隧道掘進(jìn)機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)訓(xùn)模式研究

于 洋, 吳 磊, 梁化強(qiáng)

(1. 徐州工程學(xué)院 土木工程學(xué)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(jìn)機(jī)(TBM)是機(jī)械化、自動(dòng)化程度高,應(yīng)用最廣泛的大型地下工程施工設(shè)備,部分?jǐn)嗝鎽冶凼骄蜻M(jìn)機(jī)被廣泛應(yīng)用于礦山巷道和城市地下空間工程等領(lǐng)域[1-6]。由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,如果操作或維護(hù)不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)作業(yè)事故。在高校,地下工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)需求不斷增加,傳統(tǒng)的“書本教學(xué)+現(xiàn)場操作培訓(xùn)”實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)模式的局限性日益凸顯。現(xiàn)有的培訓(xùn)手段和教學(xué)模式很難滿足現(xiàn)場操作人員的培訓(xùn)和地下工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)習(xí)需求。鑒于此,將虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)與部分?jǐn)嗝鎽冶凼骄蜻M(jìn)裝配和施工工藝相結(jié)合,研發(fā)了隧道掘進(jìn)機(jī)虛擬仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)高效、低成本的仿真培訓(xùn)和教學(xué),強(qiáng)化了學(xué)生實(shí)踐操作能力,提高了實(shí)踐教學(xué)效果。

1 隧道掘進(jìn)機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于隧道掘進(jìn)機(jī)的基本原理和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的熱點(diǎn)[7-8],提出隧道掘進(jìn)機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)結(jié)構(gòu)。

(1) 根據(jù)隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)圖紙資料,采用3ds Max等三維軟件構(gòu)建掘進(jìn)機(jī)零部件模型,包括截割部、鏟板部、行走部、驅(qū)動(dòng)裝置等,并進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)計(jì),仿真懸臂式掘進(jìn)機(jī)的各種掘進(jìn)施工工藝和動(dòng)作。

(2) 利用Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)零件作用原理展示、拼接、安裝和軌跡動(dòng)作分析等功能畫面顯示。

(3) 滿足隧道掘進(jìn)機(jī)操作訓(xùn)練,開發(fā)仿真訓(xùn)練科目,能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)操作練習(xí)和考核。通過預(yù)設(shè)關(guān)卡,實(shí)現(xiàn)裝配操作步驟控制,借助鼠標(biāo)和鍵盤等實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,完成人員的操作仿真培訓(xùn)和操作技能考核。

受訓(xùn)人員通過賬戶登錄進(jìn)入系統(tǒng),選擇培訓(xùn)科目和培訓(xùn)模式后即可開始培訓(xùn)。培訓(xùn)結(jié)束后進(jìn)行練習(xí)并完成操作考核測試。隧道掘進(jìn)機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 隧道掘進(jìn)機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

2 隧道掘進(jìn)機(jī)模型建立和交互界面設(shè)計(jì)

2.1 模型建立

部分?jǐn)嗝鎽冶凼剿淼谰蜻M(jìn)機(jī)由截割部、鏟板部、推進(jìn)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(jī)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(fù)合建模法將前期建立的離散零件模型進(jìn)行組合,最后形成整體隧道掘進(jìn)機(jī)模型。

掘進(jìn)機(jī)的各個(gè)規(guī)格零件模型在Unity3D軟件中仍然保持獨(dú)立,可以分別編程控制而互不影響,使得掘進(jìn)機(jī)可以同時(shí)完成前進(jìn)、左右移動(dòng)和截割滾筒旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。按照隧道掘進(jìn)機(jī)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(shí)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(jìn)行調(diào)試,優(yōu)化模型外觀使之更加真實(shí),最后組合形成完整的隧道掘進(jìn)機(jī)模型。

2.2 模型優(yōu)化

初步建立隧道掘進(jìn)機(jī)模型后,整個(gè)模型中包含大量的三維分支模型,這會(huì)極大地降低系統(tǒng)渲染速度,導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不流暢。綜合考慮模型數(shù)量、仿真程度和系統(tǒng)運(yùn)行速度等因素,需要對隧道掘進(jìn)機(jī)模型進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化處理,最終得到部分?jǐn)嗝鎽冶凼剿淼谰蜻M(jìn)機(jī)三維模型如圖2所示。

圖2 隧道掘進(jìn)機(jī)三維模型

2.3 交互界面設(shè)計(jì)

隧道掘進(jìn)機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)功能的實(shí)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(jī)交互操作體驗(yàn)[9-12]。圖3為隧道掘進(jìn)機(jī)零件裝配訓(xùn)練的人機(jī)交互界面。界面由操作計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)器顯示當(dāng)前訓(xùn)練的規(guī)定時(shí)間,受訓(xùn)者和培訓(xùn)者均可自行設(shè)置訓(xùn)練開始、結(jié)束和重置時(shí)間；零件裝配區(qū)以場景的形式呈現(xiàn),實(shí)時(shí)展示掘進(jìn)機(jī)零件的裝配效果,并可對錯(cuò)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(gè)性化的進(jìn)階實(shí)訓(xùn)模式包括組裝演示、練習(xí)模式和考核模式。

圖3 隧道掘進(jìn)機(jī)零件裝配訓(xùn)練交互界面

3 隧道掘進(jìn)機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)的實(shí)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(jìn)機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)的操作順序一般為:(1)培訓(xùn),包括選擇零件、零件原理和零件裝配；(2)練習(xí),包括掘進(jìn)機(jī)動(dòng)作、部件組合和掘進(jìn)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(shí)現(xiàn)

以掘進(jìn)機(jī)截割動(dòng)作為例,實(shí)現(xiàn)操作流程的部分代碼如下:

global a

on startMovie--電影開始的時(shí)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(jìn)機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)模式及其特點(diǎn)

實(shí)訓(xùn)教學(xué)是地下工程類專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要組成部分,對提高學(xué)生專業(yè)技能有重要作用。然而,傳統(tǒng)的“書本教學(xué)+現(xiàn)場操作培訓(xùn)”的實(shí)訓(xùn)模式受場地條件、教學(xué)經(jīng)費(fèi)、實(shí)習(xí)安全和建設(shè)工期進(jìn)度等因素的影響,存在實(shí)訓(xùn)場地?fù)頂D、實(shí)訓(xùn)設(shè)備損耗大、安全隱患大的問題,實(shí)訓(xùn)效果不盡如人意。隧道掘進(jìn)機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模式有以下特點(diǎn):

(1) 實(shí)訓(xùn)成本低、安全性高；

(2) 具有一定的開放性,實(shí)訓(xùn)學(xué)生不僅可以在虛擬實(shí)訓(xùn)平臺上自由選擇實(shí)訓(xùn)環(huán)境和模式,還可以自由選用虛擬實(shí)訓(xùn)設(shè)備,如3D頭盔和眼鏡,提升體驗(yàn)效果,拓展平臺功能；

(3) 不受時(shí)間和空間限制,學(xué)生可以在不同時(shí)空點(diǎn)真實(shí)體驗(yàn)大型設(shè)備工作原理和典型施工工藝,這是傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)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(shí)踐性較強(qiáng)。以往受到實(shí)訓(xùn)條件的限制,課程實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)效果一直不太理想。目前,將開發(fā)的隧道掘進(jìn)機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)引入課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié),可以實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1) 演示隧道掘進(jìn)機(jī)的工作原理、裝配過程和典型掘進(jìn)施工工藝；

(2) 訓(xùn)練和指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行隧道掘進(jìn)機(jī)零件拼裝和組裝訓(xùn)練；

(3) 完成隧道掘進(jìn)機(jī)零件拼裝和施工操作工藝的考核；

(4) 自動(dòng)記錄學(xué)生輸入操作指令,判別實(shí)訓(xùn)效果并給出實(shí)訓(xùn)成績；

(5) 提供一個(gè)可擴(kuò)充的虛擬設(shè)備庫。

5 隧道掘進(jìn)機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)模式效果評價(jià)

徐州工程學(xué)院“地下工程施工”專業(yè)課已經(jīng)開設(shè)4年,在師資隊(duì)伍建設(shè)和教學(xué)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(gè)課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度,對前3屆學(xué)生的學(xué)習(xí)效果的評價(jià)如圖4所示。

12地下空間班級沒有應(yīng)用虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),13地下空間班級開始應(yīng)用虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的演示功能,14地下空間班級全面系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)完成的虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

圖4 地下工程施工課程目標(biāo)達(dá)成度評價(jià)

由圖4可知,12地下空間班級的學(xué)生在專業(yè)知識目標(biāo)的達(dá)成程上最好；13地下空間班級學(xué)生在專業(yè)素質(zhì)目標(biāo)的達(dá)成程上最好；而14地下空間班級學(xué)生在專業(yè)技能目標(biāo)的達(dá)成程上最好。與12和13地下空間班級的學(xué)生相比,14地下空間班級的學(xué)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(xué)三大目標(biāo)的達(dá)成度之間趨于均衡,說明學(xué)生的綜合能力和素養(yǎng)更強(qiáng),教學(xué)質(zhì)量顯著提高。

6 結(jié)語

采用3ds Max軟件構(gòu)建隧道掘進(jìn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)及零部件模型,并以Unity3D軟件作為驅(qū)動(dòng)引擎,仿真隧道掘進(jìn)機(jī)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(jī)交互界面,最終實(shí)現(xiàn)隧道掘進(jìn)機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應(yīng)用于地下工程施工課程的實(shí)踐環(huán)節(jié),改變了傳統(tǒng)“書本教學(xué)+現(xiàn)場操作培訓(xùn)”的實(shí)訓(xùn)模式,提高了學(xué)生的專業(yè)技能和專業(yè)素養(yǎng),課程教學(xué)三大目標(biāo)的達(dá)成度趨于均衡,學(xué)生綜合能力更強(qiáng)。該系統(tǒng)尚需擴(kuò)展和豐富新功能,進(jìn)一步構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)實(shí)訓(xùn)新模式。