馮桂珍， 池建斌， 張?jiān)鰪?qiáng)， 王 晨

（石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043）

盾構(gòu)機(jī)是一種用于地下隧道工程開(kāi)挖的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，具有開(kāi)控切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測(cè)量導(dǎo)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(kāi)挖速度快、質(zhì)量高、人員勞動(dòng)強(qiáng)度小、對(duì)地表沉降和環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，比之傳統(tǒng)的鉆爆法隧道施工具有明顯的優(yōu)勢(shì)，有著良好的綜合效益。現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使得對(duì)盾構(gòu)機(jī)的控制變得越來(lái)越容易[2]，自動(dòng)化程度大大提高，但施工控制多數(shù)需人工操作，但施工過(guò)程中因不確定因素時(shí)常引發(fā)一些事故，存在安全隱患，如地質(zhì)情況的復(fù)雜多變、掘進(jìn)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)、操作不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е碌乇砺∑鸹蛩荩M(jìn)而引發(fā)重大事故。因此，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工過(guò)程是一個(gè)存在高風(fēng)險(xiǎn)的行業(yè)，施工安全、效率問(wèn)題仍是世界性的重大技術(shù)難題。此外，盾構(gòu)機(jī)是一個(gè)復(fù)雜、龐大的重型工程機(jī)械，它集機(jī)、電、液、控制、信息技術(shù)于一體，其高效率、低傷害的施工特點(diǎn)引起了國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者的研究興趣，但其復(fù)雜性給學(xué)習(xí)和研究帶來(lái)一定的困難。

鑒于此，研究和應(yīng)用基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)基于 Web3D的盾構(gòu)機(jī)交互虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真虛擬環(huán)境，將盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、裝配與拆卸、運(yùn)動(dòng)過(guò)程和施工原理等進(jìn)行三維真實(shí)感模擬，無(wú)安全隱患?；诰W(wǎng)絡(luò)環(huán)境不受時(shí)空限制，用戶通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)從各個(gè)角度觀察、體驗(yàn)盾構(gòu)機(jī)的不同特性，使用戶更好地了解盾構(gòu)機(jī)，從而增強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)與用戶之間的溝通能力，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力 。

1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理簡(jiǎn)介

論文以土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)為研究和構(gòu)建對(duì)象。土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)沒(méi)有分離裝置，施工時(shí)的覆土層可以相對(duì)較淺。其適用地質(zhì)范圍比擠壓式盾構(gòu)機(jī)廣，掘進(jìn)性能也優(yōu)于擠壓式盾構(gòu)機(jī)。作為一種在地下工程施工中開(kāi)挖軟弱地質(zhì)的專用工程機(jī)械，主要結(jié)構(gòu)包括盾體、刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、推進(jìn)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(jī)掘進(jìn)部分承擔(dān)主要的挖掘任務(wù)，包括切削刀盤(pán)、開(kāi)挖室、承壓隔板、壓縮空氣閘室、推進(jìn)千斤頂、刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)、螺旋輸送機(jī)等。

盾構(gòu)施工的主要原理是圓柱體護(hù)盾沿隧道軸線邊向前推進(jìn)邊對(duì)土壤進(jìn)行挖掘，護(hù)盾對(duì)挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時(shí)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(hù)盾的掩護(hù)下進(jìn)行。盾構(gòu)機(jī)施工主要由穩(wěn)定開(kāi)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(jì)

系統(tǒng)采用服務(wù)器／瀏覽器（B/S）兩層模式，服務(wù)器端存放由VRML[3]及Cult3d[4]編輯生成的虛擬場(chǎng)景和運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)文件（*.co）的HTML頁(yè)面，用戶通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)及控件在虛擬場(chǎng)景中漫游、交互操作虛擬對(duì)象和運(yùn)動(dòng)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(dǎo)航功能等。系統(tǒng)的場(chǎng)景漫游與交互控制利用 VRML完成；盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真等交互利用Cult3D完成；腳本控制利用Javascript實(shí)現(xiàn)HTML與VRML和Cult3D的交互控制。虛擬場(chǎng)景漫游與交互操作使得盾構(gòu)機(jī)的虛擬仿真更具真實(shí)感和沉浸感。VRML與Cult3D通過(guò)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(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬模型的創(chuàng)建與優(yōu)化處理

虛擬場(chǎng)景利用VRML實(shí)現(xiàn)。VRML是一種網(wǎng)絡(luò)三維場(chǎng)景描述性語(yǔ)言，VRML語(yǔ)言使用有向無(wú)循環(huán)圖（TAG）或稱場(chǎng)景圖（SceneGraph）建立三維場(chǎng)景的布局關(guān)系，這種場(chǎng)景圖是由節(jié)點(diǎn)的嵌套或并列使用形成的，其中葉節(jié)點(diǎn)表示具體的三維對(duì)象，非葉節(jié)點(diǎn)用于維護(hù)布局的空間位置關(guān)系。其三維模型的創(chuàng)建可以通過(guò) 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(kāi)發(fā)了一個(gè)VRML可視化編輯工具[5-6]等，但不便于構(gòu)建復(fù)雜場(chǎng)景。此外，可通過(guò)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(fù)雜模型，且效率較高。鑒于模型建造的工作量及復(fù)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(yǔ)法特點(diǎn)優(yōu)化兩種。模型自身優(yōu)化就是利用 3DMax等建模時(shí)將結(jié)構(gòu)分解，盡量采用拉伸或放樣功能生成簡(jiǎn)單幾何形體的組合，然后進(jìn)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(yǔ)法特點(diǎn)和功能優(yōu)化包括：用LOD節(jié)點(diǎn)描述復(fù)雜造型不同細(xì)節(jié)層次的組織關(guān)系，用戶瀏覽時(shí)，根據(jù)遠(yuǎn)近程度自動(dòng)顯示不同的細(xì)節(jié)水平，從而提高場(chǎng)景真實(shí)感和渲染速度；利用inline節(jié)點(diǎn)，將不同VRML文件內(nèi)聯(lián)成復(fù)雜的場(chǎng)景，簡(jiǎn)化了復(fù)雜場(chǎng)景的維護(hù)和編輯工作；使用DEF/USE機(jī)制減少代碼的重復(fù)編寫(xiě)，且可達(dá)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(wú)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(dá)到80%，而不影響場(chǎng)景渲染效果。

盾構(gòu)機(jī)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(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)、干涉檢查等。虛擬裝配是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，其研究大致分兩個(gè)方面：

1） 采用裝配過(guò)程可視化手段和干涉檢查工具，直觀展示產(chǎn)品裝配過(guò)程中零部件的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和相對(duì)位置，以檢驗(yàn)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(jì)的裝配體，用戶通過(guò)添加約束定位來(lái)裝配零部件，通過(guò)干涉檢查檢查產(chǎn)品是否存在干涉。之后通過(guò)Solidworks的MotionManager設(shè)計(jì)裝配體的拆裝動(dòng)畫(huà)和運(yùn)動(dòng)仿真，拆裝動(dòng)畫(huà)和運(yùn)動(dòng)仿真只能保存為AVI格式的文件，無(wú)交互功能，不便于用戶的控制。

2） 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真。使操作人員具有身臨其境的感覺(jué)，并能通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感知產(chǎn)品的裝配過(guò)程和運(yùn)動(dòng)效果。本系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)的 Web3D技術(shù)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)簡(jiǎn)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(jì)和處理中注意如下：將Solidworks設(shè)計(jì)的裝配體模型導(dǎo)出為STL格式文件，導(dǎo)入 3Dmax中編輯材質(zhì)、添加光源、攝像頭等，并根據(jù)動(dòng)態(tài)交互的需求合理分組。然后將模型導(dǎo)出為C3D格式文件(Cult3D模型文件)。此外，根據(jù)動(dòng)態(tài)交互效果要求，如縮放操作時(shí)縮放中心的位置，旋轉(zhuǎn)操作時(shí)轉(zhuǎn)軸的位置等，在3DMax中需調(diào)整軸點(diǎn)的位置。方法是通過(guò)3DMax命令“層次”/“軸點(diǎn)”，選擇“僅影響軸”選項(xiàng)，通過(guò)“對(duì)齊”、“移動(dòng)”、“旋轉(zhuǎn)”等方法，將軸點(diǎn)調(diào)整到合適的位置。

2.2 虛擬場(chǎng)景漫游與交互設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

VRML中的交互行為通過(guò)事件體系實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)邏輯控制，必須通過(guò)腳本節(jié)點(diǎn)Script編程實(shí)現(xiàn)，如Java、JavaScript等。系統(tǒng)利用JavaScript腳本語(yǔ)言實(shí)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(guò)外部編程接口EAI進(jìn)行交互。EAI是指將VRML嵌入到HTML頁(yè)面后，通過(guò)外部按鈕等控件方式控制VRML場(chǎng)景中的虛擬對(duì)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(duì)象，方法是通過(guò)Scene.Engine獲取VRML對(duì)象，通過(guò)Nodes獲取由DEF定義的節(jié)點(diǎn)，然后可以對(duì)該節(jié)點(diǎn)的exposedField域進(jìn)行編輯和修改，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的外部控制。系統(tǒng)主界面如圖2所示，分兩個(gè)框架。上方顯示 VRML場(chǎng)景，下方是交互控制區(qū)，通過(guò)下拉列表選擇瀏覽位置進(jìn)行導(dǎo)航，當(dāng)前視點(diǎn)的信息顯示在視點(diǎn)文本框，用戶也可以設(shè)置視點(diǎn)。

圖2 虛擬場(chǎng)景漫游主界面

2.3 虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真的設(shè)計(jì)

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

虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)采用 HTML內(nèi)嵌Cult3d動(dòng)態(tài)文件的方式實(shí)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(jī)技術(shù)介紹等。系統(tǒng)通過(guò)頂部導(dǎo)航選擇相應(yīng)項(xiàng)目，左側(cè)窗口提示操作步驟，右側(cè)窗口顯示 Cult3D動(dòng)態(tài)文件。 虛擬裝配主要通過(guò)Cult3d中的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等動(dòng)作完成，通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊或鍵盤(pán)操作進(jìn)行交互。其效果如圖3所示。運(yùn)動(dòng)仿真除了移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等動(dòng)作外，為了模擬開(kāi)挖效果，采用粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，如圖4所示，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)開(kāi)始挖掘，調(diào)整好的粒子系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)射，用來(lái)模擬實(shí)際挖掘過(guò)程，同時(shí)螺旋輸送機(jī)將挖掘下來(lái)的泥土通過(guò)末端出土口輸送到傳輸帶上，傳輸帶將泥土通過(guò)小車運(yùn)輸出去。圖5顯示刀盤(pán)推進(jìn)后，管片拼裝機(jī)拼裝管片的過(guò)程。

圖3 盾構(gòu)機(jī)虛擬裝配

圖4 粒子模擬盾構(gòu)機(jī)施工之開(kāi)挖

圖5 盾構(gòu)機(jī)施工之管片拼裝

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理的分析，利用VRML、Cult3D實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的盾構(gòu)機(jī)虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)，利用腳本實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景和對(duì)象的交互操作和控制，具有良好的導(dǎo)航和交互性能，用戶可以多角度任意方位查看虛擬對(duì)象，不受時(shí)空限制，克服了盾構(gòu)機(jī)在施工過(guò)程中存在安全隱患等不足，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的學(xué)習(xí)和研究提供了良好平臺(tái)，有很好的實(shí)用價(jià)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(shí)模型創(chuàng)建工具[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 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(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006, 18(2): 387-390.