一种盾构机协同操作虚拟训练系统及方法与流程

本发明属于机械装备技术领域，尤其涉及一种盾构机协同操作虚拟训练系统及训练方法，可用于多工位盾构机操作人员的虚拟培训。

背景技术：

随着国家基础建设的持续发展，隧道工程越来越多，盾构法施工在铁路行业逐渐推广，例如狮子洋隧道、北京直径线、中天山隧道、长株潭、珠三角等城际铁路隧道施工均采用盾构法。据统计，我国目前共有三十多个城市正在进行轨道交通前期规划、设计、筹备和建设等工作。今后10年间将建设各类盾构法隧道5000余公里，因此盾构机将会得到广泛的应用。

近年来随着城市规模的快速发展，城市交通越发需要改善，地下交通作为一种新兴的交通方式越来越受到人们的欢迎。伴随着地下交通工程的修建，众多地下施工方法被采纳运用，在这其中，盾构法施工无疑是是较为安全和成熟的一种施工方法。

为了保障对建设质量以及人员和设备的安全，在隧道开工前必须对盾构机主司机进行专业培训。但是盾构机操作过于复杂，需要多人协同操作完成，且盾构机工作环境复杂多变，无法准确的实时模拟盾构机的工作场景，采用真实的盾构机培训成本大且危险系数高，因此需要采用虚拟培训的方法实时模拟盾构机运动，以降低安全风险。例如颜康等在其发表的论文“基于半物理仿真的盾构机临境化虚拟训练系统”(《山东交通学院学报》2014，22(4)：77-81)，公开了一种半物理仿真的方法，实现了单用户在特定环境下的虚拟培训操作，用户可以通过在人机界而上进行盾构机的模拟训练，并可以临境化的进入盾构机内部，以不同角度查看虚拟训练的效果。但是该系统存在的不足之处是：该系统虚拟训练每次只针对一个盾构机司机，没有解决多工位下多人协同操作培训的问题，且该系统为培训提供的数据单一，不能满足不同地质环境下的盾构机培训操作，也不能对盾构机的关键操作过程即纠偏操作过程给出建议。

盾构机虚拟操作最主要的是要解决多人协同操作以提高培训人员应对复杂情况的能力。例如授权公告号为CN 102768518 B，名称为“多无人机平台协同控制系统”的中国专利，公开了一种多无人机平台协同控制系统，包括任务分配模块，根据无人机总协同任务以及每一个无人机的参数设置生成每一个无人机的具体任务；协同控制模块，用于根据具体任务生成相应的语义层控制指令。但是该装置存在的不足之处是：该系统中的协同控制是保证能够多人共同操作，并没有解决多人协同操作过程中出现的操作冲突。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种盾构机协同操作虚拟训练系统及训练方法，用于解决现有训练系统中存在的不能对指令数据并发控制所造成的培训效果差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种盾构机协同操作虚拟训练系统，包括传感器、数据服务器和系统服务器；所述传感器，用于实时采集盾构机相关数据：盾构机工作数据、地质数据和地面数据，所述数据服务器，用于存储采集的盾构机相关数据，所述系统服务器，包括数据提取模块，用于提取数据服务器中的盾构机相关数据，其特征在于，所述系统服务器还包括虚拟场景构建模块、指令输入模块、指令数据处理模块和系统业务模块，其中：

虚拟场景构建模块，用于构建虚拟训练场景；

指令输入模块，用于传输可编程逻辑控制器的指令数据；

指令数据处理模块，用于对指令数据进行并发处理并传输；

系统业务模块，用于将指令数据传输至虚拟训练场景，实现盾构机虚拟训练操作。

上述的一种盾构机协同操作虚拟训练系统，所述虚拟场景构建模块，包括虚拟模型建立子模块、虚拟工作环境配置子模块和数据加载子模块，其中：

虚拟模型建立子模块，用于根据盾构机设计图纸、传感器采集的盾构机相关数据和三维建模软件，构建盾构机、地面建筑物和户外背景的三维模型；

虚拟工作环境配置子模块，用于将三维模型载入至三维虚拟环境中；

数据加载子模块，用于将传感器采集的地质数据和地面数据赋予虚拟工作环境配置子模块中的三维模型，实现盾构机虚拟训练场景的构建。

上述的一种盾构机协同操作虚拟训练系统，所述指令输入模块，包括外部硬件控制子模块和物理指令输入子模块，其中：

外部硬件控制子模块，用于将和盾构机实际操作面板一致的物理按钮和可编程逻辑控制器相连接；

物理指令输入子模块，用于传输可编程逻辑控制器中的指令数据。

上述的一种盾构机协同操作虚拟训练系统，所述指令数据处理模块，包括数据并发控制子模块和数据传输子模块，其中：

数据并发控制子模块，用于将物理指令输入子模块中输入的指令数据进行并发控制处理；

数据传输子模块，用于传输并发处理后的指令数据。

上述的一种盾构机协同操作虚拟训练系统，所述系统业务模块，包括盾构机操作训练子模块、盾构机操作考核子模块和盾构机操作评价子模块，其中：

盾构机操作训练子模块，用于根据数据传输子模块中的并发处理后的指令数据完成盾构机虚拟训练；

盾构机操作考核子模块，用于对盾构机虚拟训练过程进行打分；

盾构机操作评价子模块，用于对盾构机虚拟训练过程中的轨迹纠偏进行分析和建议。

一种盾构机协同操作虚拟训练方法，包括如下步骤：

1)构建虚拟训练场景：

1a)虚拟模型建立子模块根据盾构机设计图纸和三维建模软件，构建盾构机三维模型并优化；

1b)数据加载子模块从数据服务器中提取出存储的盾构机工作数据：盾构机位置数据W、隧道数据S、地质数据D和建筑物数据J；

1c)数据加载子模块将盾构机工作数据导入三维虚拟环境中的盾构机位置节点、隧道节点、地质节点和建筑物位置节点，实现虚拟场景构建，该虚拟场景包括：交互传感器节点A、位置插补器节点P、方位插补器节点F、色彩节点I和盾构机轨迹数据表B；

2)输入指令数据：外部硬件控制子模块将与真实操作面板一致的按钮和可编程逻辑控制器相连，物理指令输入子模块将可编程逻辑控制器中的指令数据传输至数据并发控制子模块中，实现指令数据的输入；

3)数据处理：

3a)数据并发控制子模块将盾构机实际协同操作过程中不能同时进行的两个指令标记为冲突并得到四个冲突，其中四个冲突为：管片拼装开始指令和掘进开始指令、掘进开始指令和后配套设备退回指令、掘进开始指令和液压系统关闭指令、掘进开始指令和停止皮带输送机指令；

3b)数据并发控制子模块将盾构机实际协同操作过程中不同的协同操作人员的操作指令赋予不同的权重值并得到四个权重值，其中四个权重值为：主操作司机指令权重值为1，管片拼装操作指令权重值为2，电气和液压系统操作指令权重值为3，维保人员操作指令权重值为4；

3c)数据并发控制子模块判断步骤2)中的指令数据在同一时刻，是否有两个或者两个以上的指令数据，若是，则存在并发，执行步骤3d)，否则，直接将指令数据传输至虚拟训练场景中；

3d)数据并发控制子模块判断任意两个指令数据之间是否存在冲突，若是，权重值高的指令数据优先传输至虚拟训练场景中，权重值低的指令数据不传输，否则，根据指令数据权重值大小依次新建线程将指令数据传输至虚拟训练场景中，完成指令数据的并发控制处理；

4)虚拟培训实现：

4a)盾构机操作训练子模块将并发处理后的指令数据导入虚拟训练场景中，实现指令数据的输入；

4b)盾构机三维模型根据并发处理后的指令数据完成虚拟训练；

4c)盾构机操作考核子模块将方位插补器节点F和位置插补器节点P中的数据与盾构机轨迹数据表B中的数据做比较，差异值越大，得分越低，并将分数传输至色彩节点I显示出来，完成盾构机虚拟训练打分；

4d)盾构机操作评价子模块对盾构机的虚拟训练过程中的轨迹纠偏进行差异分析，得到分析结果并给出建议。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于采用和真实盾构机操作面板一致的操作按钮，提高了虚拟训练效果的真实性。

2.本发明由于采用实时盾构机相关数据建立盾构机与工作场景的三维模型，使培训环境复杂多变，更符合实际工作情况，实现了不同地质环境下的盾构虚拟训练。

3.本发明由于采用并发控制技术，可以准确实现多工位协同训练，解决了协同操作过程中的冲突问题，提升了训练人员协同操作能力。

4.本发明由于采用标准纠偏曲线做差异分析，可以对训练人员的虚拟训练过程进行分析并给出建议，提升训练人员的学习效率。

附图说明

图1是本发明的一种盾构协同操作虚拟训练系统的结构示意图；

图2是本发明的一种盾构协同操作虚拟训练方法的实现流程框图；

图3是本发明方法中实现数据处理的子流程图；

图4是本发明方法中实现虚拟训练的子流程图；

图5是本发明方法中差异分析时盾构机三维模型在虚拟仿真环境中所处位置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述：

参照图1，一种盾构机协同操作虚拟训练系统，包括传感器1、数据服务器2和系统服务器3；所述传感器1，用于实时采集盾构机相关数据：盾构机工作数据、地质数据和地面数据，所述数据服务器2，用于存储采集的盾构机相关数据，所述系统服务器3，包括数据提取模块31，用于提取数据服务器2中的盾构机相关数据。

所述的系统服务器3还包括虚拟场景构建模块32、指令输入模块33、指令数据处理模块34和系统业务模块35。该虚拟场景构建模块32根据传感器1采集的盾构机相关数据和商用软件PROE建立的盾构机三维虚拟模型完成虚拟场景的构建；该指令输入模块33用于传输可编程逻辑控制器中的操作指令数据，该可编程逻辑控制器的型号选用西门子S7-1200；该指令数据处理模块34，用于将接收到的指令数据进行并发控制处理并传输；该系统业务模块35，用于将并发控制处理后的指令数据和虚拟场景构建模块32中的盾构机三维模型进行结合，实现盾构机虚拟培训操作。

虚拟场景构建模块32包括虚拟模型建立子模块321、虚拟工作环境配置子模块322和数据加载子模块323，该虚拟模型建立子模块321用于根据盾构机CAD图纸、传感器1采集的盾构机相关数据和商用PROE软件，构建盾构机、地面建筑物和户外背景的三维模型；该虚拟工作环境配置子模块322，用于将三维模型载入Unity3D虚拟工作环境中；该数据加载子模块323，用于将传感器1采集的地质数据和地面数据赋予虚拟工作环境配置子模块322中的三维模型，实现盾构机虚拟训练场景的构建。

指令输入模块33包括外部硬件控制子模块331和物理指令输入子模块332，该外部硬件控制子模块331，用于将和盾构机实际操作面板一致的物理按钮和西门子S7-1200可编程逻辑控制器相连接；该物理指令输入子模块332，用于传输西门子S7-1200可编程逻辑控制器中的指令数据。

数据处理模块34，包括数据并发控制子模块341和数据传输子模块342，该数据并发控制子模块341，用于将协同操作过程中指令输入模块332的指令数据进行并发控制处理；该数据传输子模块32，用于传输经过并发控制处理后的指令数据。

系统业务模块35包括盾构机操作训练子模块351、盾构机操作考核子模块352和盾构机操作评价子模块353，该盾构机操作训练子模块351，用于根据数据处理模块342中的经过并发处理后指令数据传入盾构机虚拟场景中，完成虚拟训练盾构机的操作过程；该盾构机操作考核子模块352，用于对盾构机虚拟训练过程进行打分；该盾构机操作评价子模块353，用于对盾构机虚拟训练过程中的轨迹纠偏进行分析和建议。

参照图2，一种盾构机协同操作虚拟训练方法，包括如下步骤：

步骤1，构建虚拟训练场景。

步骤1a，虚拟模型建立子模块根据传感器采集的盾构机相关数据、盾构机CAD图纸和商用PROE软件，构建盾构机三维模型并优化，CAD图纸包括盾构机图纸、建筑物图纸和地质信息图纸；

步骤1b，数据加载子模块从数据服务器中提取出存储的盾构机工作数据：盾构机位置数据W、隧道数据S、地质数据D和建筑物数据J；

步骤1c，数据加载子模块将盾构机工作数据导入Unity3D构建的三维虚拟环境中的盾构机位置节点、隧道节点、地质节点和建筑物位置节点，实现虚拟场景构建，该虚拟场景包括：交互传感器节点A、位置插补器节点P、方位插补器节点F、色彩节点I和盾构机轨迹数据表B。

步骤2，输入指令数据：外部硬件控制子模块将与真实操作面板一致的按钮和西门子S7-1200型号的可编程逻辑控制器相连，物理指令输入子模块将可编程逻辑控制器中的指令数据经过RS232通讯模组串口输出至PC端的并发控制子模块中，实现指令数据的输入。

步骤3，数据处理。

参照图3，本发明方法中实现数据处理的步骤为：

步骤3a，数据并发控制子模块将盾构机实际协同操作过程中不能同时进行的两个指令标记为冲突并得到四个冲突，其中四个冲突为：管片拼装开始指令和掘进开始指令、掘进开始指令和后配套设备退回指令、掘进开始指令和液压系统关闭指令、掘进开始指令和停止皮带输送机指令；

步骤3b，数据并发控制子模块将盾构机实际协同操作过程中不同的协同操作人员的操作指令赋予不同的权重值并得到四个权重值，其中四个权重值为：主操作司机指令权重值为1，管片拼装操作指令权重值为2，电气和液压系统操作指令权重值为3，维保人员操作指令权重值为4；

步骤3c，数据并发控制子模块判断步骤2中的指令数据在同一时刻，是否有两个或者两个以上的指令数据，若是，则存在并发，执行步骤3d)，否则，直接将指令数据传输至虚拟训练场景中；

步骤3d，数据并发控制子模块根据步骤3a判断任意两个指令数据之间是否存在冲突，若是，权重值高的指令数据优先传输至虚拟训练场景中，权重值低的指令数据不传输，否则，根据指令数据权重值大小依次新建线程将指令数据传输至虚拟训练场景中，完成指令数据的并发控制处理。

步骤4，虚拟培训实现。

步骤4a，盾构机操作训练子模块将并发处理后的指令数据导入虚拟训练场景中，实现指令数据的输入；

步骤4b，盾构机三维模型根据并发处理后的指令数据完成虚拟训练，其训练流程参照图4：

步骤4b1，盾构机操作训练子模块将并发处理后的指令数据传输至Unity3D构建的三维虚拟环境中的交互传感器节点A，交互传感器节点A被激活后开始启动，并将并发处理后的指令数据传输至方位插补器节点F和位置插补器节点P；

步骤4b2，方位插补器节点F和位置插补器节点P根据并发处理后的指令数据改变节点数据并做出相应的动作，完成盾构机的虚拟操作训练；

步骤4c，盾构机操作考核子模块将方位插补器节点F中的盾构机三维模型的俯仰角和位置插补器节点P中的盾构机三维模型的坐标值与盾构机轨迹数据表B中的盾构机标准方向和位置数据做比较，对于位置数据，满分50分，盾构机三维模型的位置点和盾构机轨迹数据表B中的标准位置点距离大于1cm，得0分，距离每降低0.2cm，加10分，对于方向数据，满分50分，盾构机三维模型的方向和盾构机轨迹数据表B中的标准方向之差大于1°，得0分，距离每降低0.2°，加10分，将得到的总分传输至虚拟环境中的色彩节点I显示，完成盾构机虚拟训练打分；

步骤4d，盾构机操作评价子模块对盾构机的虚拟训练过程中的轨迹纠偏进行差异分析，得到分析结果并给出建议，实现步骤为：

步骤4d1，盾构机操作评价子模块采用三次曲线设计标准纠偏轨迹g(x)＝ax³+bx²+cx+d，其中，a、b、c和d均为常系数，x为盾构机三维模型在虚拟训练环境中的横坐标值；

步骤4d2，盾构机三维模型在虚拟仿真环境中所处位置的示意图参照图5，盾构机操作评价子模块根据盾构机三维模型AB在虚拟训练环境中返回设计轴线上的点D(m,0)，纠偏点B(0,l)和AB与ED的夹角即为仰角θ，得到表达式如下：

解得：

a＝m²tanθ-2ml，b＝m²l，c＝tanθ，d＝l；

步骤4d3，盾构机操作评价子模块将虚拟训练的纠偏轨迹和标准纠偏轨迹进行差值计算，差值越大，纠偏效果越不好，建议虚拟训练人员将盾构机三维模型的方向朝着差值减小的方向掘进。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。