一種盾構機協同操作虛擬訓練系統及方法與流程

本發明屬于機械裝備技術領域，尤其涉及一種盾構機協同操作虛擬訓練系統及訓練方法，可用于多工位盾構機操作人員的虛擬培訓。

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。

為了保障對建設質量以及人員和設備的安全，在隧道開工前必須對盾構機主司機進行專業培訓。但是盾構機操作過于復雜，需要多人協同操作完成，且盾構機工作環境復雜多變，無法準確的實時模擬盾構機的工作場景，采用真實的盾構機培訓成本大且危險系數高，因此需要采用虛擬培訓的方法實時模擬盾構機運動，以降低安全風險。例如顏康等在其發表的論文“基于半物理仿真的盾構機臨境化虛擬訓練系統”(《山東交通學院學報》2014，22(4)：77-81)，公開了一種半物理仿真的方法，實現了單用戶在特定環境下的虛擬培訓操作，用戶可以通過在人機界而上進行盾構機的模擬訓練，并可以臨境化的進入盾構機內部，以不同角度查看虛擬訓練的效果。但是該系統存在的不足之處是：該系統虛擬訓練每次只針對一個盾構機司機，沒有解決多工位下多人協同操作培訓的問題，且該系統為培訓提供的數據單一，不能滿足不同地質環境下的盾構機培訓操作，也不能對盾構機的關鍵操作過程即糾偏操作過程給出建議。

盾構機虛擬操作最主要的是要解決多人協同操作以提高培訓人員應對復雜情況的能力。例如授權公告號為CN 102768518 B，名稱為“多無人機平臺協同控制系統”的中國專利，公開了一種多無人機平臺協同控制系統，包括任務分配模塊，根據無人機總協同任務以及每一個無人機的參數設置生成每一個無人機的具體任務；協同控制模塊，用于根據具體任務生成相應的語義層控制指令。但是該裝置存在的不足之處是：該系統中的協同控制是保證能夠多人共同操作，并沒有解決多人協同操作過程中出現的操作沖突。

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，提出了一種盾構機協同操作虛擬訓練系統及訓練方法，用于解決現有訓練系統中存在的不能對指令數據并發控制所造成的培訓效果差的技術問題。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種盾構機協同操作虛擬訓練系統，包括傳感器、數據服務器和系統服務器；所述傳感器，用于實時采集盾構機相關數據：盾構機工作數據、地質數據和地面數據，所述數據服務器，用于存儲采集的盾構機相關數據，所述系統服務器，包括數據提取模塊，用于提取數據服務器中的盾構機相關數據，其特征在于，所述系統服務器還包括虛擬場景構建模塊、指令輸入模塊、指令數據處理模塊和系統業務模塊，其中：

虛擬場景構建模塊，用于構建虛擬訓練場景；

指令輸入模塊，用于傳輸可編程邏輯控制器的指令數據；

指令數據處理模塊，用于對指令數據進行并發處理并傳輸；

系統業務模塊，用于將指令數據傳輸至虛擬訓練場景，實現盾構機虛擬訓練操作。

上述的一種盾構機協同操作虛擬訓練系統，所述虛擬場景構建模塊，包括虛擬模型建立子模塊、虛擬工作環境配置子模塊和數據加載子模塊，其中：

虛擬模型建立子模塊，用于根據盾構機設計圖紙、傳感器采集的盾構機相關數據和三維建模軟件，構建盾構機、地面建筑物和戶外背景的三維模型；

虛擬工作環境配置子模塊，用于將三維模型載入至三維虛擬環境中；

數據加載子模塊，用于將傳感器采集的地質數據和地面數據賦予虛擬工作環境配置子模塊中的三維模型，實現盾構機虛擬訓練場景的構建。

上述的一種盾構機協同操作虛擬訓練系統，所述指令輸入模塊，包括外部硬件控制子模塊和物理指令輸入子模塊，其中：

外部硬件控制子模塊，用于將和盾構機實際操作面板一致的物理按鈕和可編程邏輯控制器相連接；

物理指令輸入子模塊，用于傳輸可編程邏輯控制器中的指令數據。

上述的一種盾構機協同操作虛擬訓練系統，所述指令數據處理模塊，包括數據并發控制子模塊和數據傳輸子模塊，其中：

數據并發控制子模塊，用于將物理指令輸入子模塊中輸入的指令數據進行并發控制處理；

數據傳輸子模塊，用于傳輸并發處理后的指令數據。

上述的一種盾構機協同操作虛擬訓練系統，所述系統業務模塊，包括盾構機操作訓練子模塊、盾構機操作考核子模塊和盾構機操作評價子模塊，其中：

盾構機操作訓練子模塊，用于根據數據傳輸子模塊中的并發處理后的指令數據完成盾構機虛擬訓練；

盾構機操作考核子模塊，用于對盾構機虛擬訓練過程進行打分；

盾構機操作評價子模塊，用于對盾構機虛擬訓練過程中的軌跡糾偏進行分析和建議。

一種盾構機協同操作虛擬訓練方法，包括如下步驟：

1)構建虛擬訓練場景：

1a)虛擬模型建立子模塊根據盾構機設計圖紙和三維建模軟件，構建盾構機三維模型并優化；

1b)數據加載子模塊從數據服務器中提取出存儲的盾構機工作數據：盾構機位置數據W、隧道數據S、地質數據D和建筑物數據J；

1c)數據加載子模塊將盾構機工作數據導入三維虛擬環境中的盾構機位置節點、隧道節點、地質節點和建筑物位置節點，實現虛擬場景構建，該虛擬場景包括：交互傳感器節點A、位置插補器節點P、方位插補器節點F、色彩節點I和盾構機軌跡數據表B；

2)輸入指令數據：外部硬件控制子模塊將與真實操作面板一致的按鈕和可編程邏輯控制器相連，物理指令輸入子模塊將可編程邏輯控制器中的指令數據傳輸至數據并發控制子模塊中，實現指令數據的輸入；

3)數據處理：

3a)數據并發控制子模塊將盾構機實際協同操作過程中不能同時進行的兩個指令標記為沖突并得到四個沖突，其中四個沖突為：管片拼裝開始指令和掘進開始指令、掘進開始指令和后配套設備退回指令、掘進開始指令和液壓系統關閉指令、掘進開始指令和停止皮帶輸送機指令；

3b)數據并發控制子模塊將盾構機實際協同操作過程中不同的協同操作人員的操作指令賦予不同的權重值并得到四個權重值，其中四個權重值為：主操作司機指令權重值為1，管片拼裝操作指令權重值為2，電氣和液壓系統操作指令權重值為3，維保人員操作指令權重值為4；

3c)數據并發控制子模塊判斷步驟2)中的指令數據在同一時刻，是否有兩個或者兩個以上的指令數據，若是，則存在并發，執行步驟3d)，否則，直接將指令數據傳輸至虛擬訓練場景中；

3d)數據并發控制子模塊判斷任意兩個指令數據之間是否存在沖突，若是，權重值高的指令數據優先傳輸至虛擬訓練場景中，權重值低的指令數據不傳輸，否則，根據指令數據權重值大小依次新建線程將指令數據傳輸至虛擬訓練場景中，完成指令數據的并發控制處理；

4)虛擬培訓實現：

4a)盾構機操作訓練子模塊將并發處理后的指令數據導入虛擬訓練場景中，實現指令數據的輸入；

4b)盾構機三維模型根據并發處理后的指令數據完成虛擬訓練；

4c)盾構機操作考核子模塊將方位插補器節點F和位置插補器節點P中的數據與盾構機軌跡數據表B中的數據做比較，差異值越大，得分越低，并將分數傳輸至色彩節點I顯示出來，完成盾構機虛擬訓練打分；

4d)盾構機操作評價子模塊對盾構機的虛擬訓練過程中的軌跡糾偏進行差異分析，得到分析結果并給出建議。

本發明與現有技術相比，具有如下優點：

1.本發明由于采用和真實盾構機操作面板一致的操作按鈕，提高了虛擬訓練效果的真實性。

2.本發明由于采用實時盾構機相關數據建立盾構機與工作場景的三維模型，使培訓環境復雜多變，更符合實際工作情況，實現了不同地質環境下的盾構虛擬訓練。

3.本發明由于采用并發控制技術，可以準確實現多工位協同訓練，解決了協同操作過程中的沖突問題，提升了訓練人員協同操作能力。

4.本發明由于采用標準糾偏曲線做差異分析，可以對訓練人員的虛擬訓練過程進行分析并給出建議，提升訓練人員的學習效率。

附圖說明

圖1是本發明的一種盾構協同操作虛擬訓練系統的結構示意圖；

圖2是本發明的一種盾構協同操作虛擬訓練方法的實現流程框圖；

圖3是本發明方法中實現數據處理的子流程圖；

圖4是本發明方法中實現虛擬訓練的子流程圖；

圖5是本發明方法中差異分析時盾構機三維模型在虛擬仿真環境中所處位置的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，對本發明作進一步的詳細描述：

參照圖1，一種盾構機協同操作虛擬訓練系統，包括傳感器1、數據服務器2和系統服務器3；所述傳感器1，用于實時采集盾構機相關數據：盾構機工作數據、地質數據和地面數據，所述數據服務器2，用于存儲采集的盾構機相關數據，所述系統服務器3，包括數據提取模塊31，用于提取數據服務器2中的盾構機相關數據。

所述的系統服務器3還包括虛擬場景構建模塊32、指令輸入模塊33、指令數據處理模塊34和系統業務模塊35。該虛擬場景構建模塊32根據傳感器1采集的盾構機相關數據和商用軟件PROE建立的盾構機三維虛擬模型完成虛擬場景的構建；該指令輸入模塊33用于傳輸可編程邏輯控制器中的操作指令數據，該可編程邏輯控制器的型號選用西門子S7-1200；該指令數據處理模塊34，用于將接收到的指令數據進行并發控制處理并傳輸；該系統業務模塊35，用于將并發控制處理后的指令數據和虛擬場景構建模塊32中的盾構機三維模型進行結合，實現盾構機虛擬培訓操作。

虛擬場景構建模塊32包括虛擬模型建立子模塊321、虛擬工作環境配置子模塊322和數據加載子模塊323，該虛擬模型建立子模塊321用于根據盾構機CAD圖紙、傳感器1采集的盾構機相關數據和商用PROE軟件，構建盾構機、地面建筑物和戶外背景的三維模型；該虛擬工作環境配置子模塊322，用于將三維模型載入Unity3D虛擬工作環境中；該數據加載子模塊323，用于將傳感器1采集的地質數據和地面數據賦予虛擬工作環境配置子模塊322中的三維模型，實現盾構機虛擬訓練場景的構建。

指令輸入模塊33包括外部硬件控制子模塊331和物理指令輸入子模塊332，該外部硬件控制子模塊331，用于將和盾構機實際操作面板一致的物理按鈕和西門子S7-1200可編程邏輯控制器相連接；該物理指令輸入子模塊332，用于傳輸西門子S7-1200可編程邏輯控制器中的指令數據。

數據處理模塊34，包括數據并發控制子模塊341和數據傳輸子模塊342，該數據并發控制子模塊341，用于將協同操作過程中指令輸入模塊332的指令數據進行并發控制處理；該數據傳輸子模塊32，用于傳輸經過并發控制處理后的指令數據。

系統業務模塊35包括盾構機操作訓練子模塊351、盾構機操作考核子模塊352和盾構機操作評價子模塊353，該盾構機操作訓練子模塊351，用于根據數據處理模塊342中的經過并發處理后指令數據傳入盾構機虛擬場景中，完成虛擬訓練盾構機的操作過程；該盾構機操作考核子模塊352，用于對盾構機虛擬訓練過程進行打分；該盾構機操作評價子模塊353，用于對盾構機虛擬訓練過程中的軌跡糾偏進行分析和建議。

參照圖2，一種盾構機協同操作虛擬訓練方法，包括如下步驟：

步驟1，構建虛擬訓練場景。

步驟1a，虛擬模型建立子模塊根據傳感器采集的盾構機相關數據、盾構機CAD圖紙和商用PROE軟件，構建盾構機三維模型并優化，CAD圖紙包括盾構機圖紙、建筑物圖紙和地質信息圖紙；

步驟1b，數據加載子模塊從數據服務器中提取出存儲的盾構機工作數據：盾構機位置數據W、隧道數據S、地質數據D和建筑物數據J；

步驟1c，數據加載子模塊將盾構機工作數據導入Unity3D構建的三維虛擬環境中的盾構機位置節點、隧道節點、地質節點和建筑物位置節點，實現虛擬場景構建，該虛擬場景包括：交互傳感器節點A、位置插補器節點P、方位插補器節點F、色彩節點I和盾構機軌跡數據表B。

步驟2，輸入指令數據：外部硬件控制子模塊將與真實操作面板一致的按鈕和西門子S7-1200型號的可編程邏輯控制器相連，物理指令輸入子模塊將可編程邏輯控制器中的指令數據經過RS232通訊模組串口輸出至PC端的并發控制子模塊中，實現指令數據的輸入。

步驟3，數據處理。

參照圖3，本發明方法中實現數據處理的步驟為：

步驟3a，數據并發控制子模塊將盾構機實際協同操作過程中不能同時進行的兩個指令標記為沖突并得到四個沖突，其中四個沖突為：管片拼裝開始指令和掘進開始指令、掘進開始指令和后配套設備退回指令、掘進開始指令和液壓系統關閉指令、掘進開始指令和停止皮帶輸送機指令；

步驟3b，數據并發控制子模塊將盾構機實際協同操作過程中不同的協同操作人員的操作指令賦予不同的權重值并得到四個權重值，其中四個權重值為：主操作司機指令權重值為1，管片拼裝操作指令權重值為2，電氣和液壓系統操作指令權重值為3，維保人員操作指令權重值為4；

步驟3c，數據并發控制子模塊判斷步驟2中的指令數據在同一時刻，是否有兩個或者兩個以上的指令數據，若是，則存在并發，執行步驟3d)，否則，直接將指令數據傳輸至虛擬訓練場景中；

步驟3d，數據并發控制子模塊根據步驟3a判斷任意兩個指令數據之間是否存在沖突，若是，權重值高的指令數據優先傳輸至虛擬訓練場景中，權重值低的指令數據不傳輸，否則，根據指令數據權重值大小依次新建線程將指令數據傳輸至虛擬訓練場景中，完成指令數據的并發控制處理。

步驟4，虛擬培訓實現。

步驟4a，盾構機操作訓練子模塊將并發處理后的指令數據導入虛擬訓練場景中，實現指令數據的輸入；

步驟4b，盾構機三維模型根據并發處理后的指令數據完成虛擬訓練，其訓練流程參照圖4：

步驟4b1，盾構機操作訓練子模塊將并發處理后的指令數據傳輸至Unity3D構建的三維虛擬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，并將并發處理后的指令數據傳輸至方位插補器節點F和位置插補器節點P；

步驟4b2，方位插補器節點F和位置插補器節點P根據并發處理后的指令數據改變節點數據并做出相應的動作，完成盾構機的虛擬操作訓練；

步驟4c，盾構機操作考核子模塊將方位插補器節點F中的盾構機三維模型的俯仰角和位置插補器節點P中的盾構機三維模型的坐標值與盾構機軌跡數據表B中的盾構機標準方向和位置數據做比較，對于位置數據，滿分50分，盾構機三維模型的位置點和盾構機軌跡數據表B中的標準位置點距離大于1cm，得0分，距離每降低0.2cm，加10分，對于方向數據，滿分50分，盾構機三維模型的方向和盾構機軌跡數據表B中的標準方向之差大于1°，得0分，距離每降低0.2°，加10分，將得到的總分傳輸至虛擬環境中的色彩節點I顯示，完成盾構機虛擬訓練打分；

步驟4d，盾構機操作評價子模塊對盾構機的虛擬訓練過程中的軌跡糾偏進行差異分析，得到分析結果并給出建議，實現步驟為：

步驟4d1，盾構機操作評價子模塊采用三次曲線設計標準糾偏軌跡g(x)＝ax³+bx²+cx+d，其中，a、b、c和d均為常系數，x為盾構機三維模型在虛擬訓練環境中的橫坐標值；

步驟4d2，盾構機三維模型在虛擬仿真環境中所處位置的示意圖參照圖5，盾構機操作評價子模塊根據盾構機三維模型AB在虛擬訓練環境中返回設計軸線上的點D(m,0)，糾偏點B(0,l)和AB與ED的夾角即為仰角θ，得到表達式如下：

解得：

a＝m²tanθ-2ml，b＝m²l，c＝tanθ，d＝l；

步驟4d3，盾構機操作評價子模塊將虛擬訓練的糾偏軌跡和標準糾偏軌跡進行差值計算，差值越大，糾偏效果越不好，建議虛擬訓練人員將盾構機三維模型的方向朝著差值減小的方向掘進。

以上描述和實施例，僅為本發明的優選實例，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設計原理后，都可能在基于本發明的原理和結構的情況下，進行形式上和細節上的各種修正和改變，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的保護范圍之內。