CN115631680A - 一种混合现实数字孪生平台及其构建方法和应用方法 - Google Patents

一种混合现实数字孪生平台及其构建方法和应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种混合现实数字孪生平台及其构建方法和应用方法，该平台的构建方法先建立凿岩台车的等比例3D模型；将3D模型导入Unity3D中，在Unity3D中完成项目设计，将所述项目导成exe应用程序；通过VisualStudio将exe应用程序导入到混合现实头显设备中。该平台采用所述构建方法得到。该平台的应用方法，采用5G网络实现所述混合现实数字孪生平台与凿岩台车之间的数据交互，用于将采集数据及时传输至数字孪生体，通过所述数字孪生体解析后生成相应作业指令反馈至车载电脑上，进而完成对所述凿岩台车作业的控制。本发明具有更强的交互性和视觉体验感。

Description

一种混合现实数字孪生平台及其构建方法和应用方法
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种混合现实数字孪生平台及其构建方法和应用方法。
背景技术
目前，开挖隧道的方法主要有全断面开挖法和钻爆法。其中，全断面开挖法主要用在城市地铁隧道开挖方面，其采用的设备主要是盾构机，该设备存在造价高和维护成本高的问题。而钻爆法施工主要应用在山岭隧道开挖方面，主要采用人工风钻凿岩机施工和凿岩台车施工。
由于人工风钻凿岩机施工需要人工测量隧道周边轮廓和炮孔位置，人工手持设备钻孔，造成施工人员劳动强度高、人员需求多、施工效率低、安全隐患大、施工质量差、光面爆破效果差和超欠挖严重等问题。
此外，现有的凿岩台车在施工过程中，需要操作人员长期在地下隧道环境中工作，使得工作环境非常恶劣，且存在一定的坍塌风险。
为克服上述技术问题和作业风险，业内技术人员在钻爆法施工中试图引入数字孪生技术以避免操作人员亲临地下隧道环境中工作。但是，现有的数字孪生系统基本都是以二维屏幕显示的方式进行呈现，如电脑屏幕、手机屏幕或者投影仪等，其交互方式都是采用触摸屏、鼠标或者键盘等方式，存在用户交互感受差的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种混合现实数字孪生平台及其构建方法和应用方法，采用所述混合现实数字孪生平台与凿岩台车数据交互具有更强的交互性和视觉体验感。其具体技术方案如下：
在第一方面，本发明提供了一种混合现实数字孪生平台的构建方法，包括以下步骤：
首先，根据凿岩台车物理实体尺寸采用三维建模软件建立等比例3D模型；
其次，将所述3D模型导入Unity 3D中，在Unity 3D中完成项目设计，将所述项目导成exe应用程序，其中，所述项目包括人机交互、数据通讯、数据驱动、运动仿真和场景漫游；
最后，通过Visual Studio将exe应用程序导入到混合现实头显设备中，从而为凿岩台车建立包含数字孪生体的混合现实数字孪生平台。
进一步的，在所述3D模型导入Unity 3D的过程中，需要选择应用场景，所述应用场景包括车间场景和工地施工场景。
进一步的，所述混合现实头显设备包括hololens。
进一步的，所述数字孪生体同所述凿岩台车等比例设置。
在第二方面，本发明提供了一种混合现实数字孪生平台，采用所述混合现实数字孪生平台的构建方法构建得到，在所述混合现实数字孪生平台上设有用于操控所述数字孪生体的人工操作面板。
在第三方面，本发明提供了一种所述混合现实数字孪生平台的应用方法，采用5G网络实现所述混合现实数字孪生平台与凿岩台车之间的数据交互，具体步骤如下：
首先，在所述凿岩台车上设有用于控制凿岩台车作业的车载电脑；在所述凿岩台车的臂架上设置传感部件，所述传感部件包括分别与所述车载电脑连接的角度传感器、位置传感器、应变式压力传感器和加速度传感器；在所述车载电脑上设置用于实现对传感部件采集数据收发的数据收发系统；所述凿岩台车处于启动状态，并进行打孔作业；
其次，在所述混合现实数字孪生平台上设置用于与所述数字孪生体连接的数据收发装置，所述数据收发装置通过5G网络连接所述数据收发系统，用于将采集数据及时传输至数字孪生体，通过所述数字孪生体解析后生成相应作业指令反馈至车载电脑上，进而完成对所述凿岩台车作业的控制；
若采集数据出现异常，则作业人员带上混合现实头显设备，借助所述混合现实数字孪生平台生成的虚拟作业环境与所述凿岩台车所处的真实作业环境形成交互空间，作业人员通过人工操作面板控制所述数字孪生体来控制所述凿岩台车作业。
进一步的，在所述车载电脑上还设有用于缓存传感部件采集数据的数据库存储装置，所述数据库存储装置与所述数据收发系统连接。
进一步的，所述凿岩台车的臂架包括大臂、二臂和推进梁，所述大臂与所述凿岩台车的车体连接，所述二臂的一端与大臂远离车体的一端连接，而另一端与所述推进梁连接；在所述大臂上设置所述应变式压力传感器；所述加速度传感器设置在推进梁上。
进一步的，所述凿岩台车的臂架包括多个自由度，所述自由度包括大臂横摆、大臂俯仰、大臂伸缩、推进梁俯仰、推进梁横摆、推进梁回转、锚杆俯仰、推进梁伸缩和凿岩机位置；在所述臂架的大臂横摆、大臂俯仰、推进梁俯仰、推进梁横摆、推进梁回转和锚杆俯仰上均对应设置所述角度传感器；在所述臂架的大臂伸缩、推进梁伸缩和凿岩机位置上均对应设置所述位置传感器。
进一步的，采集数据中的数据还包括用于表征凿岩台车工作状态的原有数据，所述原有数据包括推进压力、冲击压力、推进速度、总电压和总电流。
应用本发明的技术方案，至少具有以下有益效果：
(1)本发明中所构建的混合现实数字孪生平台，相比于传统大屏端的数字孪生平台，在交互性和可视性上有了极大的提升。此外，传统的数字孪生平台用户只是一个参观者，而本发明基于混合现实的数字孪生平台，将用户融入数字孪生平台本身，提供用户的沉浸式的体验感。
(2)相比于传统数字孪生平台需要搭建底层框架，开发所需人员多，开发时间长，本发明采用的所述混合现实数字孪生平台的构建方法，借助第三方的一些商业软件(如三维建模软件、Unity 3D和Visual Studio等)，可以加快开发流程，提高平台的开发效率。
本发明通过构建与凿岩台车等比例的混合现实数字孪生平台，并采用5G网络实现所述混合现实数字孪生平台与凿岩台车之间的数据交互，有效降低数据传递的延时性，使凿岩台车物理实体和数字孪生体达到极高的同步效果，实现虚实互动和虚实同步。本发明将混合现实技术引入到数字孪生系统中作为可视化呈现的前端，用户带上混合现实头显设备后，可以进入一个虚拟作业环境与真实作业环境形成的交互空间，达到前所未有的沉浸式体验感；同时，作业人员还可以使用自己的双手通过人工操作面板完成对所述数字孪生体的交互动作，无需借助任何的第三方外设交互设备，以此通过双手控制数字孪生体达到控制凿岩台车作业的目的。相比于现有的二维屏幕显示而言，本发明中采用所述混合现实数字孪生平台与凿岩台车数据交互具有更强的交互性和视觉体验感。此外，在应用本发明中所述混合现实数字孪生平台时，能够使作业人员更少的进入到恶劣的地下环境进行工作，从而可以降低工作成本、提高施工效率，保障了人员的生命安全。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例1中的一种混合现实数字孪生平台的应用方法的原理流程图。
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：
参见图1，一种混合现实数字孪生平台的构建方法，包括以下步骤：
首先，根据凿岩台车物理实体尺寸采用三维建模软件建立等比例3D模型；
其次，将所述3D模型导入Unity 3D中，在Unity 3D中完成项目设计，将所述项目导成exe应用程序，其中，所述项目包括人机交互、数据通讯、数据驱动、运动仿真和场景漫游；
最后，通过Visual Studio将exe应用程序导入到混合现实头显设备中，从而为凿岩台车建立包含数字孪生体的混合现实数字孪生平台。
在所述3D模型导入Unity 3D的过程中，需要选择应用场景，所述应用场景包括车间场景(保真度要求高)和工地施工场景(保真度要求相对降低)。
所述混合现实头显设备为hololens。
所述数字孪生体同所述凿岩台车等比例设置。
一种混合现实数字孪生平台，采用所述混合现实数字孪生平台的构建方法构建得到，在所述混合现实数字孪生平台上设有用于操控所述数字孪生体的人工操作面板。
一种所述的混合现实数字孪生平台的应用方法，采用5G网络实现所述混合现实数字孪生平台与凿岩台车之间的数据交互，具体步骤如下：
首先，在所述凿岩台车上设有用于控制凿岩台车作业的车载电脑；在所述凿岩台车的臂架上设置传感部件，所述传感部件包括分别与所述车载电脑连接的角度传感器、位置传感器、应变式压力传感器和加速度传感器；在所述车载电脑上设置用于实现对传感部件采集数据收发的数据收发系统；所述凿岩台车处于启动状态，并进行打孔作业；
其次，在所述混合现实数字孪生平台上设置用于与所述数字孪生体连接的数据收发装置，所述数据收发装置通过5G网络连接所述数据收发系统，用于将采集数据及时传输至数字孪生体，通过所述数字孪生体解析后生成相应作业指令反馈至车载电脑上，进而完成对所述凿岩台车作业的控制，从而达到一种安全、可靠、可远程监控的的全自动运行状态；
若采集数据出现异常(如原有数据中的冲击压力不足或过高时)，则作业人员带上混合现实头显设备，借助所述混合现实数字孪生平台生成的虚拟作业环境与所述凿岩台车所处的真实作业环境形成交互空间，作业人员通过人工操作面板控制所述数字孪生体来控制所述凿岩台车作业，实现远程干预。
此外，作业人员带上混合现实头显设备可帮助作业人员进行远程平台监测和沉浸式混合现实监控，从而能够全方位多角度的监测凿岩台车的真实工作状态。
在所述车载电脑上还设有用于缓存传感部件采集数据的数据库存储装置，所述数据库存储装置与所述数据收发系统连接。
所述凿岩台车的臂架包括大臂、二臂和推进梁，所述大臂与所述凿岩台车的车体连接，所述二臂的一端与大臂远离车体的一端连接，而另一端与所述推进梁连接；在所述大臂上设置所述应变式压力传感器；所述加速度传感器设置在推进梁上。所述应变式压力传感器和加速度传感器所采集的数据用于表征凿岩台车运行的安全性和可靠性。
所述凿岩台车的臂架包括多个自由度，所述自由度包括大臂横摆、大臂俯仰、大臂伸缩、推进梁俯仰、推进梁横摆、推进梁回转、锚杆俯仰、推进梁伸缩和凿岩机位置；在所述臂架的大臂横摆、大臂俯仰、推进梁俯仰、推进梁横摆、推进梁回转和锚杆俯仰上均对应设置所述角度传感器；在所述臂架的大臂伸缩、推进梁伸缩和凿岩机位置上均对应设置所述位置传感器。所述凿岩机通过第一滑块设置在所述推进梁上(现有技术)；所述锚杆通过第二滑块并列设置在所述推进梁上，且通过俯仰旋转中心与二臂连接，在锚杆与二臂之间设置伸缩油缸(现有技术)。所述角度传感器和位置传感器所采集的数据用于表征凿岩台车的姿态。如以大臂横摆为例，需要在大臂横摆的轴心加装角度传感器，用于测量其横摆的角度。
采集数据中的数据还包括用于表征凿岩台车工作状态的原有数据，所述原有数据包括推进压力、冲击压力、推进速度、总电压和总电流。
实施例1通过构建与凿岩台车等比例的混合现实数字孪生平台，并采用5G网络实现所述混合现实数字孪生平台与凿岩台车之间的数据交互，有效降低数据传递的延时性，使凿岩台车物理实体和数字孪生体达到极高的同步效果，实现虚实互动和虚实同步。本发明将混合现实技术引入到数字孪生系统中作为可视化呈现的前端，用户带上混合现实头显设备后，可以进入一个虚拟作业环境与真实作业环境形成的交互空间，达到前所未有的沉浸式体验感；同时，作业人员还可以使用自己的双手通过人工操作面板完成对所述数字孪生体的交互动作，无需借助任何的第三方外设交互设备，以此通过双手控制数字孪生体达到控制凿岩台车作业的目的。相比于现有的二维屏幕显示而言，本发明中采用所述混合现实数字孪生平台与凿岩台车数据交互具有更强的交互性和视觉体验感。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种混合现实数字孪生平台的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，根据凿岩台车物理实体尺寸采用三维建模软件建立等比例3D模型；
其次，将所述3D模型导入Unity 3D中，在Unity 3D中完成项目设计，将所述项目导成exe应用程序，其中，所述项目包括人机交互、数据通讯、数据驱动、运动仿真和场景漫游；
最后，通过Visual Studio将exe应用程序导入到混合现实头显设备中，从而为凿岩台车建立包含数字孪生体的混合现实数字孪生平台。
2.根据权利要求1所述的混合现实数字孪生平台的构建方法，其特征在于，在所述3D模型导入Unity 3D的过程中，需要选择应用场景，所述应用场景包括车间场景和工地施工场景。
3.根据权利要求1所述的混合现实数字孪生平台的构建方法，其特征在于，所述混合现实头显设备包括hololens。
4.根据权利要求1-3中任一种所述的混合现实数字孪生平台的构建方法，其特征在于，所述数字孪生体同所述凿岩台车等比例设置。
5.一种混合现实数字孪生平台，其特征在于，采用如权利要求4所述的混合现实数字孪生平台的构建方法构建得到，在所述混合现实数字孪生平台上设有用于操控所述数字孪生体的人工操作面板。
6.一种如权利要求5所述的混合现实数字孪生平台的应用方法，其特征在于，采用5G网络实现所述混合现实数字孪生平台与凿岩台车之间的数据交互，具体步骤如下：
首先，在所述凿岩台车上设有用于控制凿岩台车作业的车载电脑；在所述凿岩台车的臂架上设置传感部件，所述传感部件包括分别与所述车载电脑连接的角度传感器、位置传感器、应变式压力传感器和加速度传感器；在所述车载电脑上设置用于实现对传感部件采集数据收发的数据收发系统；所述凿岩台车处于启动状态，并进行打孔作业；
其次，在所述混合现实数字孪生平台上设置用于与所述数字孪生体连接的数据收发装置，所述数据收发装置通过5G网络连接所述数据收发系统，用于将采集数据及时传输至数字孪生体，通过所述数字孪生体解析后生成相应作业指令反馈至车载电脑上，进而完成对所述凿岩台车作业的控制；
若采集数据出现异常，则作业人员带上混合现实头显设备，借助所述混合现实数字孪生平台生成的虚拟作业环境与所述凿岩台车所处的真实作业环境形成交互空间，作业人员通过人工操作面板控制所述数字孪生体来控制所述凿岩台车作业。
7.根据权利要求6所述的混合现实数字孪生平台的应用方法，其特征在于，在所述车载电脑上还设有用于缓存传感部件采集数据的数据库存储装置，所述数据库存储装置与所述数据收发系统连接。
8.根据权利要求7所述的混合现实数字孪生平台的应用方法，其特征在于，所述凿岩台车的臂架包括大臂、二臂和推进梁，所述大臂与所述凿岩台车的车体连接，所述二臂的一端与大臂远离车体的一端连接，而另一端与所述推进梁连接；在所述大臂上设置所述应变式压力传感器；所述加速度传感器设置在推进梁上。
9.根据权利要求8所述的混合现实数字孪生平台的应用方法，其特征在于，所述凿岩台车的臂架包括多个自由度，所述自由度包括大臂横摆、大臂俯仰、大臂伸缩、推进梁俯仰、推进梁横摆、推进梁回转、锚杆俯仰、推进梁伸缩和凿岩机位置；在所述臂架的大臂横摆、大臂俯仰、推进梁俯仰、推进梁横摆、推进梁回转和锚杆俯仰上均对应设置所述角度传感器；在所述臂架的大臂伸缩、推进梁伸缩和凿岩机位置上均对应设置所述位置传感器。
10.根据权利要求9所述的混合现实数字孪生平台的应用方法，其特征在于，采集数据中的数据还包括用于表征凿岩台车工作状态的原有数据，所述原有数据包括推进压力、冲击压力、推进速度、总电压和总电流。
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