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

背景技術：

隨著國家基礎建設的持續發展，隧道工程越來越多,盾構法施工在鐵路行業逐漸推廣，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法。據統計，我國目前共有三十多個城市正在進行軌道交通前期規劃、設計、籌備和建設等工作。今后10年間將建設各類盾構法隧道5000余公里，因此盾構機將會得到廣泛的應用。

近年來隨著城市規模的快速發展,城市交通越發需要改善,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,盾構法施工無疑是是較為安全和成熟的一種施工方法。

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

盾構機過于昂貴，使用過程中如未及時發現隱患會造成不可估量的損失，同時由于盾構機結構復雜，現場排查隱患安全風險系數高。因此需要采用三維仿真的方法實時模擬盾構機運動，觀察盾構機內部工作情況，以降低安全風險。

現有的盾構機三維虛擬仿真系統，如《基于Web的地鐵盾構隧道施工監控系統研究》源于《全國工程安全與防護學術會議,2012》，系統基于Flex和Java平臺,該系統雖說實現了基于B/S模式的三維地質建模,能夠實時查看工程進度、地質參數、盾構參數,也能進行剖面分析、歷史數據分析，并能對盾構機和三維地質信息的數據進行監控，但卻沒有實現對盾構機的三維可視化監控，不能實時模擬盾構機的運動過程，且不能實現在盾構機內漫游和報警功能。

為了克服上述問題，需要對盾構機進行三維建模，進行現場數據綁定，并且實現對盾構機的三維可視化監控以及漫游、報警功能。

技術實現要素：

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

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

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

數據處理與仿真模塊，用于對傳感器采集的現場數據的進行格式轉換及三維仿真場景的構建；

系統業務模塊，用于三維監控施工狀態、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果傳輸給虛擬交互界面(3)；

虛擬交互界面，用于將系統業務模塊(2)輸出的結果進行三維展示。

作為優選，所述數據處理與仿真模塊包括:

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

數據格式轉換子模塊，用于將采集的實時數據進行格式轉換，生成驅動盾構機虛擬模型運動及構建地質場景的數據；

三維場景構建子模塊，用于構建盾構機地質及三維驅動模型。

作為優選，所述系統業務模塊，包括：

工作場景漫游子模塊，用于在盾構機內部的三維虛擬環境中觀察盾構機工作情況；

施工仿真子模塊，用于在盾構機三維虛擬環境中同步模擬盾構機的工作過程和聲音；

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

施工狀態監控子模塊，用于在盾構機三維虛擬環境中閃爍顯示異常點信息以便檢查盾構機的工作情況。

2、一種盾構機三維虛擬仿真方法，包括如下步驟：

1)模型構建：根據盾構機CAD圖紙通過商用PROE軟件構建盾構機三維模型并對其進行優化；

2)數據轉化：

2a)通過傳感器獲取盾構機的實時工況數據，并通過以太網將實時工況數據輸至數據服務器中存儲；

2b)系統服務器從數據服務器中取出存儲的盾構機實時工況數據，該工況數據包括掘進指令數據J、拼環指令數據P、刀盤線速度數據V、刀盤半徑數據B、轉彎半徑數據R、管片寬度數據M、管片環半徑數據N；

2c)系統服務器對取出的實時工況數據進行格式轉化，生成驅動三維模型刀盤運動的數據和管片拼裝的數據：

2c1)根據取出的刀盤線速度數據V、刀盤半徑數據B，生成驅動三維模型刀盤運動數據，即三維仿真環境中的刀盤轉速W：

W＝V/2πB；

2c2)根據取出的轉彎半徑數據R，管片寬度數據M，管片環半徑數據N，生成管片拼裝所需的數據，即三維仿真環境中的糾偏量Y：

Y＝π×(R-N)×(R+N)/(M/2+R)；

3)仿真實現：

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

3b)盾構機施工過程的三維仿真：

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

3b2)時間傳感器節點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點D，并將刀盤轉速W和糾偏量Y傳輸至位置插補器節點D，完成盾構機施工過程的仿真；

3c)盾構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和結束時間T2；

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

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

3d)通過連續更改視點節點S，以不斷改變三維仿真環境中的視角，實現盾構機工作場景漫游；

3e)通過不斷更改顏色節點C的值，以產生實現閃爍效果,實現對盾構機施工狀態監控。

作為優選，所述盾構機三維模型優化包括：

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；

通過與真實的盾構機工作場景對比，采用商用PROE軟件的貼圖功能增加盾構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機三維模型的凹凸感、采用商用PROE軟件的燈光功能調整盾構機三維模型的明暗度。

本發明采用上述技術方案所產生的有益效果在于：

1.本發明針對盾構施工過程的實時虛擬仿真方法，通過建立盾構機與工作場景的三維模型，利用盾構施工實時工作狀況數據，實現盾構工作狀態、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機操作實訓提供了方便；

2.本發明采用多線程仿真技術，即分為盾構機仿真與數據處理兩個線程，分別處理盾構機的運動仿真與工況數據，保證了盾構機仿真的實時性；

3.針對盾構機工作仿真有實時性的要求，本發明能對盾構機工作參數進行實時顯示，并隨著時間的推移，根據實時工作數據庫中數據的變化實現對盾構機運動狀態的不斷更新；

4.本發明由于對構建的盾構機三維模型場景進行了優化，提高了盾構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機虛擬仿真場景的展示，實現從不同角度觀察仿真場景。

附圖說明

圖1是本發明盾構機三維虛擬仿真系統示意圖；

圖2是本發明中的數據處理與仿真子模塊示意圖；

圖3是本發明中的系統業務子模塊示意圖；

圖4是本發明盾構機三維虛擬仿真方法的實現總流程圖；

圖5是本發明方法中構建盾構機三維模型的子流程圖；

圖6是本發明方法中盾構機管片糾偏量Y與盾構中心線轉彎半徑R的關系示意圖；

圖7是本發明方法中實現施工過程仿真子流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

參照圖1，本發明的盾構機三維虛擬仿真系統，包括傳感器、數據服務器和系統服務器。傳感器安裝在盾構機上，實時采集盾構機工作數據，傳輸給數據服務器；系統服務器從數據服務器中讀取數據進行實時仿真。

所述系統服務器，包括數據處理與仿真模塊1、系統業務模塊2和虛擬交互界面3，該數據處理與仿真模塊1，對傳感器采集的現場數據的進行格式轉換及三維仿真場景的構建；該系統業務模塊2，用于對三維施工狀態進行監控、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果傳輸給虛擬交互界面3；虛擬交互界面3，對系統業務模塊2輸出的結果進行三維展示。

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

參照圖3，所述的系統業務模塊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和施工狀態監控子模塊24，該工作場景漫游子模塊21，用于在盾構機內部的三維虛擬環境中觀察盾構機工作情況；該施工仿真子模塊22，用于在盾構機三維虛擬環境中同步模擬盾構機的工作過程和聲音；該施工歷史回放子模塊23，用于在盾構機三維虛擬環境中回放某一時間段內盾構機的工作過程和聲音；該施工狀態監控子模塊24，用于在盾構機三維虛擬環境中閃爍顯示異常點信息以便檢查盾構機的工作情況。

參照圖4，本發明的盾構機三維虛擬仿真方法，包括如下步驟：

步驟1，構建盾構機模型。

參照圖5，本步驟的具體實現如下：

1a)根據盾構機CAD圖紙通過商用PROE軟件構建盾構機三維模，CAD圖紙包括盾構機外觀圖紙、盾構機零件圖紙、盾構機內部圖紙；

1b)對盾構機三維模型進行優化，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，提升內存使用效率；

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

步驟2，數據轉化。

2a)通過傳感器獲取盾構機的實時工況數據，并通過以太網將實時工況數據輸至數據服務器中存儲；

2b)系統服務器從數據服務器中取出存儲的盾構機實時工況數據，該工況數據包括掘進指令數據J、拼環指令數據P、刀盤線速度數據V、刀盤半徑數據B、轉彎半徑數據R、管片寬度數據M和管片環半徑數據N；

2c)系統服務器對取出的實時工況數據進行格式轉化，生成驅動三維模型刀盤運動的數據和管片拼裝的數據：

2c1)系統服務器根據取出的刀盤線速度數據V、刀盤半徑數據B，生成驅動三維模型刀盤運動數據，即三維仿真環境中的刀盤轉速W：

W＝V/2πB；

2c2)系統服務器根據取出的轉彎半徑數據R、管片寬度數據M、管片環半徑數據N生成管片拼裝所需的數據，即三維仿真環境中的糾偏量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境中的糾偏量Y：

Y＝2×M×N/R。

步驟3，仿真實現。

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

3a)盾構機施工過程仿真：

參照圖7，實現盾構機施工過程仿真步驟如下：

3a1)將刀盤轉速W和糾偏量Y傳入三維仿真環境中的交互傳感器節點A，交互傳感器節點A被激活后開始啟動，并將刀盤轉速W和糾偏量Y傳輸至時間傳感器節點T，時間傳感器節點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、結束時間，通過這個時鐘的輸出，在虛擬場景中驅動插補器節點D；

3a2)時間傳感器節點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點D，插補器節點D中定義了關鍵點和關鍵值，將刀盤轉速W和糾偏量Y傳輸至位置插補器節點D轉速關鍵點的關鍵值和糾偏關鍵點的關鍵值中，完成盾構機施工過程的仿真；

3b)盾構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和結束時間T2；

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

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

3c)盾構機工作場景漫游：

盾構機工作場景漫游是通過對虛擬仿真環境視點節點S和視點導航節點Z的定義和操作來實現對工作場景的漫游，其中視點導航節點Z是虛擬仿真環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)盾構機施工狀態監控：

盾構機施工狀態監控是通過每隔0.1秒交替改變顏色節點I的值為白色或紅色，實現閃爍效果，完成對盾構機施工狀態的監控。

以上描述僅是本發明的一個具體實例，不構成對本發明的任何限制，顯然對于本領域的專業人員來說，在了解了本發明內容和原理后，都可能在不背離本發明原理、結構的情況下，進行形式和細節上的各種修改和改變，但是這些基于本發明思想的修正和改變仍在本發明的權利要求保護范圍之內。