隧道掘進機虛擬仿真系統(tǒng)設計及實訓模式研究

于 洋, 吳 磊, 梁化強

(1. 徐州工程學院 土木工程學院, 江蘇 徐州 221018；2. 徐州恩碩軟件科技有限公司, 江蘇 徐州 221008)

隧道掘進機(TBM)是機械化、自動化程度高,應用最廣泛的大型地下工程施工設備,部分斷面懸臂式掘進機被廣泛應用于礦山巷道和城市地下空間工程等領(lǐng)域[1-6]。由于設備結(jié)構(gòu)復雜,如果操作或維護不當,會導致掘進作業(yè)事故。在高校,地下工程專業(yè)學生的實習實訓需求不斷增加,傳統(tǒng)的“書本教學+現(xiàn)場操作培訓”實習實訓模式的局限性日益凸顯?，F(xiàn)有的培訓手段和教學模式很難滿足現(xiàn)場操作人員的培訓和地下工程專業(yè)學生的實習需求。鑒于此,將虛擬現(xiàn)實和仿真技術(shù)與部分斷面懸臂式掘進裝配和施工工藝相結(jié)合,研發(fā)了隧道掘進機虛擬仿真系統(tǒng),實現(xiàn)高效、低成本的仿真培訓和教學,強化了學生實踐操作能力,提高了實踐教學效果。

1 隧道掘進機虛擬仿真系統(tǒng)設計

基于隧道掘進機的基本原理和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的熱點[7-8],提出隧道掘進機虛擬仿真系統(tǒng)設計架構(gòu)結(jié)構(gòu)。

(1) 根據(jù)隧道掘進機設計圖紙資料,采用3ds Max等三維軟件構(gòu)建掘進機零部件模型,包括截割部、鏟板部、行走部、驅(qū)動裝置等,并進行動畫設計,仿真懸臂式掘進機的各種掘進施工工藝和動作。

(2) 利用Unity3D虛擬現(xiàn)實軟件建立并渲染虛擬仿真環(huán)境,借助C語言編程構(gòu)建虛擬仿真平臺,實現(xiàn)掘進機零件作用原理展示、拼接、安裝和軌跡動作分析等功能畫面顯示。

(3) 滿足隧道掘進機操作訓練,開發(fā)仿真訓練科目,能夠同時實現(xiàn)操作練習和考核。通過預設關(guān)卡,實現(xiàn)裝配操作步驟控制,借助鼠標和鍵盤等實現(xiàn)人機交互,完成人員的操作仿真培訓和操作技能考核。

受訓人員通過賬戶登錄進入系統(tǒng),選擇培訓科目和培訓模式后即可開始培訓。培訓結(jié)束后進行練習并完成操作考核測試。隧道掘進機虛擬仿真系統(tǒng)設計架構(gòu)如圖1所示。

圖1 隧道掘進機虛擬仿真系統(tǒng)設計架構(gòu)

2 隧道掘進機模型建立和交互界面設計

2.1 模型建立

部分斷面懸臂式隧道掘進機由截割部、鏟板部、推進部、行走部、操作臺、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、水控系統(tǒng)、刮板輸送機等零件組成。

首先采用多邊形建模法,按照零件分類建立模型；然后采用復合建模法將前期建立的離散零件模型進行組合,最后形成整體隧道掘進機模型。

掘進機的各個規(guī)格零件模型在Unity3D軟件中仍然保持獨立,可以分別編程控制而互不影響,使得掘進機可以同時完成前進、左右移動和截割滾筒旋轉(zhuǎn)等動作。按照隧道掘進機幾何外形特征分類建模:對于相對規(guī)則的模型,如截割部和行走部的截齒和履帶等,采用3ds Max軟件的圓柱形模型,通過擠出、倒角和切邊等命令實現(xiàn)；對于不規(guī)則的模型,例如螺旋葉片和鏟板等,先采用螺旋線模型構(gòu)建大體樣式,然后建立螺旋葉片切面圖形,最后放樣命令生成螺旋葉片模型。分類建模完成后,模型轉(zhuǎn)換為可編輯的多邊形模式并進行調(diào)試,優(yōu)化模型外觀使之更加真實,最后組合形成完整的隧道掘進機模型。

2.2 模型優(yōu)化

初步建立隧道掘進機模型后,整個模型中包含大量的三維分支模型,這會極大地降低系統(tǒng)渲染速度,導致系統(tǒng)運行不流暢。綜合考慮模型數(shù)量、仿真程度和系統(tǒng)運行速度等因素,需要對隧道掘進機模型進行優(yōu)化處理:(1)評估模型容量,刪除多余鏈接面；(2)建模軟件自身網(wǎng)格優(yōu)化；(3)利用紋理映射和場景優(yōu)化處理。

依據(jù)上述步驟進行優(yōu)化處理,最終得到部分斷面懸臂式隧道掘進機三維模型如圖2所示。

圖2 隧道掘進機三維模型

2.3 交互界面設計

隧道掘進機虛擬仿真系統(tǒng)功能的實現(xiàn)以交互界面為媒介。合理的交互界面可以有效傳遞系統(tǒng)功能信息,降低系統(tǒng)操作難度,帶給用戶良好的人機交互操作體驗[9-12]。圖3為隧道掘進機零件裝配訓練的人機交互界面。界面由操作計時器(界面頂部)、零件裝配區(qū)(界面左上部)和零件工具欄(界面右下部)組成。操作計時器顯示當前訓練的規(guī)定時間,受訓者和培訓者均可自行設置訓練開始、結(jié)束和重置時間；零件裝配區(qū)以場景的形式呈現(xiàn),實時展示掘進機零件的裝配效果,并可對錯誤裝配操作給出警告提示；零件工具欄包括零件箱和工具箱,展示零件的名稱和三維圖像。個性化的進階實訓模式包括組裝演示、練習模式和考核模式。

圖3 隧道掘進機零件裝配訓練交互界面

3 隧道掘進機虛擬仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)操作流程

利用Unity3D平臺上的自帶開發(fā)工具,通過腳本語言編寫系統(tǒng)操作流程。隧道掘進機虛擬仿真系統(tǒng)的操作順序一般為:(1)培訓,包括選擇零件、零件原理和零件裝配；(2)練習,包括掘進機動作、部件組合和掘進施工工藝；(3)考核,包括:選擇科目、仿真操作和給出測試結(jié)果。

3.2 系統(tǒng)操作開發(fā)與實現(xiàn)

以掘進機截割動作為例,實現(xiàn)操作流程的部分代碼如下:

global a

on startMovie--電影開始的時候

a=1

sound(1).volume=50--sound(1)中的1可取范圍:1-16 volume音量

if not sound(1).isBusy() then

puppetsound 1,member "生命"----聲音通道1中播放"sound1"聲音角色

end if

end

global myFile2

on prepareMovie

myFile2 = new(xtra "fileio")

openFile(myFile2,getOSDirectory() & ″assure.dll″,1)

if myFile2.readFile() <>VOID then

nothing

else

quit()

end if

end

on keydown

if the keycode=53 then

openFile(myFile2,getOSDirectory() & ″assure.dll″,1)

if readFile(myFile2)<>VOID then

myFile2.delete()

else

nothing

end if

quit()

end if

end

on savemovie

quit

end

on save castlib

quit

end

4 隧道掘進機虛擬實訓模式及其特點

實訓教學是地下工程類專業(yè)實踐環(huán)節(jié)的重要組成部分,對提高學生專業(yè)技能有重要作用。然而,傳統(tǒng)的“書本教學+現(xiàn)場操作培訓”的實訓模式受場地條件、教學經(jīng)費、實習安全和建設工期進度等因素的影響,存在實訓場地擁擠、實訓設備損耗大、安全隱患大的問題,實訓效果不盡如人意。隧道掘進機虛擬仿真實訓模式有以下特點:

(1) 實訓成本低、安全性高；

(2) 具有一定的開放性,實訓學生不僅可以在虛擬實訓平臺上自由選擇實訓環(huán)境和模式,還可以自由選用虛擬實訓設備,如3D頭盔和眼鏡,提升體驗效果,拓展平臺功能；

(3) 不受時間和空間限制,學生可以在不同時空點真實體驗大型設備工作原理和典型施工工藝,這是傳統(tǒng)實訓模式無法比擬的優(yōu)勢。

“地下工程施工”是地下工程專業(yè)的必修課,課程內(nèi)容實踐性較強。以往受到實訓條件的限制,課程實踐環(huán)節(jié)教學效果一直不太理想。目前,將開發(fā)的隧道掘進機虛擬仿真系統(tǒng)引入課程實訓教學環(huán)節(jié),可以實現(xiàn)以下功能:

(1) 演示隧道掘進機的工作原理、裝配過程和典型掘進施工工藝；

(2) 訓練和指導學生進行隧道掘進機零件拼裝和組裝訓練；

(3) 完成隧道掘進機零件拼裝和施工操作工藝的考核；

(4) 自動記錄學生輸入操作指令,判別實訓效果并給出實訓成績；

(5) 提供一個可擴充的虛擬設備庫。

5 隧道掘進機虛擬實訓模式效果評價

徐州工程學院“地下工程施工”專業(yè)課已經(jīng)開設4年,在師資隊伍建設和教學改革等方面均取得了良好的成績。綜合專業(yè)知識、專業(yè)技能和專業(yè)素養(yǎng)等3個課程教學目標的達成度,對前3屆學生的學習效果的評價如圖4所示。

12地下空間班級沒有應用虛擬實訓系統(tǒng),13地下空間班級開始應用虛擬實訓系統(tǒng)的演示功能,14地下空間班級全面系統(tǒng)應用設計完成的虛擬實訓系統(tǒng)。

圖4 地下工程施工課程目標達成度評價

由圖4可知,12地下空間班級的學生在專業(yè)知識目標的達成程上最好；13地下空間班級學生在專業(yè)素質(zhì)目標的達成程上最好；而14地下空間班級學生在專業(yè)技能目標的達成程上最好。與12和13地下空間班級的學生相比,14地下空間班級的學生在專業(yè)技能和專業(yè)素質(zhì)上有較大幅度的提升,課程教學三大目標的達成度之間趨于均衡,說明學生的綜合能力和素養(yǎng)更強,教學質(zhì)量顯著提高。

6 結(jié)語

采用3ds Max軟件構(gòu)建隧道掘進機的驅(qū)動及零部件模型,并以Unity3D軟件作為驅(qū)動引擎,仿真隧道掘進機的工作環(huán)境、拼裝原理和施工工藝,并借助C語言編程功能形成友好的人機交互界面,最終實現(xiàn)隧道掘進機虛擬仿真系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應用于地下工程施工課程的實踐環(huán)節(jié),改變了傳統(tǒng)“書本教學+現(xiàn)場操作培訓”的實訓模式,提高了學生的專業(yè)技能和專業(yè)素養(yǎng),課程教學三大目標的達成度趨于均衡,學生綜合能力更強。該系統(tǒng)尚需擴展和豐富新功能,進一步構(gòu)建虛實結(jié)合的教學實訓新模式。