CN110717986A - 一种基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统，包括数据收集系统、数据传输系统、数据存储系统、数据处理系统、数据控制系统以及数据输出系统；数据收集系统根据盾构隧道施工现场进行布置并在数据控制系统控制下进行数据收集，收集到的数据通过数据传输系统传输到数据存储系统，数据处理系统在数据控制系统的控制下，从数据存储系统中读取数据进行数据处理，处理完成的数据通过数据传输系统存储在数据存储系统中，用户通过数据输出系统访问数据存储系统中的数据；数据输出系统包括VR设备，用户通过VR设备获取信息。用户可在本系统环境下开展实际施工仿真培训、施工现场安全培训、施工现场管理、施工远程监控及管理等项目。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统。
背景技术
伴随着城市的发展，地面交通越来越拥挤，地下交通成为更多城市的选择，地下交通建设中，采用盾构法施工越来越符合城市建设的需求。地下空间的发展必然使得相关专业人才需求日益增加，在盾构施工的培训过程中，存在着培训费用高、场地狭窄、可观察角度小、可了解程度低等一系列问题，因此，现场培训已经无法满足现阶段人才培养的要求，而在经济与科技的协同发展的大背景下，人们对虚拟现实仿真体验的效果越来越认可。
发明内容
为了解决上述隧道施工培训中的存在的问题，本发明的解决方案是：提供一种基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统，通过该系统，相关专业人才可以获得更好的培训，且培训无需实地进行，培训更加方便、培训的效率也得到提高。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统，包括数据收集系统、数据传输系统、数据存储系统、数据处理系统、数据控制系统以及数据输出系统；
数据收集系统根据盾构隧道施工现场进行布置并在数据控制系统控制下进行数据收集，收集到的数据通过数据传输系统传输到数据存储系统，数据处理系统在数据控制系统的控制下，从数据存储系统中读取数据进行数据处理，处理完成的数据通过数据传输系统存储在数据存储系统中，用户通过数据输出系统访问数据存储系统中的数据；数据输出系统包括VR设备，用户通过VR设备获取信息。
作为优选方式，用户在获得数据控制系统的许可后，可通过数据输出系统访问数据存储系统中的数据。
作为优选方式，数据控制系统包括使用权限模块和操作控制模块，用户在获得使用权限模块的许可之后，通过操作控制模块控制数据传输系统、数据收集系统、数据存储系统、数据处理系统和数据输出系统。
作为优选方式，数据收集系统包括传感器模块、摄像机模块、信号收发与控制模块、供电模块、设备固定模块；
传感器模块包括光学传感器群和力学传感器群，传感器模块的各个传感器设置在盾构机各关键点以及始发竖井、到达竖井、已建区间隧道等盾构隧道中；
摄像机模块用于采集传感器所在部位的图像；
设备固定模块用于固定传感器模块、摄像机模块、信号收发与控制模块以及供电模块；
供电模块包括电池供电与线路供电，向传感器模块、摄像机模块、信号收发与控制模块提供电能。
作为优选方式，信号收发与控制模块包括：信号接收器、信号发生器、微型电脑。
作为优选方式，数据输出系统还包括平面投影系统。
作为优选方式，数据处理系统包括数据自动处理服务器，可将二维平面图像数据自动合成三维虚拟现实仿真影像。
作为优选方式，VR设备为便携式VR头戴设备。
作为优选方式，便携式VR头戴设备包括数据接收模块、成像模块、穿戴模块，其中，数据接收模块通过数据传输系统接收存储在数据存储系统中的虚拟现实仿真数据，并通过成像模块实现虚拟仿真，穿戴模块用于固定数据接收模块及成像模块。
作为优选方式，数据存储模块包括本地存储和/或云端存储，用于存储数据处理系统合成后且达到预期使用效果的虚拟现实仿真数据以及用户操作历史记录。
本发明的有益效果是：
本发明基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统包括数据收集系统、数据传输系统、数据存储系统、数据处理系统、数据控制系统、数据输出系统，其中，数据收集系统根据施工现场进行布置并在数据控制系统控制下进行数据收集，收集到的数据通过数据传输系统传输到数据存储系统，数据处理系统在数据控制系统的控制下，从数据存储系统中读取数据进行数据处理，处理完成的数据通过数据传输系统直接存储在数据存储系统中，用户通过数据输出系统访问数据存储系统中的数据。本系统可实现不在施工现场也可全面掌控工程进度、工程质量以及施工安全，甚至比直接在现场了解的情况更全面、更深入。用户可在本系统环境下开展实际施工仿真培训、施工现场安全培训、施工现场管理、施工远程监控及管理等项目，培训更加方便，培训的效率得到了极大的提高。
附图说明
图1为传感器位置设置示意图；
图2为数据输出系统示意图；
图3为本发明的系统结构形式之一；
图4为本发明的系统结构形式之二；
图5为本发明的系统结构形式之三；
图6为本发明的系统结构形式之四。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例一
如图3所示的一种基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统，包括数据收集系统、数据传输系统、数据存储系统、数据处理系统、数据控制系统以及数据输出系统；
数据收集系统根据盾构隧道施工现场进行布置并在数据控制系统控制下进行数据收集，收集到的数据通过数据传输系统传输到数据存储系统，数据处理系统在数据控制系统的控制下，从数据存储系统中读取数据进行数据处理，处理完成的数据通过数据传输系统存储在数据存储系统中，用户通过数据输出系统访问数据存储系统中的数据；数据输出系统包括VR设备，用户通过VR设备获取信息。
进一步地，访问数据控制系统需要一定的权限，因此，用户在获得数据控制系统的许可后，可通过数据输出系统访问数据存储系统中的数据。数据控制系统包括使用权限模块和操作控制模块，用户在获得使用权限模块的许可之后，通过操作控制模块控制数据传输系统、数据收集系统、数据存储系统、数据处理系统和数据输出系统。控制模块可以直接控制数据收集系统和数据收集模块的微型摄像机群，同时也可控制数据输出系统，其中，通过数据传输系统对数据收集模块进行控制。
数据传输系统包括网络信号收发器(比如4G收发模块或者5G收发模块)、短程通讯模块(蓝牙模块、WLAN模块)、子服务器、主服务器，其中，网络信号收发器用于子服务器与主服务器的远程数据传输，蓝牙模块和/或WLAN模块用于施工现场数据收集系统与子服务器之间的数据传输；子服务器设置在施工现场，主服务器设置在远程控制中心，并可与数据控制系统共用同一服务器。
本实施例主要在培训施工技术人员认识施工现场情况时使用，数据采集系统主要采集施工现场图像，整个微型摄像机群采集图像的时间为同一时刻，呈现在使用头戴式虚拟体验设备(如图2所示的VR设备1···VR设备N)的用户眼前的是施工现场的静态影像，用户通过调整自己的位置和视觉角度便可观看到施工现场任意位置、任意角度的现实情况。
实施例二
如图4所示，数据收集系统包括传感器模块、摄像机模块、信号收发与控制模块、供电模块、设备固定模块；
传感器模块包括光学传感器群和力学传感器群(图4中称为传感器群)，如图1所示，传感器模块的各个传感器设置在盾构机各关键点以及始发竖井、到达竖井、已建区间隧道等盾构隧道中，盾构机各关键点包括盾构机外壳、推进机构、挡土机构、掘削机构、铰接机构、添加材注入装置、搅拌机构、排土机构、管片拼装机构、油压机械和电气设备等盾构相关设备；
摄像机模块用于采集传感器所在部位的图像；所述摄像机模块包括微型摄像机群以及若干可移动摄影机，多个微型摄像机在信号收发与控制模块的控制下，对传感器所在部位进行三维图像采集，工作人员携带可移动摄影机对目标区域进行拍摄。如图3所示，数据收集系统可以仅仅设置微型摄像机群，通过微型摄像机群与信号收发与控制模块进行通讯。
设备固定模块用于固定传感器模块、摄像机模块、信号收发与控制模块、供电模块等为实现数据收集系统预期功能的所有设备；
供电模块包括电池供电与线路供电，向传感器模块、摄像机模块、信号收发与控制模块提供电能。
信号收发与控制模块包括：信号接收器、信号发生器、微型电脑。信号接收器与信号发生器均可独立接收与处理蓝牙信号、WLAN信号中的一种或两种。微型电脑(比如单片机)可对从传感器模块、摄像机模块收集到的数据进行初步处理及存储，并通过信号自动控制微型摄像机的拍摄工作。
根据施工现场进行布置并在数据控制系统控制下进行数据收集，收集到的数据通过数据传输系统传输到数据存储系统，数据处理系统在数据控制系统的控制下，从数据存储系统中读取数据进行数据处理，处理完成的数据通过数据传输系统直接存储在数据存储系统中，用户在获得数据控制系统的许可后，可通过数据输出系统访问数据存储系统中的数据。
本实施例主要用于对施工全时段、全方位数据图像进行采集、处理，再合成整个工程建设期间动态的虚拟现实影像，数据采集系统主要采集施工现场图像，整个微型摄像机群以及传感器群同时工作、同时采集图像，数据经过数据处理系统处理后呈现在受培训人员眼前的是施工现场的动态影像，受培训人员可通过调整自己的位置和视觉角度便可观看到施工现场每一个地点的现实情况，还可通过数据控制系统调换观看任意时间点、任意位置、任意角度的图像。
实施例三
对于隧道施工系统的细节，本发明进行了进一步的设计。如图2所示，数据输出系统还包括平面投影系统，平面投影系统包括投影仪和可移动投影白板，用于工作人员掌握使用便携式VR头戴设备人员的学习情况，且数据输出系统可以连接N个VR设备，可为N个培训人员提供培训。数据处理系统包括数据自动处理服务器，可将二维平面图像数据自动合成三维虚拟现实仿真影像。VR设备为便携式VR头戴设备。便携式VR头戴设备包括数据接收模块、成像模块、穿戴模块，其中，数据接收模块通过数据传输系统接收存储在数据存储系统中的虚拟现实仿真数据，并通过成像模块实现虚拟仿真，穿戴模块用于固定数据接收模块及成像模块。数据存储模块包括本地存储和/或云端存储，用于存储数据处理系统合成后且达到预期使用效果的虚拟现实仿真数据以及用户操作历史记录。
如图5所示，用户还可以将盾构隧道虚拟现实模型直接输入数据处理系统，数据处理系统在数据控制系统的控制下进行数据处理，处理完成的数据通过数据传输系统存储在数据存储系统中，用户在获得数据控制系统的许可后，可通过数据输出系统访问数据存储系统中的数据。盾构隧道虚拟现实模型依赖数据收集系统实现，通过收集到的数据建立盾构隧道虚拟现实模型。
本实施例主要用于对施工建设期间全时段、全方位进行虚拟现实模拟，数据存储系统中的数据为盾构隧道虚拟现实模型，由软件制作，非现实图像数据。用户在获得数据控制系统许可后，通过调整自己的位置和视觉角度便可观看到施工现场模型每一个地点的情况，还可通过数据控制系统调换观看任意时刻、任意位置、任意角度的虚拟现实模拟图像。后台控制人员可通过平面投影系统掌握受培训人员的培训学习情况。
实施例四
基于图6所示，本发明基于虚拟现实技术的盾构隧道施工仿真培训系统包括数据收集系统(包括传感器群、微型摄像机群、型号收发与控制模块以及供电模块)、数据传输系统、数据存储系统、数据处理系统、数据控制系统、头戴式VR设备。其中，数据收集系统由传感器模块、摄像机模块、信号收发与控制模块、供电模块、设备固定模块共同组成，根据施工现场进行布置并在数据控制系统控制下进行数据收集，收集到的数据通过数据传输系统传输到数据存储系统，数据处理系统在数据控制系统的控制下，从数据存储系统中读取数据进行数据处理，处理完成的数据通过数据传输系统直接存储在数据存储系统中，用户在获得数据控制系统的许可后，可通过数据输出系统访问数据存储系统中的数据。
本实施例主要用于对施工全时段、全方位数据图像进行采集、处理，在工程建设期间实时合成动态的虚拟现实影像，远程后台控制人员可通过头戴式虚拟体验设备实时观看施工现场的动态影像，具体地，通过调整自己的位置和视觉角度便可观看到施工现场每一个地点的现实情况，还可通过数据控制系统调换观看任意时间点、任意位置、任意角度的图像。特别地，数据收集系统和数据控制系统与盾构机的自动化搬运系统、自诊断系统、掘进自动管理系统等系统协调配合，对盾构机的运行进行实时监控，当发现施工出现问题时，可通过数据控制系统控制数据收集系统的微型摄像机群，详细检查问题，并通过数据传输系统向施工现场发送指令，比如停止施工。
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，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统，其特征在于：包括数据收集系统、数据传输系统、数据存储系统、数据处理系统、数据控制系统以及数据输出系统；
数据收集系统根据盾构隧道施工现场进行布置并在数据控制系统控制下进行数据收集，收集到的数据通过数据传输系统传输到数据存储系统，数据处理系统在数据控制系统的控制下，从数据存储系统中读取数据进行数据处理，处理完成的数据通过数据传输系统存储在数据存储系统中，用户通过数据输出系统访问数据存储系统中的数据；数据输出系统包括VR设备，用户通过VR设备获取信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统，其特征在于：用户在获得数据控制系统的许可后，可通过数据输出系统访问数据存储系统中的数据。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统，其特征在于：数据控制系统包括使用权限模块和操作控制模块，用户在获得使用权限模块的许可之后，通过操作控制模块控制数据传输系统、数据收集系统、数据存储系统、数据处理系统和数据输出系统。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统，其特征在于：数据收集系统包括传感器模块、摄像机模块、信号收发与控制模块、供电模块、设备固定模块；
传感器模块包括光学传感器群和力学传感器群，传感器模块的各个传感器设置盾构机各关键点以及始发竖井、到达竖井、已建区间隧道等盾构隧道中；
摄像机模块用于采集传感器所在部位的图像；
设备固定模块用于固定传感器模块、摄像机模块、信号收发与控制模块以及供电模块；
供电模块包括电池供电与线路供电，向传感器模块、摄像机模块、信号收发与控制模块提供电能。
5.根据权利要求4所述的一种基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统，其特征在于：信号收发与控制模块包括：信号接收器、信号发生器、微型电脑。
6.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统，其特征在于：数据输出系统还包括平面投影系统。
7.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统，其特征在于：数据处理系统包括数据自动处理服务器，可将二维平面图像数据自动合成三维虚拟现实仿真影像。
8.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统，其特征在于：VR设备为便携式VR头戴设备。
9.根据权利要求8所述的一种基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统，其特征在于：便携式VR头戴设备包括数据接收模块、成像模块、穿戴模块，其中，数据接收模块通过数据传输系统接收存储在数据存储系统中的虚拟现实仿真数据，并通过成像模块实现虚拟仿真，穿戴模块用于固定数据接收模块及成像模块。
10.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的盾构隧道施工系统，其特征在于：数据存储模块包括本地存储和/或云端存储，用于存储数据处理系统合成后且达到预期使用效果的虚拟现实仿真数据以及用户操作历史记录。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 100160 701, 7th floor, building 3, yard 10, Automobile Museum East Road, Fengtai District, Beijing Applicant after: China Power Construction Railway Construction Investment Group Co.,Ltd. Applicant after: SINOHYDRO BUREAU 14 Co.,Ltd. Applicant after: POWERCHINA CHENGDU CONSTRUCTION INVESTMENT Co.,Ltd. Address before: 100044 No. 22 West Zhuang Road, Beijing, Haidian District Applicant before: POWERCHINA RAILWAY CONSTRUCTION Co.,Ltd. Applicant before: SINOHYDRO BUREAU 14 Co.,Ltd. Applicant before: POWERCHINA CHENGDU CONSTRUCTION INVESTMENT Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200121 |