CN109685878B - 一种基于三维模型的隧道掘进机展示方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于三维模型的隧道掘进机展示方法及系统，其步骤如下：数据采集模块实时采集隧道掘进机的PLC控制器和导向系统的数据，通过网络传送至数据库并进行存储；三维建模模块根据隧道掘进机的类型进行三维建模；模型数据驱动模块将数据库中的数据输入三维模型，通过真实数据驱动三维模型联动，实现三维实时展现；虚拟交互模块与三维模型进行仿真数据交互，实现设备拆解、模型装配或施工模拟。本发明实现了不在施工现场即可切身感受到隧道掘进机施工过程中的整个状态，同时支持用户通过虚拟交互的方式了解隧道掘进机各个部件的功能原理并能够进行三维模拟操作，包括设备拆解、模型装配、施工模拟等操作。

Description

一种基于三维模型的隧道掘进机展示方法及系统

技术领域

本发明涉及隧道掘进机建模的技术领域，尤其涉及一种基于三维模型的隧道掘进机展示方法及系统。

背景技术

近年来伴随着城市发展的不断进步，各大城市的地铁建设和地下综合管廊建设的迅猛发展。现有的隧道掘进机展示都是通过二维平面进行展示，由于隧道掘进机是一个工艺复杂度较高的设备，所以仅仅通过二维无法直观的对各个角度的结构件进行展现。如果通过三维模型的话，可以将隧道掘进机的实际情况真实通过三维模型进行驱动，用户无需在施工现场即可全方位查看隧道掘进机的工作状态。而对于地铁建设中使用的主要设备---隧道掘进机工作状态的三维实时展示以及管理平台目前还处于相对空缺的状态。

发明内容

针对现有建模方法不能实现隧道掘进机整体展示的技术问题，本发明提出一种基于三维模型的隧道掘进机展示方法及系统，支持与三维模型进行数据交互联动和实时展示。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于三维模型的隧道掘进机展示方法，其步骤如下：

步骤一：数据采集模块实时采集隧道掘进机的PLC控制器和导向系统的数据，通过网络传送至数据库并进行存储；

步骤二：三维建模模块根据隧道掘进机的类型进行三维建模；

步骤三：模型数据驱动模块将数据库中的数据输入三维模型，通过真实数据驱动三维模型联动，实现三维实时展现；

步骤四：虚拟交互模块与三维模型进行仿真数据交互，实现设备拆解、模型装配或施工模拟。

所述数据采集模块采集的数据包括但不限于掘进参数、设备参数、地质参数和导向参数，采集的数据包括贯入度、推进速度、总推进力或护盾、油缸、主推进系统、皮带机掘进过程中的数据；所述隧道掘进机的类型包括但不限于土压平衡TBM、泥水平衡TBM、敞开式TBM和双护盾TBM。

所述三维建模模块包括分类管理单元和三维建模单元，分类管理单元，用于根据数据采集模块获取的隧道掘进机参数对不同的隧道掘进机进行类型区分；三维建模单元，用于根据隧道掘进机的不同类型对隧道掘进机进行三维建模，渲染三维模型。

所述三维建模模块根据四种类型隧道掘进机分别建模，实现流程包括建模、材质贴图、灯光、动画、摄影机控制和渲染；建模是指通过三维建模软件绘制出角色模型，材质贴图是指对物体的颜色、透明度、反光度、反光强度、自发光及粗糙程度的特性通过软件的计算贴到三维模型上，形成表面细节和结构；灯光是指最大限度的模拟自然界的光线类型和人工光线类型，通过灯光的组合来模拟真实场景下的三维效果；动画是运用已设计好的造型在三维动画软件中制作对应的动画片段，动作与画面的变化通过关键帧来实现，设定动画的主要画面为关键帧，关键帧之间的过渡由计算机完成；摄影机控制是指依照摄影原理在三维建模软件中使用摄像机工具实现分镜头效果，渲染是指根据场景的设置，赋予物体的材质和贴图、灯光，由程序绘制出一副完整的画面或动作。

所述三维建模模块利用的三维软件中的灯光包括泛光和方向光，泛光是探照灯或电筒有照明方向的光源，方向光是太阳或蜡烛四面发射光线的光源。

所述三维建模单元采用Unity3D软件进行实现，三维模型的动画效果是预先设定好的或者通过调用三维软件中现成的接口设定的；虚拟交互模块基于VR外设与三维模型进行交互。

所述三维建模模块根据隧道掘进机的类型以三维的方式将隧道掘进机进行等比例缩放并展现；所述模型数据驱动模块根据隧道掘进机的当前状态实时驱动三维建模模块进行同步渲染，使得三维模型与隧道掘进机的实际工况保持完全一致；同时，虚拟交互模块对三维模型进行交互联动，包括设备拆解、模型装配、施工模拟等操作。

一种基于三维模型的隧道掘进机展示系统，其特征在于，包括数据采集模块、三维建模模块、模型数据驱动模块和虚拟交互模块，数据采集模块通过互联网与数据库相连接，数据库分别与模型数据驱动模块相连接，模型数据驱动模块与三维建模模块相连接，三维建模模块与虚拟交互模块相连接。

本发明的有益效果：现场隧道掘进机的设备数据和人工数据经过采集后，通过互联网将数据传输至数据中心的数据库，通过三维模型实时将隧道掘进机的当前状态进行展现；同时，为了对隧道掘进机的功能原理及施工状态更加清晰的理解，支持对三维模型进行交互联动，比如设备拆解、模型装配、施工模拟等，即通过多种方式将隧道掘进机远程监控展示变得更加丰富和直观。本发明实现了不在施工现场即可切身感受到隧道掘进机施工过程中的整个状态，同时支持用户通过虚拟交互的方式了解隧道掘进机各个部件的功能原理并能够进行三维模拟操作，包括设备拆解、模型装配、施工模拟等操作。

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为本发明的流程图。

图2为本发明的原理框图。

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。

实施例1

如图1所示，一种基于三维模型的隧道掘进机展示方法，其步骤为：

步骤一：数据采集模块实时采集隧道掘进机的PLC控制器和导向系统的数据，并通过网络传送至数据库并进行存储。

数据采集模块用于实时采集隧道掘进机PLC和导向系统的数据，数据采集模块采集的数据包括但不限于掘进参数、设备参数、地质参数和导向参数等。

步骤二：三维建模模块根据隧道掘进机的类型进行三维建模。

所述隧道掘进机的类型包括但不限于土压平衡、泥水平衡、敞开式TBM和双护盾TBM。

三维建模模块包括分类管理单元和三维建模单元，分类管理单元，用于根据数据采集模块获取的隧道掘进机参数对不同的隧道掘进机进行类型区分；三维建模单元，用于根据隧道掘进机的不同类型对隧道掘进机进行三维建模，渲染三维模型。三维建模及渲染可以采用Unity3D进行实现，但不限于Unity3D。隧道掘进机分为四大类，即土压平衡、泥水平衡、气压式和敞开式，三维建模模块首先是根据四种类型隧道掘进机分别建模，流程包括建模、材质贴图、灯光、动画、摄影机控制、渲染等。建模是指通过三维建模软件绘制出角色模型，材质贴图是指对物体的颜色、透明度、反光度、反光强度、自发光及粗糙程度等特性通过软件的计算贴到三维模型上，形成表面细节和结构，灯光是指最大限度的模拟自然界的光线类型和人工光线类型，三维软件中的灯光一般有泛光灯（如太阳、蜡烛等四面发射光线的光源）和方向灯（如探照灯、电筒等有照明方向的光源），通过灯光的组合来模拟真实场景下的三维效果。动画是指运用已设计好的造型在三维动画软件中制作对应的动画片段，动作与画面的变化通过关键帧来实现，设定动画的主要画面为关键帧，关键帧之间的过渡由计算机完成。摄影机控制是指依照摄影原理在三维建模软件中使用摄像机工具实现分镜头效果，渲染是指根据场景的设置，赋予物体的材质和贴图、灯光等，由程序绘制出一副完整的画面或动作。

步骤三：利用模型数据驱动模块将数据库中的数据输入三维模型，通过真实数据驱动三维模型联动，实现三维实时展现。

由于三维模型的动画效果可以是预先设定好的，也可以是通过接口设定的，基本上三维软件都是支持的，所以模型数据驱动模块只需要调用现成的接口即可实现。

步骤四：虚拟交互模块与三维模型进行仿真数据交互，实现设备拆解、模型装配或施工模拟。

虚拟交互模块基于VR外设进行与三维模型的交互。虚拟交互模块可以通过调用现成的程序框架，比如Unity3D实现VR外设与三维模型的交互。

数据采集模块实时获取隧道掘进机的各项参数（包括但不限于类型、护盾、油缸、贯入度、推进速度、总推进力、主推进系统、皮带机等），并将各个参数输入到三维建模模块和模型数据驱动模块。其中，三维建模模块根据隧道掘进机的类型（包括但不限于土压平衡、泥水平衡、敞开式TBM、双护盾TBM）以三维的方式将隧道掘进机进行等比例缩放并展现，模型数据驱动模块根据隧道掘进机的当前状态实时驱动三维建模模块进行同步渲染，使得三维模型与隧道掘进机的实际工况保持完全一致（比如，掘进状态下刀盘会进行转动并推进，拼装状态下管片拼装机会进行管片衬砌等）。同时，为了对隧道掘进机的功能原理及施工状态更加清晰的理解，通过虚拟交互模块对三维模型进行交互联动，包括设备拆解、模型装配、施工模拟等操作。

具体实例：用户希望了解隧道掘进机的各部件功能原理，可以将隧道掘进机的相应部件进行拖拽，同时可以查看该部件的运行仿真，比如管片拼装过程、螺旋输送机出渣过程等。现有的三维软件均可以运行仿真，比如Unity3D。此外，通过在虚拟控制台上设置掘进参数，可以查看三维模型的实时掘进效果。现实中的隧道掘进机在掘进过程中是通过控制台来对一些关键掘进参数进行设定的，本发明仅需要通过三维建模的方式将控制台模拟，将隧道掘进机运行中的各项参数动态显示在参数台上即可，也就是说所有的三维建模交互都可以通过上述过程来完成。

实施例2

如图2所示，一种基于三维模型的隧道掘进机展示系统，包括数据采集模块、三维建模模块、模型数据驱动模块和虚拟交互模块，数据采集模块通过互联网与数据库相连接，数据库分别与模型数据驱动模块相连接，模型数据驱动模块与三维建模模块相连接，三维建模模块与虚拟交互模块相连接。

数据采集模块，用于实时采集隧道掘进机PLC和导向系统的数据，包括但不限于掘进参数、设备参数、地质参数，导向参数等等。三维建模模块，用于根据隧道掘进机类型进行三维建模。所述模型数据驱动模块，用于将数据采集模块获取的数据进行输入，通过真实数据驱动三维模型联动。所述虚拟交互模块，用于同三维系统进行仿真数据交互，比如设备拆解、模型装配、施工模拟等。

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 (6)

1.一种基于三维模型的隧道掘进机展示方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤一：数据采集模块实时采集隧道掘进机的PLC控制器和导向系统的数据，通过网络传送至数据库并进行存储；

步骤二：三维建模模块根据隧道掘进机的类型进行三维建模；

所述三维建模模块包括分类管理单元和三维建模单元，分类管理单元，用于根据数据采集模块获取的隧道掘进机参数对不同的隧道掘进机进行类型区分；三维建模单元，用于根据隧道掘进机的不同类型对隧道掘进机进行三维建模，渲染三维模型；

所述三维建模模块根据四种类型隧道掘进机分别建模，实现流程包括建模、材质贴图、灯光、动画、摄影机控制和渲染；建模是指通过三维建模软件绘制出角色模型，材质贴图是指对物体的颜色、透明度、反光度、反光强度、自发光及粗糙程度的特性通过软件的计算贴到三维模型上，形成表面细节和结构；灯光是指最大限度的模拟自然界的光线类型和人工光线类型，通过灯光的组合来模拟真实场景下的三维效果；动画是运用已设计好的造型在三维动画软件中制作对应的动画片段，动作与画面的变化通过关键帧来实现，设定动画的主要画面为关键帧，关键帧之间的过渡由计算机完成；摄影机控制是指依照摄影原理在三维建模软件中使用摄像机工具实现分镜头效果，渲染是指根据场景的设置，赋予物体的材质和贴图、灯光，由程序绘制出一副完整的画面或动作；

步骤三：模型数据驱动模块将数据库中的数据输入三维模型，通过真实数据驱动三维模型联动，实现三维实时展现；

步骤四：虚拟交互模块与三维模型进行仿真数据交互，实现设备拆解、模型装配或施工模拟。

2.根据权利要求1所述的基于三维模型的隧道掘进机展示方法，其特征在于，所述数据采集模块采集的数据包括但不限于掘进参数、设备参数、地质参数和导向参数，采集的数据包括贯入度、推进速度、总推进力或护盾、油缸、主推进系统、皮带机掘进过程中的数据；所述隧道掘进机的类型包括但不限于土压平衡TBM、泥水平衡TBM、敞开式TBM和双护盾TBM。

3.根据权利要求1所述的基于三维模型的隧道掘进机展示方法，其特征在于，所述三维建模模块利用的三维软件中的灯光包括泛光和方向光，泛光是探照灯或电筒有照明方向的光源，方向光是太阳或蜡烛四面发射光线的光源。

4.根据权利要求3所述的基于三维模型的隧道掘进机展示方法，其特征在于，所述三维建模单元采用Unity3D软件进行实现，三维模型的动画效果是预先设定好的或者通过调用三维软件中现成的接口设定的；虚拟交互模块基于VR外设与三维模型进行交互。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的基于三维模型的隧道掘进机展示方法，其特征在于，所述三维建模模块根据隧道掘进机的类型以三维的方式将隧道掘进机进行等比例缩放并展现；所述模型数据驱动模块根据隧道掘进机的当前状态实时驱动三维建模模块进行同步渲染，使得三维模型与隧道掘进机的实际工况保持完全一致；同时，虚拟交互模块对三维模型进行交互联动，包括设备拆解、模型装配、施工模拟等操作。

6.一种基于三维模型的隧道掘进机展示系统，其特征在于，包括数据采集模块、三维建模模块、模型数据驱动模块和虚拟交互模块，数据采集模块通过互联网与数据库相连接，数据库分别与模型数据驱动模块相连接，模型数据驱动模块与三维建模模块相连接，三维建模模块与虚拟交互模块相连接；

所述三维建模模块包括分类管理单元和三维建模单元，分类管理单元，用于根据数据采集模块获取的隧道掘进机参数对不同的隧道掘进机进行类型区分；三维建模单元，用于根据隧道掘进机的不同类型对隧道掘进机进行三维建模，渲染三维模型；

所述三维建模模块根据四种类型隧道掘进机分别建模，实现流程包括建模、材质贴图、灯光、动画、摄影机控制和渲染；建模是指通过三维建模软件绘制出角色模型，材质贴图是指对物体的颜色、透明度、反光度、反光强度、自发光及粗糙程度的特性通过软件的计算贴到三维模型上，形成表面细节和结构；灯光是指最大限度的模拟自然界的光线类型和人工光线类型，通过灯光的组合来模拟真实场景下的三维效果；动画是运用已设计好的造型在三维动画软件中制作对应的动画片段，动作与画面的变化通过关键帧来实现，设定动画的主要画面为关键帧，关键帧之间的过渡由计算机完成；摄影机控制是指依照摄影原理在三维建模软件中使用摄像机工具实现分镜头效果，渲染是指根据场景的设置，赋予物体的材质和贴图、灯光，由程序绘制出一副完整的画面或动作。

Images