王云飛 許 勇 張永輝

1. 上海市機械施工集團有限公司 上海 200072；2. 上海市建筑工程學校 上海 200241

1 概述

隨著社會經(jīng)濟和城市建設的快速發(fā)展，城市地下空間開發(fā)的施工任務日益繁重，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法施工、城市地下立交的矩形通道施工等，地下隧道掘進機的使用越來越廣泛，因此迫切需要加強地下隧道掘進機施工技術、安全知識和操作技能的教育培訓，包括中高等院校地下施工專業(yè)的教學實訓、企業(yè)新進員工的培訓和已有員工的再培訓[1-3]。

地下隧道掘進機技術培訓特別是操作技能的培訓，是一門實踐性很強的課程，只通過文字教材、圖紙、照片等進行教學表達是不夠的，還需要直觀演示和上機訓練?？紤]到隧道掘進機造價昂貴、任務繁忙，以及施工安全，不宜以真實的機器在真實的施工環(huán)境中對學員進行教學、培訓。因此需要發(fā)明一種采用計算機虛擬現(xiàn)實和圖形仿真技術的教學系統(tǒng)，以形象地演示地下隧道掘進施工，讓學員能夠像操作真機器一樣進行操作訓練，其教學效果可以達到或接近真實的隧道掘進機，以提高目前地下空間施工技術、機械掌控技術的教學培訓水平。目前，國內(nèi)外尚未見基于計算機仿真的隧道掘進機教學系統(tǒng)的報道和案例，需要進行開拓性的研究和創(chuàng)新。為此，上海市機械施工有限公司聯(lián)合上海市建筑工程學校、上海建峰職業(yè)技術學院、威英軟件（上海）有限公司等單位，聯(lián)合研發(fā)了地下隧道掘進機仿真系統(tǒng)，并已投入教學應用。本文簡介了該系統(tǒng)，以及其研究成果和應用情況。

2 基本原理

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

仿真機的機械模型，可以是基本結構與真實機相似的實體模型，也可以是計算機數(shù)字模型[4]。采用實體模型的，由于環(huán)境、成本、實施條件的限制，可以簡化、省略部分機構或裝置，即使不簡化、不省略的機構或裝置，有的動作或功能也不能實際運行，例如排土、注漿等，因此還有不少機構、裝置、動作、功能要由計算機數(shù)字模型來仿真，也就是說需要數(shù)字模型配合彌補。

仿真機的對象模型，則應由計算機數(shù)字模型來構建，通過仿真運算，對控制系統(tǒng)發(fā)出的掘進機動作指令做出響應，將運算得出的狀態(tài)信息和數(shù)量信息反饋給控制系統(tǒng)。

3 技術方案

仿真系統(tǒng)按其機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。組合仿真是機械模型采用實體模型，對象模型采用數(shù)字模型；全仿真是機械模型和對象模型都采用數(shù)字模型。

這2 種仿真各有特點和長處，前者可以進行機械、液壓、電氣等硬件知識以及設備的安裝、調(diào)試、維護技術的教學，但制造、維護成本較高，后者成本較低，但教學的直接性、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)展隧道掘進機械的仿真科學技術，并滿足教學培訓的多種需要，本課題同時研究組合仿真和全仿真這2 種技術，并形成如下技術路線。

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

（b）控制系統(tǒng)采用與真實機一致的PLC技術[5]?？刂葡到y(tǒng)的作用與真實機基本一致，但控制范圍更大，不僅控制主機，還要控制所有其他輔助設備、輔助設施，實施一體化的安全管制，例如各運動機構的邊界限位、緊急情況下的全場急停等?？刂葡到y(tǒng)除了具備真實機功能外，還根據(jù)教學需要增設一些輔助功能，例如掘進機、管片拼裝機等運動設備的初始化定位、管片拼裝的控制等。

（c）實體模型模仿真實機按比例縮小設計制作，盾殼直徑宜為2 m左右，以適合在室內(nèi)安裝運行。實體模型應具有真實機的主要設備和裝置，其中部分比較復雜且教學作用較小的可以簡化或省略，交由計算機仿真實現(xiàn)。

（d）數(shù)字模型模仿真實機按比例設計構建，結構的細分按需要單獨展示、單獨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)仿真的效果應與真實機、真實對象近似。圖形仿真的逼真程度按教學需要和成本控制的綜合平衡原則確定。

（e）數(shù)字模型的運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，一是對實體機械模型的彌補，二是擔任對象模型；對于全仿真，虛擬系統(tǒng)的作用，一是擔任機械模型，二是擔任對象模型。

（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)的構架，提供掘進機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，通過虛擬運算進行動態(tài)仿真，模仿掘進機和施工對象，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時動畫。

（g）虛擬處理器和圖形仿真器均采用PC計算機。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，實現(xiàn)多終端遠程異地應用。

（h）圖形仿真器除了實時響應虛擬處理器以外，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，使屏幕上的掘進機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在臺式或便攜式計算機上使用，以方便課堂講學、異地應用。

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

4 總體結構

研究設計了2 種掘進機仿真系統(tǒng)總體結構。

第一種是實體模型和數(shù)字模型組合仿真機，由控制系統(tǒng)、實體模型、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機為原型研發(fā)。

第二種是數(shù)字模型全仿真機，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備矩形隧道掘進機為原型研發(fā)。

組合仿真機的控制系統(tǒng)包括控制臺，以及實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。全仿真機由于沒有實體模型，因此控制系統(tǒng)只含控制臺。

控制臺主機采用OMRON-PLC可編程控制器，實體模型的液壓、電氣控制也采用PLC可編程控制器?？刂婆_PLC與實體模型PLC之間以ControllerLink通訊連接。

虛擬處理器采用PC計算機，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，實現(xiàn)多終端遠程異地應用。圖形仿真器可以脫離虛擬處理器獨立運行，用于歷史過程數(shù)據(jù)的回放、重現(xiàn)，以及掘進機基本動作和功能的操作演示，便于課堂講學、移動展覽等。

5 研究成果和應用情況

在上述研究的基礎上，創(chuàng)新研制了DKSJ-1土壓平衡盾構教練機和DKSJ-2矩形隧道掘進模擬機，已經(jīng)安裝在上海市建筑工程學校的地下空間施工技術實訓室內(nèi)，用于中高等職業(yè)教育的地下隧道建造技術課程的教學、實訓（圖1、圖2）。

圖1 DKSJ-1土壓平衡盾構教練機

圖2 DKSJ-2矩形隧道掘進模擬機

5.1 DKSJ-1土壓平衡盾構教練機的實施情況

DKSJ-1是由實體模型和數(shù)字模型組合仿真的，實體模型按真實機的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實訓室設置的土壓平衡盾構實訓區(qū)，為占地6 m×12 m的二層區(qū)域。

以該區(qū)域的二樓模擬盾構施工的地面層，一樓模擬盾構施工的地下層。在地面層開設一個5 m×5.2 m的矩形孔作為模擬的盾構施工工作井，井口邊設有自二樓到一樓的鐵制扶梯。

在工作井內(nèi)，布置模擬的盾構機出洞洞門、盾構機發(fā)射架和地鐵車站平臺。盾構機發(fā)射架上依次設有實體模型的主機、管片，地鐵車站平臺上設有反力架、后續(xù)臺車和運輸小車?？刂葡到y(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)域設置了大屏幕投影儀，放置了數(shù)十個座椅，可供教學講課、參觀觀摩等。

5.2 DKSJ-2矩形隧道掘進模擬機實施情況

DKSJ-2矩形隧道掘進模擬機是全數(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實訓室設置了6 m×9 m的矩形隧道掘進機實訓區(qū)，與土壓平衡盾構實訓區(qū)的井上部分相鄰。

在實訓區(qū)布置了控制臺、教師臺、大屏幕投影儀等設備。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。實訓區(qū)后半部的開發(fā)式區(qū)域可以放四五十張座椅，可以進行班級授課，舉行小型技術講座、技術交流等活動。

5.3 應用情況

DKSJ-1、DKSJ-2的教學內(nèi)容包括應知、應會2 部分。

應知教學是通過這些設備的計算機仿真功能，講解、展示隧道掘進機的各部分構造和機電原理，演繹地下隧道掘進施工的工藝流程和控制知識，幫助學生學習地下隧道掘進機的機械構造、動力裝置和控制系統(tǒng)，形象地了解掘進機的功能性能、作業(yè)流程、施工工藝。應會部分是教師上機示范指導，學生上機操作練習，學習掘進機的機電安裝、施工操作、糾偏控制、故障處理等，培養(yǎng)學生的操作技能，增強學生的動手能力。

這些設備技術先進，性能優(yōu)良，投入應用以來運行穩(wěn)定、狀況良好，對于培養(yǎng)知識扎實、動手能力強的地下隧道建造和隧道掘進機操作人員發(fā)揮了較大作用。這些設備還經(jīng)常用于地下隧道掘進技術知識的交流演示、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機結構原理