專利名稱：全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全斷面掘進機應用領(lǐng)域，尤其涉及一種全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
全斷面掘進機是國務院確定的振興民族裝備制造業(yè)16項重點扶持的重大項目之 一，國家在先進制造領(lǐng)域重點扶持全斷面掘進機的研究與開發(fā)，以制造樣機和進行工程試 用為目標，爭取在2015年實現(xiàn)系列化和產(chǎn)業(yè)化。而在全斷面掘進機的各種研究中，進行實 物樣機試驗的效果雖然好但是周期長并且成本高。相對于實物試驗，虛擬施工試驗具有成本低等優(yōu)點。因此，建立起具有虛擬仿真功 能并具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全斷面掘進機功能仿真平臺是非常有意義的，可以為實際施工提 供非常良好的輔助功能。并且可以一定程度上為全斷面掘進機操作手提供具有視覺沉浸感 的施工培訓平臺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于虛擬試驗及操作培訓的全斷面掘進機虛擬施工 系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下本發(fā)明的全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)，包括立體投影系統(tǒng)、操作控制臺，所述的 立體投影系統(tǒng)包括載有虛擬仿真主程序的圖形工作站用來運行虛擬仿真主程序；所述的虛擬仿真 主程序包括存儲有環(huán)境立體模型與掘進機立體模型的立體模型庫、用來驅(qū)動立體模型的立 體驅(qū)動引擎、用來存儲掘進機設(shè)備參數(shù)和工程信息的數(shù)據(jù)庫及用來輸入與展示的人機交互 程序；所述的立體驅(qū)動引擎調(diào)用并展現(xiàn)所述的立體模型庫中的立體模型；所述的人機交互 程序接受操作者的指令將其輸入的參數(shù)存入所述的用來存儲掘進機設(shè)備參數(shù)的數(shù)據(jù)庫；所 述的人機交互程序接受所述的操作控制臺的指令，調(diào)用所述數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備參數(shù)，并將該 設(shè)備參數(shù)和指令一并發(fā)送給所述的立體驅(qū)動引擎，所述的立體驅(qū)動引擎將接收到的設(shè)備參 數(shù)賦予所述的立體模型，并根據(jù)所述的指令完成動態(tài)展示；所述的操作控制臺和所述的圖形工作站相連，在所述的操作控制臺上設(shè)置有控制 所述的虛擬仿真主程序的控制按鈕；立體轉(zhuǎn)換器和所述的圖形工作站相連，用于將所述的立體模型轉(zhuǎn)換為可用于被 動立體顯示的圖像并輸出到虛擬現(xiàn)實顯示裝置；虛擬現(xiàn)實顯示裝置用于將立體轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的可用于被動立體顯示的圖像展 現(xiàn)出來，包括金屬立體投影幕、兩臺分別和所述立體轉(zhuǎn)換器相連的、帶有偏振光立體投影鏡 頭的投影儀。優(yōu)選的，所述的立體模型采用的數(shù)據(jù)格式為Open Flight。優(yōu)選的，所述的立體驅(qū)動引擎為一個多通道的可視化數(shù)據(jù)庫處理與渲染系統(tǒng)在可視化數(shù)據(jù)庫的根處有一個場景節(jié)點，用來接收來自所述的人機交互程序的信息；所述的 場景通過一條渲染通道觀看，一條渲染通道通過一條管道渲染到一個屏幕窗口上，每條管 道或渲染流水線渲染一個或者多個窗口，每個窗口僅與一條渲染流水線相關(guān)。優(yōu)選的，在所述的操作控制臺上的控制按鈕包括掘進機的開、關(guān)控制按鈕，刀盤正 轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制按鈕，管片安裝機的前后運動按鈕、正反回轉(zhuǎn)按鈕、伸縮按鈕及停止控制按鈕， 泥土輸送裝置的啟、停按鈕，主機啟、停按鈕，所述的各按鈕分別連接一個信號發(fā)生電路，發(fā) 生的控制信號通過RS232接口輸送給圖形工作站。優(yōu)選的，所述的人機交互程序包括工程設(shè)置模塊負責關(guān)于隧道工程項目的相關(guān)信息的錄入、修改、查詢；零部件庫建立模塊負責掘進機零部件參數(shù)的錄入、修改、查詢；刀具庫建立模塊負責掘進機刀具參數(shù)的錄入、修改、查詢；驅(qū)動設(shè)置模塊用來對掘進機的各個驅(qū)動部件的驅(qū)動參數(shù)進行設(shè)置；驅(qū)動部件控制模塊負責接收來自所述的操作控制臺的控制信號；刀具磨損監(jiān)控模塊負責監(jiān)測掘進機各刀具的磨損量，并展示給操作者；所述的驅(qū)動部件控制模塊接收來自所述的操作控制臺的指令，調(diào)用所述零部件庫 建立模塊、刀具庫建立模塊、驅(qū)動設(shè)置模塊設(shè)置的參數(shù)，并將該參數(shù)和指令一并發(fā)送給所述 的立體驅(qū)動引擎；所述的刀具磨損監(jiān)控模塊接受操作者的指令，調(diào)用所述的驅(qū)動部件控制 模塊向所述的立體驅(qū)動引擎發(fā)送整機施工暫停指令，所述的立體驅(qū)動引擎將當前的施工參 數(shù)輸出到所述的用來存儲掘進機設(shè)備參數(shù)和工程信息的數(shù)據(jù)庫供刀具磨損監(jiān)控模塊調(diào)用， 所述的刀具磨損監(jiān)控模塊根據(jù)用來存儲掘進機設(shè)備參數(shù)和工程信息的數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)信 息計算刀具的磨損程度，并展示給操作者。更優(yōu)選的，所述的工程設(shè)置模塊包括工程信息輸入模塊、工程信息查詢模塊，所述 的工程信息包括工程名、施工單位、施工總長度、總工期、總預算、目前進度、目前工期、已投 入費用；更優(yōu)選的，所述的刀具磨損監(jiān)控模塊采用以下公式計算切削型刀具的磨損程度并 將計算結(jié)果顯示給操作者T = L(Ii^k2O) (1)其中，T 刀具磨損量(mm)L 刀具運轉(zhuǎn)距離(km)，kl 硬質(zhì)刀片與運轉(zhuǎn)距離相關(guān)的磨損系數(shù)(mm/km)，通過實物刀具磨損結(jié)果進行 回歸得到，并預存到所述的用來存儲掘進機設(shè)備參數(shù)和工程信息的數(shù)據(jù)庫中k2 硬質(zhì)刀片與表面受力相關(guān)的磨損系數(shù)(mm/N · km)，通過實物刀具磨損結(jié)果進 行回歸得到，并預存到所述的用來存儲掘進機設(shè)備參數(shù)和工程信息的數(shù)據(jù)庫中σ 刀具表面受力(N)，通過有限元仿真計算得到并預存到所述的用來存儲掘進 機設(shè)備參數(shù)和工程信息的數(shù)據(jù)庫中更優(yōu)選的，所述的虛擬仿真主程序還包括實時工況顯示模塊用于虛擬施工系統(tǒng) 在虛擬施工仿真過程中對掘進機實時施工進度與工況進行查詢與顯示，所述的實時工況顯 示模塊接受操作者的指令，調(diào)用所述的驅(qū)動部件控制模塊向所述的立體驅(qū)動引擎發(fā)送整機 施工暫停指令，所述的立體驅(qū)動引擎將當前的施工參數(shù)輸出到所述的用來存儲掘進機設(shè)備參數(shù)和工程信息的數(shù)據(jù)庫供實時工況顯示模塊調(diào)用，所述的實時工況顯示模塊根據(jù)用來存 儲掘進機設(shè)備參數(shù)和工程信息的數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)信息計算當前的施工進度，并展示給操作
者ο更優(yōu)選的，所述的實時工況顯示模塊通過如下形式的一種或幾種顯示當前工況柱狀圖所述的柱狀圖包括工期柱狀圖、工程進度柱狀圖；地圖形式在所述的地圖上標注有工程位置及掘進機的當前位置；數(shù)據(jù)形式顯示內(nèi)容包括工程名、施工單位、施工總長度、總工期、目前進度、目前 工期。本發(fā)明的有益效果如下用戶可通過本系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中實現(xiàn)具有沉浸感地模擬全斷面掘進機真實 加載運轉(zhuǎn)和施工情況，進行全斷面機施工過程的動態(tài)仿真。本系統(tǒng)可以為某一工程的動態(tài) 進展以虛擬現(xiàn)實的方式提供良好展示，可以為工程人員提供擬實性遠好于二維靜態(tài)工程圖 的工程作業(yè)輔助，這對于地下作業(yè)的盾構(gòu)法施工作業(yè)來說是非常有意義的。另外，本系統(tǒng)并 可用于對全斷面掘進機操作手進行虛擬操作培訓。本發(fā)明基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)并應用通用開發(fā)工具開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的具有 高級人機交互功能的盾構(gòu)機虛擬施工仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以模擬真實的加載運轉(zhuǎn)和虛擬 施工，進行全斷面掘進機施工過程仿真并可用于對全斷面掘進機操作人員進行虛擬操作培 訓。相比實際施工試驗與操作人員的施工培訓，本發(fā)明具有成本低且培訓方便的優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明的全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)的硬件連接圖；圖2為本發(fā)明的全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)的虛擬仿真主程序的原理框具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進一步進行說明。參見附圖1，本發(fā)明的全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)包括圖形工作站1，在圖形工作 站1上連接有操作控制臺2和立體轉(zhuǎn)換器3，在立體轉(zhuǎn)換器3上連接有兩臺帶有偏振光立 體投影鏡頭的投影儀4，在投影儀4的前方設(shè)置有用于接受投影的金屬立體投影幕5。在所 述的操作控制臺2上設(shè)置有控制按鈕，包括掘進機的開、關(guān)控制按鈕，刀盤正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制 按鈕，管片安裝機的前后運動按鈕、正反回轉(zhuǎn)按鈕、伸縮按鈕及停止控制按鈕，泥土輸送裝 置的啟、停按鈕，主機啟、停按鈕，各按鈕分別產(chǎn)生一個電信號，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號通 過RS232接口輸送給圖形工作站，由安裝在圖形工作站上的人機交互程序中的驅(qū)動部件控 制模塊接收，驅(qū)動部件控制模塊根據(jù)接收到的信號調(diào)用立體驅(qū)動引擎驅(qū)動掘進機立體模型 的相關(guān)部件。參見附圖2，為本實用新型的虛擬仿真主程序的原理框圖，工程設(shè)置模塊根據(jù)用戶 的指令將工程信息存入數(shù)據(jù)庫，零部件庫建立模塊、刀具庫建立模塊、驅(qū)動設(shè)置模塊根據(jù)用 戶的指令將掘進機的設(shè)備參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫，驅(qū)動部件控制模塊接受操作控制臺的指令，調(diào) 用數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備參數(shù)，并將該指令和設(shè)備參數(shù)一起傳輸給立體驅(qū)動引擎，立體驅(qū)動引擎 將設(shè)備參數(shù)賦給掘進機立體模型，然后根據(jù)指令完成相應的操作，包括整機掘進(刀盤與推力油缸同時工作)、整機暫停、主機單獨掘進、后退、暫停，刀盤單獨工作時的正傳、反轉(zhuǎn)、 暫停等。在虛擬施工過程中，如果操作者想查看刀具磨損情況或者實時工況，可以分別通過 刀具磨損監(jiān)控模塊或者實時工況顯示模塊調(diào)用驅(qū)動部件控制模塊實現(xiàn)整機暫停，并由立體 驅(qū)動引擎返回施工過程中的參數(shù)給驅(qū)動部件控制模塊，驅(qū)動部件控制模塊把這些參數(shù)存儲 到用來存儲掘進機設(shè)備參數(shù)和工程信息的數(shù)據(jù)庫，供刀具磨損監(jiān)測模塊或者實時工況顯示 模塊調(diào)用，比如說掘進距離、刀盤(刀具)運行里程、掘進機的二維空間位置等，這些參數(shù)可 由一個節(jié)點變量控制，例如刀盤轉(zhuǎn)動在程序中可以由一個自由度節(jié)點變量D0F(x、y、z、h、p、 r)控制，刀盤的轉(zhuǎn)動圈數(shù)即為其中h的動態(tài)數(shù)值，因為刀盤只有轉(zhuǎn)動一個自由度，所以只有 h —個參數(shù)變化。最后，操作者查看刀具磨損情況時，通過刀具磨損監(jiān)控模塊調(diào)用數(shù)據(jù)庫中 的相關(guān)信息，并根據(jù)公式1計算道具磨損量。操作者查看工況時，可以通過實時工況顯示模 塊調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的工程信息及設(shè)備參數(shù)信息，計算得到當前進度，并通過柱狀圖、地圖、數(shù) 據(jù)形式展現(xiàn)給操作者。 本發(fā)明的立體模型采用Open Flight格式，該格式下每一個模型都有一個組節(jié)點 (Group node)，該組節(jié)點包含該模型的一切信息，包括形狀、光照、材質(zhì)、自由度等。建立幾 何模型后，需要為模型添加材質(zhì)。Open Flight數(shù)據(jù)格式的幾何模型由多邊形構(gòu)建，允許在 每個面上添加不同的材質(zhì)，在不增加整體模型多邊形數(shù)量的前提下，提高模型真實度，并且 使模型整體上更有層次感。
權(quán)利要求
全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)，其特征在于包括立體投影系統(tǒng)、操作控制臺，所述的立體投影系統(tǒng)包括載有虛擬仿真主程序的圖形工作站用來運行虛擬仿真主程序；所述的虛擬仿真主程序包括存儲有環(huán)境立體模型與掘進機立體模型的立體模型庫、用來驅(qū)動立體模型的立體驅(qū)動引擎、用來存儲掘進機設(shè)備參數(shù)和工程信息的數(shù)據(jù)庫及用來輸入與展示的人機交互程序；所述的立體驅(qū)動引擎調(diào)用并展現(xiàn)所述的立體模型庫中的立體模型；所述的人機交互程序接受操作者的指令將其輸入的參數(shù)存入所述的用來存儲掘進機設(shè)備參數(shù)的數(shù)據(jù)庫；所述的人機交互程序接受所述的操作控制臺的指令，調(diào)用所述數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備參數(shù)，并將該設(shè)備參數(shù)和指令一并發(fā)送給所述的立體驅(qū)動引擎，所述的立體驅(qū)動引擎將接收到的設(shè)備參數(shù)賦予所述的立體模型，并根據(jù)所述的指令完成動態(tài)展示；所述的操作控制臺和所述的圖形工作站相連，在所述的操作控制臺上設(shè)置有控制所述的虛擬仿真主程序的控制按鈕；立體轉(zhuǎn)換器和所述的圖形工作站相連，用于將所述的立體模型轉(zhuǎn)換為可用于被動立體顯示的圖像并輸出到虛擬現(xiàn)實顯示裝置；虛擬現(xiàn)實顯示裝置用于將立體轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的可用于被動立體顯示的圖像展現(xiàn)出來，包括金屬立體投影幕、兩臺分別和所述立體轉(zhuǎn)換器相連的、帶有偏振光立體投影鏡頭的投影儀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)，其特征在于所述的立體模型 采用的數(shù)據(jù)格式為Open Flight。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)，其特征在于所述的立體驅(qū)動 引擎為一個多通道的可視化數(shù)據(jù)庫處理與渲染系統(tǒng)在可視化數(shù)據(jù)庫的根處有一個場景節(jié) 點，用來接收來自所述的人機交互程序的信息；所述的場景通過一條渲染通道觀看，一條渲 染通道通過一條管道渲染到一個屏幕窗口上，每條管道或渲染流水線渲染一個或者多個窗 口，每個窗口僅與一條渲染流水線相關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)，其特征在于在所述的操作控 制臺上的控制按鈕包括掘進機的開、關(guān)控制按鈕，刀盤正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制按鈕，管片安裝機的 前后運動按鈕、正反回轉(zhuǎn)按鈕、伸縮按鈕及停止控制按鈕，泥土輸送裝置的啟、停按鈕，主機 啟、停按鈕，所述的各按鈕分別連接一個信號發(fā)生電路，發(fā)生的控制信號通過RS232接口輸 送給圖形工作站。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)，其特征在于所述的人機交互 程序包括工程設(shè)置模塊負責關(guān)于隧道工程項目的相關(guān)信息的錄入、修改、查詢； 零部件庫建立模塊負責掘進機零部件參數(shù)的錄入、修改、查詢； 刀具庫建立模塊負責掘進機刀具參數(shù)的錄入、修改、查詢； 驅(qū)動設(shè)置模塊用來對掘進機的各個驅(qū)動部件的驅(qū)動參數(shù)進行設(shè)置； 驅(qū)動部件控制模塊負責接收來自所述的操作控制臺的控制信號； 刀具磨損監(jiān)控模塊負責監(jiān)測掘進機各刀具的磨損量，并展示給操作者； 所述的驅(qū)動部件控制模塊接收來自所述的操作控制臺的指令，調(diào)用所述零部件庫建立 模塊、刀具庫建立模塊、驅(qū)動設(shè)置模塊設(shè)置的參數(shù)，并將該參數(shù)和指令一并發(fā)送給所述的立體驅(qū)動引擎；所述的刀具磨損監(jiān)控模塊接受操作者的指令，調(diào)用所述的驅(qū)動部件控制模塊 向所述的立體驅(qū)動引擎發(fā)送整機施工暫停指令，所述的立體驅(qū)動引擎將當前的施工參數(shù)輸 出到所述的用來存儲掘進機設(shè)備參數(shù)和工程信息的數(shù)據(jù)庫供刀具磨損監(jiān)控模塊調(diào)用，所述 的刀具磨損監(jiān)控模塊根據(jù)用來存儲掘進機設(shè)備參數(shù)和工程信息的數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)信息計 算刀具的磨損程度，并展示給操作者。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)，其特征在于所述的工程設(shè)置 模塊包括工程信息輸入模塊、工程信息查詢模塊，所述的工程信息包括工程名、施工單位、 施工總長度、總工期、總預算、目前進度、目前工期、已投入費用；
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)，其特征在于所述的刀具磨損 監(jiān)控模塊采用以下公式計算切削型刀具的磨損程度并將計算結(jié)果顯示給操作者T = L(k1+k2o )其中，Τ:刀具磨損量(mm)L 刀具運轉(zhuǎn)距離(km)，Ic1 硬質(zhì)刀片與運轉(zhuǎn)距離相關(guān)的磨損系數(shù)(mm/km)，通過實物刀具磨損結(jié)果進行回歸得 到，并預存到所述的用來存儲掘進機設(shè)備參數(shù)和工程信息的數(shù)據(jù)庫中k2:硬質(zhì)刀片與表面受力相關(guān)的磨損系數(shù)(mm/N ^km)，通過實物刀具磨損結(jié)果進行回 歸得到，并預存到所述的用來存儲掘進機設(shè)備參數(shù)和工程信息的數(shù)據(jù)庫中σ 刀具表面受力(N)，通過有限元仿真計算得到并預存到所述的用來存儲掘進機設(shè) 備參數(shù)和工程信息的數(shù)據(jù)庫中
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)，其特征在于所述的虛擬仿真 主程序還包括實時工況顯示模塊用于虛擬施工系統(tǒng)在虛擬施工仿真過程中對掘進機實時 施工進度與工況進行查詢與顯示，所述的實時工況顯示模塊接受操作者的指令，調(diào)用所述 的驅(qū)動部件控制模塊向所述的立體驅(qū)動引擎發(fā)送整機施工暫停指令，所述的立體驅(qū)動引擎 將當前的施工參數(shù)輸出到所述的用來存儲掘進機設(shè)備參數(shù)和工程信息的數(shù)據(jù)庫供實時工 況顯示模塊調(diào)用，所述的實時工況顯示模塊根據(jù)用來存儲掘進機設(shè)備參數(shù)和工程信息的數(shù) 據(jù)庫中的參數(shù)信息計算當前的施工進度，并展示給操作者。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)，其特征在于所述的實時工況 顯示模塊通過如下形式的一種或幾種顯示當前工況柱狀圖所述的柱狀圖包括工期柱狀圖、工程進度柱狀圖；地圖形式在所述的地圖上標注有工程位置及掘進機的當前位置；數(shù)據(jù)形式顯示內(nèi)容包括工程名、施工單位、施工總長度、總工期、目前進度、目前工期。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全斷面掘進機應用領(lǐng)域的全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括立體投影系統(tǒng)、操作控制臺，立體投影系統(tǒng)包括載有虛擬仿真主程序的圖形工作站、和圖形工作站相連的立體轉(zhuǎn)換器及用于展示的虛擬現(xiàn)實顯示裝置，所述的虛擬仿真主程序通過立體模型展現(xiàn)全斷面掘進機的施工過程，并由操作控制臺控制掘進機模型的動作。本發(fā)明的全斷面掘進機虛擬施工系統(tǒng)可以用于虛擬實驗和操作培訓，解決了目前全斷面掘進機領(lǐng)域存在的使用實物進行實驗、操作培訓成本較高的問題。
文檔編號G09B19/00GK101944299SQ20101024103
公開日2011年1月12日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者原所先, 鞏亞東, 程軍, 胡明 申請人:鞏亞東;程軍;胡明;原所先