CN109584668A - 一种基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台，包括控制器，控制器与显示器相连接，控制器上设有参数设置模块、三维渲染模块和数据传输模块，参数设置模块、三维渲染模块和数据传输模块均与控制器相连接，数据传输模块与云平台相连接，云平台上设有数据存储模块和数据分析模块，数据存储模块与数据分析模块相连接，数据存储模块与数据库相连接。本发明不仅可以作为隧道掘进机的学习及培训平台，也可以作为仿真测试平台，既可以模拟不同的掘进参数在不同的地质环境下的不同掘进效果，也可以通过模拟不同的地质环境来优化测试隧道掘进机的掘进参数，形成一套隧道掘进机在不同地质环境下的决策知识库，有较高的理论价值和实际意义。

Description

一种基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台

技术领域

本发明涉及隧道掘进机实训平台的技术领域，尤其涉及一种基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台。

背景技术

近些年来，随着城市的不断发展进步，各大城市的地铁建设、地下综合管廊建设迅猛发展。对于地铁、综合管廊等建设中的主要设备-----隧道掘进机的投入也越来越大。而国内隧道掘进机的驾驶人员一直非常紧缺，且隧道掘进机的驾驶学习及培训成本一直较高。一方面由于隧道掘进机的购置成本非常高，因此实际操作风险相对较高；其次隧道掘进机的实际运行环境往往在环境较差的铁路隧道、公路隧道、水工隧道等，人员实训的效果和环境都不好。因此，开发一种为隧道掘进机驾驶人员实训的平台，来克服或缓解上述不利因素的影响，同时，通过此平台来优化真实隧道掘进机的各项设计参数以及施工过程中的掘进参数，就显得尤为重要。

发明内容

针对隧道掘进机成本较高，运行环境较差，实际操作训练风险较高和操作环境差的技术问题，本发明提出一种基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台，能够支持用户基于虚拟现实和大数据进行隧道掘进机实训。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台，包括控制器，所述控制器与显示器相连接，控制器上设有参数设置模块、三维渲染模块和数据传输模块，参数设置模块、三维渲染模块和数据传输模块均与控制器相连接，数据传输模块与云平台相连接，云平台上设有数据存储模块和数据分析模块，数据存储模块与数据分析模块相连接，数据存储模块与数据库相连接；所述参数设置模块，用于用户进行参数设置，控制器根据用户设置参数进行操作环境的初始化；所述三维渲染模块，用于进行整个实训过程的动态三维模型渲染，并将动态三维模型通过格式化工具显示在显示器上；所述数据传输模块，用于实时将用户的操作行为数据传输至云平台；所述数据存储模块，用于对用户整个操作过程的数据进行存储；所述数据分析模块，用于对用户的整个操作过程的数据进行大数据分析，并给出分析结果。

所述参数设置模块包括参数设置单元和参数保存单元，参数设置单元和参数保存单元相连接，参数保存单元与控制器相连接；参数设置单元，用于提供用户各类参数设置接口，包括隧道类型、掘进机类型、地质类型、掘进里程、操作难度；参数保存单元，用于对用户设置的各类参数进行保存，并将保存的各类参数传送至控制器。

所述三维渲染模块包括三维建模单元和三维数据驱动单元，控制器与三维建模单元相连接，三维建模单元与三维数据驱动单元相连接；三维建模单元，用于根据用户设置的参数进行三维建模，包括隧道、掘进机、地质及各类构筑物；三维数据驱动单元，用于根据用户与控制器的实时交互数据驱动三维模型的动态渲染。

所述数据传输模块包括数据处理单元和数据传输单元，控制器与数据处理单元相连接，数据处理单元与数据传输单元相连接，数据传输单元通过无线通信模块与云平台相连接；数据处理单元，用于对数据进行加密及压缩处理；数据传输单元，用于将数据处理单元处理后的数据传输至云平台。

所述数据存储模块包括数据分类单元和数据存储单元，控制器与数据分类单元相连接，数据分类单元与数据存储单元相连接，数据分类单元与数据库相连接；数据分类单元，用于对各类数据进行分类，数据包括结构化数据、半结构化数据和非结构化数据；数据存储单元，用于对数据分类单元分类后的数据分别进行存储，其中结构化数据存储于结构化数据库，半结构化数据和非结构化数据存储于非结构化数据库。

所述数据分析模块包括数据清洗单元、数据分析单元和数据展示单元，数据清洗单元与控制器相连接，数据清洗单元与数据分析单元相连接，数据分析单元与数据展示单元相连接，数据展示单元与显示器相连接；数据清洗单元，用于对获取的各类数据进行处理，转化为规整的数据；数据分析单元，用于对数据清洗单元处理后的数据进行分析，得出数据行为特征；数据展示单元，用于对数据分析单元的分析结果以图形化方式向用户展现。

所述对于采集的原始数据，数据格式通常无法满足对数据处理的基本要求，需要转化为规整的数据，数据清洗单元实现主要是通过编写MapReduce程序将采集的原始数据转化为规整的数据，MapReduce程序的编写分为Mapper、Reducer、Job三个基本的过程；数据分析单元的分析方法包括分类、回归分析、聚类、关联规则或神经网络方法，通过分析方法进行数据分析可以得到对数据的整体属性和关联性的详细描述，通过不同数据间的关联性比照提供特征值。

基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台的操作方法，其步骤如下：

步骤1、用户通过参数设置模块选择隧道掘进机的类型、所要掘进的隧道类型、地质类型、掘进里程或掘进环数和掘进难度；

步骤2、三维渲染模块根据用户选择的参数自动进行三维仿真建模，并将三维模型实时显示在显示器上；

步骤3、启动驾驶仿真模拟，用户在控制器上与三维渲染模块进行交互式驾驶仿真操作；通过传感器组检测外设在虚拟控制台上的变换，并将检测数据传送至控制器，控制器将数据转换为掘进参数并通过参数设置模块进行掘进参数的设置；

步骤4、三维渲染模块对输入的掘进数据进行动力学计算，驱动隧道掘进机开始运转；根据用户操作过程中的行为三维数据驱动单元真实模拟各类风险；

步骤5、数据传输模块对整个过程的操作数据实时传输到云平台，数据存储模块将操作数据分类并存储；

步骤6、掘进完成后云平台上的数据分析模块根据大数据运算结果对用户整个操作过程进行综合评估，并将评估结果通过无线通信模块传送至控制器。

本发明的有益效果：将真实隧道掘进机的精确动力学模型和隧道轴线与真实隧道施工及驾驶环境3D场景结合，让学员利用手柄、手套或其他操控装置与虚拟现实头盔来进行隧道掘进机驾驶仿真学习，并将学习过程的驾驶行为数据和驾驶过程的情景视频上传到系统云端，经大数据分析后形成操作过程的个性化评价及建议。本发明不仅可以作为隧道掘进机的学习及培训平台，同时可以作为仿真测试平台，既可以模拟不同的掘进参数在不同的地质环境下的不同掘进效果，同时可以通过模拟不同的地质环境来优化测试隧道掘进机的掘进参数，最终形成一套隧道掘进机在不同地质环境下的决策知识库，有较高的理论价值和实际意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明操作的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台，包括控制器，所述控制器与显示器相连接，控制器上设有参数设置模块、三维渲染模块和数据传输模块，参数设置模块、三维渲染模块和数据传输模块均与控制器相连接，数据传输模块通过无线通信模块与云平台相连接，云平台上设有数据存储模块和数据分析模块，数据存储模块与数据分析模块相连接，数据存储模块与数据库相连接。所述参数设置模块，用于用户进行参数设置，控制器根据用户设置参数进行操作环境的初始化。所述三维渲染模块，用于进行整个实训过程的动态三维模型渲染，并将动态三维模型通过格式化工具显示在显示器上。所述数据传输模块，通过无线通信模块实时将用户的操作行为数据传输至云平台；所述数据存储模块，用于对用户整个操作过程的数据进行存储；所述数据分析模块，用于对用户的整个操作过程的数据进行大数据分析，并给出分析结果。

所述参数设置模块包括参数设置单元和参数保存单元，参数设置单元和参数保存单元相连接，参数保存单元与控制器相连接；参数设置单元，用于提供用户各类参数设置接口，包括隧道类型、掘进机类型、地质类型、掘进里程、操作难度；参数保存单元，用于对用户设置的各类参数进行保存，并将保存的各类参数传送至控制器。

所述三维渲染模块包括三维建模单元和三维数据驱动单元，控制器与三维建模单元相连接，三维建模单元与三维数据驱动单元相连接。三维建模单元，用于根据用户设置的参数进行三维建模，包括隧道、掘进机、地质及各类构筑物；三维数据驱动单元，用于根据用户与控制器的实时交互数据驱动三维模型的动态渲染。

所述数据传输模块包括数据处理单元和数据传输单元，控制器与数据处理单元相连接，数据处理单元与数据传输单元相连接，数据传输单元通过无线通信模块与云平台相连接；数据处理单元，用于对数据进行加密及压缩处理。加密和压缩可以分别使用常规的加密和压缩算法，其中加密算法可以使用DES、IDEA、RSA等，压缩算法可以使用霍夫曼压缩、LZW压缩等，这里可以不做限定。数据传输单元，用于将数据处理单元处理后的数据传输至云平台。

所述数据存储模块包括数据分类单元和数据存储单元，控制器与数据分类单元相连接，数据分类单元与数据存储单元相连接，数据分类单元与数据库相连接；数据分类单元，用于对各类数据进行分类，包括结构化数据和非结构化数据。数据分类是根据预先定义的分类规则进行的，比如结构化数据是指可以使用关系型数据库表示和存储的数据，即二维类型的数据，比如名字、性别等，非结构数据是指没有固定格式的数据，比如文档、图片、音/视频等。数据存储单元，用于对数据分类单元分类后的数据分别进行存储，其中结构化数据存储于结构化数据库，半结构化数据和非结构化数据存储于非结构化数据库。结构化数据存储在关系型数据库当中，数据库可以选择MySQL、SQLServer、Oracle等，非结构化数据库可以选择Mongodb，Hbase等，这里可以不用对数据库类型进行限定。

所述数据分析模块包括数据清洗单元、数据分析单元和数据展示单元，数据清洗单元与控制器相连接，数据清洗单元与数据分析单元相连接，数据分析单元与数据展示单元相连接，数据展示单元与显示器相连接。数据清洗单元，用于对获取的各类数据进行处理，转化为规整的数据。对于采集的原始数据，数据格式通常无法满足对数据处理的基本要求，需要转化为规整的数据，数据清洗单元实现主要是通过编写MapReduce程序实现的，MapReduce程序的编写分为Mapper、Reducer、Job三个基本的过程，直接编写对应过程的代码即可。数据分析单元，用于对数据清洗单元处理后的数据进行分析，得出数据行为特征。分析方法有多种，包括分类、回归分析、聚类、关联规则、神经网络方法等，每种方法从不同的角度对数据进行挖掘分析，本发明对具体的分析方法不做限制。通过数据分析，可以得到对数据的整体属性和关联性的详细描述，通过不同数据间的关联性比照提供特征值；数据展示单元，用于对数据分析单元的分析结果以图形化方式向用户展现。

如图1所示，一种基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台的操作方法，其步骤如下：

步骤1、用户通过参数设置模块选择隧道掘进机的类型、所要掘进的隧道类型、地质类型、掘进里程或掘进环数和掘进难度。

本方案中隧道掘进机包括但不限于土压平衡、泥水平衡、敞开式TBM、双护盾TBM或单护盾TBM。隧道包括但不限于铁路隧道、公路隧道、水工隧道等。地质类型比如硬岩、黏土、砂砾等，也可自定义地质类型。不同的难度级别对应不同的风险发生的几率。

步骤2、三维渲染模块根据用户选择的参数自动进行三维仿真建模，并将三维模型实时显示在显示器上。

步骤3、启动驾驶仿真模拟，用户在控制器上与三维渲染模块进行交互式驾驶仿真操作；通过传感器组检测外设在虚拟控制台上的变换，并将检测数据传送至控制器，控制器将数据转换为掘进参数并通过参数设置模块进行掘进参数的设置。

外设包括手套、手柄或其他操控装置。掘进参数包括转速、扭矩、皮带机转速、俯仰角等。

步骤4、三维渲染模块对输入的掘进数据进行动力学计算，驱动隧道掘进机开始运转；根据用户操作过程中的行为三维数据驱动单元真实模拟各类风险。

模拟各类风险比如出现沉降、泥饼、堵仓等。

步骤5、数据传输模块对整个过程的操作数据实时传输到云平台，数据存储模块将操作数据分类并存储。

步骤6、掘进完成后云平台上的数据分析模块根据大数据运算结果对用户整个操作过程进行综合评估，并将评估结果通过无线通信模块传送至控制器。

综合评估包括但不限于存在的问题、优势的部分、工法改进建议以及综合得分。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台，包括控制器，其特征在于，所述控制器与显示器相连接，控制器上设有参数设置模块、三维渲染模块和数据传输模块，参数设置模块、三维渲染模块和数据传输模块均与控制器相连接，数据传输模块与云平台相连接，云平台上设有数据存储模块和数据分析模块，数据存储模块与数据分析模块相连接，数据存储模块与数据库相连接；所述参数设置模块，用于用户进行参数设置，控制器根据用户设置参数进行操作环境的初始化；所述三维渲染模块，用于进行整个实训过程的动态三维模型渲染，并将动态三维模型通过格式化工具显示在显示器上；所述数据传输模块，用于实时将用户的操作行为数据传输至云平台；所述数据存储模块，用于对用户整个操作过程的数据进行存储；所述数据分析模块，用于对用户的整个操作过程的数据进行大数据分析，并给出分析结果。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台，其特征在于，所述参数设置模块包括参数设置单元和参数保存单元，参数设置单元和参数保存单元相连接，参数保存单元与控制器相连接；参数设置单元，用于提供用户各类参数设置接口，包括隧道类型、掘进机类型、地质类型、掘进里程、操作难度；参数保存单元，用于对用户设置的各类参数进行保存，并将保存的各类参数传送至控制器。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台，其特征在于，所述三维渲染模块包括三维建模单元和三维数据驱动单元，控制器与三维建模单元相连接，三维建模单元与三维数据驱动单元相连接；三维建模单元，用于根据用户设置的参数进行三维建模，包括隧道、掘进机、地质及各类构筑物；三维数据驱动单元，用于根据用户与控制器的实时交互数据驱动三维模型的动态渲染。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台，其特征在于，所述数据传输模块包括数据处理单元和数据传输单元，控制器与数据处理单元相连接，数据处理单元与数据传输单元相连接，数据传输单元通过无线通信模块与云平台相连接；数据处理单元，用于对数据进行加密及压缩处理；数据传输单元，用于将数据处理单元处理后的数据传输至云平台。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台，其特征在于，所述数据存储模块包括数据分类单元和数据存储单元，控制器与数据分类单元相连接，数据分类单元与数据存储单元相连接，数据分类单元与数据库相连接；数据分类单元，用于对各类数据进行分类，数据包括结构化数据、半结构化数据和非结构化数据；数据存储单元，用于对数据分类单元分类后的数据分别进行存储，其中结构化数据存储于结构化数据库，半结构化数据和非结构化数据存储于非结构化数据库。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台，其特征在于，所述数据分析模块包括数据清洗单元、数据分析单元和数据展示单元，数据清洗单元与控制器相连接，数据清洗单元与数据分析单元相连接，数据分析单元与数据展示单元相连接，数据展示单元与显示器相连接；数据清洗单元，用于对获取的各类数据进行处理，转化为规整的数据；数据分析单元，用于对数据清洗单元处理后的数据进行分析，得出数据行为特征；数据展示单元，用于对数据分析单元的分析结果以图形化方式向用户展现。

7.根据权利要求6所述的基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台，其特征在于，所述对于采集的原始数据，数据格式通常无法满足对数据处理的基本要求，需要转化为规整的数据，数据清洗单元实现主要是通过编写MapReduce程序将采集的原始数据转化为规整的数据，MapReduce程序的编写分为Mapper、Reducer、Job三个基本的过程；数据分析单元的分析方法包括分类、回归分析、聚类、关联规则或神经网络方法，通过分析方法进行数据分析可以得到对数据的整体属性和关联性的详细描述，通过不同数据间的关联性比照提供特征值。

8.根据权利要求1-6中任意一项所述的基于虚拟现实和大数据的隧道掘进机实训平台的操作方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤1、用户通过参数设置模块选择隧道掘进机的类型、所要掘进的隧道类型、地质类型、掘进里程或掘进环数和掘进难度；

步骤2、三维渲染模块根据用户选择的参数自动进行三维仿真建模，并将三维模型实时显示在显示器上；

步骤3、启动驾驶仿真模拟，用户在控制器上与三维渲染模块进行交互式驾驶仿真操作；通过传感器组检测外设在虚拟控制台上的变换，并将检测数据传送至控制器，控制器将数据转换为掘进参数并通过参数设置模块进行掘进参数的设置；

步骤4、三维渲染模块对输入的掘进数据进行动力学计算，驱动隧道掘进机开始运转；根据用户操作过程中的行为三维数据驱动单元真实模拟各类风险；

步骤5、数据传输模块对整个过程的操作数据实时传输到云平台，数据存储模块将操作数据分类并存储；

步骤6、掘进完成后云平台上的数据分析模块根据大数据运算结果对用户整个操作过程进行综合评估，并将评估结果通过无线通信模块传送至控制器。