盾構(gòu)機動態(tài)交互仿真系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

馮桂珍， 池建斌， 張增強， 王 晨

（石家莊鐵道大學機械工程學院，河北 石家莊 050043）

盾構(gòu)機是一種用于地下隧道工程開挖的復雜機電系統(tǒng)，具有開控切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能[1]。已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道工程，具有開挖速度快、質(zhì)量高、人員勞動強度小、對地表沉降和環(huán)境影響小等優(yōu)點，比之傳統(tǒng)的鉆爆法隧道施工具有明顯的優(yōu)勢，有著良好的綜合效益?，F(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展和應用使得對盾構(gòu)機的控制變得越來越容易[2]，自動化程度大大提高，但施工控制多數(shù)需人工操作，但施工過程中因不確定因素時常引發(fā)一些事故，存在安全隱患，如地質(zhì)情況的復雜多變、掘進等結(jié)構(gòu)設(shè)計不當、操作不當?shù)仍驅(qū)е碌乇砺∑鸹蛩?，進而引發(fā)重大事故。因此，盾構(gòu)機掘進施工過程是一個存在高風險的行業(yè)，施工安全、效率問題仍是世界性的重大技術(shù)難題。此外，盾構(gòu)機是一個復雜、龐大的重型工程機械，它集機、電、液、控制、信息技術(shù)于一體，其高效率、低傷害的施工特點引起了國內(nèi)外大量學者的研究興趣，但其復雜性給學習和研究帶來一定的困難。

鑒于此，研究和應用基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建一個基于 Web3D的盾構(gòu)機交互虛擬裝配和運動仿真虛擬環(huán)境，將盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu)特點、裝配與拆卸、運動過程和施工原理等進行三維真實感模擬，無安全隱患。基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不受時空限制，用戶通過鼠標或鍵盤從各個角度觀察、體驗盾構(gòu)機的不同特性，使用戶更好地了解盾構(gòu)機，從而增強盾構(gòu)機與用戶之間的溝通能力，進一步提高設(shè)計和創(chuàng)新能力 。

1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)與原理簡介

論文以土壓平衡式盾構(gòu)機為研究和構(gòu)建對象。土壓平衡式盾構(gòu)機沒有分離裝置，施工時的覆土層可以相對較淺。其適用地質(zhì)范圍比擠壓式盾構(gòu)機廣，掘進性能也優(yōu)于擠壓式盾構(gòu)機。作為一種在地下工程施工中開挖軟弱地質(zhì)的專用工程機械，主要結(jié)構(gòu)包括盾體、刀盤驅(qū)動系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)以及盾尾密封系統(tǒng)等。盾構(gòu)機掘進部分承擔主要的挖掘任務，包括切削刀盤、開挖室、承壓隔板、壓縮空氣閘室、推進千斤頂、刀盤驅(qū)動、螺旋輸送機等。

盾構(gòu)施工的主要原理是圓柱體護盾沿隧道軸線邊向前推進邊對土壤進行挖掘，護盾對挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時支撐作用，承受周圍土層的壓力，以及地下水壓及將地下水擋在外面。挖掘、排土、襯砌等作業(yè)在護盾的掩護下進行。盾構(gòu)機施工主要由穩(wěn)定開挖面、挖掘及排土、襯砌及壁后注漿3大要素組成。

1.2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用服務器／瀏覽器（B/S）兩層模式，服務器端存放由VRML[3]及Cult3d[4]編輯生成的虛擬場景和運動仿真，客戶端下載并安裝相關(guān)插件后，瀏覽嵌入VRML格式文件（*.wrl）和Cult3d動態(tài)文件（*.co）的HTML頁面，用戶通過鼠標、鍵盤及控件在虛擬場景中漫游、交互操作虛擬對象和運動仿真等。該系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有交互操作、信息查詢、虛擬裝配、施工原理展示以及良好的導航功能等。系統(tǒng)的場景漫游與交互控制利用 VRML完成；盾構(gòu)機的運動仿真等交互利用Cult3D完成；腳本控制利用Javascript實現(xiàn)HTML與VRML和Cult3D的交互控制。虛擬場景漫游與交互操作使得盾構(gòu)機的虛擬仿真更具真實感和沉浸感。VRML與Cult3D通過超鏈接功能相互切換。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

2.1 虛擬模型的創(chuàng)建與優(yōu)化處理

虛擬場景利用VRML實現(xiàn)。VRML是一種網(wǎng)絡(luò)三維場景描述性語言，VRML語言使用有向無循環(huán)圖（TAG）或稱場景圖（SceneGraph）建立三維場景的布局關(guān)系，這種場景圖是由節(jié)點的嵌套或并列使用形成的，其中葉節(jié)點表示具體的三維對象，非葉節(jié)點用于維護布局的空間位置關(guān)系。其三維模型的創(chuàng)建可以通過 VRML文本編輯器如Parallel Graphics公司的VrmlPad完成，或一些可視化編輯工具，如Parallel Graphics公司 ISB、ISA，Silicon Graphics公司的 Cosmo World，以及筆者利用VC與 OpenGL開發(fā)了一個VRML可視化編輯工具[5-6]等，但不便于構(gòu)建復雜場景。此外，可通過其他三維軟件完成。VRML作為目前唯一一種網(wǎng)絡(luò)傳輸規(guī)范，大多數(shù)軟件都支持 VRML格式文件，如 3DMax、Solidworks、Pro/E、UG 等，這種方式可以構(gòu)建復雜模型，且效率較高。鑒于模型建造的工作量及復雜度較大，系統(tǒng)采用3DMax、Solidworks及文本編輯相結(jié)合的方式完成。

為保證用戶能順暢地漫游和交互操作，模型優(yōu)化非常重要。VRML優(yōu)化分為模型自身優(yōu)化以及利用語法特點優(yōu)化兩種。模型自身優(yōu)化就是利用 3DMax等建模時將結(jié)構(gòu)分解，盡量采用拉伸或放樣功能生成簡單幾何形體的組合，然后進行紋理帖圖。這樣可以大量減少模型的三角面片，從而減少 VRML文件大小，加快用戶端下載速度。利用 VRML自身的語法特點和功能優(yōu)化包括：用LOD節(jié)點描述復雜造型不同細節(jié)層次的組織關(guān)系，用戶瀏覽時，根據(jù)遠近程度自動顯示不同的細節(jié)水平，從而提高場景真實感和渲染速度；利用inline節(jié)點，將不同VRML文件內(nèi)聯(lián)成復雜的場景，簡化了復雜場景的維護和編輯工作；使用DEF/USE機制減少代碼的重復編寫，且可達到統(tǒng)一修改、編輯和控制的目的；將VRML文件保存為壓縮形式（*.wrz），壓縮VRML文本代碼中無效的部分（如空格、注釋、回車符等），可極大的減小文件大小，壓縮率可達到80%，而不影響場景渲染效果。

盾構(gòu)機的三維模型及裝配采用Solidworks完成，以便于后期參數(shù)化編輯和修改，以及運動仿真設(shè)計、干涉檢查等。虛擬裝配是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個重要的環(huán)節(jié)，其研究大致分兩個方面：

1） 采用裝配過程可視化手段和干涉檢查工具，直觀展示產(chǎn)品裝配過程中零部件的運動形態(tài)和相對位置，以檢驗產(chǎn)品的可裝配性，是否存在干涉等。如在Solidworks的裝配環(huán)境下設(shè)計的裝配體，用戶通過添加約束定位來裝配零部件，通過干涉檢查檢查產(chǎn)品是否存在干涉。之后通過Solidworks的MotionManager設(shè)計裝配體的拆裝動畫和運動仿真，拆裝動畫和運動仿真只能保存為AVI格式的文件，無交互功能，不便于用戶的控制。

2） 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬裝配和運動仿真。使操作人員具有身臨其境的感覺，并能通過視覺、聽覺、觸覺等感知產(chǎn)品的裝配過程和運動效果。本系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)的 Web3D技術(shù)設(shè)計和開發(fā)的虛擬裝配和運動仿真，通過鼠標和鍵盤簡單的設(shè)備可交互操作，成本低，效果好，發(fā)布到網(wǎng)上便于交流和協(xié)作。

Cult3D模型設(shè)計和處理中注意如下：將Solidworks設(shè)計的裝配體模型導出為STL格式文件，導入 3Dmax中編輯材質(zhì)、添加光源、攝像頭等，并根據(jù)動態(tài)交互的需求合理分組。然后將模型導出為C3D格式文件(Cult3D模型文件)。此外，根據(jù)動態(tài)交互效果要求，如縮放操作時縮放中心的位置，旋轉(zhuǎn)操作時轉(zhuǎn)軸的位置等，在3DMax中需調(diào)整軸點的位置。方法是通過3DMax命令“層次”/“軸點”，選擇“僅影響軸”選項，通過“對齊”、“移動”、“旋轉(zhuǎn)”等方法，將軸點調(diào)整到合適的位置。

2.2 虛擬場景漫游與交互設(shè)計和實現(xiàn)

VRML中的交互行為通過事件體系實現(xiàn)。要實現(xiàn)邏輯控制，必須通過腳本節(jié)點Script編程實現(xiàn)，如Java、JavaScript等。系統(tǒng)利用JavaScript腳本語言實現(xiàn)交互和邏輯控制。腳本程序可內(nèi)嵌于 VRML文件內(nèi)，即基于內(nèi)部腳本編程接口的交互。也可通過外部編程接口EAI進行交互。EAI是指將VRML嵌入到HTML頁面后，通過外部按鈕等控件方式控制VRML場景中的虛擬對象，使操作和控制的自由度更大。

EAI控制的關(guān)鍵是獲取 VRML虛擬對象，方法是通過Scene.Engine獲取VRML對象，通過Nodes獲取由DEF定義的節(jié)點，然后可以對該節(jié)點的exposedField域進行編輯和修改，從而實現(xiàn)對場景的外部控制。系統(tǒng)主界面如圖2所示，分兩個框架。上方顯示 VRML場景，下方是交互控制區(qū)，通過下拉列表選擇瀏覽位置進行導航，當前視點的信息顯示在視點文本框，用戶也可以設(shè)置視點。

圖2 虛擬場景漫游主界面

2.3 虛擬裝配和運動仿真的設(shè)計

Cult3d是一個完全拖放式軟件。從SceneGraph窗口選中將要操作的對象，拖入Event Map窗口，然后在Action窗口中選擇要實施的動作，把它也拖入Event Map窗口，在Event Map中選擇觸發(fā)該動作的事件。Cult3D為用戶提供了鼠標和鍵盤兩種觸發(fā)事件。通過預覽窗口可以檢查動作和事件以及操作對象之間的相互關(guān)系。

虛擬裝配和運動仿真系統(tǒng)采用 HTML內(nèi)嵌Cult3d動態(tài)文件的方式實現(xiàn)（圖 3~圖 5），包括零部件的單件展示、虛擬拆裝、施工原理、插件下載及盾構(gòu)機技術(shù)介紹等。系統(tǒng)通過頂部導航選擇相應項目，左側(cè)窗口提示操作步驟，右側(cè)窗口顯示 Cult3D動態(tài)文件。 虛擬裝配主要通過Cult3d中的移動、旋轉(zhuǎn)、縮放等動作完成，通過鼠標點擊或鍵盤操作進行交互。其效果如圖3所示。運動仿真除了移動、旋轉(zhuǎn)、縮放等動作外，為了模擬開挖效果，采用粒子系統(tǒng)實現(xiàn)，如圖4所示，刀盤旋轉(zhuǎn)時開始挖掘，調(diào)整好的粒子系統(tǒng)開始發(fā)射，用來模擬實際挖掘過程，同時螺旋輸送機將挖掘下來的泥土通過末端出土口輸送到傳輸帶上，傳輸帶將泥土通過小車運輸出去。圖5顯示刀盤推進后，管片拼裝機拼裝管片的過程。

圖3 盾構(gòu)機虛擬裝配

圖4 粒子模擬盾構(gòu)機施工之開挖

圖5 盾構(gòu)機施工之管片拼裝

3 結(jié) 論

通過對盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu)和原理的分析，利用VRML、Cult3D實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的盾構(gòu)機虛擬裝配與運動仿真系統(tǒng)，利用腳本實現(xiàn)虛擬場景和對象的交互操作和控制，具有良好的導航和交互性能，用戶可以多角度任意方位查看虛擬對象，不受時空限制，克服了盾構(gòu)機在施工過程中存在安全隱患等不足，對盾構(gòu)機的學習和研究提供了良好平臺，有很好的實用價值。

[1]Yang Huayong, Gong Guofang. Research on development strategy of shield tunneling machine [C]//Proceedings of Shanghai International Tunnel Conference. Shanghai: Tongii University Press, 2003:339-346.

[2]Michael J K. Monitoring ground deformation in tunneling: current practice in transportation tunnels [J].Engineering Geology, 2005, 79: 93-l13.

[3]ISO/IEC 14772-1:1997, VRML97 International Standard [S].

[4]Cycore Cult3D Homepage [EB/OL]. http://www.cult3D.com.

[5]馮桂珍, 池建斌. 基于 Web的虛擬現(xiàn)實模型創(chuàng)建工具[J]. 工程圖學學報, 2004, 25(3): 30-34.

[6]馮桂珍, 池建斌, 王 晨. VRML模型創(chuàng)建工具中的可視化交互操作的設(shè)計和實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學報,2006, 18(2): 387-390.