用作远程工况视频监控。而采用VRML构建的基于B/S的虚拟监控系统，效率低下、着色渲染速度慢、没有底层控制，并不能满足塔机远程监控系统的需要。
1.3基于虚拟现实技术的塔机远程监控系统
虚拟现实技术的发展为监控系统注入了新的活力。虚拟现实技术作为一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多种学科发展起来的计算机领域的高新技术[20-23]，已经引起了人们的广泛关注，并在航空航天、工程科研、军事以及商业领域得到了初步的应用。虚拟现实系统是由计算机生成具有高度现场感的虚拟空间，是一种全新的人机交互方式[24-26]。虚拟现
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实技术特有的沉浸感和交互性特征恰好能满足现有塔机远程监控系统在模拟呈现上的不足。因此，我们将虚拟现实技术和远程监控技术相结合，构建了一套基于桌面虚拟现实的塔机远程监控系统。
1.3.1塔机远程监控系统方案
塔机监控系统设计不仅仅需要具备有关塔机结构、机构运行及安全保护的知识，而且还涉及到采集信号、编写程序等任务。因此，塔机监控系统的设计是机械、自动控制和计算机应用等各专业的协同工作。根据塔机作业的机构运行过程，结合安全保护知识和用户的要求，可确定监测系统的总体方案。
1、塔机监控系统需求分析
塔机虚拟监控系统是一个时变性强，信号多的复杂系统。该系统必须具有较强的实时性，在对象允许的时间间隔内对系统进行监控，完成复杂的计算和处理并即使将信息传送给用户。同时它必须具有较强的灵活性和可靠性，以适应参数和环境的变化，保证塔机安全、高效地运行，而且具有良好的诊断功能，当遇到错误时能快速地对系统进行诊断。塔机虚拟监控系统需要实现以下基本功能： 实时3D呈现塔机整体运行状况，对反映塔机整体性能及安全状态的工作参数诸如起重量、起升高度、起重力矩、回转角度、幅度、风速及各种作
业速度进行全程动态监控。
建立塔机运行数据库，记录塔机运行状态参数、作业时间及危险作业次数。
以便在发生事故时，能为事故分析提供有利的现场资料。
具有预报警、报警和自动停车功能，系统识别塔机的运行状态后，做出相应的处理。
随着计算机技术、自动控制技术、传感器技术的进一步发展，塔机安全监控系统将具有更高的信息采集和数据处理能力，所以对监控系统的智能化也提出了更高的要求：
(1)优良的人机交互环境：人机界面将追求更加简单的操作，更大信息量的显示，更美观漂亮的界面，很多系统将具有塔机工作过程动态图形模拟显示功能；
(2)系统参数设计：面对种类繁多，应用情况各异的塔机监控需求，利用参数化设计而提高程序的通用性；
(3) 事故追忆和趋势分析：监控的另外一个目的是评价生产设备的运转情况和预测系统可能发生的事故。在发生事故时能快速地找到事故的原因，并找到恢复
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生产的最佳方案。评价一个监控系统功能强弱最为重要的指标之一就是对实时历史数据记录和查询的准确和高效上面；
(4)减少误差提高精度：由于塔机结构的限制，对塔机高度及重量的测量实际上只能采取间接测量的方法，而在起升过程中由于摩擦力，动载荷，环境，结构变形等因素的影响会造成测量结果失真，故须对测量结果进行软件补偿，以提高系统精度，这主要基于准确的数学模型的建立。
2、塔机监控系统总体设计
本文基于DirectX技术开发了一套基于现场传感信息驱动的塔机远程虚拟监控系统。通过三维塔机建模和虚拟场景构建，在C/S架构下，利用Internet/GPRS 传输较少量的状态数据信息实现远程监控中心的塔机工况真实再现，为管理和技术人员的管理和评判提供直观依据。
如图1-1，本塔机远程监控系统主要由三部分组成：塔机场景构建模块、数据库中心、塔机场景监控客户端。塔机场景构建系统用于生成模拟现实塔机工作情景的虚拟场景文件，配合数据库中心采集到的塔机实际运行状态参数，供塔机场景客户端调用渲染以实现对塔机的远程虚拟监控。
对于塔机各构成部分，使用CATIA和3DS MAX建造模型并生成X文件以便DirectX调用，建造一个塔机部件库。同类塔机主要在部件的大小参数方面存在差别，可以通过塔机场景构建系统的参数化模块来实现而不必重复建模。塔机场景构建系统的构建过程是一个可视化、参数化的过程，根据模型之间的拓扑关系划分组装构建层次，将天空、周围建筑环境、场景地点、塔机设备等参数化组建起来，并将所有场景数据记录于xml文件中，生成虚拟场景文件。
塔机现场总线采集小车位置、起升重量、起升高度、回转角度等数据并通过Internet和GPRS发送至数据库中心，数据库中心具有数据仓库和管理分析功能，建立起故障报警与诊断系统。
塔机场景监控客户端读取虚拟场景文件并渲染成逼真生动的三维监控界面，通过Web Services技术取得数据库中心的数据及时更新虚拟场景，实现塔机工作情况的实时动态呈现。用户可以多角度、多方式监控，不仅提供塔机设备几何运行图像，而且可实时观察设备各部件的运行参数，信息全面完整。针对塔机常发生的超载、违章操作、碰撞等安全事故建立完善的报警机制，防止降低事故发生。
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图1-1虚拟监控系统总体方案
Fig.1-1 The Program for the Virtual Monitoring System
1.3.2塔机远程监控系统关键技术分析
基于桌面虚拟现实的塔机远程监控系统以虚拟现实技术为基础，首先建立完整的虚拟场景，利用虚拟现实技术实现虚拟场景的呈现、交互和漫游。只要我们能够利用现场采集的信息实时驱动塔机部件运动，就能利用虚拟现实引擎模拟出动态的运行状况。这样，就能构建一个实时呈现机械的运行姿态和运行环境、具有沉浸感和交互性的三维虚拟监控平台。采用这种构建过程，基于虚拟现实的远程监控系统的实现主要需要解决两大部分：
（1）虚拟塔机平台的构建。基于虚拟现实的远程监控系统首先是一个虚拟现实系统，其次才是在此基础上实现的远程监控功能。
（2）现有监控系统中各功能模块的集成。在虚拟平台上，集成现有监控系统的数据的采集与处理、数据分析以及管理和控制功能，实现整个监控系统。
由于虚拟塔机可以通过现有监控系统实时数据库中的信息（现场采集信息及相应的处理后的数据）来驱动。也就是说，相对现有的监控系统来讲，基于桌面虚拟现实的塔机监控系统只是信息呈现和人机交互方式的改变，不会改变现有系统中各功能模块（数据采集与接收、数据分析处理、管理与控制等模块）的内部
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逻辑和算法实现。只要虚拟监控平台采用良好的模块化设计开发，就可以很容易地将现有监控系统的各功能模块进行集成。因此，基于虚拟现实的塔机远程监控系统实现的关键技术在于作为其基础构架的虚拟平台的实现。
将虚拟现实技术与现有的塔机远程监控系统相结合，形成基于桌面虚拟现实的远程监控系统，有许多具体的技术问题需要解决，其中场景建模技术场景渲染技术、人机交互技术是构成桌面式虚拟现实系统的基本技术，而场景组织管理技术和大规模场景快速渲染技术则是系统实时性的重要保障，这些技术的研究可以为基于虚拟现实的监控系统奠定技术基础。
1.4论文研究内容与组织结构
本论文的主要任务是建立起一个一个具有沉浸性、交互性、实时性的塔机远程监控系统，为塔式起重机的安全运行提供一个可视化与可控性的安全平台。本文的研究内容如下：
1、建立起完整的塔机三维模型与环境模型库，它是实现虚拟场景基本要素。虚拟监控场景建模是实现虚拟监控系统的基础，因此对于模型库的构建是首先要面对的问题。根据塔机的机械结构与运动特性，划分部件层次进行虚拟建模；根据虚拟场景环境各要素特点分别建模；对于建模技术的几个关键方面实现优化。
2、建立起可视化与操作性的三维呈现系统。利用虚拟现实技术，基于计算机图形学构建塔机远程监控系统的数学渲染引擎与3D渲染引擎，并在此基础上实现可视化与操作性功能，实现塔机虚拟场景运行呈现与人机交互操作。
3、对于塔机虚拟监控系统的渲染系统视觉呈现能力进一步优化。逼真、实时、生动的场景画面呈现是虚拟监控系统的最主要任务，本章从裁剪算法、深度缓冲、与快速可见性算法三方面进行研究，不仅提高监控平台的画面呈现视觉效果，而且进一步增强虚拟监控的实时性。
4、根据塔机安全监控的需要，结合以上讨论的虚拟现实技术最终实现虚拟塔机监控系统。虚拟监控系统客户端中，用户可多方式、高效全面地实现远程监控，信息全面完整。而针对塔机的可拆卸安装特性以及工作场景的互异性，塔机场景建模模块则提供了完善的解决方案。
论文的内容组织结构如下：
第一章为绪论，介绍了课题来源、背景及研究意义，并分析了当前塔机虚拟监控系统的研究现状及塔机安全监控需要，提出了基于虚拟现实技术的塔机远程
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监控系统方案。
第二章讨论了塔机虚拟监控场景的建模。根据塔式起重机的机械结构与运动特点，分析塔机各部件之间的拓扑关系并实现虚拟建模；依据环境要素特点采用相适应的建模技术实现建模；优化建模实现过程中的几个关键问题解决方案。
第三章为塔机虚拟监控系统的可视化与操作性实现。基于DirectX设计系统的3D渲染图形流水线，建立起渲染引擎并实现虚拟监控系统的可视化与可控性。
第四章为塔机虚拟监控系统视觉表现的优化研究。从系统渲染3D裁剪、深度缓冲、快速可见性计算三方面展开探讨，提出提高监控系统视觉表现的逼真性、实时性的方法。
第五章则完成了塔机虚拟监控系统的实现。塔机虚拟监控客户端集成各功能模块，提供了良好的塔机运行监控平台；塔机场景建模模块实现了参数化建构塔机虚拟场景。
第六章则是对本文研究的总结与展望。
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第二章塔机虚拟监控场景建模
要建立起塔式起重机虚拟监控平台，首先需要建立起完善的塔机三维模型与环境模型库，它是实现虚拟场景基本要素，供虚拟监控平台渲染调用。所以，针对塔式起重机、建筑、建材等工作环境的建模是第一个要解决的问题，它是实现整个塔机虚拟监控系统的前提与基础。
建模是虚拟现实技术中最重要的技术领域，也是虚拟现实技术中的关键技术之一。只有通过建立完善的虚拟环境和物体，才能给人以模拟真实环境的体验。通过开发虚拟世界的对象数据库，实现对对象的形状、外观、运动学约束、智能行为和物理特性的模拟。本系统采用CATIA与3dMax相结合，根据塔机的结构与运动特点，分析塔机各部件之间的拓扑关系，建立起较为完整的各类塔机部件库，同时根据虚拟场景中的其他环境要素特点采用相适应的建模技术完成模型建构工作[27-28]，为塔机虚拟监控系统提供完善的模型文件数据库。
2.1塔式起重机结构与运动分析
研究塔式起重机机械结构与运动特性是建立塔式起重机视景仿真系统的关键内容之一，为建立虚拟监控系统奠定基础。
2.1.1塔式起重机结构分析
图2-1塔机分类
Fig.2-1 the different Types of Tower Cranes
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塔机种类繁多[29]，按结构型式分为固定式塔式起重机、移动式塔式起重机、自升式塔式起重机；按回转型式分为上回转塔式起重机、下回转塔式起重机；按架设方法分为非自行架设塔式起重机、自行架设塔式起重机；按变幅方式分为小车变幅塔式起重机、动臂变幅塔式起重机。
虽然塔机种类繁多，但是塔机结构具有一定的共同点。根据塔式起重机的组成和各组成部分具备的运动形态，将塔式起重机分成以下三个部分：塔身部分、吊臂回转部分和吊钩部分。其中塔身部分包括：底架、塔身、套架和回转支承总成等；吊臂回转部分包括：回转塔身、塔顶、起重臂、平衡臂和驾驶室等；吊钩部分包括：变幅小车、吊绳和吊钩。各组成部分如图2-2：
图2-2塔机结构
Fig.2-2 the Structure of Tower Crane
1、塔身
塔身是起重机的主体，支撑着起重机本体和吊载的重量，通过底架和行走台车传至轨道基础上。其本身还要承受弯矩和垂直压力。塔身结构有固定高度和可变高度之分。轻型的下回转塔式起重机一般采用固定高度塔身结构，其他塔式起重机的塔身高度是可变的。可变高度的塔身又可分为折叠式、伸缩式、下接高式或上接高式等。固定式、折叠式和伸缩式塔身是全焊接整体结构，而接高式塔身是用由多标准节组成。塔身标准节的连接形式有法兰盘连接、螺栓盖板连接、套柱螺栓连接和销轴连接等。
塔身标准节是构成的基本要素，本文根据塔身的常用标准节机械结构，建立
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基本标准节模型如图2-6所示。
2、起重臂
起重臂又称吊臂或臂架，是塔式起重机支撑机构中的组成部分，主要有俯仰变幅压杆式起重臂（简称动臂）和小车变幅式起重臂（简称水平臂）两种。俯仰变幅压杆式起重臂多采用矩形断面格桁结构，由角钢或者钢管组焊而成。小车变幅水平起重臂多采用正三角断面，轻型起重臂的下弦杆采用槽钢制作，中型和重型的采用组合断面箱形结构，上弦杆和腹杆采用无缝钢管制作。起重臂一般分成若干节，以利于运输和装配。节之间采用法兰盘螺栓连接、盖板螺栓连接或销轴连接等。
本文根据起重臂的常用各节机械结构，建立起三维模型如图2-6所示。
3、平衡臂
平衡臂和起重臂对称安装，依靠尾部所安装平衡重箱（块）使整机趋于平衡。平衡臂都采用平面桁架结构或空间桁架结构，采用型钢或无缝钢管组焊，一般分成2~3节，其连接和起重臂结构类似。平衡臂上部安装着起升机构。
本文根据常用的平衡臂机械结构，建立起三维模型如图2-6所示。
4、转台
转台的下部和回转支承的上、下座圈固接，上部和塔身连接。下回转塔式起重机的转台位于塔身根部，其上装有起升和变幅机构。转台尾部装有平衡重，能起到平衡臂的作用。上回转塔式起重机的转台位于塔身顶部，用以支承转台以上全部结构的自重和工作载荷，其结构为塔冒形式，前端为起重臂支座，后端为平衡臂支座，采用棱锥形格桁结构套装在塔顶外面，上有球形支承，下有托轮支承，能灵活活动。
5、底架
底架是塔身的支座，起重机的全部重量都要通过它传递到底架下的行走台车上，其结构形式有如下几种：
（1）箱形板梁式它是由型钢和钢板焊接成箱形环梁，四个行走支架呈“X”形铰接于箱体的四角上，行走架的另一端与双轮行走台车连接。
（2）门架式它是由活动侧架、固定侧架和一个平台用螺栓连接而成的。活动侧架两端用上下两副铰链和三角形刚体构架相连接，其下各装有被动行车台车。在固定侧架两端下各装有主动台车。
（3）平面框架式它是由底座和台车架组成的，底座由两根短梁和两根长梁组成并焊接在车架上，底座梁的重心位置上安装回转支承装置。
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