地下隧道掘進(jìn)機(jī)仿真系統(tǒng)的研究及其在教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用

王云飛 許 勇 張永輝

1. 上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072；2. 上海市建筑工程學(xué)校 上海 200241

1 概述

隨著社會經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市地下空間開發(fā)的施工任務(wù)日益繁重，其中大量的是地下隧道、通道的非開挖施工，包括城市地鐵隧道的盾構(gòu)法施工、城市地下立交的矩形通道施工等，地下隧道掘進(jìn)機(jī)的使用越來越廣泛，因此迫切需要加強(qiáng)地下隧道掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)、安全知識和操作技能的教育培訓(xùn)，包括中高等院校地下施工專業(yè)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)、企業(yè)新進(jìn)員工的培訓(xùn)和已有員工的再培訓(xùn)[1-3]。

地下隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)培訓(xùn)特別是操作技能的培訓(xùn)，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，只通過文字教材、圖紙、照片等進(jìn)行教學(xué)表達(dá)是不夠的，還需要直觀演示和上機(jī)訓(xùn)練。考慮到隧道掘進(jìn)機(jī)造價昂貴、任務(wù)繁忙，以及施工安全，不宜以真實(shí)的機(jī)器在真實(shí)的施工環(huán)境中對學(xué)員進(jìn)行教學(xué)、培訓(xùn)。因此需要發(fā)明一種采用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)和圖形仿真技術(shù)的教學(xué)系統(tǒng)，以形象地演示地下隧道掘進(jìn)施工，讓學(xué)員能夠像操作真機(jī)器一樣進(jìn)行操作訓(xùn)練，其教學(xué)效果可以達(dá)到或接近真實(shí)的隧道掘進(jìn)機(jī)，以提高目前地下空間施工技術(shù)、機(jī)械掌控技術(shù)的教學(xué)培訓(xùn)水平。目前，國內(nèi)外尚未見基于計算機(jī)仿真的隧道掘進(jìn)機(jī)教學(xué)系統(tǒng)的報道和案例，需要進(jìn)行開拓性的研究和創(chuàng)新。為此，上海市機(jī)械施工有限公司聯(lián)合上海市建筑工程學(xué)校、上海建峰職業(yè)技術(shù)學(xué)院、威英軟件（上海）有限公司等單位，聯(lián)合研發(fā)了地下隧道掘進(jìn)機(jī)仿真系統(tǒng)，并已投入教學(xué)應(yīng)用。本文簡介了該系統(tǒng)，以及其研究成果和應(yīng)用情況。

2 基本原理

仿真機(jī)的控制系統(tǒng)與真實(shí)機(jī)的控制系統(tǒng)，在基本原理、設(shè)備外形、操作界面上基本一致，使操作者使用時無異于真實(shí)機(jī)。但在內(nèi)部電路、輸入輸出接口上與真實(shí)機(jī)有所區(qū)別，因?yàn)槠潋?qū)動的是模型系統(tǒng)，而非真實(shí)的機(jī)械系統(tǒng)；其接收的反饋信息是模型系統(tǒng)的，而非來自真實(shí)的掘進(jìn)機(jī)和施工對象。控制系統(tǒng)還需要增加一些真實(shí)機(jī)所沒有的輔助功能，用于仿真支持和教學(xué)培訓(xùn)的需要，例如對現(xiàn)場包括主機(jī)、輔助設(shè)備、輔助設(shè)施的一體化控制、對隧道管片虛擬拼裝的順序控制等。

仿真機(jī)的機(jī)械模型，可以是基本結(jié)構(gòu)與真實(shí)機(jī)相似的實(shí)體模型，也可以是計算機(jī)數(shù)字模型[4]。采用實(shí)體模型的，由于環(huán)境、成本、實(shí)施條件的限制，可以簡化、省略部分機(jī)構(gòu)或裝置，即使不簡化、不省略的機(jī)構(gòu)或裝置，有的動作或功能也不能實(shí)際運(yùn)行，例如排土、注漿等，因此還有不少機(jī)構(gòu)、裝置、動作、功能要由計算機(jī)數(shù)字模型來仿真，也就是說需要數(shù)字模型配合彌補(bǔ)。

仿真機(jī)的對象模型，則應(yīng)由計算機(jī)數(shù)字模型來構(gòu)建，通過仿真運(yùn)算，對控制系統(tǒng)發(fā)出的掘進(jìn)機(jī)動作指令做出響應(yīng)，將運(yùn)算得出的狀態(tài)信息和數(shù)量信息反饋給控制系統(tǒng)。

3 技術(shù)方案

仿真系統(tǒng)按其機(jī)械模型和對象模型的類別可以分為組合仿真和全仿真2 種。組合仿真是機(jī)械模型采用實(shí)體模型，對象模型采用數(shù)字模型；全仿真是機(jī)械模型和對象模型都采用數(shù)字模型。

這2 種仿真各有特點(diǎn)和長處，前者可以進(jìn)行機(jī)械、液壓、電氣等硬件知識以及設(shè)備的安裝、調(diào)試、維護(hù)技術(shù)的教學(xué)，但制造、維護(hù)成本較高，后者成本較低，但教學(xué)的直接性、形象性不如前者，而且由于是全仿真，研發(fā)難度要大得多。

為了比較全面地發(fā)展隧道掘進(jìn)機(jī)械的仿真科學(xué)技術(shù)，并滿足教學(xué)培訓(xùn)的多種需要，本課題同時研究組合仿真和全仿真這2 種技術(shù)，并形成如下技術(shù)路線。

（a）仿真機(jī)由控制系統(tǒng)和模型系統(tǒng)（包括機(jī)械模型、對象模型）組成。模型系統(tǒng)可以是實(shí)體模型和數(shù)字模型組合，也可以是全數(shù)字模型。

（b）控制系統(tǒng)采用與真實(shí)機(jī)一致的PLC技術(shù)[5]。控制系統(tǒng)的作用與真實(shí)機(jī)基本一致，但控制范圍更大，不僅控制主機(jī)，還要控制所有其他輔助設(shè)備、輔助設(shè)施，實(shí)施一體化的安全管制，例如各運(yùn)動機(jī)構(gòu)的邊界限位、緊急情況下的全場急停等。控制系統(tǒng)除了具備真實(shí)機(jī)功能外，還根據(jù)教學(xué)需要增設(shè)一些輔助功能，例如掘進(jìn)機(jī)、管片拼裝機(jī)等運(yùn)動設(shè)備的初始化定位、管片拼裝的控制等。

（c）實(shí)體模型模仿真實(shí)機(jī)按比例縮小設(shè)計制作，盾殼直徑宜為2 m左右，以適合在室內(nèi)安裝運(yùn)行。實(shí)體模型應(yīng)具有真實(shí)機(jī)的主要設(shè)備和裝置，其中部分比較復(fù)雜且教學(xué)作用較小的可以簡化或省略，交由計算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)。

（d）數(shù)字模型模仿真實(shí)機(jī)按比例設(shè)計構(gòu)建，結(jié)構(gòu)的細(xì)分按需要單獨(dú)展示、單獨(dú)動作的最小單位來確定。數(shù)字模型的仿真包括動態(tài)仿真和圖形仿真。動態(tài)仿真的效果應(yīng)與真實(shí)機(jī)、真實(shí)對象近似。圖形仿真的逼真程度按教學(xué)需要和成本控制的綜合平衡原則確定。

（e）數(shù)字模型的運(yùn)行載體和引擎軟件稱為虛擬系統(tǒng)。對于組合仿真，虛擬系統(tǒng)的作用，一是對實(shí)體機(jī)械模型的彌補(bǔ)，二是擔(dān)任對象模型；對于全仿真，虛擬系統(tǒng)的作用，一是擔(dān)任機(jī)械模型，二是擔(dān)任對象模型。

（f）虛擬系統(tǒng)由虛擬處理器和圖形仿真器組成。虛擬處理器是虛擬系統(tǒng)的心臟，以動態(tài)仿真為主，圖形仿真器是虛擬系統(tǒng)的構(gòu)架，提供掘進(jìn)機(jī)和施工對象的視覺形象，以圖形仿真為主。

虛擬處理器根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，通過虛擬運(yùn)算進(jìn)行動態(tài)仿真，模仿掘進(jìn)機(jī)和施工對象，一方面將動態(tài)信息傳輸給圖形仿真器，一方面將反饋信息傳輸給控制系統(tǒng)。

圖形仿真器由圖形仿真模型和圖形仿真引擎組成。圖形仿真引擎接收虛擬處理器的動態(tài)仿真數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為圖形仿真指令，驅(qū)動仿真模型產(chǎn)生位置變化、尺寸變化、形態(tài)變化，從而形成與模仿對象一致或接近的四維實(shí)時動畫。

（g）虛擬處理器和圖形仿真器均采用PC計算機(jī)。控制系統(tǒng)與虛擬處理器的通訊方式為RS232串口通訊，虛擬處理器與圖形仿真器通訊方式為基于Ethernet的TCP/IP協(xié)議。一臺虛擬處理器可以連接多臺圖形仿真器，實(shí)現(xiàn)多終端遠(yuǎn)程異地應(yīng)用。

（h）圖形仿真器除了實(shí)時響應(yīng)虛擬處理器以外，還可以脫離虛擬處理器。一是回放歷史數(shù)據(jù)，重現(xiàn)以往過程。二是自行簡單的動作仿真，使屏幕上的掘進(jìn)機(jī)無需虛擬處理器也可以演繹基本動作和功能。因此，圖形仿真器可以單獨(dú)在臺式或便攜式計算機(jī)上使用，以方便課堂講學(xué)、異地應(yīng)用。

（i）地下隧道掘進(jìn)機(jī)械包括盾構(gòu)機(jī)、頂管機(jī)2 類，因此以目前城市地下空間開發(fā)中應(yīng)用較多的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和矩形隧道掘進(jìn)機(jī)（或頂管機(jī)）為研究和仿真對象，研發(fā)盾構(gòu)機(jī)仿真系統(tǒng)和頂管機(jī)仿真系統(tǒng)。

4 總體結(jié)構(gòu)

研究設(shè)計了2 種掘進(jìn)機(jī)仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

第一種是實(shí)體模型和數(shù)字模型組合仿真機(jī)，由控制系統(tǒng)、實(shí)體模型、虛擬處理器和圖形仿真器組成。以城市地鐵隧道建造中常用的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為原型研發(fā)。

第二種是數(shù)字模型全仿真機(jī)，由控制系統(tǒng)、虛擬處理器和圖形仿真器組成，以城市地下立交通道建造的新型設(shè)備矩形隧道掘進(jìn)機(jī)為原型研發(fā)。

組合仿真機(jī)的控制系統(tǒng)包括控制臺，以及實(shí)體模型的電氣控制柜、液電驅(qū)動電路、傳感器及傳輸電路、電源裝置等組成。全仿真機(jī)由于沒有實(shí)體模型，因此控制系統(tǒng)只含控制臺。

控制臺主機(jī)采用OMRON-PLC可編程控制器，實(shí)體模型的液壓、電氣控制也采用PLC可編程控制器。控制臺PLC與實(shí)體模型PLC之間以ControllerLink通訊連接。

虛擬處理器采用PC計算機(jī)，圖形仿真器采用PC圖形工作站。虛擬處理器和圖形仿真器的編程語言采用Visual C++2008 .NET Framework 2.0。

控制系統(tǒng)與虛擬處理器以RS232串口通訊連接。虛擬處理器與圖形仿真器以Ethernet網(wǎng)線連接。一臺虛擬處理器可以連接多臺圖形仿真器，實(shí)現(xiàn)多終端遠(yuǎn)程異地應(yīng)用。圖形仿真器可以脫離虛擬處理器獨(dú)立運(yùn)行，用于歷史過程數(shù)據(jù)的回放、重現(xiàn)，以及掘進(jìn)機(jī)基本動作和功能的操作演示，便于課堂講學(xué)、移動展覽等。

5 研究成果和應(yīng)用情況

在上述研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研制了DKSJ-1土壓平衡盾構(gòu)教練機(jī)和DKSJ-2矩形隧道掘進(jìn)模擬機(jī)，已經(jīng)安裝在上海市建筑工程學(xué)校的地下空間施工技術(shù)實(shí)訓(xùn)室內(nèi)，用于中高等職業(yè)教育的地下隧道建造技術(shù)課程的教學(xué)、實(shí)訓(xùn)（圖1、圖2）。

圖1 DKSJ-1土壓平衡盾構(gòu)教練機(jī)

圖2 DKSJ-2矩形隧道掘進(jìn)模擬機(jī)

5.1 DKSJ-1土壓平衡盾構(gòu)教練機(jī)的實(shí)施情況

DKSJ-1是由實(shí)體模型和數(shù)字模型組合仿真的，實(shí)體模型按真實(shí)機(jī)的3∶1比例制作，需要一定的安裝空間，因此在該校地下空間施工技術(shù)實(shí)訓(xùn)室設(shè)置的土壓平衡盾構(gòu)實(shí)訓(xùn)區(qū)，為占地6 m×12 m的二層區(qū)域。

以該區(qū)域的二樓模擬盾構(gòu)施工的地面層，一樓模擬盾構(gòu)施工的地下層。在地面層開設(shè)一個5 m×5.2 m的矩形孔作為模擬的盾構(gòu)施工工作井，井口邊設(shè)有自二樓到一樓的鐵制扶梯。

在工作井內(nèi)，布置模擬的盾構(gòu)機(jī)出洞洞門、盾構(gòu)機(jī)發(fā)射架和地鐵車站平臺。盾構(gòu)機(jī)發(fā)射架上依次設(shè)有實(shí)體模型的主機(jī)、管片，地鐵車站平臺上設(shè)有反力架、后續(xù)臺車和運(yùn)輸小車。控制系統(tǒng)的井下控制柜布置在后續(xù)臺車內(nèi)。

控制臺和虛擬系統(tǒng)布置在工作井上方旁邊。在該區(qū)域設(shè)置了大屏幕投影儀，放置了數(shù)十個座椅，可供教學(xué)講課、參觀觀摩等。

5.2 DKSJ-2矩形隧道掘進(jìn)模擬機(jī)實(shí)施情況

DKSJ-2矩形隧道掘進(jìn)模擬機(jī)是全數(shù)字模型仿真的，只有控制臺和顯示屏幕，可以安裝在一般教室里，因此在該校地下空間施工技術(shù)實(shí)訓(xùn)室設(shè)置了6 m×9 m的矩形隧道掘進(jìn)機(jī)實(shí)訓(xùn)區(qū)，與土壓平衡盾構(gòu)實(shí)訓(xùn)區(qū)的井上部分相鄰。

在實(shí)訓(xùn)區(qū)布置了控制臺、教師臺、大屏幕投影儀等設(shè)備。教師臺上并排著虛擬處理器和圖形仿真器。控制臺的圖形仿真器與教師臺的圖形仿真器連接在虛擬處理器的路由器上，大屏幕投影儀與教師臺的圖形仿真器以VGA共享器連接。實(shí)訓(xùn)區(qū)后半部的開發(fā)式區(qū)域可以放四五十張座椅，可以進(jìn)行班級授課，舉行小型技術(shù)講座、技術(shù)交流等活動。

5.3 應(yīng)用情況

DKSJ-1、DKSJ-2的教學(xué)內(nèi)容包括應(yīng)知、應(yīng)會2 部分。

應(yīng)知教學(xué)是通過這些設(shè)備的計算機(jī)仿真功能，講解、展示隧道掘進(jìn)機(jī)的各部分構(gòu)造和機(jī)電原理，演繹地下隧道掘進(jìn)施工的工藝流程和控制知識，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)地下隧道掘進(jìn)機(jī)的機(jī)械構(gòu)造、動力裝置和控制系統(tǒng)，形象地了解掘進(jìn)機(jī)的功能性能、作業(yè)流程、施工工藝。應(yīng)會部分是教師上機(jī)示范指導(dǎo)，學(xué)生上機(jī)操作練習(xí)，學(xué)習(xí)掘進(jìn)機(jī)的機(jī)電安裝、施工操作、糾偏控制、故障處理等，培養(yǎng)學(xué)生的操作技能，增強(qiáng)學(xué)生的動手能力。

這些設(shè)備技術(shù)先進(jìn)，性能優(yōu)良，投入應(yīng)用以來運(yùn)行穩(wěn)定、狀況良好，對于培養(yǎng)知識扎實(shí)、動手能力強(qiáng)的地下隧道建造和隧道掘進(jìn)機(jī)操作人員發(fā)揮了較大作用。這些設(shè)備還經(jīng)常用于地下隧道掘進(jìn)技術(shù)知識的交流演示、教育課程的示范演示等（圖3）。

圖3 教師在講解土壓平衡盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)原理