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?？紤]到隧道掘進(jìn)機(jī)造價昂貴、任務(wù)繁忙，以及施工安全，不宜以真實的機(jī)器在真實的施工環(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機(jī)。但在內(nèi)部電路、輸入輸出接口上與真實機(jī)有所區(qū)別，因為其驅(qū)動的是模型系統(tǒng)，而非真實的機(jī)械系統(tǒng)；其接收的反饋信息是模型系統(tǒng)的，而非來自真實的掘進(jìn)機(jī)和施工對象?？刂葡到y(tǒng)還需要增加一些真實機(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)與真實機(jī)相似的實體模型，也可以是計算機(jī)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(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(jī)一致的PLC技術(shù)[5]?？刂葡到y(tǒng)的作用與真實機(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?？刂葡到y(tǒng)除了具備真實機(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）實體模型模仿真實機(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。實體模型應(yīng)具有真實機(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)仿真實現(xiàn)。

（d）數(shù)字模型模仿真實機(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)與真實機(jī)、真實對象近似。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時動畫。

（g）虛擬處理器和圖形仿真器均采用PC計算機(jī)?？刂葡到y(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(yuǎn)程異地應(yīng)用。

（h）圖形仿真器除了實時響應(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)。

第一種是實體模型和數(shù)字模型組合仿真機(jī)，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(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(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(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)實訓(xùn)室設(shè)置的土壓平衡盾構(gòu)實訓(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?？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(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)實訓(xùn)室設(shè)置了6 m×9 m的矩形隧道掘進(jìn)機(jī)實訓(xùn)區(qū)，與土壓平衡盾構(gòu)實訓(xùn)區(qū)的井上部分相鄰。

在實訓(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?？刂婆_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(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、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