盾構(gòu)及掘進流程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)

韓偉鋒，李鳳遠，陳啟偉

(1.盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，鄭州 450001;2.中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

虛擬現(xiàn)實(VR，Virtual Reality)也稱虛擬實境或靈境，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。它利用計算機技術(shù)生成一個逼真的，具有視覺、聽覺、觸覺等多感知的三維虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設(shè)備同虛擬環(huán)境進行互動，身臨其境地與之進行交互仿真和信息交流［1－2］。國外對于虛擬樣機技術(shù)的研究已經(jīng)比較普遍，如美國波音公司對波音777和787的開發(fā)、Chrycler公司與IBM合作對新型車的研制、芬蘭VTT電子公司對手機的開發(fā)等，都用到了虛擬樣機技術(shù)，并為企業(yè)帶來了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。

目前主流的CAD軟件雖有裝配的結(jié)果，但難以進行人機交互的裝配過程的展示;主流的CAE分析軟件雖有分析的結(jié)果，但難以進行分析數(shù)據(jù)的沉浸可視化展示，特別是人機交互設(shè)計能力明顯不足［3－4］;虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有非常好的展示能力，但沒有運動學，動力學及標、矢量場的分析能力，使加工過程和虛擬樣機中很多部件的運動狀態(tài)難以確定。因此，實現(xiàn)設(shè)計、分析與展示各系統(tǒng)的集成是十分重要的，將三者有機結(jié)合，可以研發(fā)出人性化的集成仿真平臺，彌補傳統(tǒng)設(shè)計手段的不足，幫助工程師及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計、裝配、制造過程中存在的問題，從而指導(dǎo)設(shè)計階段的工作，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的成本，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，增強產(chǎn)品的創(chuàng)新性。

國外對于虛擬樣機的研究具有起點高、目標大的特點;對虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)備依賴性較強;虛擬樣機系統(tǒng)一般都建立在大、中型機或高性能圖形工作站上，使用PC的還比較少;被實力雄厚的國家研究機構(gòu)和大型制造業(yè)所應(yīng)用;對虛擬樣機應(yīng)用的市場需求逐漸走強。目前我國仍處于虛擬樣機技術(shù)研發(fā)的成形期，并且虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用范圍大多限于房地產(chǎn)仿真、古跡仿真等一些建筑規(guī)劃方面，而應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)的還比較少，特別是與大型機械裝備相關(guān)的工業(yè)生產(chǎn)與制造［5－10］。盾構(gòu)掘進虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不僅關(guān)系到建筑仿真，更多的是機械產(chǎn)品的仿真，它不僅能更進一步地拓展我國虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在工業(yè)施工領(lǐng)域的應(yīng)用，而且也將使虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械裝備領(lǐng)域的應(yīng)用更加成熟。

結(jié)合我國目前計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展水平和盾構(gòu)施工行業(yè)的特殊性，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗室內(nèi)培訓(xùn)盾構(gòu)主司機以及各種盾構(gòu)保養(yǎng)、維護人員可以起到事半功倍的效果。在施工現(xiàn)場由于各種設(shè)備都在正常使用狀態(tài)，加之新進人員對盾構(gòu)的了解比較少，如果讓新進人員在現(xiàn)場進行學習，不僅會影響工程施工，而且也會給學習人員帶來危險;因此，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可使新進人員不用到施工現(xiàn)場就可以親身體驗到施工現(xiàn)場的各種狀況，同時也可以通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)控制設(shè)備，練習盾構(gòu)的操作，熟悉盾構(gòu)的主要零部件等。

1 盾構(gòu)及掘進場景虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)功能特點

1.1 漫游觀看

通過第一人稱相機、第三人稱相機和飛行相機等各種模式下漫游觀看盾構(gòu)、盾構(gòu)施工隧道內(nèi)部及外部場景、盾構(gòu)掘進作業(yè)整套流程的循環(huán)。流程為:盾構(gòu)主機掘進—刀盤旋轉(zhuǎn)掉土加泡沫—經(jīng)螺旋機把土輸送到渣土傳送設(shè)備—渣土經(jīng)傳送設(shè)備進入轉(zhuǎn)運小車，螺旋機輸出渣土進入小車—小車把渣土運送到隧道出土洞口—由門吊把渣土吊運地面處理，管片從管片廠運送到管片門吊旁邊—管片由門吊送入隧道豎井—管片小車把管片送入隧道內(nèi)—通過盾構(gòu)的管片吊機把管片運送到管片安裝機位置—安裝管片。

1.2 虛擬交互

通過鼠標和鍵盤可對盾構(gòu)掘進過程中各個主要動作進行單獨操作，如管片機安裝管片、刀盤旋轉(zhuǎn)等。采用數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤器完成換裝滾刀的過程(帶物理碰撞和邏輯關(guān)系)，利用盾構(gòu)自動化控制平臺可實現(xiàn)對盾構(gòu)的控制，該功能可實現(xiàn)盾構(gòu)主司機的培訓(xùn)，減少現(xiàn)場培訓(xùn)成本和培訓(xùn)風險。圖1為剖切狀態(tài)下盾構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作圖，圖2為采用數(shù)據(jù)手套對滾刀進行拆裝模擬演示。

圖1 盾構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal structure of shield machine

圖2 滾刀拆裝模擬演示Fig.2 Simulation of disc cutter disassembly

2 盾構(gòu)及掘進虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)演示環(huán)境硬件組成

根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的內(nèi)涵和本質(zhì)特征可以看出，它的研究與開發(fā)是一項技術(shù)要求比較高的工作，它需要有相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)環(huán)境予以配套進行。除了完善的虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)平臺和三維圖像處理系統(tǒng)之外，根據(jù)虛擬現(xiàn)實的技術(shù)特征，系統(tǒng)還要求具有高度逼真的三維沉浸感，這種沉浸感主要通過立體聽覺、三維觸覺或力感以及具有高度沉浸感的視覺環(huán)境來實現(xiàn)。其中，立體聽覺一般通過三維環(huán)繞立體聲響系統(tǒng)來實現(xiàn)，三維觸覺和力感可以通過高精度的計算機觸覺或力反饋設(shè)備來實現(xiàn)，而高度沉浸的視覺環(huán)境通常會通過大屏幕立體投影顯示系統(tǒng)來實現(xiàn)，如多通道柱面投影顯示系統(tǒng)、球面仿真投影顯示系統(tǒng)或CAVE沉浸式仿真環(huán)境。此外，根據(jù)虛擬現(xiàn)實的技術(shù)特征要求，實時交互性是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的靈魂，它是區(qū)別于其他傳統(tǒng)媒體技術(shù)的本質(zhì)所在。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，這種交互往往通過多自由度的虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備來實現(xiàn)，如數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器等，最終形成一個完整的虛擬現(xiàn)實實驗室系統(tǒng)。

根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的內(nèi)涵與實驗室總體建設(shè)目標的要求，一個完整的虛擬現(xiàn)實與數(shù)字媒體實驗室系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、功能構(gòu)成和技術(shù)構(gòu)成應(yīng)包括視景仿真應(yīng)用軟件開發(fā)平臺和運行平臺、高性能圖像生成和處理系統(tǒng)IG(Image Generator)、6自由度仿真交互系統(tǒng)、集成管理控制系統(tǒng)和立體音效輸出功能。

綜上所述，一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的建立必須滿足上述的系統(tǒng)組成和功能技術(shù)要求。因此，為了建立一套完整的、切實可行的虛擬現(xiàn)實實驗室系統(tǒng)，我們也必須根據(jù)上述的功能、組成和技術(shù)要求，對虛擬現(xiàn)實實驗室系統(tǒng)的建設(shè)進行總體規(guī)劃和系統(tǒng)設(shè)計，最終構(gòu)建一套完整的虛擬現(xiàn)實實驗室系統(tǒng)環(huán)境。圖3為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)硬件之間的關(guān)系，圖4為硬件的現(xiàn)場布置圖。

3 盾構(gòu)及掘進虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)軟件開發(fā)

3.1 零部件命名規(guī)則

盾構(gòu)及掘進場景的各種零部件規(guī)模較大而且數(shù)量較多。為此，首先必須對各個零部件制定出一套完善的命名規(guī)則，方便以后對各個零部件進行更新、替換、修改和程序驅(qū)動等。本系統(tǒng)采用3級命名法，即產(chǎn)品級、一級總成和一級總成以下的零部件。產(chǎn)品級由類別碼和2位序號碼組成，其代號釋義如圖5(a)所示。一級總成代碼由所屬產(chǎn)品碼、3位序號碼和2位數(shù)量碼組成，代號釋義如圖5(b)所示。一級總成以下的代碼由所屬總成類別碼、3位序號碼和2位數(shù)量碼組成，代號釋義如圖5(c)所示。

DG－01表示第1臺盾構(gòu)及施工場景虛擬現(xiàn)實系統(tǒng);DG01－001－01表示屬于第1臺盾構(gòu)及施工場景的盾構(gòu)刀盤總成，刀盤總成的數(shù)量為1，001為流水號碼，這里暫定義為盾構(gòu)刀盤，根據(jù)設(shè)計者定義而成，沒有特定的意義，01表示刀盤總成的數(shù)量;001－002－36表示刀盤總成下的正滾刀數(shù)量為36把，001表示滾刀歸屬的總成為盾構(gòu)刀盤總成，002為流水號碼，這里暫定義為正滾刀總成。所有的流水號碼為設(shè)計者在設(shè)計中自行定義，并且制成數(shù)據(jù)表格，加注合適的漢語注釋，供在后續(xù)的研究工作中查詢。

圖5 零部件命名規(guī)則示意圖Fig.5 Naming principle of parts of shield machine

3.2 模塊化設(shè)計

所謂模塊化設(shè)計，簡單地說就是將系統(tǒng)的某些要素組合在一起，構(gòu)成一個具有特定功能的子系統(tǒng)(相應(yīng)模塊)，將這個子系統(tǒng)做為通用性的模塊與其他子系統(tǒng)進行多種組合，構(gòu)成新的功能系統(tǒng)，產(chǎn)生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列功能系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，相應(yīng)的子系統(tǒng)(相應(yīng)模塊)不進行相互制約與影響，這體現(xiàn)在當一個子系統(tǒng)崩潰或更換時不至于影響到其他模塊的正常運行。由于子系統(tǒng)的無關(guān)性，每個團隊小組或者團隊成員負責自己的子系統(tǒng)開發(fā)，而無須關(guān)心其他子系統(tǒng)，達到高效分工、協(xié)同開發(fā)的目的。

模塊化設(shè)計的原則是力求以少數(shù)模塊組成盡可能多的功能系統(tǒng)，并在滿足要求的基礎(chǔ)上使模塊功能準確，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)范，模塊間的聯(lián)系盡可能簡單。綜合考慮盾構(gòu)施工各零部件的空間位置組合和使用功能，盾構(gòu)及掘進場景虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分為刀盤總成、主驅(qū)動、前體總成、中體總成、盾尾總成、推進油缸、管片安裝機、管片吊機、管片轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、螺旋輸送機、設(shè)備橋、1號拖車、2號拖車、3號拖車、4號拖車、列車編組、隧道管片、隧道內(nèi)輔助設(shè)施、盾構(gòu)始發(fā)土木結(jié)構(gòu)等37個一級子系統(tǒng)，并且各個一級子系統(tǒng)又根據(jù)需求包含各種二級和三級子系統(tǒng)，這里不再一一贅述，其具體分類內(nèi)容由設(shè)計者根據(jù)需要來分。

3.3 3D 場景設(shè)計

根據(jù)各種圖形資料數(shù)據(jù)，按照1∶1比例采用CATIA V5對盾構(gòu)及施工配套設(shè)備、土木結(jié)構(gòu)等部分進行三維建模。由于CATIA V5的數(shù)據(jù)模型包含各種數(shù)字設(shè)計信息，并且數(shù)據(jù)量特別大，為保證虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)內(nèi)運行流暢，必須對模型進行數(shù)據(jù)輕量化處理。在對模型進行輕量化處理過程中由于模型較多，直接采用3DMAX進行減面處理工作量將會非常大;因此，必須先用3DVIA對完成后的CATIA模型進行自動處理，然后再用3DMAX進行減面。

3DMAX主要是對一些圓形零件進行減面處理［11］。在計算機平面圖形中，各個圓實際上是由多條線段組成的多邊形，只是由于邊數(shù)較多，在通過計算機瀏覽時肉眼的感覺為圓。同理，3D圖形是由多個面組成一個柱體，圖6為3個滾刀刀圈分別由12邊形 (a)、20邊形 (b)和100邊形 (c)組成。(a)有明顯的邊棱，而 (c)占用太多資源，為保證計算機運行流暢，面數(shù)必須控制在一定范圍，在不影響人視覺的前提下應(yīng)盡量減少面數(shù)，根據(jù)實際效果可以采用方式 (b)。

在建模過程中有很多零部件，如電瓶車、砂漿車、空調(diào)、電控柜、變壓器等不需要仿真其內(nèi)部的零部件可采用貼圖完成其效果渲染，這樣既能降低資源占用率，又能使效果更加逼真。圖7為采用貼圖處理后的電瓶車，圖8為完成盾構(gòu)主機及后配套模型示意圖。

圖7 貼圖處理后的電瓶車Fig.7 Model of shield machine and its back-up system

3.4 虛擬交互開發(fā)

人機交互的主要特點在于操作人員可以通過操控設(shè)備，控制虛擬場景中的盾構(gòu)掘進及配套的各種工作流程。盾構(gòu)工作的各種動作開發(fā)分為2種方式，1)采用VC編寫驅(qū)動程序，2)采用3DMAX錄制動畫，然后采用VC按照一定序列組合驅(qū)動。在實際操作過程中，由于編寫程序比較復(fù)雜，有固定工作方式的可采用錄制動畫，然后用程序控制驅(qū)動的方式，如螺旋輸送機從刀盤艙內(nèi)向外排渣，礦車運送渣土等工作流程;沒有固定工作方式的必須采用程序來驅(qū)動各個零部件的動作，如管片安裝機需要旋轉(zhuǎn)不同角度和移動不同位置來安裝不同管片，因此，必須采用程序控制方式來完成工作流程的仿真。盾構(gòu)及掘進場景虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)軟件開發(fā)流程如圖9所示。

圖8 盾構(gòu)主機及后配套模型Fig.8 Procedure of developing of virtual reality software of shield machine and boring

圖9 盾構(gòu)及掘進場景虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)軟件開發(fā)流程圖Fig.9 Parts of virtual reality system of shield machine and boring

4 盾構(gòu)及掘進虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 培訓(xùn)學習

新進盾構(gòu)施工人員由于缺乏足夠的現(xiàn)場知識，只靠一些圖片、視頻和文字資料等進行培訓(xùn)，這往往使學員難以很快地掌握并熟練;由于施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，對那些沒有足夠經(jīng)驗的人員進入現(xiàn)場，如果沒有做好保護工作，容易出事故;另外，在施工過程中基本不會讓學員去操作某個設(shè)備。采用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以完全避免上述問題，學員通過該系統(tǒng)可以真實地感受到現(xiàn)場的環(huán)境，并且認識施工現(xiàn)場和盾構(gòu)的各個部位，如圖10所示，采用虛擬交互設(shè)備，學員可以對現(xiàn)場的各種施工設(shè)備進行模擬操作，如圖11所示。

4.2 科學研究

研究人員在對盾構(gòu)及掘進技術(shù)進行研究過程中，可以采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合各種實驗數(shù)據(jù)進行分析，如盾構(gòu)施工現(xiàn)場布置合理性模擬、盾構(gòu)及輔助設(shè)備在隧道內(nèi)的工作模擬、施工過程中各種潛在的施工事故模擬及事故的處理模擬等。

5 結(jié)論與討論

本文通過對盾構(gòu)及掘進場景虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)的研究，突破了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在大型復(fù)雜機械裝備領(lǐng)域的應(yīng)用。結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)和工業(yè)CAD軟件實現(xiàn)了盾構(gòu)掘進的運動學、動力學和工作過程的人機交互，彌補了常規(guī)工業(yè)設(shè)計的不足;但是，在采用盾構(gòu)控制設(shè)備與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行虛擬交互方面，由于時間和技術(shù)水平的限制，目前對盾構(gòu)及掘進現(xiàn)場的各種設(shè)備只能有選擇地部分控制，而不能實現(xiàn)真正意義上對盾構(gòu)及各種輔助設(shè)備進行控制操作。

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