图说矩形掘进模拟机
DKSJ-2矩形隧道掘进模拟机（以下简称矩形掘进模拟机），由笔者负责总设计和虚拟系统设计，许勇负责控制系统设计，程远程负责电气系统设计，张永辉负责系统实施和教学应用，2012年研制成功，至今已应用7年。今年该机仿真软件进行了版本升级，以适应新的应用要求。现以图片解说该机概况。
1 系统构成
矩形掘进模拟机以TH691矩形隧道掘进机为原型开发，是一套全数字模型的仿真系统，只有计算机和电气装置，没有机械和液压装置，由控制台、虚拟处理器和仿真显示器组成。控制台负责模拟机的总控，虚拟处理器进行掘进机动态仿真，一方面驱动仿真显示器，以仿真模型演绎掘进机施工，另一方面模仿掘进机和施工对象，向控制台反馈施工状态。整套设备类似飞机模拟驾驶器、汽车模拟驾驶器，学员在控制台上“驾驶”模拟机，进行矩形隧道掘进施工的学习和训练。
（矩形掘进模拟机的构成示意图 ▲）
2 系统布置
矩形掘进模拟机在实训室的布置分为三部分：教师区、学员区、大屏幕。
（矩形掘进模拟机实训室，研发人员正在进行模拟机的安装测试 ▲）
（左边的双屏电脑台是教师位置，中间墙上是仿真显示器大屏幕，右边的控制台是学员位置 ▲）
（矩形掘进模拟机的教学场景 ▲）
3 控制台
控制台包括电气柜、操作面板和触摸屏等。
（掘进机驾驶员控制台，竖板的左半部是2台触摸屏，右半部是仿真显示器屏幕；平板上是操作面板 ▲）
（控制台的操作面板 ▲）
（控制台触摸屏的操作画面：掘进控制、运行监控、泵站启停、纠偏操作等，可根据需要切换 ▲）
（控制台触摸屏的操作画面：系统设置、后顶操作、传感数据、异常报警等，可根据需要切换 ▲）
4 虚拟处理器
虚拟处理器用于仿真矩形掘进机的施工对象、施工环境，模拟矩形掘进机的动作效果。虚拟处理器还可以让教师设定施工参数、施工状态，模拟故障、偏差等事件，对学员进行训练和考核。虚拟处理器还承担实训作业管理和系统本身的管理等职能。
虚拟处理器的后台功能：数据通讯、动态仿真；前台功能：参数设置、在线模拟、事件模拟、偏差模拟、运行监视、作业管理、系统管理等。
（教师工作台上的仿真系统界面，右面是虚拟处理器的屏幕，左面是仿真显示器的屏幕 ▲）
（虚拟处理器的主页，页面顶行是工具栏，功能按钮自左至右分别为：开始新作业、重启作业、恢复作业、终止作业、运行显示、参数设置表、在线模拟器、事件模拟器、偏差模拟器、教学要求设置、教学信息查询、作业记录管理、数据导出与导入、系统维护、数据备份与恢复、查看帮助、退出系统 ▲）
（在线模拟器页面，用于设置矩形掘进机动作的响应因子，模拟各类传感器数据 ▲）
（左面是偏差模拟器，用于模拟施工偏差，右面是事件模拟器，用于模拟设备故障 ▲）
（左面是参数设置表，用于改变设备参数和环境参数，右上是作业登记表，用于实训的作业管理，右下是数据导入导出操作窗口 ▲）
（矩形掘进机运行信息显示：系统状况，主要供教师使用 ▲）
（矩形掘进机运行信息显示：刀盘切削，主要供教师使用 ▲）
（矩形掘进机运行信息显示：螺旋排土，主要供教师使用 ▲）
（矩形掘进机运行信息显示：铰接纠偏&其他，主要供教师使用 ▲）
（矩形掘进机运行信息显示：后顶推进，主要供教师使用 ▲）
5 仿真显示器
以仿真模型演绎矩形掘进机的运行，提供模式设置、场景切换、视图定制、镜头操控，以及操作者与掘进机的交互等。
5.1 矩形掘进机仿真模型
矩形掘进机仿真模型，用于演绎矩形掘进机的结构、外形以及掘进动作，主要有盾壳、刀盘掘进系统、铰接纠偏系统、螺旋排土系统、后顶推进系统等。
（掘进机主机建模，图示的主要部件是刀盘及其驱动马达、铰接纠偏油缸、螺旋输送机、排土泵等，盾壳透视处理 ▲）
（掘进机主机建模，图示的主要部件是刀盘及其驱动马达、铰接纠偏油缸、螺旋输送机、排土泵等，盾壳透视处理 ▲）
（盾壳和刀盘 ▲）
（掘进机刀盘仰视 ▲）
（盾壳铰接环和铰接油缸 ▲）
（盾壳内部和螺旋输送机 ▲）
（由螺旋输送机和排土泵等组成的排土系统 ▲）
（掘进机排土系统的侧视图 ▲）
（由顶推油缸、顶铁、发射架和反力架组成的后顶推进系统 ▲）
5.2 施工场景仿真模型
施工场景仿真模型. 用于仿真施工现场、始发井、地下掘进土体、接收井，以及地面辅助施工机械等。
（某工程施工场景：穿过马路下方的地下矩形通道工程，矩形掘进机在始发井下，即将出发、出洞，接收井在马路对面的院子里 ▲）
（俯瞰掘进机始发井，掘进机正在出洞，地面起重机正在吊运矩形管节 ▲）
（掘进机进入隧道时的土体场景 ▲）
（掘进机组装车间场景，此场景用于对掘进机进行解体或组装，了解掘进机的构成 ▲）
5.3 仿真显示器的人机界面
仿真显示器的人机界面，具有模式设置、性能设置、系统状态或作业信息提示、场景切换、镜头定位、镜头漫游、视图制作、视图选择、显示效果设置、镜头自动巡视、作业回放管理、 数据管理器等功能。
（仿真显示器的主页，页面上正打开着众多的设置框。主页的底行是工具栏，功能按钮自左至右分别为：视图信息刷新、运行性能设置、系统状态板开关、数字仪表板开关、回放管理器开关、镜头定位板开关、场景切换、列表框选视图、多画面选视图、上一视图、下一视图、最近动作视图、动作视图设置、拍照做视图、进入手动漫游模式、3D显示效果设置板开关、镜头巡视器开关、数据管理器开关、作业者信息板开关、帮助、退出 ▲）
（运行性能设置画面 ▲）
（使用镜头定位板，调整观察的方位和角度 ▲）
（以列表方式，选择已有的视图 ▲）
（以四分屏方式，选择已有的视图 ▲）
（以九分屏方式，选择已有的视图 ▲）
（自行定义动作视图 ▲）
（设置特殊的3D显示效果，单独显示刀盘及其驱动装置 ▲）
（将盾壳剖去一半，观看盾壳内的构造情景 ▲）
（采用单独显示、螺管透明等方法，展示螺旋输送机、排土泵等 ▲）
（设置施工环境隐藏，使工作井里的矩形掘进机清晰可见 ▲）
（隐藏工作井的侧壁，观察矩形掘进机 ▲）
（隐藏工作井的右侧壁、前壁和土体，观察矩形掘进机的始发动作 ▲）
（用于单元调试的演示操作板，可以在离线状态下运转掘进机各个运动部件 ▲）
（应用演示操作板，演绎掘进机主要施工流程 ▲）
（选择巡视路线，采用镜头巡视技术对施工进行多方位浏览 ▲）
（巡视中的景观：地面起重机将矩形管节吊下始发井 ▲）
（巡视中的景观：矩形管节吊下始发井就位 ▲）
（巡视中的景观：矩形管节就位后，后顶系统顶推管节和掘进机前进。为便于观察，隐去工作井侧壁、前壁和土体。 ▲）
（应用镜头巡视功能，浏览掘进机施工场景 ▲）
附注：