CN103745648A - 盾构机双模型仿真设备与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种盾构机双模型仿真设备，包括：盾构模型机，用以对盾构机和盾构机的动作进行实物仿真；系统控制台，用以供操作人员进行盾构机的模拟操作；虚拟处理器，用以根据所述盾构模型机的实物仿真的反馈信息以及所述系统控制台的模拟操作指令进行盾构机的动态仿真和数据处理；以及图形仿真器，用以根据所述虚拟处理器的动态仿真和数据处理结果实现盾构机、施工对象、施工环境的动态仿真展示。提供一种兼有实体模型和数字模型的双模型仿真方法和设备，代替真实机器和环境用于地下隧道建造技术教学和盾构机操作实训。

Description

盾构机双模型仿真设备与方法

技术领域

本发明涉及建筑施工领域，尤其涉及一种盾构机双模型仿真设备与方法。

背景技术

目前，大型、特大型城市普遍存在人口众多、建筑密集、交通拥堵等问题，鉴于地上空间和土地资源已经少有发展余地，亟需大量开发地下空间、地下交通，因而对地下隧道的需要日益广泛，地下隧道施工特别是盾构施工任务日益繁重。同时地下地质条件和施工环境非常复杂，既有建筑基础和管线纵横交错，因此对于地下隧道施工的技术要求非常高，迫切需要培养隧道施工的技术人员，尤其是盾构机的操作人员。这是一门实践性很强的课程，单纯依靠文字教材和图片、照片难以具体直观地进行教学表达，不利于培养学员的实际动手能力。考虑到盾构机造价昂贵、任务繁忙，以及施工安全，不宜以真实的机器在真实的施工环境中对学员进行教学、培训。需要发明一种兼有实体模型和数字模型的双模型仿真方法和设备，代替真实机器和环境用于地下隧道建造技术教学和盾构机操作实训。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种兼有实体模型和数字模型的双模型仿真方法和设备，代替真实机器和环境用于地下隧道建造技术教学和盾构机操作实训。

为了解决这一技术问题，本发明提供了一种盾构机双模型仿真设备，包括：

盾构模型机，用以对盾构机和盾构机的动作进行实物仿真；

系统控制台，用以供操作人员进行盾构机的模拟操作；

虚拟处理器，用以根据所述盾构模型机的实物仿真的反馈信息以及所述系统控制台的模拟操作指令进行盾构机的动态仿真和数据处理；

以及图形仿真器，用以根据所述虚拟处理器的动态仿真和数据处理结果实现盾构机、施工对象、施工环境的动态仿真展示。

所述系统控制台至少包括供操作人员实现模拟操作的控制台触摸屏和控制台操作板以及总控处理系统；

所述总控处理系统包括：

系统总控模块，用以根据所述控制台触摸屏和控制台操作板的输入信息，生成动作指令；

数据管理模块，用于存储和管理盾构机仿真施工的设备性能参数、施工控制参数和仿真运算参数：

同步仿真模块，用以根据所述系统总控模块生成的动作指令、所述数据管理模块存储的参数数据以及所述虚拟处理器和盾构模型机反馈而来的数据生成动作仿真和施工仿真指令；

以及数据通讯模块，用以实现所述同步仿真模块、虚拟处理器以及盾构模型机之间的数据传输。

所述虚拟处理器包括：

处理器数据通讯模块，用以与所述系统控制台和图形仿真器实现数据传输；

处理器数据库模块，用以实现设备性能参数、施工控制参数、虚拟运算参数的存储；

虚拟运算模块，用以根据所述系统控制台的指令、所述盾构模型机反馈信息与所述处理器数据库模块中的数据进行盾构机动作的动态仿真运算，并将动态仿真运算的结果通过所述处理器数据通讯模块反馈给所述系统控制台和图形仿真器；

事件模拟模块，用以根据所述处理器数据库模块中的数据模拟盾构机运行的事件，并将模拟的结果反馈给所述处理器数据库模块；

以及运行监控模块，与所述虚拟运算模块连接，用以供相关人员监控所述虚拟运算模块的运行状态，相关人员通过所述运行监控模块调整所述虚拟运算模块的运算参数，实现对系统运行的干预。

所述虚拟处理器还包括：

教学管理模块，用于对盾构机教学实训的作业流程进行管理、教学信息记录以及教学信息查询

数据管理模块，用以供相关人员读取、调整和维护所述处理器数据库模块中的数据。

所述图形仿真器包括：

仿真器数据通讯模块，用以实现与所述虚拟处理器之间的数据传输；

本地数据库模块，用以存储盾构机的图像、动画信息、性能参数；

图形仿真引擎模块，用以根据所述虚拟处理器传输而来的数据以及所述本地数据库模块实现盾构机的图像数据的仿真生成；

图形仿真引擎的执行模块，用以根据操作人员的操作对所述图形仿真引擎模块生成的盾构机的图像数据的模拟展示方式进行选择确认，从而生成用以展示的图像的数据；

三维效果模块，用以对所述执行模块生成的图像增加视觉效果；

信息提示模块，用以对所述执行模块生成的图像增加文字提示；

以及显示终端模块，分别与所述三维效果模块和信息提示模块连接，输出最终的图像。

所述执行模块包括均与所述图形仿真引擎模块连接的场景切换模块、镜头定位模块、镜头漫游模块、视图选择模块和自动巡视模块，所述场景切换模块、镜头定位模块。

所述图形仿真器还包括：

视图制作模块，用以供相关人员制作三维视图，并将其储存于所述本地数据库模块中；

数据管理模块，用以供相关人员对所述本地数据库模块中的数据进行管理；

所述本地数据库模块还用以存储所述虚拟处理器传输而来的历史数据，所述图形仿真器还包括回放管理模块，用以根据相关人员的操作调取所述本地数据库模块中的历史数据，并根据所述历史数据驱动所述图形仿真引擎实现盾构机的图像数据的仿真生成，最终实现三维图像和文字的输出。

所述盾构模型机通过一个模型机控制系统与所述系统控制台连接，所述模型机控制系统包括：

模型机数据通讯模块，与所述系统控制台连接，用以实现与所述系统控制台之间的数据传输；

掘进控制模块；用以根据所述系统控制台发出的指令生成所述盾构模型机的掘进动作指令；

注液控制模块，用以根据所述系统控制台发出的指令生成所述盾构模型机中的模拟注浆装置和模拟注水装置的注液动作指令；

小车控制模块，用以根据所述系统控制台发出的指令生成所述盾构模型机中的运输小车的运输动作指令；

管片拼装模块，用以根据所述系统控制台发出的指令生成所述盾构模型机中的管片拼装机的拼装动作指令；

以及液电驱动模块，用以根据所述掘进控制模块、注液控制模块、小车控制模块和管片拼装模块生成的掘进动作指令、注液动作指令、运输动作指令、拼装动作指令驱动所述盾构模型机实施动作。

所述模型机控制系统还包括安全控制模块，用以检测所述掘进控制模块、注液控制模块、小车控制模块和管片拼装模块生成的掘进动作指令、注液动作指令、运输动作指令、拼装动作指令，若无误，根据无误的动作指令驱动所述盾构模型机实施动作，若有误，向所述系统控制台发出警报信息，并根据有误的指令判断是否适于实施指令；若适于实施，则依旧根据动作指令驱动所述盾构模型机实施动作，若不适于实施，则终止驱动。

所述盾构模型机包括液电动力装置和机械结构装置，所述液电动力装置分别与所述系统控制台和机械结构装置连接。

所述机械结构装置包括沿水平方向依次布置模拟真实盾构机出洞的洞门、发射架和平台。

所述发射架上沿水平方向依次设有盾壳和管片，所述盾壳由切口环、支撑环和盾尾组成，所述切口环的后端与所述支撑环的前端连接，所述支撑环的后端与所述盾尾的前端连接，所述盾壳上设有供观察盾壳内部机构的盾壳观察窗，所述平台上设有反力架、台车和运输小车。

所述机械结构装置还包括大刀盘、螺旋输送机、管片拼装机、双梁、支撑杆、皮带输送机和单梁，所述切口环内的空间通过一个胸板分隔成前、后两部分，前部分空间中靠近所述洞门的位置设有所述大刀盘，前部分空间中所述大刀盘与胸板之间的空间为土仓，所述螺旋输送机的前端安装在所述切口环内，所述支撑环内部装有经简化改进的所述管片拼装机，所述盾尾的后端与所述管片连接，所述双梁的前端与所述支撑环连接，所述双梁的后端与所述台车相连，所述管片通过一个支撑杆与所述反力架连接，所述台车上安装有一个皮带输送机，所述台车顶部安装有单梁，所述单梁和双梁上均装有用于管片吊运的起重机。

所述机械结构装置还包括一个液压推进和复位装置，所述液压推进和复位装置包括若干个液压推进油缸和位于所述台车上且与所述液压推进油缸连接的液压泵站，所述液压推进油缸一端与所述支撑环连接，另一端与所述管片连接，所述若干液压顶推油缸包括无动力模型油缸与至少两个真实油缸。

所述机械结构装置还包括一个模拟注浆装置，所述模拟注浆装置包括模拟注浆管、注浆泵、泥浆箱，所述泥浆箱和所述注浆泵连接，且均设于所述台车上，所述模拟注浆管以LED光带制作，所述模拟注浆管的一端与所述注浆泵和泥浆箱连接，另一端依次穿过所述管片、盾尾、支撑环，连通至设于所述支撑环外侧表面的注浆套。

所述机械结构装置还包括一套模拟注水装置，所述模拟注水装置包括模拟注水管、注水泵和水箱，所述注水泵和所述水箱设于所述台车上，所述模拟注水管以LED光带制作，所述模拟主水管的一端与所述注水泵和水箱连接，另一端依次穿过所述管片、盾尾、支撑环、切口环，连通至所述土仓和刀盘。

所述液电动力装置至少包括与所述刀盘连接的电动机和变频器，与所述螺旋输送机连接的电动机和变频器，与所述运输小车连接的电动机。

所述液电动力装置还包括与所述若干液压顶推油缸连接的油缸驱动装置。

本发明还提供了一种盾构机双模型仿真方法，包括如下步骤：

S01：操作人员通过仿真系统人机界面发出操作指令；系统控制单元将接收的指令解析后分别发给实体模型单元和数字模型驱动单元；

S02：实体模型单元接收系统控制单元的指令，驱动实体模型，运行指令所要求的动作；然后用于检测实体模型的传感器、行程开关，将动作后的检测信息反馈给系统控制单元；

所述数字模型驱动单元接收系统控制单元的指令，按照指令所要求的动作，进行虚拟运算，模拟盾构机、盾构机的动作、施工对象、施工环境的状况变化，将运算结果发送给数字模型单元，并反馈给系统控制单元；

所述数字模型单元根据所述数字模型驱动单元的运算结果和所述数字模型单元中事先建立的盾构机三维立体模型进行图形仿真运算，使得盾构机三维立体模型发生位移和姿态变化，从而通过所述数字模型单元模拟盾构机动作，以及盾构机在模拟施工环境中的施工过程；然后，所述数字模型单元将模拟的结果依据操作人员通过数字模型单元人机界面发出的操作指令所确定的模拟展示方式进行展示图像的模拟生成，进而输出相应的三维图像；

S03：所述系统控制单元接收实体模型单元、数字模型驱动单元反馈的信息，完成一轮闭环运算，修正下一轮的控制参数，以及将要发出的下一个控制指令；同时，一方面，所述系统控制单元将实体模型单元反馈的信息反馈给数字模型驱动单元，使数字模型单元与实体模型单元实现同步，另一方面，系统控制单元将数字模型驱动单元反馈的信息反馈给实体模型单元，所述实体模型单元据此进行运行；

S04：系统控制单元将实体模型单元、数字模型驱动单元反馈的信息，以及闭环运算结果，通过人机界面反馈给操作人员；

S05：重复步骤S01至S04，进行其他动作的操作仿真。

本发明一方面通过盾构模型机实现了实体模型的仿真，通过虚拟处理器和图形仿真器的组合使用实现了数字模型的仿真，使得操作人员通过系统控制台进行控制的时候，实体模型与数字模型两方面都在一定程度上展示操作的盾构实施后果，同时，两者同步运行，互为补充，起到了更佳的仿真效果，提供一种兼有实体模型和数字模型的双模型仿真方法和设备，代替真实机器和环境用于地下隧道建造技术教学和盾构机操作实训。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的盾构机双模型仿真设备的结构示意图；

图2是本发明一实施例中系统控制台的结构示意图；

图3是本发明一实施例中虚拟处理器的结构示意图；

图4是本发明一实施例中图形仿真器的结构示意图；

图5是本发明一实施例中模型机控制系统的结构示意图；

图6是本发明一实施例中机械结构装置的结构示意图；

图7是本发明一实施例中盾壳的俯视结构示意图；

在图6、7中，1—洞门；2—大刀盘；3—切口环；4—土仓；5—胸板；6—支撑环；7—液压顶推油缸；8—盾尾；9—激光靶标；10—管片拼装机；11—螺旋机；12—管片；13—双梁；14—支撑杆；15—单梁；16—皮带输送机；17—台车；18—测量吊架；19—测量坐标基准点；20—测量高程基准点；21—反力架；22—运输小车；23—发射架；24—模拟注浆管；25—模拟注水管；26—泥浆箱；27—水箱；28—注浆泵；29—注水泵；30—电动葫芦；31—电动葫芦轨道梁；32—井口；33—注浆套；34—盾壳观察窗。

具体实施方式

本发明的盾构机双模型仿真设备，分别通过实体模型和数字模型实现仿真，抽象来说包括：

1）盾构机仿真的模型之一为实体模型

其设备是盾构模型机，实体模型遵照真实盾构机按比例缩小设计制作，盾壳直径宜为2m左右，以适合在室内安装运行。实体模型具有真实盾构机的主要设备和装置，其中部分比较复杂且教学作用较小的予以简化或省略。实体模型可以演绎真实盾构机的主要动作和功能，可以供学习人员动手操作。

实体模型的优点是：结构、机构、装置等与真是盾构机相同或接近，原理、动作、功能等也与真是盾构机一致或近似，具有具体直观、身临其境的教学效果。学员可以上机操作，就像操作真实盾构机一样。学员不仅可以直接学习盾构机的机械、液压、电气等硬件知识，而且可以动手练习设备的安装、调试、维护等实际技能。

实体模型也具有一些局限性。一是出于成本、效率的考虑，实体模型的构造与真是盾构机存在一定差别，部分装置和功能被简化或省略；二是实体模型难以模仿施工对象和施工环境，难以演绎真实盾构机在真实环境中的施工工艺和施工过程，因此还不能实现完整的全程的盾构机仿真。

实体模型的局限性，可以由数字模型来弥补。

2）盾构机仿真的模型之二为数字模型

其设备是虚拟处理器和图形仿真器。所谓数字模型是由计算机建立的以数字形式表现的仿真模型。该模型存在于计算机的存储体里，可以通过图形仿真的手段，在显示器屏幕上显示仿真对象的三维立体图像，逼真地展现仿真对象的形状、结构，以及构造细节；还可以通过虚拟运算，改变模型的参数，使模型变形或位移，从而逼真地演绎仿真对象的变化或运动过程。在盾构机仿真中可以用数字模型弥补实体模型的局限。一是模拟实体模型中简化或省略的结构、装置和功能，实现盾构机完整的三维立体形象和动作；二是模拟盾构机的施工对象和施工环境，可以模仿施工对象和施工环境在盾构机作用下的变化，以及施工对象和施工环境对盾构机的反作用，从而实现真实盾构机在真实环境中的施工过程和施工效果的仿真。

两套模型同时并发运行，互为补充，兼具实体模型、数字模型的长处，比单模型的系统，功能更全面，应用范围更广，适应性更强，为教学培训提供更完备的手段，实现更逼真的效果。

以下将结合图1至图7对本发明提供的盾构机双模型仿真设备和方法进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为本领域的技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内能够对其进行修改和润色。

请参考图1，本实施例提供了一种盾构机双模型仿真设备，包括：

盾构模型机，用以对盾构机和盾构机的动作进行实物仿真，进一步的，用于根据所述系统控制台传输而来的操作指令，运行盾构机动作和功能，并将其传感器、行程开关的检测信息反馈给系统控制台，并通过系统控制台，与所述虚拟处理器进行间接数据交换，实现与真实盾构机相似的闭环控制，本发明中，对于盾构模型机的运作，还设置了与其动作相匹配的传感器、行程开关等对盾构模型机的运作状况进行检测，对相关数据进行采集。具体有关传感器和行程开关的布置，可根据盾构模型机的具体结构与动作情况进行设置，本实施例在后文中亦对此有具体的列举；

系统控制台，用以供操作人员进行盾构机的模拟操作，进一步的，用于供操作人员根据从所述盾构模型机和所述虚拟处理器采集到的数据进行操作，并将操作指令传输给所述盾构模型机和所述虚拟处理器，并采集所述盾构模型机反馈的传感器及行程开关等的信息，以及所述虚拟处理器反馈的虚拟运算信息，并实现所述盾构模型机与所述虚拟处理器之间的间接数据交换，形成多回路闭环控制；

虚拟处理器，用以根据所述盾构模型机的实物仿真的反馈信息以及所述系统控制台的模拟操作指令进行盾构机的动态仿真和数据处理，其中，盾构模型机的实物仿真的反馈信息通过所述系统控制台传输至所述虚拟处理器；进一步的，所述虚拟处理器用于根据所述系统控制台传输而来的操作指令和所述盾构模型机反馈信息，进行盾构机动态仿真和数据处理，然后将仿真和处理结果传输给所述图形仿真器，同时反馈给所述系统控制台，还通过所述系统控制台转送给所述盾构模型机；

以及图形仿真器，用以根据所述虚拟处理器的动态仿真和数据处理结果实现盾构机、施工对象、施工环境的动态仿真展示，进一步的，所述图形仿真器用于存储盾构机图像模型、施工对象和环境模拟信息，并根据所述虚拟处理器的处理结果进行图形仿真，形成三维图景、动画信息，最终输出展示。

在本实施例中，系统控制台是一个立式控制箱，控制箱内装有PLC可编程控制器，控制箱上装有工业控制触摸屏。图形仿真器包括一台高性能PC图形工作站，带有Ethernet网卡，以及盾构机图形仿真软件；虚拟处理器包括一台PC计算机（带有RS232接口），一台Ethernet路由器，以及盾构机虚拟处理软件。

请参考图2，所述系统控制台至少包括供操作人员实现模拟操作的控制台触摸屏和控制台操作板以及总控处理系统；

所述总控处理系统包括：

系统总控模块，用以根据所述控制台触摸屏和控制台操作板的输入信息，生成动作指令，进一步的，与控制台操作板、控制台触摸屏、同步仿真模块连接，用于根据控制台操作板和控制台触摸屏的输入，实施系统启停、动作控制、流程控制、安全控制等功能。并发出相应的指令给同步仿真模块，驱动盾构模型机和虚拟处理器，同时将有关信息发给控制台操作板和控制台触摸屏，供操作人员观看使用；

数据管理模块，用于存储和管理盾构机仿真施工的设备性能参数、施工控制参数和仿真运算参数，在本实施例中，所述设备性能参数主要是指：

盾构截面直径：也就是盾壳截面的直径，决定了掘进隧道断面的大小。

隧道管片长度：一节管片的长度。

刀盘分级速度：刀盘转速分5级，每级速度数值。

刀盘最大扭矩：是刀盘扭矩的上限，超过了就是过载。

螺旋机转速范围：螺旋机的最大、最小转动速度，可以无级变速。

出土闸门开关时间：出土闸门从全关到全开的时间。

推进缸最大行程：推进油缸能伸出的最大长度。

上推进油缸凹进长度：上部推进油缸安装位置比其他油缸要凹进一些。

拼装机最大升降高度：拼装机升高、降低的界限。

拼装机最大伸缩长度：拼装机伸出、缩进的界限。

拼装机旋转速度：拼装机左转、右转的速度。

拼装机升降速度：拼装机上升、下降的速度。

拼装机伸缩速度：拼装机伸出、缩进的速度。

注浆箱容量：注浆箱容积大小。

泥水箱容量：注泥、注水箱容积大小。

所述施工控制参数主要是指：

土压力设定值：盾构机掘进时正面土压力的控制值。

土压力上限、下限：土压力不能超过的上、下界限。

螺旋机转速：螺旋机的转动速度。

出土闸门开度：出土闸门打开的程度，以百分比表示。

推进油缸速度：推进油缸伸出的快慢。

注泥注水注浆流量：注泥、注水、注浆的快慢。

水平轴线偏差上限：盾构机掘进时水平轴线偏差的界限。

机身倾斜角差上限：盾构机掘进时机身倾斜角度偏差的界限。

机身侧滚角差上限：盾构机掘进时机身侧滚角度偏差的界限。

所述仿真运算参数主要是指：

对象三维坐标：XYZ三维坐标。

对象三维朝向：XYZ三维坐标。

对象位移形式：平移、滚动、转动等。

对象位移量：位移的距离。

对象位移速度：位移的快慢。

仿真加速系数：实际对象变化很慢时，计算机仿真需要加快的倍数。

轴线纠偏系数：为适当改善视觉效果，模拟掘进轴线纠偏时的加速系数。

水平纠偏系数：为适当改善视觉效果，模拟机身倾斜纠偏时的加速系数。

倾斜纠偏系数：为适当改善视觉效果，模拟机身侧滚纠偏时的加速系数；

所述总控处理系统还包括同步仿真模块，用以根据所述系统总控模块生成的动作指令、所述数据管理模块存储的参数数据以及所述虚拟处理器和盾构模型机反馈而来的数据生成动作仿真和施工仿真指令，进一步的，所述同步仿真模块与系统总控模块、数据库模块、数据通讯模块连接，用于接收系统总控模块发出的指令，接收数据通讯模块传输的实体模型信息和数字模型信息后，根据同步仿真逻辑，以及数据库里存储的仿真参数，发出仿真指令，通过数据通讯模块分别发给盾构机模型和虚拟处理器，实现盾构机实体模型和数字模型的同步仿真；

以及数据通讯模块，用以实现所述同步仿真模块、虚拟处理器以及盾构模型机之间的数据传输。

请参考图3，所述虚拟处理器包括：

处理器数据通讯模块，用以与所述系统控制台和图形仿真器实现数据传输；

处理器数据库模块，用以实现设备性能参数、施工控制参数、虚拟运算参数的存储，并供其他各个模块调用；有关各参数的具体列举，在上文中已做了阐述，故不再累述；

虚拟运算模块，用以根据所述系统控制台的指令、所述盾构模型机反馈信息与所述处理器数据库模块中的数据进行盾构机动作的动态仿真运算，并将动态仿真运算的结果通过所述处理器数据通讯模块反馈给所述系统控制台和图形仿真器，进一步的，所述虚拟运算模块与所述数据通讯模块和所述数据库模块连接，用于根据所述系统控制台的控制指令、所述盾构模型机反馈信息，以及所述处理器数据库模块中的数据，进行盾构机动态仿真，分别将运算结果反馈给所述系统控制台，传输给所述图形仿真器，并且传输至所述处理器数据库模块予以存储；

事件模拟模块，用以根据所述处理器数据库模块中的数据模拟盾构机运行的事件，并将模拟的结果反馈给所述处理器数据库模块；进一步的，所述事件模拟模块与所述数据库模块连接，用于采集数据库模块中的数据对盾构机运行的部分事件进行模拟，再将模拟的结果传输至所述数据库模块；具体来说，事件是按规定条件（或称为事件规则）判断而产生的现象，例如设备是否过载、设备是否发生故障、物料是否减少到最低限度、施工偏差是否达到最大限度等等。事件发生时，系统要报警，严重的还要停机，以便操作人员立即进行排查、纠偏或检修等。事件模拟就是模拟真实机器运行中可能发生的事件，其算法就是按规定条件（或称为事件规则）进行布尔运算，运算结果是1或0的开关量，以判断某个事件是否发生。事件模拟的采样信息大部分是虚拟运算的结果，例如虚拟运算得出“土压力”是3MPa，而“土压力上限”是2MPa，则事件模拟就根据“土压力>土压力上限”这一条件或规则，发出“土压力超限”的事件信号，系统就会报警，并采取相应的紧急措施；事件模拟模块可以模拟的事件主要包括盾构机施工过程中可能发生的施工偏差、设备故障、设备过载、物料欠缺等事件；

进一步的，施工偏差模拟包括的事件有：

刀盘超扭矩、刀盘失速；

刀盘外周密封高温、刀盘内周密封高温；

土压过小、土压过大；

机身倾斜角过大、机身侧滚角过大、水平轴线偏过大；

人行闸非全关；

皮带输送机左拉绳碰、皮带传送机右拉绳碰；

盾尾油脂回路高压；

加泥加水高压；

密封或润滑给脂不足，等等。

设备故障模拟包括的事件有：

控制台PLC异常、控制柜PLC异常；

控制台AD异常、控制柜AD异常；

上下通讯故障；

刀盘变频器无电源、刀盘变频器故障；

齿轮油回路故障；

螺旋机变频器故障；

皮带输送机无电源；

给脂泵无电源，等等。

设备过载模拟包括的事件有：

切削刀盘马达过载；

油冷却泵过载；

超挖刀泵过载；

螺旋机泵过载；

皮带输送机过载；

推进油缸泵过载；

回转与闸门泵过载；

拼装机油缸泵过载；

盾尾油脂泵过载；

注浆泵过载；

水泵过载；

搅拌机泵过载；

给脂泵过载，等等。

材料欠缺模拟包括的事件有：

盾尾油脂箱液位低；

同步注浆箱液位低；

加泥加水箱液位低；

给脂油箱液位低，等等；

所述虚拟处理器还包括运行监控模块，与所述虚拟运算模块连接，用以供相关人员监控所述虚拟运算模块的运行状态，相关人员通过所述运行监控模块调整所述虚拟运算模块的运算参数，实现对系统运行的干预。

所述虚拟处理器还包括：

教学管理模块，用于对盾构机教学实训的作业流程进行管理、教学信息记录以及教学信息查询

数据管理模块，用以供相关人员读取、调整和维护所述处理器数据库模块中的数据，该数据包括了教学记录信息、系统基础信息和性能参数。

请参考图4，所述图形仿真器包括：

仿真器数据通讯模块，用以实现与所述虚拟处理器之间的数据传输；

本地数据库模块，用以存储盾构机的图像、动画信息、性能参数，并供其他各个模块调用，进一步的，所述本地数据库模块与所述仿真器数据传输模块连接，用于盾构机图像、动画信息、性能参数的存储，并供其他各个模块调用；

图形仿真引擎模块，用以根据所述虚拟处理器传输而来的数据以及所述本地数据库模块实现盾构机的图像数据的仿真生成，进一步的，所述图形仿真引擎模块分别与所述仿真器数据传输模块、所述本地数据库连接，用于根据所述仿真器数据传输模块传输的虚拟处理器传输而来的信息，并调用所述本机数据库存储信息，进行盾构机图形仿真；

图形仿真引擎的执行模块，用以根据操作人员的操作对所述图形仿真引擎模块生成的盾构机的图像数据的模拟展示方式进行选择确认，从而生成用以展示的图像的数据；所述执行模块包括均与所述图形仿真引擎模块连接的场景切换模块、镜头定位模块、镜头漫游模块、视图选择模块和自动巡视模块，所述场景切换模块、镜头定位模块，各模块均是对展示方式直接描述，其可以与系统控制台中触摸屏的操作界面上的选项相对应，操作人员可以在系统控制台上具体进行选择操作，进而通过虚拟处理器、仿真器数据通讯模块和图形仿真引擎模块传输至图形仿真引擎的执行模块，图形仿真引擎将仿真结果通过各所述执行模块，实现盾构机的三维图像、实时动画的模拟展示；

三维效果模块，用以对所述执行模块生成的图像增加视觉效果；如遮挡、叠加、剖视、透视等等。

信息提示模块，用以对所述执行模块生成的图像增加文字提示；

所述三维效果模块与信息提示模块均与所述执行模块连接；

以及显示终端模块，分别与所述三维效果模块和信息提示模块连接，输出最终的图像。

举例来说，假定在实施掘进的过程中，图形仿真引擎模块仿真了盾构机的掘进动作的动态的整个图像数据，所述执行模块进一步根据选定的俯视视角模拟展示方式生成了俯视视角下的盾构机的掘进动作的动态的图像数据，传输给三维效果模块和信息提示模块后，两个模块分别对图像数据和文字数据进行整合，输出盾构机掘进动作的动态三维图像和相应的文字信息，最终在所述显示终端模块上显示出来。所以，所述图形仿真引擎模块根据虚拟处理器发来的数字模型的变化、运动数据，计算出数字模型各特征点三维坐标的变化和运动轨迹，所述执行模块则根据这些变化和轨迹，以及用户（通过三维交互）提出的显示要求，即操作人员的操作，进行三维图像的显示，包括采用何种场景、何种视图、观察者的位置、视角等等。执行模块可以概略地理解为“虚拟摄像机”，正是通过这一虚拟的摄像机，才可以在计算机屏幕上向观察者展现数字模型的仿真图像。所以，仿真引擎执行模块的运作就是虚拟摄像机的运作。

所述图形仿真器还包括：

视图制作模块，用以供相关人员制作三维视景与三维视口，并将其储存于所述本地数据库模块中；

在仿真系统中将虚拟摄像机的静态定位称为三维视图，其实就是将经常要用的镜头定位保存好，使用时可以直接调用，以免每次都要进行繁琐的镜头定位操作。因此视图是由镜头方位的三维坐标和镜头朝向的三维角度构成的。

本发明为了方便操作者从各个位置、方向、角度观看盾构机各机构和部件，以及施工场景，设置了若干视图，建立了视图队列，操作者需要时在视图队列里选用，就可以直接将镜头对准他所需要的观察对象。

本发明设置的视图按其用途，可以分为结构视图和动作视图。

结构视图：以观察盾构机的结构为主，其视野可以超越各个视觉障碍、死角的局限。

动作视图：以观察盾构机的动作为主，其视野可以覆盖盾构机动作的全范围或特定范围。

本系统的结构视图主要包括下表所列：

出土闸门右后视
	出土闸门左后视
出土闸门左视
	刀盘前视
刀盘前仰视
	刀盘驱动左后视

刀盘右前视
	刀盘正面视图
刀盘左前视
	地铁车站右后视
地铁车站左侧视
	地铁车站左后视
盾构机掘进正面
	盾构机右侧视
盾构机右前视
	盾构机左侧视
盾壳右后侧视
	盾尾后内视
反力架后视
	反力架右后视
反力架左后视
	管片拼装机后仰视
管片拼装机上前视
	管片拼装机下前视
管片拼装机右后视
	管片拼装机右后仰视
管片拼装机右上视
	管片拼装机左后视
管片左侧视
	驾驶室控制台
驾驶室内
	驾驶室外侧视
接收井右侧视
	接收井正后视
接收井左侧视
	螺旋机进土口
螺旋机进土口右侧视
	螺旋机进土口左侧视
螺旋机右后视
	皮带输送机后视
皮带输送机右侧视
	始发井顶视
始发井后顶视
	始发井内后视
始发井内右侧视
	始发井内左侧视
始发井内左俯视
	始发井右顶视
始发井左顶视
	双梁及吊机
双梁右后视

台车1后视
	台车1左侧视
台车2后视
	台车2左侧视
台车3后视
	台车3左侧视
台车4后视
	台车4左侧视
台车5后视
	台车5左侧视
同步注浆右出口
	同步注浆左出口
推进上油缸
	推进下油缸
推进右上油缸
	推进右油缸
运输小车右视
	运输小车左视
中心平台右后上视
	中心平台右后视
中心平台左后视
	主机右后侧视(可剖视)
主机右前视(可剖视)
	主机左前视(可剖视)

所述动作视图主要包括下表所列：

分系统名称	视图名称
		刀盘切削系统	刀盘正转开始
刀盘切削系统	刀盘旋转停止
		刀盘切削系统	超挖刀运行
刀盘切削系统	刀盘反转开始
		刀盘切削系统	刀盘转速改变
刀盘切削系统	超挖刀设置改变
		盾尾油脂	油脂注入口打开
盾尾油脂	盾尾油脂泵运行
		管片拼装系统	回转与闸门泵运行
管片拼装系统	拼装机右转
		管片拼装系统	拼装机下降
管片拼装系统	拼装机后缩
		管片拼装系统	拼装机油缸泵运行
管片拼装系统	拼装机左转
		管片拼装系统	拼装机上升
管片拼装系统	拼装机前伸
		螺旋排土系统	螺旋机转速改变
螺旋排土系统	皮带输送机运行

螺旋排土系统	螺旋机泵启动
		螺旋排土系统	螺旋机转向改变
螺旋排土系统	出土闸门开关
		螺旋排土系统	螺旋机启动
同步注浆	注浆阀打开
		同步注浆	主阀打开
同步注浆	同步注浆运行
		推进系统	推进油缸伸出
推进系统	推进油缸速度改变
		推进系统	推进油缸全伸到位
推进系统	推进油缸泵启动
		推进系统	推进油缸缩进
推进系统	推进油缸加压改变
		推进系统	推进油缸全缩到位
运输小车	小车后退
		运输小车	小车后退限位
运输小车	小车前进
		运输小车	小车前进限位
注泥注水	注泥注水中途停止
		注泥注水	注泥注水运行
总体	盾构掘进模式
		总体	管片拼装模式

数据管理模块，用以供相关人员对所述本地数据库模块中的数据进行管理：

所述本地数据库模块还用以存储所述虚拟处理器传输而来的历史数据，所述图形仿真器还包括回放管理模块，用以根据相关人员的操作调取所述本地数据库模块中的历史数据，并根据所述历史数据驱动所述图形仿真引擎实现盾构机的图像数据的仿真生成，最终实现三维图像和文字的输出。

所述图形仿真器还可以包括：

回放管理模块：与所述图形仿真引擎、所述本地数据库连接，用于读取所述本地数据库中的历史数据，并连同操作人员的回放要求一起发送给所述图形仿真引擎模块。所述图形仿真引擎模块则切换为回放状态，通过所述各执行模块，重现盾构机以往施工过程的三维图像、实时动画的模拟展示；

模拟演示模块：与所述图形仿真引擎连接，可以供操作人员向图形仿真器发出一些简单操作指令（类似系统控制台通过虚拟处理器发出的指令），并代替虚拟处理器，进行这些指令所要求的动作仿真，模拟演示盾构机的基本动作和功能，使得图形仿真器可以脱离系统控制台和虚拟处理器，进行一些独立的简单应用，方便了盾构机仿真系统的课堂教学和流动展示。

请参考图1，所述虚拟处理器还可以通过远程网络通讯与一个远程图形终端连接，显示所述虚拟处理器的处理结果。

请参考图5，所述盾构模型机通过一个模型机控制系统与所述系统控制台连接，所述模型机控制系统包括：

模型机数据通讯模块，与所述系统控制台连接，用以实现与所述系统控制台之间的数据传输；

掘进控制模块；用以根据所述系统控制台发出的指令生成所述盾构模型机的掘进动作指令；

注液控制模块，用以根据所述系统控制台发出的指令生成所述盾构模型机中的模拟注浆装置和模拟注水装置的注液动作指令；

小车控制模块，用以根据所述系统控制台发出的指令生成所述盾构模型机中的运输小车的运输动作指令；

管片拼装模块，用以根据所述系统控制台发出的指令生成所述盾构模型机中的管片拼装机的拼装动作指令；

以及液电驱动模块，用以根据所述掘进控制模块、注液控制模块、小车控制模块和管片拼装模块生成的掘进动作指令、注液动作指令、运输动作指令、拼装动作指令驱动所述盾构模型机实施动作。其中，所述掘进控制模块、注液控制模块、小车控制模块和管片拼装模块接受到的指令可以是动作仿真和施工仿真指令，也可以包括自所述虚拟处理器反馈而来的数据。

所述模型机控制系统还包括安全控制模块，用以检测所述掘进控制模块、注液控制模块、小车控制模块和管片拼装模块生成的掘进动作指令、注液动作指令、运输动作指令、拼装动作指令，若无误，根据无误的动作指令驱动所述盾构模型机实施动作，若有误，向所述系统控制台发出警报信息，并根据有误的指令判断是否适于实施指令；若适于实施，则依旧根据动作指令驱动所述盾构模型机实施动作，若不适于实施，则终止驱动。

所述盾构模型机包括液电动力装置和机械结构装置，所述液电动力装置分别与所述系统控制台和机械结构装置连接。

所述机械结构装置按真实盾构机的结构、装置和参数，以缩小比例制作盾构机的实物模型，同时其在结构和机构上根据教学特点和部署条件作了部分简化或省略。实物模型的结构和动作，与真实盾构机相同或近似，可以达到盾构机结构仿真、动作仿真的效果。

本发明中，虽然存在虚拟处理器进行模拟，但对于盾构模型机的运作，依旧还可设置与其动作相匹配的传感器、行程开关等对盾构模型机的运作状况进行检测，对相关数据进行采集。具体有关传感器和行程开关的布置，可根据盾构模型机的具体结构与动作情况进行设置，本实施例再后文中亦对此有具体的列举。

请参考图6和图7，所述机械结构装置在所述底楼空间沿水平方向依次布置模拟真实盾构机出洞的洞门1、发射架23和平台。

所述发射架23上沿水平方向依次设有盾壳和管片12，所述盾壳由切口环3、支撑环6和盾尾8组成，所述切口环3的后端与所述支撑环6的前端连接，所述支撑环6的后端与所述盾尾8的前端连接，请参考图3，所述盾壳的上设有供观察盾壳内部机构的盾壳观察窗34，其为有机玻璃材质，所述平台上设有反力架21、台车17和运输小车22。其中的依次即为从靠近洞门1一端至远离洞门1一端，亦即如图5所示的由左至右，前端是指靠近门洞1的一端，后端是指远离门洞1的一端，该中描述符合盾构机本身的结构特点，本领域的技术人员面对此描述也不可能产生歧义。

所述机械结构装置还包括大刀盘2、螺旋输送机11、管片拼装机10、双梁13、支撑杆14、皮带输送机16和单梁15，所述切口环3内的空间通过一个胸板5分隔成前、后两部分，前部分空间中靠近所述洞门1的位置设有所述大刀盘2，前部分空间中所述大刀盘与胸板5之间的空间为土仓4，所述螺旋输送机11的前端安装在所述切口环3内，所述支撑环6内部装有经简化改进的所述管片拼装机10，所述盾尾8的后端与所述管片12连接，所述双梁13的前端与所述支撑环6连接，所述双梁13的后端与所述台车17相连，所述管片12通过一个支撑杆14与所述反力架21连接，所述台车17上安装有一个皮带输送机16，所述台车17顶部安装有单梁15，所述单梁15和双梁13上均装有用于管片吊运的起重机（图未示）。本实施例中所说的前端是指靠近所述洞门1的一端，所说的后段是指远离所述洞门1的一端，亦即通常盾构的前端与后端。

所述机械结构装置还包括一个液压推进和复位装置，所述液压推进和复位装置包括若干个液压推进油缸和位于所述台车17上且与所述液压推进油缸连接的液压泵站，所述液压推进油缸一端与所述支撑环6连接、另一端与所述管片12连接，所述若干液压顶推油缸包括无动力模型油缸与至少两个真实油缸。当管片安装完成后，液压顶推油缸7的一端顶住已经安装完成的管片，另一端用以顶进支撑环4，进而推动盾构模型前进，所述液压推进和复位装置还包括油管以及连接部件等（图未示），用于掘进作业时推动盾构模型前进，模拟真实盾构机的掘进施工，并在操作后可以使盾构模型回复到起始位置，从而可以反复运行。所述液压推进和复位装置旨在模拟这一过程中的动作。

所述机械结构装置还包括一个模拟注浆装置，所述模拟注浆装置包括模拟注浆管24、注浆泵28、注浆套33和泥浆箱26，所述泥浆箱26和所述注浆泵28连接，且均设于所述台车17上，所述注浆套33设于所述支撑环6的外侧表面，所述模拟注浆管24以LED光带制作，所述模拟注浆管24的一端与所述注浆泵28和泥浆箱26连接，另一端依次穿过所述管片12、盾尾8、支撑环6，连通至所注浆套33。这里所称的依次即为从远离洞门1一端至靠近洞门1一端的方向，亦即如图6所示的由右至左。

所述机械结构装置还包括一套模拟注水装置，所述模拟注水装置包括模拟注水管25、注水泵29和水箱27，所述注水泵29和所述水箱27设于所述台车17上，所述模拟注水管25以LED光带制作，所述模拟主水管25的一端与所述注水泵和水箱连接，另一端依次穿过所述管片12、盾尾8、支撑环6、切口环，连通至所述土仓。这里所称的依次即为从远离洞门1一端至靠近洞门1一端的方向，亦即如图6所示的由右至左。

注浆和注水装置在真实的盾构机中的作用是将盾构机周围的缝隙填入浆和水，进而防止土的沉降等问题，本实施例中，所述模拟注浆装置包括在支撑环6外表面安装的若干道注浆套，其中至少1道注浆套采用LED光带，以灯光流动来演绎盾构掘进施工中的同步注浆的情况，LED光带模拟注浆注水管道，在控制系统的操纵下，以移动灯光来模拟盾构机掘进中的注浆流、注水流。

所述机械结构装置还包括一个施工测量系统，所述掘进施工测量系统包括测量吊架18、测量仪（图未示）、测量坐标基准点19、测量高程基准点20和一个激光靶标9，所述测量仪位于所述测量吊架18内，所述测量吊架18设于所述底楼空间的顶板上，所述测量坐标基准点19设于所述底楼空间侧壁上，所述测量高程基准点20设于所述底楼空间的地面上，所述激光靶标9位于所述切口环3内。所述测量仪用于通过所述激光标靶发出的激光，并参考测量坐标基准点和测量高程基准点，确定掘进位置和方向。

所述液电动力装置至少包括与所述刀盘连接的电动机和变频器，与所述螺旋输送机连接的电动机和变频器，与所述运输小车连接的电动机。

所述液电动力装置还包括与所述若干液压顶推油缸连接的油缸驱动装置。

所述液电动力装置还可以包括驱动出土闸门的液压千斤顶（油缸）、驱动所述旋转拼装机的液压泵站、液压千斤顶（油缸）以及电动机等等。

本实施例中，关于各种参数的使用、模块的运算方式、运算手段、模拟计算方法等，本领域的技术人员可以根据实际盾构机的运作机构以及基本的机器语言规则获得，也因此本发明不受限于任何一类盾构机型号，而是普适于多种盾构机的盾构机双模型仿真设备与方法。

本实施例还提供了一种盾构机双模型仿真方法，包括如下步骤：

S01：操作人员通过仿真系统人机界面发出操作指令；系统控制单元将接收的指令解析后分别发给实体模型单元和数字模型驱动单元；

S02：实体模型单元接收系统控制单元的指令，驱动实体模型，运行指令所要求的动作；然后用于检测实体模型的传感器、行程开关，将动作后的检测信息反馈给系统控制单元；

所述数字模型驱动单元接收系统控制单元的指令，按照指令所要求的动作，进行虚拟运算，模拟盾构机、盾构机的动作、施工对象、施工环境的状况变化，将运算结果发送给数字模型单元，并反馈给系统控制单元；

所述数字模型单元根据所述数字模型驱动单元的运算结果和所述数字模型单元中事先建立的盾构机三维立体模型进行图形仿真运算，使得盾构机三维立体模型发生位移和姿态变化，从而通过所述数字模型单元模拟盾构机动作，以及盾构机在模拟施工环境中的施工过程；然后，所述数字模型单元将模拟的结果依据操作人员通过数字模型单元人机界面发出的操作指令所确定的模拟展示方式进行展示图像的模拟生成，进而输出相应的三维图景，使操作人员可以通过模拟镜头，多方位、多角度地观看盾构机模型的三维图景，以及运行数据记录、历史记录回放等；

S03：所述系统控制单元接收实体模型单元、数字模型驱动单元反馈的信息，完成一轮闭环运算，修正下一轮的控制参数，以及将要发出的下一个控制指令；其中，闭环运算即闭环控制，是自动控制技术的基本术语之一，闭环控制是指，发出控制指令后，跟踪检测指令执行的效果，根据效果修正下一步指令，其流程构成一个闭合的回路，所以称为闭环控制或运算。与其对应的是开环控制，即只发出指令，对指令执行效果不检测，或者检测了也不用于控制；

同时，一方面，所述系统控制单元将实体模型单元反馈的信息反馈给数字模型驱动单元，使数字模型单元与实体模型单元实现同步；

另一方面，系统控制单元将数字模型驱动单元反馈的信息反馈给实体模型单元，所述实体模型单元据此进行运行；具体来说，实体模型单元运行时的定位、限位，有的要靠传感器或行程开关发出的信号。其中有的出于实物模型单元本身的原因，实际没有安装相应的部件，就要利用数字模型驱动单元发出的信号。例如，对电机过载的仿真，因为实体模型单元不会过载，所以需要模拟设备过载情况时，就由数字模型驱动单元发出过载信号，实物模型单元中的实物模型再根据该信号进行运行；又如，实物模型不会也不允许侧滚，需要模拟对侧滚的纠偏功能时，就由数字模型驱动单元发出侧滚角度数据，等等。所以，实体模型单元的部分功能需要数字模型驱动单元反馈的信息，并受其影响。

S04：系统控制单元将实体模型单元、数字模型驱动单元反馈的信息，以及闭环运算结果，通过人机界面反馈给操作人员；

S05：重复步骤S01至S04，进行其他动作的操作仿真。

其中，“数字模型单元”的载体或设备是所述图形仿真器。图形仿真器的主要作用一是存放数字模型，二是将数字模型转化为三维立体图像显示在屏幕上。“数字模型驱动单元”的载体或设备是所述虚拟处理器。虚拟处理器的主要作用是让数字模型变化、运动起来，而且要像真实的设备、对象、环境那样变化、运动。所述虚拟处理器不断地计算数字模型的变化、运动数据，并随时传输给所述图形仿真器，所述图形仿真器里的数字模型就根据这些数据进行相应的调整，图形仿真器屏幕上的三维立体图像也就随之同步演绎。

本实施例方法中所称的实体模型单元可以参照本实施例所提供的设备中的实体模型机进行理解，本实施例方法中所称的数字模型驱动单元可以参照本实施例所提供的设备中的虚拟处理器进行理解，本实施例方法中所称的数字模型单元可以参照本实施例所提供的设备中的图形仿真器进行理解，本实施例方法中所称的系统控制单元可以参照本实施例所提供的设备中的总控处理系统进行理解；

Claims (20)

1.一种盾构机双模型仿真设备，其特征在于：包括： 

盾构模型机，用以对盾构机和盾构机的动作进行实物仿真； 

系统控制台，用以供操作人员进行盾构机的模拟操作； 

虚拟处理器，用以根据所述盾构模型机的实物仿真的反馈信息以及所述系统控制台的模拟操作指令进行盾构机的动态仿真和数据处理； 

以及图形仿真器，用以根据所述虚拟处理器的动态仿真和数据处理结果实现盾构机、施工对象、施工环境的动态仿真展示。 

2.如权利要求1所述的盾构机双模型仿真设备，其特征在于：所述系统控制台至少包括供操作人员实现模拟操作的控制台触摸屏和控制台操作板以及总控处理系统； 

所述总控处理系统包括： 

系统总控模块，用以根据所述控制台触摸屏和控制台操作板的输入信息，生成动作指令； 

数据管理模块，用于存储和管理盾构机仿真施工的设备性能参数、施工控制参数和仿真运算参数； 

同步仿真模块，用以根据所述系统总控模块生成的动作指令、所述数据管理模块存储的参数数据以及所述虚拟处理器和盾构模型机反馈而来的数据生成动作仿真和施工仿真指令； 

以及数据通讯模块，用以实现所述同步仿真模块、虚拟处理器以及盾构模型机之间的数据传输。 

3.如权利要求1所述的盾构机双模型仿真设备，其特征在于：所述虚拟处理器包括： 

处理器数据通讯模块，用以与所述系统控制台和图形仿真器实现数据传输； 

处理器数据库模块，用以实现设备性能参数、施工控制参数、虚拟运算参 数的存储； 

虚拟运算模块，用以根据所述系统控制台的指令、所述盾构模型机反馈信息与所述处理器数据库模块中的数据进行盾构机动作的动态仿真运算，并将动态仿真运算的结果通过所述处理器数据通讯模块反馈给所述系统控制台和图形仿真器； 

事件模拟模块，用以根据所述处理器数据库模块中的数据模拟盾构机运行的事件，并将模拟的结果反馈给所述处理器数据库模块； 

以及运行监控模块，与所述虚拟运算模块连接，用以供相关人员监控所述虚拟运算模块的运行状态，相关人员通过所述运行监控模块调整所述虚拟运算模块的运算参数，实现对系统运行的干预。 

4.如权利要求3所述的盾构机双模型仿真设备，其特征在于：所述虚拟处理器还包括： 

教学管理模块，用于对盾构机教学实训的作业流程进行管理、教学信息记录以及教学信息查询 

数据管理模块，用以供相关人员读取、调整和维护所述处理器数据库模块中的数据。 

5.如权利要求1所述的盾构机双模型仿真设备，其特征在于：所述图形仿真器包括： 

仿真器数据通讯模块，用以实现与所述虚拟处理器之间的数据传输； 

本地数据库模块，用以存储盾构机的图像、动画信息、性能参数； 

图形仿真引擎模块，用以根据所述虚拟处理器传输而来的数据以及所述本地数据库模块实现盾构机的图像数据的仿真生成； 

图形仿真引擎的执行模块，用以根据操作人员的操作对所述图形仿真引擎模块生成的盾构机的图像数据的模拟展示方式进行选择确认，从而生成用以展示的图像的数据； 

三维效果模块，用以对所述执行模块生成的图像增加视觉效果； 

信息提示模块，用以对所述执行模块生成的图像增加文字提示； 

以及显示终端模块，分别与所述三维效果模块和信息提示模块连接，输出最终的图像。 

6.如权利要求5所述的盾构机双模型仿真设备，其特征在于：所述执行模块包括均与所述图形仿真引擎模块连接的场景切换模块、镜头定位模块、镜头漫游模块、视图选择模块和自动巡视模块，所述场景切换模块、镜头定位模块。 

7.如权利要求5所述的盾构机双模型仿真设备，其特征在于：所述图形仿真器还包括： 

视图制作模块，用以供相关人员制作三维视图，并将其储存于所述本地数据库模块中； 

数据管理模块，用以供相关人员对所述本地数据库模块中的数据进行管理。 

8.如权利要求5所述的盾构机双模型仿真设备，其特征在于：所述本地数据库模块还用以存储所述虚拟处理器传输而来的历史数据，所述图形仿真器还包括回放管理模块，用以根据相关人员的操作调取所述本地数据库模块中的历史数据，并根据所述历史数据驱动所述图形仿真引擎实现盾构机的图像数据的仿真生成，最终实现三维图像和文字的输出。 

9.如权利要求1所述的盾构机双模型仿真设备，其特征在于：所述盾构模型机通过一个模型机控制系统与所述系统控制台连接，所述模型机控制系统包括： 

模型机数据通讯模块，与所述系统控制台连接，用以实现与所述系统控制台之间的数据传输； 

掘进控制模块；用以根据所述系统控制台发出的指令生成所述盾构模型机的掘进动作指令； 

注液控制模块，用以根据所述系统控制台发出的指令生成所述盾构模型机中的模拟注浆装置和模拟注水装置的注液动作指令； 

小车控制模块，用以根据所述系统控制台发出的指令生成所述盾构模型机中的运输小车的运输动作指令； 

管片拼装模块，用以根据所述系统控制台发出的指令生成所述盾构模型机中的管片拼装机的拼装动作指令； 

以及液电驱动模块，用以根据所述掘进控制模块、注液控制模块、小车控制模块和管片拼装模块生成的掘进动作指令、注液动作指令、运输动作指令、拼装动作指令驱动所述盾构模型机实施动作。 

10.如权利要求9所述的盾构机组合仿真设备，其特征在于：所述模型机控制系统还包括安全控制模块，用以检测所述掘进控制模块、注液控制模块、小车控制模块和管片拼装模块生成的掘进动作指令、注液动作指令、运输动作指令、拼装动作指令，若无误，根据无误的动作指令驱动所述盾构模型机实施动作，若有误，向所述系统控制台发出警报信息，并根据有误的指令判断是否适于实施指令；若适于实施，则依旧根据动作指令驱动所述盾构模型机实施动作，若不适于实施，则终止驱动。 

11.如权利要求1所述的盾构机组合仿真设备，其特征在于：所述盾构模型机包括液电动力装置和机械结构装置，所述液电动力装置分别与所述系统控制台和机械结构装置连接。 

12.如权利要求11所述的盾构机组合仿真设备，其特征在于：所述机械结构装置包括沿水平方向依次布置模拟真实盾构机出洞的洞门、发射架和平台。 

13.如权利要求12所述的盾构机组合仿真设备，其特征在于：所述发射架上沿水平方向依次设有盾壳和管片，所述盾壳由切口环、支撑环和盾尾组成，所述切口环的后端与所述支撑环的前端连接，所述支撑环的后端与所述盾尾的前端连接，所述盾壳上设有供观察盾壳内部机构的盾壳观察窗，所述平台上设有反力架、台车和运输小车。 

14.如权利要求13所述的盾构机组合仿真设备，其特征在于：所述机械结构装置还包括大刀盘、螺旋输送机、管片拼装机、双梁、支撑杆、皮带输送机和 单梁，所述切口环内的空间通过一个胸板分隔成前、后两部分，前部分空间中靠近所述洞门的位置设有所述大刀盘，前部分空间中所述大刀盘与胸板之间的空间为土仓，所述螺旋输送机的前端安装在所述切口环内，所述支撑环内部装有经简化改进的所述管片拼装机，所述盾尾的后端与所述管片连接，所述双梁的前端与所述支撑环连接，所述双梁的后端与所述台车相连，所述管片通过一个支撑杆与所述反力架连接，所述台车上安装有一个皮带输送机，所述台车顶部安装有单梁，所述单梁和双梁上均装有用于管片吊运的起重机。 

15.如权利要求13所述的盾构机组合仿真设备，其特征在于：所述机械结构装置还包括一个液压推进和复位装置，所述液压推进和复位装置包括若干个液压推进油缸和位于所述台车上且与所述液压推进油缸连接的液压泵站，所述液压推进油缸一端与所述支撑环连接，另一端与所述管片连接，所述若干液压顶推油缸包括无动力模型油缸与至少两个真实油缸。 

16.如权利要求13所述的盾构机组合仿真设备，其特征在于：所述机械结构装置还包括一个模拟注浆装置，所述模拟注浆装置包括模拟注浆管、注浆泵、泥浆箱，所述泥浆箱和所述注浆泵连接，且均设于所述台车上，所述模拟注浆管以LED光带制作，所述模拟注浆管的一端与所述注浆泵和泥浆箱连接，另一端依次穿过所述管片、盾尾、支撑环，连通至设于所述支撑环外侧表面的注浆套。 

17.如权利要求13所述的盾构机组合仿真设备，其特征在于：所述机械结构装置还包括一套模拟注水装置，所述模拟注水装置包括模拟注水管、注水泵和水箱，所述注水泵和所述水箱设于所述台车上，所述模拟注水管以LED光带制作，所述模拟主水管的一端与所述注水泵和水箱连接，另一端依次穿过所述管片、盾尾、支撑环、切口环，连通至所述土仓和刀盘。 

18.如权利要求11所述的盾构机组合仿真设备，其特征在于：所述液电动力装置至少包括与所述刀盘连接的电动机和变频器，与所述螺旋输送机连接的电动机和变频器，与所述运输小车连接的电动机。 

19.如权利要求11所述的盾构机组合仿真设备，其特征在于：所述液电动力 装置还包括与所述若干液压顶推油缸连接的油缸驱动装置。 

20.一种盾构机双模型仿真方法，其特征在于：包括如下步骤： 

S01：操作人员通过仿真系统人机界面发出操作指令；系统控制单元将接收的指令解析后分别发给实体模型单元和数字模型驱动单元； 

S02：实体模型单元接收系统控制单元的指令，驱动实体模型，运行指令所要求的动作；然后用于检测实体模型的传感器、行程开关，将动作后的检测信息反馈给系统控制单元； 

所述数字模型驱动单元接收系统控制单元的指令，按照指令所要求的动作，进行虚拟运算，模拟盾构机、盾构机的动作、施工对象、施工环境的状况变化，将运算结果发送给数字模型单元，并反馈给系统控制单元； 

所述数字模型单元根据所述数字模型驱动单元的运算结果和所述数字模型单元中事先建立的盾构机三维立体模型进行图形仿真运算，使得盾构机三维立体模型发生位移和姿态变化，从而通过所述数字模型单元模拟盾构机动作，以及盾构机在模拟施工环境中的施工过程；然后，所述数字模型单元将模拟的结果依据操作人员通过数字模型单元人机界面发出的操作指令所确定的模拟展示方式进行展示图像的模拟生成，进而输出相应的三维图像； 

S03：所述系统控制单元接收实体模型单元、数字模型驱动单元反馈的信息，完成一轮闭环运算，修正下一轮的控制参数，以及将要发出的下一个控制指令；同时，一方面，所述系统控制单元将实体模型单元反馈的信息反馈给数字模型驱动单元，使数字模型单元与实体模型单元实现同步，另一方面，系统控制单元将数字模型驱动单元反馈的信息反馈给实体模型单元，所述实体模型单元据此进行运行； 

S04：系统控制单元将实体模型单元、数字模型驱动单元反馈的信息，以及闭环运算结果，通过人机界面反馈给操作人员； 

S05：重复步骤S01至S04，进行其他动作的操作仿真。 

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