CN101944299B - 全断面掘进机虚拟施工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全断面掘进机应用领域的全断面掘进机虚拟施工系统，该系统包括：立体投影系统、操作控制台，立体投影系统包括载有虚拟仿真主程序的图形工作站、和图形工作站相连的立体转换器及用于展示的虚拟现实显示装置，所述的虚拟仿真主程序通过立体模型展现全断面掘进机的施工过程，并由操作控制台控制掘进机模型的动作。本发明的全断面掘进机虚拟施工系统可以用于虚拟实验和操作培训，解决了目前全断面掘进机领域存在的使用实物进行实验、操作培训成本较高的问题。

Description

全断面掘进机虚拟施工系统

技术领域

本发明涉及全断面掘进机应用领域，尤其涉及一种全断面掘进机虚拟施工系统。

背景技术

全断面掘进机是国务院确定的振兴民族装备制造业16项重点扶持的重大项目之一，国家在先进制造领域重点扶持全断面掘进机的研究与开发，以制造样机和进行工程试用为目标，争取在2015年实现系列化和产业化。而在全断面掘进机的各种研究中，进行实物样机试验的效果虽然好但是周期长并且成本高。

相对于实物试验，虚拟施工试验具有成本低等优点。因此，建立起具有虚拟仿真功能并具有自主知识产权的全断面掘进机功能仿真平台是非常有意义的，可以为实际施工提供非常良好的辅助功能。并且可以一定程度上为全断面掘进机操作手提供具有视觉沉浸感的施工培训平台。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于虚拟试验及操作培训的全断面掘进机虚拟施工系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的全断面掘进机虚拟施工系统，包括：立体投影系统、操作控制台，所述的立体投影系统包括：

载有虚拟仿真主程序的图形工作站：用来运行虚拟仿真主程序；所述的虚拟仿真主程序包括存储有环境立体模型与掘进机立体模型的立体模型库、用来驱动立体模型的立体驱动引擎、用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库及用来输入与展示的人机交互程序；所述的立体驱动引擎调用并展现所述的立体模型库中的立体模型；所述的人机交互程序接受操作者的指令将其输入的参数存入所述的用来存储掘进机设备参数的数据库；所述的人机交互程序接受所述的操作控制台的指令，调用所述数据库中的设备参数，并将该设备参数和指令一并发送给所述的立体驱动引擎，所述的立体驱动引擎将接收到的设备参数赋予所述的立体模型，并根据所述的指令完成动态展示；

所述的操作控制台和所述的图形工作站相连，在所述的操作控制台上设置有控制所述的虚拟仿真主程序的控制按钮；

立体转换器：和所述的图形工作站相连，用于将所述的立体模型转换为可用于被动立体显示的图像并输出到虚拟现实显示装置；

虚拟现实显示装置：用于将立体转换器转换得到的可用于被动立体显示的图像展现出来，包括金属立体投影幕、两台分别和所述立体转换器相连的、带有偏振光立体投影镜头的投影仪。

优选的，所述的立体模型采用的数据格式为Open Flight。

优选的，所述的立体驱动引擎为一个多通道的可视化数据库处理与渲染系统：在可视化数据库的根处有一个场景节点，用来接收来自所述的人机交互程序的信息；所述的场景通过一条渲染通道观看，一条渲染通道通过一条管道渲染到一个屏幕窗口上，每条管道或渲染流水线渲染一个或者多个窗口，每个窗口仅与一条渲染流水线相关。

优选的，在所述的操作控制台上的控制按钮包括掘进机的开、关控制按钮，刀盘正转、反转控制按钮，管片安装机的前后运动按钮、正反回转按钮、伸缩按钮及停止控制按钮，泥土输送装置的启、停按钮，主机启、停按钮，所述的各按钮分别连接一个信号发生电路，发生的控制信号通过RS232接口输送给图形工作站。

优选的，所述的人机交互程序包括：

工程设置模块：负责关于隧道工程项目的相关信息的录入、修改、查询；

零部件库建立模块：负责掘进机零部件参数的录入、修改、查询；

刀具库建立模块：负责掘进机刀具参数的录入、修改、查询；

驱动设置模块：用来对掘进机的各个驱动部件的驱动参数进行设置；

驱动部件控制模块：负责接收来自所述的操作控制台的控制信号；

刀具磨损监控模块：负责监测掘进机各刀具的磨损量，并展示给操作者；

所述的驱动部件控制模块接收来自所述的操作控制台的指令，调用所述零部件库建立模块、刀具库建立模块、驱动设置模块设置的参数，并将其接收的指令和调用的参数一并发送给所述的立体驱动引擎；所述的刀具磨损监控模块接受操作者的指令，调用所述的驱动部件控制模块向所述的立体驱动引擎发送整机施工暂停指令，所述的立体驱动引擎将当前的施工参数输出到所述的用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库供刀具磨损监控模块调用，所述的刀具磨损监控模块根据用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库中的参数信息计算刀具的磨损程度，并展示给操作者。

更优选的，所述的工程设置模块包括工程信息输入模块、工程信息查询模块，所述的工程信息包括工程名、施工单位、施工总长度、总工期、总预算、目前进度、目前工期、已投入费用。

更优选的，所述的刀具磨损监控模块采用以下公式计算切削型刀具的磨损程度并将计算结果显示给操作者：

T＝L(k₁+k₂σ)               (1)

其中，T：刀具磨损量(mm)，

L：刀具运转距离(km)，

k1：硬质刀片与运转距离相关的磨损系数(mm/km)，通过实物刀具磨损结果进行回归得到，并预存到所述的用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库中，

k2：硬质刀片与表面受力相关的磨损系数(mm/(N·km))，通过实物刀具磨损结果进行回归得到，并预存到所述的用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库中，

σ：刀具表面受力(N)，通过有限元仿真计算得到并预存到所述的用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库中。

更优选的，所述的虚拟仿真主程序还包括实时工况显示模块：用于虚拟施工系统在虚拟施工仿真过程中对掘进机实时施工进度与工况进行查询与显示，所述的实时工况显示模块接受操作者的指令，调用所述的驱动部件控制模块向所述的立体驱动引擎发送整机施工暂停指令，所述的立体驱动引擎将当前的施工参数输出到所述的用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库供实时工况显示模块调用，所述的实时工况显示模块根据用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库中的参数信息计算当前的施工进度，并展示给操作者。

更优选的，所述的实时工况显示模块通过如下形式的一种或几种显示当前工况：

柱状图：所述的柱状图包括工期柱状图、工程进度柱状图；

地图形式：在所述的地图上标注有工程位置及掘进机的当前位置；

数据形式：显示内容包括工程名、施工单位、施工总长度、总工期、目前进度、目前工期。

本发明的有益效果如下：

用户可通过本系统在虚拟现实环境中实现具有沉浸感地模拟全断面掘进机真实加载运转和施工情况，进行全断面机施工过程的动态仿真。本系统可以为某一工程的动态进展以虚拟现实的方式提供良好展示，可以为工程人员提供拟实性远好于二维静态工程图的工程作业辅助，这对于地下作业的盾构法施工作业来说是非常有意义的。另外，本系统并可用于对全断面掘进机操作手进行虚拟操作培训。

本发明基于虚拟现实技术并应用通用开发工具开发了具有自主知识产权的具有高级人机交互功能的盾构机虚拟施工仿真系统。该系统可以模拟真实的加载运转和虚拟施工，进行全断面掘进机施工过程仿真并可用于对全断面掘进机操作人员进行虚拟操作培训。相比实际施工试验与操作人员的施工培训，本发明具有成本低且培训方便的优点。

附图说明

图1为本发明的全断面掘进机虚拟施工系统的硬件连接图；

图2为本发明的全断面掘进机虚拟施工系统的虚拟仿真主程序的原理框图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步进行说明。

参见附图1，本发明的全断面掘进机虚拟施工系统包括图形工作站1，在图形工作站1上连接有操作控制台2和立体转换器3，在立体转换器3上连接有两台带有偏振光立体投影镜头的投影仪4，在投影仪4的前方设置有用于接受投影的金属立体投影幕5。在所述的操作控制台2上设置有控制按钮，包括掘进机的开、关控制按钮，刀盘正转、反转控制按钮，管片安装机的前后运动按钮、正反回转按钮、伸缩按钮及停止控制按钮，泥土输送装置的启、停按钮，主机启、停按钮，各按钮分别产生一个电信号，并经A/D转换成数字信号通过RS232接口输送给图形工作站，由安装在图形工作站上的人机交互程序中的驱动部件控制模块接收，驱动部件控制模块根据接收到的信号调用立体驱动引擎驱动掘进机立体模型的相关部件。

参见附图2，为本实用新型的虚拟仿真主程序的原理框图，工程设置模块根据用户的指令将工程信息存入数据库，零部件库建立模块、刀具库建立模块、驱动设置模块根据用户的指令将掘进机的设备参数存入数据库，驱动部件控制模块接受操作控制台的指令，调用数据库中的设备参数，并将该指令和设备参数一起传输给立体驱动引擎，立体驱动引擎将设备参数赋给掘进机立体模型，然后根据指令完成相应的操作，包括整机掘进(刀盘与推力油缸同时工作)、整机暂停、主机单独掘进、后退、暂停，刀盘单独工作时的正传、反转、暂停等。在虚拟施工过程中，如果操作者想查看刀具磨损情况或者实时工况，可以分别通过刀具磨损监控模块或者实时工况显示模块调用驱动部件控制模块实现整机暂停，并由立体驱动引擎返回施工过程中的参数给驱动部件控制模块，驱动部件控制模块把这些参数存储到用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库，供刀具磨损监测模块或者实时工况显示模块调用，比如说掘进距离、刀盘(刀具)运行里程、掘进机的二维空间位置等，这些参数可由一个节点变量控制，例如刀盘转动在程序中可以由一个自由度节点变量DOF(x、y、z、h、p、r)控制，刀盘的转动圈数即为其中h的动态数值，因为刀盘只有转动一个自由度，所以只有h一个参数变化。最后，操作者查看刀具磨损情况时，通过刀具磨损监控模块调用数据库中的相关信息，并根据公式1计算道具磨损量。操作者查看工况时，可以通过实时工况显示模块调用数据库中的工程信息及设备参数信息，计算得到当前进度，并通过柱状图、地图、数据形式展现给操作者。

本发明的立体模型采用Open Flight格式，该格式下每一个模型都有一个组节点(Groupnode)，该组节点包含该模型的一切信息，包括形状、光照、材质、自由度等。建立几何模型后，需要为模型添加材质。Open Flight数据格式的几何模型由多边形构建，允许在每个面上添加不同的材质，在不增加整体模型多边形数量的前提下，提高模型真实度，并且使模型整体上更有层次感。

Claims (9)

1.全断面掘进机虚拟施工系统，其特征在于：包括：立体投影系统、操作控制台，所述的立体投影系统包括：

载有虚拟仿真主程序的图形工作站：用来运行虚拟仿真主程序；所述的虚拟仿真主程序包括存储有环境立体模型与掘进机立体模型的立体模型库、用来驱动立体模型的立体驱动引擎、用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库及用来输入与展示的人机交互程序；所述的立体驱动引擎调用并展现所述的立体模型库中的立体模型：所述的人机交互程序接受操作者的指令将其输入的参数存入所述的用来存储掘进机设备参数的数据库；所述的人机交互程序接受所述的操作控制台的指令，调用所述数据库中的设备参数，并将该设备参数和指令一并发送给所述的立体驱动引擎，所述的立体驱动引擎将接收到的设备参数赋予所述的立体模型，并根据所述的指令完成动态展示；

所述的操作控制台和所述的图形工作站相连，在所述的操作控制台上设置有控制所述的虚拟仿真主程序的控制按钮；

立体转换器：和所述的图形工作站相连，用于将所述的立体模型转换为可用于被动立体显示的图像并输出到虚拟现实显示装置；

虚拟现实显示装置：用于将立体转换器转换得到的可用于被动立体显示的图像展现出来，包括金属立体投影幕、两台分别和所述立体转换器相连的、带有偏振光立体投影镜头的投影仪。

2.根据权利要求1所述的全断面掘进机虚拟施工系统，其特征在于：所述的立体模型采用的数据格式为Open Flight。

3.根据权利要求1所述的全断面掘进机虚拟施工系统，其特征在于：所述的立体驱动引擎为一个多通道的可视化数据库处理与渲染系统：在可视化数据库的根处有一个场景节点，用来接收来自所述的人机交互程序的信息；所述的场景通过一条渲染通道观看，一条渲染通道通过一条管道渲染到一个屏幕窗口上，每条管道或渲染流水线渲染一个或者多个窗口，每个窗口仅与一条渲染流水线相关。

4.根据权利要求1所述的全断面掘进机虚拟施工系统，其特征在于：在所述的操作控制台上的控制按钮包括掘进机的开、关控制按钮，刀盘正转、反转控制按钮，管片安装机的前后运动按钮、正反回转按钮、伸缩按钮及停止控制按钮，泥土输送装置的启、停按钮，主机启、停按钮，所述的各按钮分别连接一个信号发生电路，发生的控制信号通过RS232接口输送给图形工作站。

5.根据权利要求1所述的全断面掘进机虚拟施工系统，其特征在于：所述的人机交互程序包括：

工程设置模块：负责关于隧道工程项目的相关信息的录入、修改、查询；

零部件库建立模块：负责掘进机零部件参数的录入、修改、查询；

刀具库建立模块：负责掘进机刀具参数的录入、修改、查询；

驱动设置模块：用来对掘进机的各个驱动部件的驱动参数进行设置；

驱动部件控制模块：负责接收来自所述的操作控制台的控制信号；

刀具磨损监控模块：负责监测掘进机各刀具的磨损量，并展示给操作者；

所述的驱动部件控制模块接收来自所述的操作控制台的指令，调用所述零部件库建立模块、刀具库建立模块、驱动设置模块设置的参数，并将其接收的指令和调用的参数一并发送给所述的立体驱动引擎；所述的刀具磨损监控模块接受操作者的指令，调用所述的驱动部件控制模块向所述的立体驱动引擎发送整机施工暂停指令，所述的立体驱动引擎将当前的施工参数输出到所述的用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库供刀具磨损监控模块调用，所述的刀具磨损监控模块根据用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库中的参数信息计算刀具的磨损程度，并展示给操作者。

6.根据权利要求5所述的全断面掘进机虚拟施工系统，其特征在于：所述的工程设置模块包括工程信息输入模块、工程信息查询模块，所述的工程信息包括工程名、施工单位、施工总长度、总工期、总预算、目前进度、目前工期、已投入费用。

7.根据权利要求5所述的全断面掘进机虚拟施工系统，其特征在于：所述的刀具磨损监控模块采用以下公式计算切削型刀具的磨损程度并将计算结果显示给操作者：

T＝L(k₁+k₂σ)

其中，T：刀具磨损量(mm)，

L：刀具运转距离(km)，

k₁：硬质刀片与运转距离相关的磨损系数(mm/km)，通过实物刀具磨损结果进行回归得到，并预存到所述的用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库中，

k₂：硬质刀片与表面受力相关的磨损系数(mm/(N·km))，通过实物刀具磨损结果进行回归得到，并预存到所述的用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库中，

σ：刀具表面受力(N)，通过有限元仿真计算得到并预存到所述的用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库中。

8.根据权利要求5所述的全断面掘进机虚拟施工系统，其特征在于：所述的虚拟仿真主程序还包括实时工况显示模块：用于虚拟施工系统在虚拟施工仿真过程中对掘进机实时施工进度与工况进行查询与显示，所述的实时工况显示模块接受操作者的指令，调用所述的驱动部件控制模块向所述的立体驱动引擎发送整机施工暂停指令，所述的立体驱动引擎将当前的施工参数输出到所述的用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库供实时工况显示模块调用，所述的实时工况显示模块根据用来存储掘进机设备参数和工程信息的数据库中的参数信息计算当前的施工进度，并展示给操作者。

9.根据权利要求8所述的全断面掘进机虚拟施工系统，其特征在于：所述的实时工况显示模块通过如下形式的一种或几种显示当前工况：

柱状图：所述的柱状图包括工期柱状图、工程进度柱状图；

地图形式：在所述的地图上标注有工程位置及掘进机的当前位置；

数据形式：显示内容包括工程名、施工单位、施工总长度、总工期、目前进度、目前工期。

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