本發(fā)明屬于仿真技術領域，尤其涉及一種盾構(gòu)機三維虛擬仿真系統(tǒng)，可用于隧道工程中對盾構(gòu)機施工過程的模擬與監(jiān)控。

背景技術：

隨著國家基礎建設的持續(xù)發(fā)展，隧道工程越來越多,盾構(gòu)法施工在鐵路行業(yè)逐漸推廣，例如獅子洋隧道、北京直徑線、中天山隧道、長株潭、珠三角等城際鐵路隧道施工均采用盾構(gòu)法。據(jù)統(tǒng)計，我國目前共有三十多個城市正在進行軌道交通前期規(guī)劃、設計、籌備和建設等工作。今后10年間將建設各類盾構(gòu)法隧道5000余公里，因此盾構(gòu)機將會得到廣泛的應用。

近年來隨著城市規(guī)模的快速發(fā)展,城市交通越發(fā)需要改善,地下交通作為一種新興的交通方式越來越受到人們的歡迎。伴隨著地下交通工程的修建,眾多地下施工方法被采納運用,在這其中,盾構(gòu)法施工無疑是是較為安全和成熟的一種施工方法。

盾構(gòu)設備雖說自動化程度偏高，但結(jié)構(gòu)比較復雜，而且常常根據(jù)不同的要求進行專門設計制造，如何保障施工過程的質(zhì)量和安全是廣大隧道施工單位優(yōu)先考慮的問題。

盾構(gòu)機過于昂貴，使用過程中如未及時發(fā)現(xiàn)隱患會造成不可估量的損失，同時由于盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)復雜，現(xiàn)場排查隱患安全風險系數(shù)高。因此需要采用三維仿真的方法實時模擬盾構(gòu)機運動，觀察盾構(gòu)機內(nèi)部工作情況，以降低安全風險。

現(xiàn)有的盾構(gòu)機三維虛擬仿真系統(tǒng)，如《基于Web的地鐵盾構(gòu)隧道施工監(jiān)控系統(tǒng)研究》源于《全國工程安全與防護學術會議,2012》，系統(tǒng)基于Flex和Java平臺,該系統(tǒng)雖說實現(xiàn)了基于B/S模式的三維地質(zhì)建模,能夠?qū)崟r查看工程進度、地質(zhì)參數(shù)、盾構(gòu)參數(shù),也能進行剖面分析、歷史數(shù)據(jù)分析，并能對盾構(gòu)機和三維地質(zhì)信息的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，但卻沒有實現(xiàn)對盾構(gòu)機的三維可視化監(jiān)控，不能實時模擬盾構(gòu)機的運動過程，且不能實現(xiàn)在盾構(gòu)機內(nèi)漫游和報警功能。

為了克服上述問題，需要對盾構(gòu)機進行三維建模，進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)綁定，并且實現(xiàn)對盾構(gòu)機的三維可視化監(jiān)控以及漫游、報警功能。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種盾構(gòu)機三維虛擬仿真系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，以對盾構(gòu)機工作狀態(tài)、工作場景進行實時同步真實模擬，實現(xiàn)盾構(gòu)機的三維可視化監(jiān)控、漫游、施工過程仿真和施工過程歷史回放的功能。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：

1、一種盾構(gòu)機三維虛擬仿真系統(tǒng)，包括傳感器、數(shù)據(jù)服務器和系統(tǒng)服務器，傳感器安裝在盾構(gòu)機上，實時采集盾構(gòu)機工作數(shù)據(jù)，傳輸給數(shù)據(jù)服務器，系統(tǒng)服務器從數(shù)據(jù)服務器中讀取數(shù)據(jù)進行實時仿真，其特征在于系統(tǒng)服務器中設有如下功能模塊：

數(shù)據(jù)處理與仿真模塊，用于對傳感器采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)的進行格式轉(zhuǎn)換及三維仿真場景的構(gòu)建；

系統(tǒng)業(yè)務模塊，用于三維監(jiān)控施工狀態(tài)、漫游工作場景、三維仿真施工過程、三維回放施工歷史，并將這些三維虛擬結(jié)果傳輸給虛擬交互界面(3)；

虛擬交互界面，用于將系統(tǒng)業(yè)務模塊(2)輸出的結(jié)果進行三維展示。

作為優(yōu)選，所述數(shù)據(jù)處理與仿真模塊包括:

模型庫,由盾構(gòu)機零件與裝配模型、后配套設備零件與裝配模型和管片模型組成,用于構(gòu)建盾構(gòu)機三維仿真模型；

數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換子模塊，用于將采集的實時數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，生成驅(qū)動盾構(gòu)機虛擬模型運動及構(gòu)建地質(zhì)場景的數(shù)據(jù)；

三維場景構(gòu)建子模塊，用于構(gòu)建盾構(gòu)機地質(zhì)及三維驅(qū)動模型。

作為優(yōu)選，所述系統(tǒng)業(yè)務模塊，包括：

工作場景漫游子模塊，用于在盾構(gòu)機內(nèi)部的三維虛擬環(huán)境中觀察盾構(gòu)機工作情況；

施工仿真子模塊，用于在盾構(gòu)機三維虛擬環(huán)境中同步模擬盾構(gòu)機的工作過程和聲音；

施工歷史回放子模塊，用于在盾構(gòu)機三維虛擬環(huán)境中回放某一時間段內(nèi)盾構(gòu)機的工作過程和聲音；

施工狀態(tài)監(jiān)控子模塊，用于在盾構(gòu)機三維虛擬環(huán)境中閃爍顯示異常點信息以便檢查盾構(gòu)機的工作情況。

2、一種盾構(gòu)機三維虛擬仿真方法，包括如下步驟：

1)模型構(gòu)建：根據(jù)盾構(gòu)機CAD圖紙通過商用PROE軟件構(gòu)建盾構(gòu)機三維模型并對其進行優(yōu)化；

2)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化：

2a)通過傳感器獲取盾構(gòu)機的實時工況數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)將實時工況數(shù)據(jù)輸至數(shù)據(jù)服務器中存儲；

2b)系統(tǒng)服務器從數(shù)據(jù)服務器中取出存儲的盾構(gòu)機實時工況數(shù)據(jù)，該工況數(shù)據(jù)包括掘進指令數(shù)據(jù)J、拼環(huán)指令數(shù)據(jù)P、刀盤線速度數(shù)據(jù)V、刀盤半徑數(shù)據(jù)B、轉(zhuǎn)彎半徑數(shù)據(jù)R、管片寬度數(shù)據(jù)M、管片環(huán)半徑數(shù)據(jù)N；

2c)系統(tǒng)服務器對取出的實時工況數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)化，生成驅(qū)動三維模型刀盤運動的數(shù)據(jù)和管片拼裝的數(shù)據(jù)：

2c1)根據(jù)取出的刀盤線速度數(shù)據(jù)V、刀盤半徑數(shù)據(jù)B，生成驅(qū)動三維模型刀盤運動數(shù)據(jù)，即三維仿真環(huán)境中的刀盤轉(zhuǎn)速W：

W＝V/2πB；

2c2)根據(jù)取出的轉(zhuǎn)彎半徑數(shù)據(jù)R，管片寬度數(shù)據(jù)M，管片環(huán)半徑數(shù)據(jù)N，生成管片拼裝所需的數(shù)據(jù)，即三維仿真環(huán)境中的糾偏量Y：

Y＝π×(R-N)×(R+N)/(M/2+R)；

3)仿真實現(xiàn)：

3a)將優(yōu)化后的盾構(gòu)機三維模型、刀盤轉(zhuǎn)速W和糾偏量Y導入三維仿真環(huán)境中，該三維仿真環(huán)境包括：交互傳感器節(jié)點A、時間傳感器節(jié)點T、位置插補器節(jié)點D、方位插補器節(jié)點F、視點節(jié)點S、聲音節(jié)點H和色彩節(jié)點I；

3b)盾構(gòu)機施工過程的三維仿真：

3b1)將刀盤轉(zhuǎn)速W和糾偏量Y傳入三維仿真環(huán)境中的交互傳感器節(jié)點A，交互傳感器節(jié)點A被激活后開始啟動，并將刀盤轉(zhuǎn)速W和糾偏量Y傳輸至時間傳感器節(jié)點T；

3b2)時間傳感器節(jié)點T設置三維仿真的開始時間為當前時間，并激活位置插補器節(jié)點D，并將刀盤轉(zhuǎn)速W和糾偏量Y傳輸至位置插補器節(jié)點D，完成盾構(gòu)機施工過程的仿真；

3c)盾構(gòu)機施工過程歷史回放的三維仿真：

3c1)輸入歷史回放的開始時間T1和結(jié)束時間T2；

3c2)將刀盤轉(zhuǎn)速W、糾偏量Y、開始時間T1和結(jié)束時間T2傳入三維仿真環(huán)境中的交互傳感器節(jié)點A，交互傳感器節(jié)點A被激活后開始啟動，并將刀盤轉(zhuǎn)速W、糾偏量Y、開始時間T1和結(jié)束時間T2傳輸至時間傳感器節(jié)點T；

3c3)時間傳感器節(jié)點T設置三維仿真的開始時間為T1、結(jié)束時間為T2，激活位置插補器節(jié)點D，并將刀盤轉(zhuǎn)速W和糾偏量Y傳輸至位置插補器節(jié)點D，完成盾構(gòu)機施工過程歷史回放的三維仿真；

3d)通過連續(xù)更改視點節(jié)點S，以不斷改變?nèi)S仿真環(huán)境中的視角，實現(xiàn)盾構(gòu)機工作場景漫游；

3e)通過不斷更改顏色節(jié)點C的值，以產(chǎn)生實現(xiàn)閃爍效果,實現(xiàn)對盾構(gòu)機施工狀態(tài)監(jiān)控。

作為優(yōu)選，所述盾構(gòu)機三維模型優(yōu)化包括：

對在三維仿真過程中保持靜止的模型部件及其代碼進行刪減；

通過與真實的盾構(gòu)機工作場景對比，采用商用PROE軟件的貼圖功能增加盾構(gòu)機三維模型的色彩感，采用商用PROE軟件的紋理功能增加盾構(gòu)機三維模型的凹凸感、采用商用PROE軟件的燈光功能調(diào)整盾構(gòu)機三維模型的明暗度。

本發(fā)明采用上述技術方案所產(chǎn)生的有益效果在于：

1.本發(fā)明針對盾構(gòu)施工過程的實時虛擬仿真方法，通過建立盾構(gòu)機與工作場景的三維模型，利用盾構(gòu)施工實時工作狀況數(shù)據(jù)，實現(xiàn)盾構(gòu)工作狀態(tài)、掘進進度、工作場景的實時同步真實模擬，為于地下隧道建造技術教學和盾構(gòu)機操作實訓提供了方便；

2.本發(fā)明采用多線程仿真技術，即分為盾構(gòu)機仿真與數(shù)據(jù)處理兩個線程，分別處理盾構(gòu)機的運動仿真與工況數(shù)據(jù)，保證了盾構(gòu)機仿真的實時性；

3.針對盾構(gòu)機工作仿真有實時性的要求，本發(fā)明能對盾構(gòu)機工作參數(shù)進行實時顯示，并隨著時間的推移，根據(jù)實時工作數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的變化實現(xiàn)對盾構(gòu)機運動狀態(tài)的不斷更新；

4.本發(fā)明由于對構(gòu)建的盾構(gòu)機三維模型場景進行了優(yōu)化，提高了盾構(gòu)機虛擬仿真場景的真實感，保證了仿真效果，同時采用漫游的方法進行盾構(gòu)機虛擬仿真場景的展示，實現(xiàn)從不同角度觀察仿真場景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明盾構(gòu)機三維虛擬仿真系統(tǒng)示意圖；

圖2是本發(fā)明中的數(shù)據(jù)處理與仿真子模塊示意圖；

圖3是本發(fā)明中的系統(tǒng)業(yè)務子模塊示意圖；

圖4是本發(fā)明盾構(gòu)機三維虛擬仿真方法的實現(xiàn)總流程圖；

圖5是本發(fā)明方法中構(gòu)建盾構(gòu)機三維模型的子流程圖；

圖6是本發(fā)明方法中盾構(gòu)機管片糾偏量Y與盾構(gòu)中心線轉(zhuǎn)彎半徑R的關系示意圖；

圖7是本發(fā)明方法中實現(xiàn)施工過程仿真子流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

參照圖1，本發(fā)明的盾構(gòu)機三維虛擬仿真系統(tǒng)，包括傳感器、數(shù)據(jù)服務器和系統(tǒng)服務器。傳感器安裝在盾構(gòu)機上，實時采集盾構(gòu)機工作數(shù)據(jù)，傳輸給數(shù)據(jù)服務器；系統(tǒng)服務器從數(shù)據(jù)服務器中讀取數(shù)據(jù)進行實時仿真。

所述系統(tǒng)服務器，包括數(shù)據(jù)處理與仿真模塊1、系統(tǒng)業(yè)務模塊2和虛擬交互界面3，該數(shù)據(jù)處理與仿真模塊1，對傳感器采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)的進行格式轉(zhuǎn)換及三維仿真場景的構(gòu)建；該系統(tǒng)業(yè)務模塊2，用于對三維施工狀態(tài)進行監(jiān)控、漫游工作場景的、對施工過程進行三維仿真、對施工歷史進行三維回放，并將這些三維仿真結(jié)果傳輸給虛擬交互界面3；虛擬交互界面3，對系統(tǒng)業(yè)務模塊2輸出的結(jié)果進行三維展示。

參照圖2，所述的數(shù)據(jù)處理與仿真模塊1，包括模型庫11、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換子模塊12和三維場景構(gòu)建子模塊13。該模型庫11，由盾構(gòu)機零件與裝配模型、后配套設備零件與裝配模型和管片模型組成,用于組成盾構(gòu)機三維仿真模型；該數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換子模塊12，用于將采集的實時數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，生成驅(qū)動盾構(gòu)機虛擬模型運動及構(gòu)建地質(zhì)場景的數(shù)據(jù)；該三維場景構(gòu)建子模塊13，用于構(gòu)建盾構(gòu)機地質(zhì)及三維驅(qū)動模型。

參照圖3，所述的系統(tǒng)業(yè)務模塊2，包括工作場景漫游子模塊21、施工仿真子模塊22、施工歷史回放子模塊23和施工狀態(tài)監(jiān)控子模塊24，該工作場景漫游子模塊21，用于在盾構(gòu)機內(nèi)部的三維虛擬環(huán)境中觀察盾構(gòu)機工作情況；該施工仿真子模塊22，用于在盾構(gòu)機三維虛擬環(huán)境中同步模擬盾構(gòu)機的工作過程和聲音；該施工歷史回放子模塊23，用于在盾構(gòu)機三維虛擬環(huán)境中回放某一時間段內(nèi)盾構(gòu)機的工作過程和聲音；該施工狀態(tài)監(jiān)控子模塊24，用于在盾構(gòu)機三維虛擬環(huán)境中閃爍顯示異常點信息以便檢查盾構(gòu)機的工作情況。

參照圖4，本發(fā)明的盾構(gòu)機三維虛擬仿真方法，包括如下步驟：

步驟1，構(gòu)建盾構(gòu)機模型。

參照圖5，本步驟的具體實現(xiàn)如下：

1a)根據(jù)盾構(gòu)機CAD圖紙通過商用PROE軟件構(gòu)建盾構(gòu)機三維模，CAD圖紙包括盾構(gòu)機外觀圖紙、盾構(gòu)機零件圖紙、盾構(gòu)機內(nèi)部圖紙；

1b)對盾構(gòu)機三維模型進行優(yōu)化，即對在三維仿真過程中一些遠離視線的模型及其代碼進行刪減，如內(nèi)在的傳動裝置、電機和螺栓，通過刪減這些模型相應的代碼后能減小計算機計算量，提升內(nèi)存使用效率；

1c)對優(yōu)化后的盾構(gòu)機三維模型進行真實化處理，即通過與真實的盾構(gòu)機工作場景對比，采用商用PROE軟件的貼圖功能增加盾構(gòu)機三維模型的色彩感；采用商用PROE軟件的紋理功能增加盾構(gòu)機三維模型的凹凸感；采用商用PROE軟件的燈光功能調(diào)整盾構(gòu)機三維模型的明暗度，將真實的盾構(gòu)機零件照片貼到盾構(gòu)機三維模型上，添加燈光照射，顯示與真實設備一樣的三維模型。

步驟2，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。

2a)通過傳感器獲取盾構(gòu)機的實時工況數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)將實時工況數(shù)據(jù)輸至數(shù)據(jù)服務器中存儲；

2b)系統(tǒng)服務器從數(shù)據(jù)服務器中取出存儲的盾構(gòu)機實時工況數(shù)據(jù)，該工況數(shù)據(jù)包括掘進指令數(shù)據(jù)J、拼環(huán)指令數(shù)據(jù)P、刀盤線速度數(shù)據(jù)V、刀盤半徑數(shù)據(jù)B、轉(zhuǎn)彎半徑數(shù)據(jù)R、管片寬度數(shù)據(jù)M和管片環(huán)半徑數(shù)據(jù)N；

2c)系統(tǒng)服務器對取出的實時工況數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)化，生成驅(qū)動三維模型刀盤運動的數(shù)據(jù)和管片拼裝的數(shù)據(jù)：

2c1)系統(tǒng)服務器根據(jù)取出的刀盤線速度數(shù)據(jù)V、刀盤半徑數(shù)據(jù)B，生成驅(qū)動三維模型刀盤運動數(shù)據(jù)，即三維仿真環(huán)境中的刀盤轉(zhuǎn)速W：

W＝V/2πB；

2c2)系統(tǒng)服務器根據(jù)取出的轉(zhuǎn)彎半徑數(shù)據(jù)R、管片寬度數(shù)據(jù)M、管片環(huán)半徑數(shù)據(jù)N生成管片拼裝所需的數(shù)據(jù)，即三維仿真環(huán)境中的糾偏量Y：

由圓心角公式可得：圓心角X＝180L/πR，其中，L為隧道中心線的弧長，再參考圖6的幾何關系可得如下方程：

180×(M-Y/2)/[π×(R-N)]＝180×(M+Y/2)/[π×(R+N)]；

由以上的方程即可求出三維仿真環(huán)境中的糾偏量Y：

Y＝2×M×N/R。

步驟3，仿真實現(xiàn)。

盾構(gòu)機施工過程的三維仿真過程是在虛擬仿真環(huán)境中，通過改變交互傳感器節(jié)點A、時間傳感器節(jié)點T、位置插補器節(jié)點D、方位插補器節(jié)點F、視點節(jié)點S、視點導航節(jié)點Z、聲音節(jié)點H和色彩節(jié)點I的值來實現(xiàn)對盾構(gòu)機模型的驅(qū)動，進行如下內(nèi)容的仿真：

3a)盾構(gòu)機施工過程仿真：

參照圖7，實現(xiàn)盾構(gòu)機施工過程仿真步驟如下：

3a1)將刀盤轉(zhuǎn)速W和糾偏量Y傳入三維仿真環(huán)境中的交互傳感器節(jié)點A，交互傳感器節(jié)點A被激活后開始啟動，并將刀盤轉(zhuǎn)速W和糾偏量Y傳輸至時間傳感器節(jié)點T，時間傳感器節(jié)點T給出一個控制動畫效果的時鐘，這個時鐘包含了關鍵幀動畫的開始時間、結(jié)束時間，通過這個時鐘的輸出，在虛擬場景中驅(qū)動插補器節(jié)點D；

3a2)時間傳感器節(jié)點T設置三維仿真的開始時間為當前時間，并激活位置插補器節(jié)點D，插補器節(jié)點D中定義了關鍵點和關鍵值，將刀盤轉(zhuǎn)速W和糾偏量Y傳輸至位置插補器節(jié)點D轉(zhuǎn)速關鍵點的關鍵值和糾偏關鍵點的關鍵值中，完成盾構(gòu)機施工過程的仿真；

3b)盾構(gòu)機施工過程歷史回放的三維仿真：

3b1)輸入歷史回放的開始時間T1和結(jié)束時間T2；

3b2)將刀盤轉(zhuǎn)速W、糾偏量Y、開始時間T1和結(jié)束時間T2傳入三維仿真環(huán)境中的交互傳感器節(jié)點A，交互傳感器節(jié)點A被激活后開始啟動，并將刀盤轉(zhuǎn)速W、糾偏量Y、開始時間T1和結(jié)束時間T2傳輸至時間傳感器節(jié)點T；

3b3)時間傳感器節(jié)點T設置三維仿真的開始時間為T1、結(jié)束時間為T2，激活位置插補器節(jié)點D，并將刀盤轉(zhuǎn)速W和糾偏量Y傳輸至位置插補器節(jié)點D，完成盾構(gòu)機施工過程歷史回放的三維仿真；

3c)盾構(gòu)機工作場景漫游：

盾構(gòu)機工作場景漫游是通過對虛擬仿真環(huán)境視點節(jié)點S和視點導航節(jié)點Z的定義和操作來實現(xiàn)對工作場景的漫游，其中視點導航節(jié)點Z是虛擬仿真環(huán)境中使用一個三維造型作為用戶的替身，按照飛行、行走、觀察這些不同的方式瀏覽相應的場景；視點節(jié)點S通過設定位置域、方向域的域值改變觀察位置、視線方向。

3d)盾構(gòu)機施工狀態(tài)監(jiān)控：

盾構(gòu)機施工狀態(tài)監(jiān)控是通過每隔0.1秒交替改變顏色節(jié)點I的值為白色或紅色，實現(xiàn)閃爍效果，完成對盾構(gòu)機施工狀態(tài)的監(jiān)控。

以上描述僅是本發(fā)明的一個具體實例，不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制，顯然對于本領域的專業(yè)人員來說，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進行形式和細節(jié)上的各種修改和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權利要求保護范圍之內(nèi)。