盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備與方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備，包括：盾構(gòu)模型機(jī)，用以對盾構(gòu)機(jī)和盾構(gòu)機(jī)的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)物仿真；系統(tǒng)控制臺(tái)，用以供操作人員進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的模擬操作；虛擬處理器，用以根據(jù)所述盾構(gòu)模型機(jī)的實(shí)物仿真的反饋信息以及所述系統(tǒng)控制臺(tái)的模擬操作指令進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真和數(shù)據(jù)處理；以及圖形仿真器，用以根據(jù)所述虛擬處理器的動(dòng)態(tài)仿真和數(shù)據(jù)處理結(jié)果實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)、施工對象、施工環(huán)境的動(dòng)態(tài)仿真展示。提供一種兼有實(shí)體模型和數(shù)字模型的雙模型仿真方法和設(shè)備，代替真實(shí)機(jī)器和環(huán)境用于地下隧道建造技術(shù)教學(xué)和盾構(gòu)機(jī)操作實(shí)訓(xùn)。
【專利說明】盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備與方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及建筑施工領(lǐng)域，尤其涉及一種盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，大型、特大型城市普遍存在人口眾多、建筑密集、交通擁堵等問題，鑒于地上空間和土地資源已經(jīng)少有發(fā)展余地，亟需大量開發(fā)地下空間、地下交通，因而對地下隧道的需要日益廣泛，地下隧道施工特別是盾構(gòu)施工任務(wù)日益繁重。同時(shí)地下地質(zhì)條件和施工環(huán)境非常復(fù)雜，既有建筑基礎(chǔ)和管線縱橫交錯(cuò)，因此對于地下隧道施工的技術(shù)要求非常高，迫切需要培養(yǎng)隧道施工的技術(shù)人員，尤其是盾構(gòu)機(jī)的操作人員。這是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，單純依靠文字教材和圖片、照片難以具體直觀地進(jìn)行教學(xué)表達(dá)，不利于培養(yǎng)學(xué)員的實(shí)際動(dòng)手能力?？紤]到盾構(gòu)機(jī)造價(jià)昂貴、任務(wù)繁忙，以及施工安全，不宜以真實(shí)的機(jī)器在真實(shí)的施工環(huán)境中對學(xué)員進(jìn)行教學(xué)、培訓(xùn)。需要發(fā)明一種兼有實(shí)體模型和數(shù)字模型的雙模型仿真方法和設(shè)備，代替真實(shí)機(jī)器和環(huán)境用于地下隧道建造技術(shù)教學(xué)和盾構(gòu)機(jī)操作實(shí)訓(xùn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種兼有實(shí)體模型和數(shù)字模型的雙模型仿真方法和設(shè)備，代替真實(shí)機(jī)器和環(huán)境用于地下隧道建造技術(shù)教學(xué)和盾構(gòu)機(jī)操作實(shí)訓(xùn)。
[0004]為了解決這一技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備，包括:
[0005]盾構(gòu)模型機(jī)，用以對盾構(gòu)機(jī)和盾構(gòu)機(jī)的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)物仿真；
[0006]系統(tǒng)控制臺(tái)，用以供操作人員進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的模擬操作；
[0007]虛擬處理器，用以根據(jù)所述盾構(gòu)模型機(jī)的實(shí)物仿真的反饋信息以及所述系統(tǒng)控制臺(tái)的模擬操作指令進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真和數(shù)據(jù)處理；
[0008]以及圖形仿真器，用以根據(jù)所述虛擬處理器的動(dòng)態(tài)仿真和數(shù)據(jù)處理結(jié)果實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)、施工對象、施工環(huán)境的動(dòng)態(tài)仿真展示。
[0009]所述系統(tǒng)控制臺(tái)至少包括供操作人員實(shí)現(xiàn)模擬操作的控制臺(tái)觸摸屏和控制臺(tái)操作板以及總控處理系統(tǒng)；
[0010]所述總控處理系統(tǒng)包括:
[0011]系統(tǒng)總控模塊，用以根據(jù)所述控制臺(tái)觸摸屏和控制臺(tái)操作板的輸入信息，生成動(dòng)作指令；
[0012]數(shù)據(jù)管理模塊，用于存儲(chǔ)和管理盾構(gòu)機(jī)仿真施工的設(shè)備性能參數(shù)、施工控制參數(shù)和仿真運(yùn)算參數(shù):
[0013]同步仿真模塊，用以根據(jù)所述系統(tǒng)總控模塊生成的動(dòng)作指令、所述數(shù)據(jù)管理模塊存儲(chǔ)的參數(shù)數(shù)據(jù)以及所述虛擬處理器和盾構(gòu)模型機(jī)反饋而來的數(shù)據(jù)生成動(dòng)作仿真和施工仿真指令；
[0014]以及數(shù)據(jù)通訊模塊，用以實(shí)現(xiàn)所述同步仿真模塊、虛擬處理器以及盾構(gòu)模型機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。[0015]所述虛擬處理器包括:
[0016]處理器數(shù)據(jù)通訊模塊，用以與所述系統(tǒng)控制臺(tái)和圖形仿真器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；
[0017]處理器數(shù)據(jù)庫模塊，用以實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能參數(shù)、施工控制參數(shù)、虛擬運(yùn)算參數(shù)的存儲(chǔ)；
[0018]虛擬運(yùn)算模塊，用以根據(jù)所述系統(tǒng)控制臺(tái)的指令、所述盾構(gòu)模型機(jī)反饋信息與所述處理器數(shù)據(jù)庫模塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)動(dòng)作的動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)算，并將動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)算的結(jié)果通過所述處理器數(shù)據(jù)通訊模塊反饋給所述系統(tǒng)控制臺(tái)和圖形仿真器；
[0019]事件模擬模塊，用以根據(jù)所述處理器數(shù)據(jù)庫模塊中的數(shù)據(jù)模擬盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行的事件，并將模擬的結(jié)果反饋給所述處理器數(shù)據(jù)庫模塊；
[0020]以及運(yùn)行監(jiān)控模塊，與所述虛擬運(yùn)算模塊連接，用以供相關(guān)人員監(jiān)控所述虛擬運(yùn)算模塊的運(yùn)行狀態(tài)，相關(guān)人員通過所述運(yùn)行監(jiān)控模塊調(diào)整所述虛擬運(yùn)算模塊的運(yùn)算參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行的干預(yù)。
[0021 ] 所述虛擬處理器還包括:
[0022]教學(xué)管理模塊，用于對盾構(gòu)機(jī)教學(xué)實(shí)訓(xùn)的作業(yè)流程進(jìn)行管理、教學(xué)信息記錄以及教學(xué)信息查詢
[0023]數(shù)據(jù)管理模塊，用以供相關(guān)人員讀取、調(diào)整和維護(hù)所述處理器數(shù)據(jù)庫模塊中的數(shù)據(jù)。
[0024]所述圖形仿真器包括:
[0025]仿真器數(shù)據(jù)通訊模塊，用以實(shí)現(xiàn)與所述虛擬處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸；
[0026]本地?cái)?shù)據(jù)庫模塊，用以存儲(chǔ)盾構(gòu)機(jī)的圖像、動(dòng)畫信息、性能參數(shù)；
[0027]圖形仿真引擎模塊，用以根據(jù)所述虛擬處理器傳輸而來的數(shù)據(jù)以及所述本地?cái)?shù)據(jù)庫模塊實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的圖像數(shù)據(jù)的仿真生成；
[0028]圖形仿真引擎的執(zhí)行模塊，用以根據(jù)操作人員的操作對所述圖形仿真引擎模塊生成的盾構(gòu)機(jī)的圖像數(shù)據(jù)的模擬展示方式進(jìn)行選擇確認(rèn)，從而生成用以展示的圖像的數(shù)據(jù)；
[0029]三維效果模塊，用以對所述執(zhí)行模塊生成的圖像增加視覺效果；
[0030]信息提示模塊，用以對所述執(zhí)行模塊生成的圖像增加文字提示；
[0031]以及顯示終端模塊，分別與所述三維效果模塊和信息提示模塊連接，輸出最終的圖像。
[0032]所述執(zhí)行模塊包括均與所述圖形仿真引擎模塊連接的場景切換模塊、鏡頭定位模塊、鏡頭漫游模塊、視圖選擇模塊和自動(dòng)巡視模塊，所述場景切換模塊、鏡頭定位模塊。
[0033]所述圖形仿真器還包括:
[0034]視圖制作模塊，用以供相關(guān)人員制作三維視圖，并將其儲(chǔ)存于所述本地?cái)?shù)據(jù)庫模塊中；
[0035]數(shù)據(jù)管理模塊，用以供相關(guān)人員對所述本地?cái)?shù)據(jù)庫模塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；
[0036]所述本地?cái)?shù)據(jù)庫模塊還用以存儲(chǔ)所述虛擬處理器傳輸而來的歷史數(shù)據(jù)，所述圖形仿真器還包括回放管理模塊，用以根據(jù)相關(guān)人員的操作調(diào)取所述本地?cái)?shù)據(jù)庫模塊中的歷史數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述歷史數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)所述圖形仿真引擎實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的圖像數(shù)據(jù)的仿真生成，最終實(shí)現(xiàn)三維圖像和文字的輸出。
[0037]所述盾構(gòu)模型機(jī)通過一個(gè)模型機(jī)控制系統(tǒng)與所述系統(tǒng)控制臺(tái)連接，所述模型機(jī)控制系統(tǒng)包括:
[0038]模型機(jī)數(shù)據(jù)通訊模塊，與所述系統(tǒng)控制臺(tái)連接，用以實(shí)現(xiàn)與所述系統(tǒng)控制臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸；
[0039]掘進(jìn)控制模塊；用以根據(jù)所述系統(tǒng)控制臺(tái)發(fā)出的指令生成所述盾構(gòu)模型機(jī)的掘進(jìn)動(dòng)作指令；
[0040]注液控制模塊，用以根據(jù)所述系統(tǒng)控制臺(tái)發(fā)出的指令生成所述盾構(gòu)模型機(jī)中的模擬注漿裝置和模擬注水裝置的注液動(dòng)作指令；
[0041]小車控制模塊，用以根據(jù)所述系統(tǒng)控制臺(tái)發(fā)出的指令生成所述盾構(gòu)模型機(jī)中的運(yùn)輸小車的運(yùn)輸動(dòng)作指令；
[0042]管片拼裝模塊，用以根據(jù)所述系統(tǒng)控制臺(tái)發(fā)出的指令生成所述盾構(gòu)模型機(jī)中的管片拼裝機(jī)的拼裝動(dòng)作指令；
[0043]以及液電驅(qū)動(dòng)模塊，用以根據(jù)所述掘進(jìn)控制模塊、注液控制模塊、小車控制模塊和管片拼裝模塊生成的掘進(jìn)動(dòng)作指令、注液動(dòng)作指令、運(yùn)輸動(dòng)作指令、拼裝動(dòng)作指令驅(qū)動(dòng)所述盾構(gòu)模型機(jī)實(shí)施動(dòng)作。
[0044]所述模型機(jī)控制系統(tǒng)還包括安全控制模塊，用以檢測所述掘進(jìn)控制模塊、注液控制模塊、小車控制模塊和管片拼裝模塊生成的掘進(jìn)動(dòng)作指令、注液動(dòng)作指令、運(yùn)輸動(dòng)作指令、拼裝動(dòng)作指令，若無誤，根據(jù)無誤的動(dòng)作指令驅(qū)動(dòng)所述盾構(gòu)模型機(jī)實(shí)施動(dòng)作，若有誤，向所述系統(tǒng)控制臺(tái)發(fā)出警報(bào)信息，并根據(jù)有誤的指令判斷是否適于實(shí)施指令；若適于實(shí)施，則依舊根據(jù)動(dòng)作指令驅(qū)動(dòng)所述盾構(gòu)模型機(jī)實(shí)施動(dòng)作，若不適于實(shí)施，則終止驅(qū)動(dòng)。
[0045]所述盾構(gòu)模型機(jī)包括液電動(dòng)力裝置和機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置，所述液電動(dòng)力裝置分別與所述系統(tǒng)控制臺(tái)和機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置連接。
[0046]所述機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置包括沿水平方向依次布置模擬真實(shí)盾構(gòu)機(jī)出洞的洞門、發(fā)射架和平臺(tái)。
[0047]所述發(fā)射架上沿水平方向依次設(shè)有盾殼和管片，所述盾殼由切口環(huán)、支撐環(huán)和盾尾組成，所述切口環(huán)的后端與所述支撐環(huán)的前端連接，所述支撐環(huán)的后端與所述盾尾的前端連接，所述盾殼上設(shè)有供觀察盾殼內(nèi)部機(jī)構(gòu)的盾殼觀察窗，所述平臺(tái)上設(shè)有反力架、臺(tái)車和運(yùn)輸小車。
[0048]所述機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置還包括大刀盤、螺旋輸送機(jī)、管片拼裝機(jī)、雙梁、支撐桿、皮帶輸送機(jī)和單梁，所述切口環(huán)內(nèi)的空間通過一個(gè)胸板分隔成前、后兩部分，前部分空間中靠近所述洞門的位置設(shè)有所述大刀盤，前部分空間中所述大刀盤與胸板之間的空間為土倉，所述螺旋輸送機(jī)的前端安裝在所述切口環(huán)內(nèi)，所述支撐環(huán)內(nèi)部裝有經(jīng)簡化改進(jìn)的所述管片拼裝機(jī)，所述盾尾的后端與所述管片連接，所述雙梁的前端與所述支撐環(huán)連接，所述雙梁的后端與所述臺(tái)車相連，所述管片通過一個(gè)支撐桿與所述反力架連接，所述臺(tái)車上安裝有一個(gè)皮帶輸送機(jī)，所述臺(tái)車頂部安裝有單梁，所述單梁和雙梁上均裝有用于管片吊運(yùn)的起重機(jī)。
[0049]所述機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置還包括一個(gè)液壓推進(jìn)和復(fù)位裝置，所述液壓推進(jìn)和復(fù)位裝置包括若干個(gè)液壓推進(jìn)油缸和位于所述臺(tái)車上且與所述液壓推進(jìn)油缸連接的液壓泵站，所述液壓推進(jìn)油缸一端與所述支撐環(huán)連接，另一端與所述管片連接，所述若干液壓頂推油缸包括無動(dòng)力模型油缸與至少兩個(gè)真實(shí)油缸。
[0050]所述機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置還包括一個(gè)模擬注漿裝置，所述模擬注漿裝置包括模擬注漿管、注漿泵、泥漿箱，所述泥漿箱和所述注漿泵連接，且均設(shè)于所述臺(tái)車上，所述模擬注漿管以LED光帶制作，所述模擬注漿管的一端與所述注漿泵和泥漿箱連接，另一端依次穿過所述管片、盾尾、支撐環(huán)，連通至設(shè)于所述支撐環(huán)外側(cè)表面的注漿套。
[0051]所述機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置還包括一套模擬注水裝置，所述模擬注水裝置包括模擬注水管、注水泵和水箱，所述注水泵和所述水箱設(shè)于所述臺(tái)車上，所述模擬注水管以LED光帶制作，所述模擬主水管的一端與所述注水泵和水箱連接，另一端依次穿過所述管片、盾尾、支撐環(huán)、切口環(huán)，連通至所述土倉和刀盤。
[0052]所述液電動(dòng)力裝置至少包括與所述刀盤連接的電動(dòng)機(jī)和變頻器，與所述螺旋輸送機(jī)連接的電動(dòng)機(jī)和變頻器，與所述運(yùn)輸小車連接的電動(dòng)機(jī)。
[0053]所述液電動(dòng)力裝置還包括與所述若干液壓頂推油缸連接的油缸驅(qū)動(dòng)裝置。
[0054]本發(fā)明還提供了一種盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真方法，包括如下步驟:
[0055]SOl:操作人員通過仿真系統(tǒng)人機(jī)界面發(fā)出操作指令；系統(tǒng)控制單元將接收的指令解析后分別發(fā)給實(shí)體模型單元和數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)單元；
[0056]S02:實(shí)體模型單元接收系統(tǒng)控制單元的指令，驅(qū)動(dòng)實(shí)體模型，運(yùn)行指令所要求的動(dòng)作；然后用于檢測實(shí)體模型的傳感器、行程開關(guān)，將動(dòng)作后的檢測信息反饋給系統(tǒng)控制單元;
[0057]所述數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)單元接收系統(tǒng)控制單元的指令，按照指令所要求的動(dòng)作，進(jìn)行虛擬運(yùn)算，模擬盾構(gòu)機(jī)、盾構(gòu)機(jī)的動(dòng)作、施工對象、施工環(huán)境的狀況變化，將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送給數(shù)字模型單元，并反饋給系統(tǒng)控制單元；
[0058]所述數(shù)字模型單元根據(jù)所述數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)算結(jié)果和所述數(shù)字模型單元中事先建立的盾構(gòu)機(jī)三維立體模型進(jìn)行圖形仿真運(yùn)算，使得盾構(gòu)機(jī)三維立體模型發(fā)生位移和姿態(tài)變化，從而通過所述數(shù)字模型單元模擬盾構(gòu)機(jī)動(dòng)作，以及盾構(gòu)機(jī)在模擬施工環(huán)境中的施工過程；然后，所述數(shù)字模型單元將模擬的結(jié)果依據(jù)操作人員通過數(shù)字模型單元人機(jī)界面發(fā)出的操作指令所確定的模擬展示方式進(jìn)行展示圖像的模擬生成，進(jìn)而輸出相應(yīng)的三維圖像；
[0059]S03:所述系統(tǒng)控制單元接收實(shí)體模型單元、數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)單元反饋的信息，完成一輪閉環(huán)運(yùn)算，修正下一輪的控制參數(shù)，以及將要發(fā)出的下一個(gè)控制指令；同時(shí)，一方面，所述系統(tǒng)控制單元將實(shí)體模型單元反饋的信息反饋給數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)單元，使數(shù)字模型單元與實(shí)體模型單元實(shí)現(xiàn)同步，另一方面，系統(tǒng)控制單元將數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)單元反饋的信息反饋給實(shí)體模型單元，所述實(shí)體模型單元據(jù)此進(jìn)行運(yùn)行；
[0060]S04:系統(tǒng)控制單元將實(shí)體模型單元、數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)單元反饋的信息，以及閉環(huán)運(yùn)算結(jié)果，通過人機(jī)界面反饋給操作人員；
[0061]S05:重復(fù)步驟SOl至S04，進(jìn)行其他動(dòng)作的操作仿真。
[0062]本發(fā)明一方面通過盾構(gòu)模型機(jī)實(shí)現(xiàn)了實(shí)體模型的仿真，通過虛擬處理器和圖形仿真器的組合使用實(shí)現(xiàn)了數(shù)字模型的仿真，使得操作人員通過系統(tǒng)控制臺(tái)進(jìn)行控制的時(shí)候，實(shí)體模型與數(shù)字模型兩方面都在一定程度上展示操作的盾構(gòu)實(shí)施后果，同時(shí)，兩者同步運(yùn)行，互為補(bǔ)充，起到了更佳的仿真效果，提供一種兼有實(shí)體模型和數(shù)字模型的雙模型仿真方法和設(shè)備，代替真實(shí)機(jī)器和環(huán)境用于地下隧道建造技術(shù)教學(xué)和盾構(gòu)機(jī)操作實(shí)訓(xùn)?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0063]圖1是本發(fā)明一實(shí)施例提供的盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0064]圖2是本發(fā)明一實(shí)施例中系統(tǒng)控制臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0065]圖3是本發(fā)明一實(shí)施例中虛擬處理器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0066]圖4是本發(fā)明一實(shí)施例中圖形仿真器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0067]圖5是本發(fā)明一實(shí)施例中模型機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0068]圖6是本發(fā)明一實(shí)施例中機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0069]圖7是本發(fā)明一實(shí)施例中盾殼的俯視結(jié)構(gòu)不意圖；
[0070]在圖6、7中，I一洞門；2—大刀盤；3—切口環(huán)；4一土倉；5—胸板；6—支撐環(huán)；7—液壓頂推油缸；8—盾尾；9一激光祀標(biāo)；10—管片拼裝機(jī)；11 一螺旋機(jī)；12—管片；13—雙梁；14一支撐桿；15—單梁；16—皮帶輸送機(jī)；17—臺(tái)車；18—測量吊架；19一測量坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)；20—測量高程基準(zhǔn)點(diǎn)；21—反力架；22—運(yùn)輸小車；23—發(fā)射架；24—模擬注漿管；25—模擬注水管；26—泥衆(zhòng)箱；27—水箱；28—注衆(zhòng)泵；29—注水泵；30 —電動(dòng)葫蘆；31—電動(dòng)葫蘆軌道梁；32—井口 ；33—注漿套；34—盾殼觀察窗。
【具體實(shí)施方式】
[0071]本發(fā)明的盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備，分別通過實(shí)體模型和數(shù)字模型實(shí)現(xiàn)仿真，抽象來說包括:
[0072]I)盾構(gòu)機(jī)仿真的模型之一為實(shí)體模型
[0073]其設(shè)備是盾構(gòu)模型機(jī)，實(shí)體模型遵照真實(shí)盾構(gòu)機(jī)按比例縮小設(shè)計(jì)制作，盾殼直徑宜為2m左右，以適合在室內(nèi)安裝運(yùn)行。實(shí)體模型具有真實(shí)盾構(gòu)機(jī)的主要設(shè)備和裝置，其中部分比較復(fù)雜且教學(xué)作用較小的予以簡化或省略。實(shí)體模型可以演繹真實(shí)盾構(gòu)機(jī)的主要?jiǎng)幼骱凸δ?，可以供學(xué)習(xí)人員動(dòng)手操作。
[0074]實(shí)體模型的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、裝置等與真是盾構(gòu)機(jī)相同或接近，原理、動(dòng)作、功能等也與真是盾構(gòu)機(jī)一致或近似，具有具體直觀、身臨其境的教學(xué)效果。學(xué)員可以上機(jī)操作，就像操作真實(shí)盾構(gòu)機(jī)一樣。學(xué)員不僅可以直接學(xué)習(xí)盾構(gòu)機(jī)的機(jī)械、液壓、電氣等硬件知識(shí)，而且可以動(dòng)手練習(xí)設(shè)備的安裝、調(diào)試、維護(hù)等實(shí)際技能。
[0075]實(shí)體模型也具有一些局限性。一是出于成本、效率的考慮，實(shí)體模型的構(gòu)造與真是盾構(gòu)機(jī)存在一定差別，部分裝置和功能被簡化或省略；二是實(shí)體模型難以模仿施工對象和施工環(huán)境，難以演繹真實(shí)盾構(gòu)機(jī)在真實(shí)環(huán)境中的施工工藝和施工過程，因此還不能實(shí)現(xiàn)完整的全程的盾構(gòu)機(jī)仿真。
[0076]實(shí)體模型的局限性，可以由數(shù)字模型來彌補(bǔ)。
[0077]2)盾構(gòu)機(jī)仿真的模型之二為數(shù)字模型
[0078]其設(shè)備是虛擬處理器和圖形仿真器。所謂數(shù)字模型是由計(jì)算機(jī)建立的以數(shù)字形式表現(xiàn)的仿真模型。該模型存在于計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)體里，可以通過圖形仿真的手段，在顯示器屏幕上顯示仿真對象的三維立體圖像，逼真地展現(xiàn)仿真對象的形狀、結(jié)構(gòu)，以及構(gòu)造細(xì)節(jié)；還可以通過虛擬運(yùn)算，改變模型的參數(shù)，使模型變形或位移，從而逼真地演繹仿真對象的變化或運(yùn)動(dòng)過程。在盾構(gòu)機(jī)仿真中可以用數(shù)字模型彌補(bǔ)實(shí)體模型的局限。一是模擬實(shí)體模型中簡化或省略的結(jié)構(gòu)、裝置和功能，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)完整的三維立體形象和動(dòng)作；二是模擬盾構(gòu)機(jī)的施工對象和施工環(huán)境，可以模仿施工對象和施工環(huán)境在盾構(gòu)機(jī)作用下的變化，以及施工對象和施工環(huán)境對盾構(gòu)機(jī)的反作用，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)盾構(gòu)機(jī)在真實(shí)環(huán)境中的施工過程和施工效果的仿真。
[0079]兩套模型同時(shí)并發(fā)運(yùn)行，互為補(bǔ)充，兼具實(shí)體模型、數(shù)字模型的長處，比單模型的系統(tǒng)，功能更全面，應(yīng)用范圍更廣，適應(yīng)性更強(qiáng)，為教學(xué)培訓(xùn)提供更完備的手段，實(shí)現(xiàn)更逼真的效果。
[0080]以下將結(jié)合圖1至圖7對本發(fā)明提供的盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備和方法進(jìn)行詳細(xì)的描述，其為本發(fā)明可選的實(shí)施例，可以認(rèn)為本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不改變本發(fā)明精神和內(nèi)容的范圍內(nèi)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行修改和潤色。
[0081]請參考圖1，本實(shí)施例提供了一種盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備，包括:
[0082]盾構(gòu)模型機(jī)，用以對盾構(gòu)機(jī)和盾構(gòu)機(jī)的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)物仿真，進(jìn)一步的，用于根據(jù)所述系統(tǒng)控制臺(tái)傳輸而來的操作指令，運(yùn)行盾構(gòu)機(jī)動(dòng)作和功能，并將其傳感器、行程開關(guān)的檢測信息反饋給系統(tǒng)控制臺(tái)，并通過系統(tǒng)控制臺(tái)，與所述虛擬處理器進(jìn)行間接數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)與真實(shí)盾構(gòu)機(jī)相似的閉環(huán)控制，本發(fā)明中，對于盾構(gòu)模型機(jī)的運(yùn)作，還設(shè)置了與其動(dòng)作相匹配的傳感器、行程開關(guān)等對盾構(gòu)模型機(jī)的運(yùn)作狀況進(jìn)行檢測，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。具體有關(guān)傳感器和行程開關(guān)的布置，可根據(jù)盾構(gòu)模型機(jī)的具體結(jié)構(gòu)與動(dòng)作情況進(jìn)行設(shè)置，本實(shí)施例在后文中亦對此有具體的列舉；
[0083]系統(tǒng)控制臺(tái)，用以供操作人員進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的模擬操作，進(jìn)一步的，用于供操作人員根據(jù)從所述盾構(gòu)模型機(jī)和所述虛擬處理器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，并將操作指令傳輸給所述盾構(gòu)模型機(jī)和所述虛擬處理器，并采集所述盾構(gòu)模型機(jī)反饋的傳感器及行程開關(guān)等的信息，以及所述虛擬處理器反饋的虛擬運(yùn)算信息，并實(shí)現(xiàn)所述盾構(gòu)模型機(jī)與所述虛擬處理器之間的間接數(shù)據(jù)交換，形成多回路閉環(huán)控制；
[0084]虛擬處理器，用以根據(jù)所述盾構(gòu)模型機(jī)的實(shí)物仿真的反饋信息以及所述系統(tǒng)控制臺(tái)的模擬操作指令進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真和數(shù)據(jù)處理，其中，盾構(gòu)模型機(jī)的實(shí)物仿真的反饋信息通過所述系統(tǒng)控制臺(tái)傳輸至所述虛擬處理器；進(jìn)一步的，所述虛擬處理器用于根據(jù)所述系統(tǒng)控制臺(tái)傳輸而來的操作指令和所述盾構(gòu)模型機(jī)反饋信息，進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)動(dòng)態(tài)仿真和數(shù)據(jù)處理，然后將仿真和處理結(jié)果傳輸給所述圖形仿真器，同時(shí)反饋給所述系統(tǒng)控制臺(tái)，還通過所述系統(tǒng)控制臺(tái)轉(zhuǎn)送給所述盾構(gòu)模型機(jī)；
[0085]以及圖形仿真器，用以根據(jù)所述虛擬處理器的動(dòng)態(tài)仿真和數(shù)據(jù)處理結(jié)果實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)、施工對象、施工環(huán)境的動(dòng)態(tài)仿真展示，進(jìn)一步的，所述圖形仿真器用于存儲(chǔ)盾構(gòu)機(jī)圖像模型、施工對象和環(huán)境模擬信息，并根據(jù)所述虛擬處理器的處理結(jié)果進(jìn)行圖形仿真，形成三維圖景、動(dòng)畫信息，最終輸出展示。
[0086]在本實(shí)施例中，系統(tǒng)控制臺(tái)是一個(gè)立式控制箱，控制箱內(nèi)裝有PLC可編程控制器，控制箱上裝有工業(yè)控制觸摸屏。圖形仿真器包括一臺(tái)高性能PC圖形工作站，帶有Ethernet網(wǎng)卡，以及盾構(gòu)機(jī)圖形仿真軟件；虛擬處理器包括一臺(tái)PC計(jì)算機(jī)(帶有RS232接口)，一臺(tái)Ethernet路由器，以及盾構(gòu)機(jī)虛擬處理軟件。
[0087]請參考圖2，所述系統(tǒng)控制臺(tái)至少包括供操作人員實(shí)現(xiàn)模擬操作的控制臺(tái)觸摸屏和控制臺(tái)操作板以及總控處理系統(tǒng)；
[0088]所述總控處理系統(tǒng)包括:[0089]系統(tǒng)總控模塊，用以根據(jù)所述控制臺(tái)觸摸屏和控制臺(tái)操作板的輸入信息，生成動(dòng)作指令，進(jìn)一步的，與控制臺(tái)操作板、控制臺(tái)觸摸屏、同步仿真模塊連接，用于根據(jù)控制臺(tái)操作板和控制臺(tái)觸摸屏的輸入，實(shí)施系統(tǒng)啟停、動(dòng)作控制、流程控制、安全控制等功能。并發(fā)出相應(yīng)的指令給同步仿真模塊，驅(qū)動(dòng)盾構(gòu)模型機(jī)和虛擬處理器，同時(shí)將有關(guān)信息發(fā)給控制臺(tái)操作板和控制臺(tái)觸摸屏，供操作人員觀看使用；
[0090]數(shù)據(jù)管理模塊，用于存儲(chǔ)和管理盾構(gòu)機(jī)仿真施工的設(shè)備性能參數(shù)、施工控制參數(shù)和仿真運(yùn)算參數(shù)，在本實(shí)施例中，所述設(shè)備性能參數(shù)主要是指:
[0091]盾構(gòu)截面直徑:也就是盾殼截面的直徑，決定了掘進(jìn)隧道斷面的大小。
[0092]隧道管片長度:一節(jié)管片的長度。
[0093]刀盤分級(jí)速度:刀盤轉(zhuǎn)速分5級(jí)，每級(jí)速度數(shù)值。
[0094]刀盤最大扭矩:是刀盤扭矩的上限，超過了就是過載。
[0095]螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速范圍:螺旋機(jī)的最大、最小轉(zhuǎn)動(dòng)速度，可以無級(jí)變速。
[0096]出土閘門開關(guān)時(shí)間:出土閘門從全關(guān)到全開的時(shí)間。
[0097]推進(jìn)缸最大行程:推進(jìn)油缸能伸出的最大長度。
[0098]上推進(jìn)油缸凹進(jìn)長度:上部推進(jìn)油缸安裝位置比其他油缸要凹進(jìn)一些。
[0099]拼裝機(jī)最大升降高度:拼裝機(jī)升高、降低的界限。
[0100]拼裝機(jī)最大伸縮長度:拼裝機(jī)伸出、縮進(jìn)的界限。
[0101]拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)速度:拼裝機(jī)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的速度。
[0102]拼裝機(jī)升降速度:拼裝機(jī)上升、下降的速度。
[0103]拼裝機(jī)伸縮速度:拼裝機(jī)伸出、縮進(jìn)的速度。
[0104]注漿箱容量:注漿箱容積大小。
[0105]泥水箱容量:注泥、注水箱容積大小。
[0106]所述施工控制參數(shù)主要是指:
[0107]土壓力設(shè)定值:盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)正面土壓力的控制值。
[0108]土壓力上限、下限:土壓力不能超過的上、下界限。
[0109]螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速:螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。
[0110]出土閘門開度:出土閘門打開的程度，以百分比表示。
[0111]推進(jìn)油缸速度:推進(jìn)油缸伸出的快慢。
[0112]注泥注水注漿流量:注泥、注水、注漿的快慢。
[0113]水平軸線偏差上限:盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)水平軸線偏差的界限。
[0114]機(jī)身傾斜角差上限:盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)機(jī)身傾斜角度偏差的界限。
[0115]機(jī)身側(cè)滾角差上限:盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)機(jī)身側(cè)滾角度偏差的界限。
[0116]所述仿真運(yùn)算參數(shù)主要是指:
[0117]對象三維坐標(biāo):XYZ三維坐標(biāo)。
[0118]對象三維朝向:ΧΥΖ三維坐標(biāo)。
[0119]對象位移形式:平移、滾動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等。
[0120]對象位移量:位移的距離。
[0121]對象位移速度:位移的快慢。
[0122]仿真加速系數(shù):實(shí)際對象變化很慢時(shí)，計(jì)算機(jī)仿真需要加快的倍數(shù)。[0123]軸線糾偏系數(shù):為適當(dāng)改善視覺效果，模擬掘進(jìn)軸線糾偏時(shí)的加速系數(shù)。
[0124]水平糾偏系數(shù):為適當(dāng)改善視覺效果，模擬機(jī)身傾斜糾偏時(shí)的加速系數(shù)。
[0125]傾斜糾偏系數(shù):為適當(dāng)改善視覺效果，模擬機(jī)身側(cè)滾糾偏時(shí)的加速系數(shù)；
[0126]所述總控處理系統(tǒng)還包括同步仿真模塊，用以根據(jù)所述系統(tǒng)總控模塊生成的動(dòng)作指令、所述數(shù)據(jù)管理模塊存儲(chǔ)的參數(shù)數(shù)據(jù)以及所述虛擬處理器和盾構(gòu)模型機(jī)反饋而來的數(shù)據(jù)生成動(dòng)作仿真和施工仿真指令，進(jìn)一步的，所述同步仿真模塊與系統(tǒng)總控模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊連接，用于接收系統(tǒng)總控模塊發(fā)出的指令，接收數(shù)據(jù)通訊模塊傳輸?shù)膶?shí)體模型信息和數(shù)字模型信息后，根據(jù)同步仿真邏輯，以及數(shù)據(jù)庫里存儲(chǔ)的仿真參數(shù)，發(fā)出仿真指令，通過數(shù)據(jù)通訊模塊分別發(fā)給盾構(gòu)機(jī)模型和虛擬處理器，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)實(shí)體模型和數(shù)字模型的同步仿真；
[0127]以及數(shù)據(jù)通訊模塊，用以實(shí)現(xiàn)所述同步仿真模塊、虛擬處理器以及盾構(gòu)模型機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。
[0128]請參考圖3，所述虛擬處理器包括:
[0129]處理器數(shù)據(jù)通訊模塊，用以與所述系統(tǒng)控制臺(tái)和圖形仿真器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；
[0130]處理器數(shù)據(jù)庫模塊，用以實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能參數(shù)、施工控制參數(shù)、虛擬運(yùn)算參數(shù)的存儲(chǔ)，并供其他各個(gè)模塊調(diào)用；有關(guān)各參數(shù)的具體列舉，在上文中已做了闡述，故不再累述；
[0131]虛擬運(yùn)算模塊，用以根據(jù)所述系統(tǒng)控制臺(tái)的指令、所述盾構(gòu)模型機(jī)反饋信息與所述處理器數(shù)據(jù)庫模塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)動(dòng)作的動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)算，并將動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)算的結(jié)果通過所述處理器數(shù)據(jù)通訊模塊反饋給所述系統(tǒng)控制臺(tái)和圖形仿真器，進(jìn)一步的，所述虛擬運(yùn)算模塊與所述數(shù)據(jù)通訊模塊和所述數(shù)據(jù)庫模塊連接，用于根據(jù)所述系統(tǒng)控制臺(tái)的控制指令、所述盾構(gòu)模型機(jī)反饋信息，以及所述處理器數(shù)據(jù)庫模塊中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)動(dòng)態(tài)仿真，分別將運(yùn)算結(jié)果反饋給所述系統(tǒng)控制臺(tái)，傳輸給所述圖形仿真器，并且傳輸至所述處理器數(shù)據(jù)庫模塊予以存儲(chǔ)；
[0132]事件模擬模塊，用以根據(jù)所述處理器數(shù)據(jù)庫模塊中的數(shù)據(jù)模擬盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行的事件，并將模擬的結(jié)果反饋給所述處理器數(shù)據(jù)庫模塊；進(jìn)一步的，所述事件模擬模塊與所述數(shù)據(jù)庫模塊連接，用于采集數(shù)據(jù)庫模塊中的數(shù)據(jù)對盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行的部分事件進(jìn)行模擬，再將模擬的結(jié)果傳輸至所述數(shù)據(jù)庫模塊；具體來說，事件是按規(guī)定條件(或稱為事件規(guī)則)判斷而產(chǎn)生的現(xiàn)象，例如設(shè)備是否過載、設(shè)備是否發(fā)生故障、物料是否減少到最低限度、施工偏差是否達(dá)到最大限度等等。事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)要報(bào)警，嚴(yán)重的還要停機(jī)，以便操作人員立即進(jìn)行排查、糾偏或檢修等。事件模擬就是模擬真實(shí)機(jī)器運(yùn)行中可能發(fā)生的事件，其算法就是按規(guī)定條件(或稱為事件規(guī)則)進(jìn)行布爾運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果是I或O的開關(guān)量，以判斷某個(gè)事件是否發(fā)生。事件模擬的采樣信息大部分是虛擬運(yùn)算的結(jié)果，例如虛擬運(yùn)算得出“土壓力”是3MPa，而“土壓力上限”是2MPa，則事件模擬就根據(jù)“土壓力> 土壓力上限”這一條件或規(guī)則，發(fā)出“土壓力超限”的事件信號(hào)，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，并采取相應(yīng)的緊急措施；事件模擬模塊可以模擬的事件主要包括盾構(gòu)機(jī)施工過程中可能發(fā)生的施工偏差、設(shè)備故障、設(shè)備過載、物料欠缺等事件；
[0133]進(jìn)一步的，施工偏差模擬包括的事件有:
[0134]刀盤超扭矩、刀盤失速；
[0135]刀盤外周密封高溫、刀盤內(nèi)周密封高溫；[0136]土壓過小、土壓過大；
[0137]機(jī)身傾斜角過大、機(jī)身側(cè)滾角過大、水平軸線偏過大；
[0138]人行閘非全關(guān)；
[0139]皮帶輸送機(jī)左拉繩碰、皮帶傳送機(jī)右拉繩碰；
[0140]盾尾油脂回路聞壓；
[0141]加泥加水高壓；
[0142]密封或潤滑給脂不足，等等。
[0143]設(shè)備故障模擬包括的事件有:
[0144]控制臺(tái)PLC異常、控制柜PLC異常；
[0145]控制臺(tái)AD異常、控制柜AD異常；
[0146]上下通訊故障；
[0147]刀盤變頻器無電源、刀盤變頻器故障；
[0148]齒輪油回路故障；
[0149]螺旋機(jī)變頻器故障；
[0150]皮帶輸送機(jī)無電源；
[0151]給脂泵無電源，等等。
[0152]設(shè)備過載模擬包括的事件有:
[0153]切削刀盤馬達(dá)過載；
[0154]油冷卻泵過載；
[0155]超挖刀泵過載；
[0156]螺旋機(jī)泵過載；
[0157]皮帶輸送機(jī)過載；
[0158]推進(jìn)油缸泵過載；
[0159]回轉(zhuǎn)與閘門泵過載；
[0160]拼裝機(jī)油缸泵過載；
[0161]盾尾油脂泵過載；
[0162]注漿泵過載；
[0163]水泵過載；
[0164]攪拌機(jī)泵過載；
[0165]給脂泵過載，等等。
[0166]材料欠缺模擬包括的事件有:
[0167]盾尾油脂箱液位低；
[0168]同步注漿箱液位低；
[0169]加泥加水箱液位低；
[0170]給脂油箱液位低，等等；
[0171]所述虛擬處理器還包括運(yùn)行監(jiān)控模塊，與所述虛擬運(yùn)算模塊連接，用以供相關(guān)人員監(jiān)控所述虛擬運(yùn)算模塊的運(yùn)行狀態(tài)，相關(guān)人員通過所述運(yùn)行監(jiān)控模塊調(diào)整所述虛擬運(yùn)算模塊的運(yùn)算參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行的干預(yù)。
[0172]所述虛擬處理器還包括:[0173]教學(xué)管理模塊，用于對盾構(gòu)機(jī)教學(xué)實(shí)訓(xùn)的作業(yè)流程進(jìn)行管理、教學(xué)信息記錄以及教學(xué)信息查詢
[0174]數(shù)據(jù)管理模塊，用以供相關(guān)人員讀取、調(diào)整和維護(hù)所述處理器數(shù)據(jù)庫模塊中的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包括了教學(xué)記錄信息、系統(tǒng)基礎(chǔ)信息和性能參數(shù)。
[0175]請參考圖4，所述圖形仿真器包括:
[0176]仿真器數(shù)據(jù)通訊模塊，用以實(shí)現(xiàn)與所述虛擬處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸；
[0177]本地?cái)?shù)據(jù)庫模塊，用以存儲(chǔ)盾構(gòu)機(jī)的圖像、動(dòng)畫信息、性能參數(shù)，并供其他各個(gè)模塊調(diào)用，進(jìn)一步的，所述本地?cái)?shù)據(jù)庫模塊與所述仿真器數(shù)據(jù)傳輸模塊連接，用于盾構(gòu)機(jī)圖像、動(dòng)畫信息、性能參數(shù)的存儲(chǔ)，并供其他各個(gè)模塊調(diào)用；
[0178]圖形仿真引擎模塊，用以根據(jù)所述虛擬處理器傳輸而來的數(shù)據(jù)以及所述本地?cái)?shù)據(jù)庫模塊實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的圖像數(shù)據(jù)的仿真生成，進(jìn)一步的，所述圖形仿真引擎模塊分別與所述仿真器數(shù)據(jù)傳輸模塊、所述本地?cái)?shù)據(jù)庫連接，用于根據(jù)所述仿真器數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)奶摂M處理器傳輸而來的信息，并調(diào)用所述本機(jī)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)信息，進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)圖形仿真；
[0179]圖形仿真引擎的執(zhí)行模塊，用以根據(jù)操作人員的操作對所述圖形仿真引擎模塊生成的盾構(gòu)機(jī)的圖像數(shù)據(jù)的模擬展示方式進(jìn)行選擇確認(rèn)，從而生成用以展示的圖像的數(shù)據(jù)；所述執(zhí)行模塊包括均與所述圖形仿真引擎模塊連接的場景切換模塊、鏡頭定位模塊、鏡頭漫游模塊、視圖選擇模塊和自動(dòng)巡視模塊，所述場景切換模塊、鏡頭定位模塊，各模塊均是對展示方式直接描述，其可以與系統(tǒng)控制臺(tái)中觸摸屏的操作界面上的選項(xiàng)相對應(yīng)，操作人員可以在系統(tǒng)控制臺(tái)上具體進(jìn)行選擇操作，進(jìn)而通過虛擬處理器、仿真器數(shù)據(jù)通訊模塊和圖形仿真引擎模塊傳輸至圖形仿真引擎的執(zhí)行模塊，圖形仿真引擎將仿真結(jié)果通過各所述執(zhí)行模塊，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的三維圖像、實(shí)時(shí)動(dòng)畫的模擬展示；
[0180]三維效果模塊，用以對所述執(zhí)行模塊生成的圖像增加視覺效果；如遮擋、疊加、剖視、透視等等。
[0181]信息提示模塊，用以對所述執(zhí)行模塊生成的圖像增加文字提示；
[0182]所述三維效果模塊與信息提示模塊均與所述執(zhí)行模塊連接；
[0183]以及顯示終端模塊，分別與所述三維效果模塊和信息提示模塊連接，輸出最終的圖像。
[0184]舉例來說，假定在實(shí)施掘進(jìn)的過程中，圖形仿真引擎模塊仿真了盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)動(dòng)作的動(dòng)態(tài)的整個(gè)圖像數(shù)據(jù)，所述執(zhí)行模塊進(jìn)一步根據(jù)選定的俯視視角模擬展示方式生成了俯視視角下的盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)動(dòng)作的動(dòng)態(tài)的圖像數(shù)據(jù)，傳輸給三維效果模塊和信息提示模塊后，兩個(gè)模塊分別對圖像數(shù)據(jù)和文字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行整合，輸出盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)動(dòng)作的動(dòng)態(tài)三維圖像和相應(yīng)的文字信息，最終在所述顯示終端模塊上顯示出來。所以，所述圖形仿真引擎模塊根據(jù)虛擬處理器發(fā)來的數(shù)字模型的變化、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，計(jì)算出數(shù)字模型各特征點(diǎn)三維坐標(biāo)的變化和運(yùn)動(dòng)軌跡，所述執(zhí)行模塊則根據(jù)這些變化和軌跡，以及用戶(通過三維交互)提出的顯示要求，即操作人員的操作，進(jìn)行三維圖像的顯示，包括采用何種場景、何種視圖、觀察者的位置、視角等等。執(zhí)行模塊可以概略地理解為“虛擬攝像機(jī)”，正是通過這一虛擬的攝像機(jī)，才可以在計(jì)算機(jī)屏幕上向觀察者展現(xiàn)數(shù)字模型的仿真圖像。所以，仿真引擎執(zhí)行模塊的運(yùn)作就是虛擬攝像機(jī)的運(yùn)作。
[0185]所述圖形仿真器還包括:[0186]視圖制作模塊，用以供相關(guān)人員制作三維視景與三維視口，并將其儲(chǔ)存于所述本地?cái)?shù)據(jù)庫模塊中；
[0187]在仿真系統(tǒng)中將虛擬攝像機(jī)的靜態(tài)定位稱為三維視圖，其實(shí)就是將經(jīng)常要用的鏡頭定位保存好，使用時(shí)可以直接調(diào)用，以免每次都要進(jìn)行繁瑣的鏡頭定位操作。因此視圖是由鏡頭方位的三維坐標(biāo)和鏡頭朝向的三維角度構(gòu)成的。
[0188]本發(fā)明為了方便操作者從各個(gè)位置、方向、角度觀看盾構(gòu)機(jī)各機(jī)構(gòu)和部件，以及施工場景，設(shè)置了若干視圖，建立了視圖隊(duì)列，操作者需要時(shí)在視圖隊(duì)列里選用，就可以直接將鏡頭對準(zhǔn)他所需要的觀察對象。
[0189]本發(fā)明設(shè)置的視圖按其用途，可以分為結(jié)構(gòu)視圖和動(dòng)作視圖。
[0190]結(jié)構(gòu)視圖:以觀察盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)為主，其視野可以超越各個(gè)視覺障礙、死角的局限。
[0191]動(dòng)作視圖:以觀察盾構(gòu)機(jī)的動(dòng)作為主，其視野可以覆蓋盾構(gòu)機(jī)動(dòng)作的全范圍或特定范圍。
[0192]本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)視圖主要包括下表所列:
[0193]
【權(quán)利要求】
1.一種盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備，其特征在于:包括: 盾構(gòu)模型機(jī)，用以對盾構(gòu)機(jī)和盾構(gòu)機(jī)的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)物仿真； 系統(tǒng)控制臺(tái)，用以供操作人員進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的模擬操作； 虛擬處理器，用以根據(jù)所述盾構(gòu)模型機(jī)的實(shí)物仿真的反饋信息以及所述系統(tǒng)控制臺(tái)的模擬操作指令進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真和數(shù)據(jù)處理； 以及圖形仿真器，用以根據(jù)所述虛擬處理器的動(dòng)態(tài)仿真和數(shù)據(jù)處理結(jié)果實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)、施工對象、施工環(huán)境的動(dòng)態(tài)仿真展示。
2.如權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備，其特征在于:所述系統(tǒng)控制臺(tái)至少包括供操作人員實(shí)現(xiàn)模擬操作的控制臺(tái)觸摸屏和控制臺(tái)操作板以及總控處理系統(tǒng)； 所述總控處理系統(tǒng)包括: 系統(tǒng)總控模塊，用以根據(jù)所述控制臺(tái)觸摸屏和控制臺(tái)操作板的輸入信息，生成動(dòng)作指令； 數(shù)據(jù)管理模塊，用于存儲(chǔ)和管理盾構(gòu)機(jī)仿真施工的設(shè)備性能參數(shù)、施工控制參數(shù)和仿真運(yùn)算參數(shù)； 同步仿真模塊，用以根據(jù)所述系統(tǒng)總控模塊生成的動(dòng)作指令、所述數(shù)據(jù)管理模塊存儲(chǔ)的參數(shù)數(shù)據(jù)以及所述虛擬處理器和盾構(gòu)模型機(jī)反饋而來的數(shù)據(jù)生成動(dòng)作仿真和施工仿真指令； 以及數(shù)據(jù)通訊模塊，用以實(shí)現(xiàn)所述同步仿真模塊、虛擬處理器以及盾構(gòu)模型機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。
3.如權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備，其特征在于:所述虛擬處理器包括: 處理器數(shù)據(jù)通訊模塊，用以與所述系統(tǒng)控制臺(tái)和圖形仿真器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸； 處理器數(shù)據(jù)庫模塊，用以實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能參數(shù)、施工控制參數(shù)、虛擬運(yùn)算參數(shù)的存儲(chǔ)；虛擬運(yùn)算模塊，用以根據(jù)所述系統(tǒng)控制臺(tái)的指令、所述盾構(gòu)模型機(jī)反饋信息與所述處理器數(shù)據(jù)庫模塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)動(dòng)作的動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)算，并將動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)算的結(jié)果通過所述處理器數(shù)據(jù)通訊模塊反饋給所述系統(tǒng)控制臺(tái)和圖形仿真器； 事件模擬模塊，用以根據(jù)所述處理器數(shù)據(jù)庫模塊中的數(shù)據(jù)模擬盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行的事件，并將模擬的結(jié)果反饋給所述處理器數(shù)據(jù)庫模塊； 以及運(yùn)行監(jiān)控模塊，與所述虛擬運(yùn)算模塊連接，用以供相關(guān)人員監(jiān)控所述虛擬運(yùn)算模塊的運(yùn)行狀態(tài)，相關(guān)人員通過所述運(yùn)行監(jiān)控模塊調(diào)整所述虛擬運(yùn)算模塊的運(yùn)算參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行的干預(yù)。
4.如權(quán)利要求3所述的盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備，其特征在于:所述虛擬處理器還包括: 教學(xué)管理模塊，用于對盾構(gòu)機(jī)教學(xué)實(shí)訓(xùn)的作業(yè)流程進(jìn)行管理、教學(xué)信息記錄以及教學(xué)信息查詢 數(shù)據(jù)管理模塊，用以供相關(guān)人員讀取、調(diào)整和維護(hù)所述處理器數(shù)據(jù)庫模塊中的數(shù)據(jù)。
5.如權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備，其特征在于:所述圖形仿真器包括: 仿真器數(shù)據(jù)通訊模塊，用以實(shí)現(xiàn)與所述虛擬處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸； 本地?cái)?shù)據(jù)庫模塊，用以存儲(chǔ)盾構(gòu)機(jī)的圖像、動(dòng)畫信息、性能參數(shù)； 圖形仿真引擎模塊，用以根據(jù)所述虛擬處理器傳輸而來的數(shù)據(jù)以及所述本地?cái)?shù)據(jù)庫模塊實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的圖像數(shù)據(jù)的仿真生成； 圖形仿真引擎的執(zhí)行模塊，用以根據(jù)操作人員的操作對所述圖形仿真引擎模塊生成的盾構(gòu)機(jī)的圖像數(shù)據(jù)的模擬展示方式進(jìn)行選擇確認(rèn)，從而生成用以展示的圖像的數(shù)據(jù)；三維效果模塊，用以對所述執(zhí)行模塊生成的圖像增加視覺效果；
信息提示模塊，用以對所述執(zhí)行模塊生成的圖像增加文字提示； 以及顯示終端模塊，分別與所述三維效果模塊和信息提示模塊連接，輸出最終的圖像。
6.如權(quán)利要求5所述的盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備，其特征在于:所述執(zhí)行模塊包括均與所述圖形仿真引擎模塊連接的場景切換模塊、鏡頭定位模塊、鏡頭漫游模塊、視圖選擇模塊和自動(dòng)巡視模塊，所述場景切換模塊、鏡頭定位模塊。
7.如權(quán)利要求5所述的盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備，其特征在于:所述圖形仿真器還包括: 視圖制作模塊，用以供相關(guān)人員制作三維視圖，并將其儲(chǔ)存于所述本地?cái)?shù)據(jù)庫模塊中； 數(shù)據(jù)管理模塊，用以供相關(guān)人員對所述本地?cái)?shù)據(jù)庫模塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。
8.如權(quán)利要求5所述的盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備，其特征在于:所述本地?cái)?shù)據(jù)庫模塊還用以存儲(chǔ)所述虛擬處理器傳輸而來的歷史數(shù)據(jù)，所述圖形仿真器還包括回放管理模塊，用以根據(jù)相關(guān)人員的操作調(diào)取所述本地?cái)?shù)據(jù)庫模塊中的歷史數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述歷史數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)所述圖形仿真引擎實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的圖像數(shù)據(jù)的仿真生成，最終實(shí)現(xiàn)三維圖像和文字的輸出。
9.如權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真設(shè)備，其特征在于:所述盾構(gòu)模型機(jī)通過一個(gè)模型機(jī)控制系統(tǒng)與所述系統(tǒng)控制臺(tái)連接，所述模型機(jī)控制系統(tǒng)包括: 模型機(jī)數(shù)據(jù)通訊模塊，與所述系統(tǒng)控制臺(tái)連接，用以實(shí)現(xiàn)與所述系統(tǒng)控制臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸； 掘進(jìn)控制模塊；用以根據(jù)所述系統(tǒng)控制臺(tái)發(fā)出的指令生成所述盾構(gòu)模型機(jī)的掘進(jìn)動(dòng)作指令； 注液控制模塊，用以根據(jù)所述系統(tǒng)控制臺(tái)發(fā)出的指令生成所述盾構(gòu)模型機(jī)中的模擬注漿裝置和模擬注水裝置的注液動(dòng)作指令； 小車控制模塊，用以根據(jù)所述系統(tǒng)控制臺(tái)發(fā)出的指令生成所述盾構(gòu)模型機(jī)中的運(yùn)輸小車的運(yùn)輸動(dòng)作指令； 管片拼裝模塊，用以根據(jù)所述系統(tǒng)控制臺(tái)發(fā)出的指令生成所述盾構(gòu)模型機(jī)中的管片拼裝機(jī)的拼裝動(dòng)作指令； 以及液電驅(qū)動(dòng)模塊，用以根據(jù)所述掘進(jìn)控制模塊、注液控制模塊、小車控制模塊和管片拼裝模塊生成的掘進(jìn)動(dòng)作指令、注液動(dòng)作指令、運(yùn)輸動(dòng)作指令、拼裝動(dòng)作指令驅(qū)動(dòng)所述盾構(gòu)模型機(jī)實(shí)施動(dòng)作。
10.如權(quán)利要求9所述的盾構(gòu)機(jī)組合仿真設(shè)備，其特征在于:所述模型機(jī)控制系統(tǒng)還包括安全控制模塊，用以檢測所述掘進(jìn)控制模塊、注液控制模塊、小車控制模塊和管片拼裝模塊生成的掘進(jìn)動(dòng)作指令、注液動(dòng)作指令、運(yùn)輸動(dòng)作指令、拼裝動(dòng)作指令，若無誤，根據(jù)無誤的動(dòng)作指令驅(qū)動(dòng)所述盾構(gòu)模型機(jī)實(shí)施動(dòng)作，若有誤，向所述系統(tǒng)控制臺(tái)發(fā)出警報(bào)信息，并根據(jù)有誤的指令判斷是否適于實(shí)施指令；若適于實(shí)施，則依舊根據(jù)動(dòng)作指令驅(qū)動(dòng)所述盾構(gòu)模型機(jī)實(shí)施動(dòng)作，若不適于實(shí)施，則終止驅(qū)動(dòng)。
11.如權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)機(jī)組合仿真設(shè)備，其特征在于:所述盾構(gòu)模型機(jī)包括液電動(dòng)力裝置和機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置，所述液電動(dòng)力裝置分別與所述系統(tǒng)控制臺(tái)和機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置連接。
12.如權(quán)利要求11所述的盾構(gòu)機(jī)組合仿真設(shè)備，其特征在于:所述機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置包括沿水平方向依次布置模擬真實(shí)盾構(gòu)機(jī)出洞的洞門、發(fā)射架和平臺(tái)。
13.如權(quán)利要求12所述的盾構(gòu)機(jī)組合仿真設(shè)備，其特征在于:所述發(fā)射架上沿水平方向依次設(shè)有盾殼和管片，所述盾殼由切口環(huán)、支撐環(huán)和盾尾組成，所述切口環(huán)的后端與所述支撐環(huán)的前端連接，所述支撐環(huán)的后端與所述盾尾的前端連接，所述盾殼上設(shè)有供觀察盾殼內(nèi)部機(jī)構(gòu)的盾殼觀察窗，所述平臺(tái)上設(shè)有反力架、臺(tái)車和運(yùn)輸小車。
14.如權(quán)利要求13所述的盾構(gòu)機(jī)組合仿真設(shè)備，其特征在于:所述機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置還包括大刀盤、螺旋輸送機(jī)、管片拼裝機(jī)、雙梁、支撐桿、皮帶輸送機(jī)和單梁，所述切口環(huán)內(nèi)的空間通過一個(gè)胸板分隔成前、后兩部分，前部分空間中靠近所述洞門的位置設(shè)有所述大刀盤，前部分空間中所述大刀盤與胸板之間的空間為土倉，所述螺旋輸送機(jī)的前端安裝在所述切口環(huán)內(nèi)，所述支撐環(huán)內(nèi)部裝有經(jīng)簡化改進(jìn)的所述管片拼裝機(jī)，所述盾尾的后端與所述管片連接，所述雙梁的前端與所述支撐環(huán)連接，所述雙梁的后端與所述臺(tái)車相連，所述管片通過一個(gè)支撐桿與所述反力架連接，所述臺(tái)車上安裝有一個(gè)皮帶輸送機(jī)，所述臺(tái)車頂部安裝有單梁，所述單梁和雙梁上均裝有用于管片吊運(yùn)的起重機(jī)。
15.如權(quán)利要求13所述的盾構(gòu)機(jī)組合仿真設(shè)備，其特征在于:所述機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置還包括一個(gè)液壓推進(jìn)和復(fù)位裝置，所述液壓推進(jìn)和復(fù)位裝置包括若干個(gè)液壓推進(jìn)油缸和位于所述臺(tái)車上且與所述液壓推進(jìn)油缸連接的液壓泵站，所述液壓推進(jìn)油缸一端與所述支撐環(huán)連接，另一端與所述管片連接，所述若干液壓頂推油缸包括無動(dòng)力模型油缸與至少兩個(gè)真實(shí)油缸。
16.如權(quán)利要求13所述的盾構(gòu)機(jī)組合仿真設(shè)備，其特征在于:所述機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置還包括一個(gè)模擬注漿裝置， 所述模擬注漿裝置包括模擬注漿管、注漿泵、泥漿箱，所述泥漿箱和所述注漿泵連接，且均設(shè)于所述臺(tái)車上，所述模擬注漿管以LED光帶制作，所述模擬注漿管的一端與所述注漿泵和泥漿箱連接，另一端依次穿過所述管片、盾尾、支撐環(huán)，連通至設(shè)于所述支撐環(huán)外側(cè)表面的注漿套。
17.如權(quán)利要求13所述的盾構(gòu)機(jī)組合仿真設(shè)備，其特征在于:所述機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置還包括一套模擬注水裝置，所述模擬注水裝置包括模擬注水管、注水泵和水箱，所述注水泵和所述水箱設(shè)于所述臺(tái)車上，所述模擬注水管以LED光帶制作，所述模擬主水管的一端與所述注水泵和水箱連接，另一端依次穿過所述管片、盾尾、支撐環(huán)、切口環(huán)，連通至所述土倉和刀盤。
18.如權(quán)利要求11所述的盾構(gòu)機(jī)組合仿真設(shè)備，其特征在于:所述液電動(dòng)力裝置至少包括與所述刀盤連接的電動(dòng)機(jī)和變頻器，與所述螺旋輸送機(jī)連接的電動(dòng)機(jī)和變頻器，與所述運(yùn)輸小車連接的電動(dòng)機(jī)。
19.如權(quán)利要求11所述的盾構(gòu)機(jī)組合仿真設(shè)備，其特征在于:所述液電動(dòng)力裝置還包括與所述若干液壓頂推油缸連接的油缸驅(qū)動(dòng)裝置。
20.一種盾構(gòu)機(jī)雙模型仿真方法，其特征在于:包括如下步驟: SOl:操作人員通過仿真系統(tǒng)人機(jī)界面發(fā)出操作指令；系統(tǒng)控制單元將接收的指令解析后分別發(fā)給實(shí)體模型單元和數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)單元； 502:實(shí)體模型單元接收系統(tǒng)控制單元的指令，驅(qū)動(dòng)實(shí)體模型，運(yùn)行指令所要求的動(dòng)作；然后用于檢測實(shí)體模型的傳感器、行程開關(guān)，將動(dòng)作后的檢測信息反饋給系統(tǒng)控制單元； 所述數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)單元接收系統(tǒng)控制單元的指令，按照指令所要求的動(dòng)作，進(jìn)行虛擬運(yùn)算，模擬盾構(gòu)機(jī)、盾構(gòu)機(jī)的動(dòng)作、施工對象、施工環(huán)境的狀況變化，將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送給數(shù)字模型單元，并反饋給系統(tǒng)控制單元； 所述數(shù)字模型單元根據(jù)所述數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)算結(jié)果和所述數(shù)字模型單元中事先建立的盾構(gòu)機(jī)三維立體模型進(jìn)行圖形仿真運(yùn)算，使得盾構(gòu)機(jī)三維立體模型發(fā)生位移和姿態(tài)變化，從而通過所述數(shù)字模型單元模擬盾構(gòu)機(jī)動(dòng)作，以及盾構(gòu)機(jī)在模擬施工環(huán)境中的施工過程；然后，所述數(shù)字模型單元將模擬的結(jié)果依據(jù)操作人員通過數(shù)字模型單元人機(jī)界面發(fā)出的操作指令所確定的模擬展示方式進(jìn)行展示圖像的模擬生成，進(jìn)而輸出相應(yīng)的三維圖像； 503:所述系統(tǒng)控制單元接收實(shí)體模型單元、數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)單元反饋的信息，完成一輪閉環(huán)運(yùn)算，修正下一輪的控制參數(shù)，以及將要發(fā)出的下一個(gè)控制指令；同時(shí)，一方面，所述系統(tǒng)控制單元將實(shí)體模型單元反饋的信息反饋給數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)單元，使數(shù)字模型單元與實(shí)體模型單元實(shí)現(xiàn)同步，另一方面，系統(tǒng)控制單元將數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)單元反饋的信息反饋給實(shí)體模型單元，所述實(shí)體模型單元據(jù)此進(jìn)行運(yùn)行； 504:系統(tǒng)控制單元將實(shí)體模型單元、數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)單元反饋的信息，以及閉環(huán)運(yùn)算結(jié)果，通過人機(jī)界面反饋給操作人員； 505:重復(fù)步驟SOl至S04，進(jìn)行其他動(dòng)作的操作仿真。
【文檔編號(hào)】G09B25/02GK103745648SQ201310746040
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】王云飛, 潘南明, 許勇, 應(yīng)建華, 陳建民, 程遠(yuǎn)程, 沈培堅(jiān) 申請人:上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司, 威英軟件（上海）有限公司