图说土压盾构教练机
DKSJ-1土压平衡盾构教练机（以下简称盾构教练机），由笔者负责总设计和虚拟系统设计，陈建民负责机械系统设计，许勇负责控制系统设计，程远程负责电气设计，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
盾构教练机以TM6340土压平衡盾构机为原型开发，由机械系统、控制系统和虚拟系统构成。其机械系统是以1：3的比例按真实机缩小制作的实体模型机，控制系统包括控制台和井下控制柜，与真实机基本一致，可以像操控真实机一样操控模型机，虚拟系统包括虚拟处理器和仿真显示器，用于掘进机施工对象和施工环境的仿真。
（土压盾构教练机的构成示意图 ▲）
2 系统布置
盾构教练机在实训室的布置分为四部分：盾构工作井、教师区、学员区、大屏幕。
（盾构教练机实训室 ▲）
（左边控制台是学员位置，中间双屏电脑台是教师位置，右边是仿真显示器大屏幕 ▲）
（学员位置的左边是模拟盾构工作井，井下是实体模型机 ▲）
3 实体模型机
实体模型机具有真实机的主要部件，省略了部分部件，省略件由虚拟系统仿真。模型机还有部分增设的部件，以满足教育实训的需要。
真实件：主机、后续台车、辅助设备、辅助设施等。
省略件：超挖刀、出土闸门、渣土输送机、同步注浆、添加剂注入、油脂注入等；
增设件：盾壳观察窗、螺旋机观察窗、盾构机推进后的复位装置、注浆注水的光电演示器、轴线测量支架等。
3.1 主机
主机包括：盾壳、刀盘及其驱动装置、螺旋输送机、管片拼装机、推进油缸，以及盾尾油脂、同步注浆、注水等管道。
（工作井里的盾构实体模型机 ▲）
（左边是盾构大刀盘，右边是开有观察窗的盾壳，左边窗里是灰色的刀盘电动机，中间窗里黄色的是推进油缸，右边窗里是钢制的半管片，即隧道起始管片 ▲）
（带有马达的圆筒状的螺旋输送机，通过观察窗可见其转动的螺杆 ▲）
（隧道管片拼装机，结构比真实机有所简化，但功能不减 ▲）
3.2 后续台车
后续台车包括：台车、皮带输送机、双梁行车、单梁行车、液压泵站、电气柜。
（黄色的模拟盾构台车及动力装置 ▲）
（俯看盾构模型机，左边有承接螺旋输送机排出泥土的皮带输送机 ▲）
（左边是台车上的单梁行车，右边是连接主机与台车的双梁及行车。此处行车就是电动葫芦 ▲）
（台车上的液压泵站，为盾构推进油缸等提供动力 ▲）
3.3 辅助设备
辅助设备主要是运输小车和工作井行车。
（运进管片、运出泥土的轨道运输小车 ▲）
（隧道管片运输。管片就位后，由单梁行车、双梁行车接力送给管片拼装机，安装在隧道壁 ▲）
（工作井行车，主要用于盾构机安装及其他起重用途 ▲）
3.4 辅助设施
辅助设施包括盾构机发射架、台车平台及基础、反力系统、洞门、工作井，以及轴线测量支架、激光靶标等。
（工作井里的盾构机发射架、台车平台 ▲）
（盾构机反力系统 ▲）
（盾构推进轴线的测量支架和测量仪器 ▲）
4 控制系统
控制系统包括井下控制柜、控制台，以及各类液压、电气驱动电路和传感检测电路。
4.1 井下控制柜
井下控制柜包括电气柜、变频器柜、控制面板、管片拼装机手持操作板、运输小车手持操作板等。
（位于盾构第一节台车的井下控制柜 ▲）
4.2 控制台
控制台包括电气柜、操作面板和触摸屏等。
（盾构驾驶员控制台，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。注：真实机的控制台位于盾构第一节台车的驾驶室里 ▲）
（控制台触摸屏的操作画面：运转画面、测量画面、泵站画面、推进画面等，可根据需要切换 ▲）
（控制台触摸屏的操作画面：超挖刀画面、盾尾油脂画面、土压参数设定、其他设定画面等，可根据需要切换 ▲）
5 虚拟处理器
虚拟处理器用于仿真盾构机的施工对象、施工环境，模拟盾构机的动作效果，特别是模型机省略、简化的部件。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，用于设置盾构机动作的响应因子，模拟各类传感器数据 ▲）
（左面是参数设置表，用于改变设备参数和环境参数，右面是事件模拟器，用于模拟设备故障 ▲）
（左面是作业登记表，用于实训的作业管理，右面是偏差模拟器，用于模拟施工偏差 ▲）
（盾构机运行信息显示：刀盘切削/螺旋排土/推进系统画面，主要供教师使用 ▲）
（盾构机运行信息显示：盾尾油脂/同步注浆/注泥注水画面，主要供教师使用 ▲）
（盾构机运行信息显示：系统状况/管片拼装/测量及其他画面，主要供教师使用 ▲）
6 仿真显示器
以仿真模型演绎盾构机的运行，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。
6.1 盾构机仿真模型
盾构机仿真模型，用于演绎盾构机的结构、外形以及动作，弥补实体模型机的省略件和简化件，主要有盾壳、刀盘及其驱动装置、螺旋输送机、液压推进系统、管片拼装机、台车、运输小车、盾构机发射架、盾构机反力架等。
（发射架上的盾构主机 ▲）
（左面是盾构刀盘及其驱动装置，右面是发射架上的盾构主机 ▲）
（盾壳和中心平台 ▲）
（螺旋输送机（左）和皮带输送机（右）▲）
（液压推进油缸 ▲）
（管片拼装机 ▲）
（台车 ▲）
（工作井里的多节台车 ▲）
（运输小车，拖着运泥箱车、管片平板车等 ▲）
（盾构机反力架 ▲）
（盾构发射架和即将掘进的洞门 ▲）
6.2 施工场景仿真模型
施工场景仿真模型. 用于仿真盾构始发井、地下掘进土体，以及接收井等。
（盾构始发井场景，盾构机即将出发、出洞 ▲）
（俯瞰盾构始发井 ▲）
（盾构掘进时的土体场景 ▲）
（盾构掘进终点的接收井场景 ▲）
6.3 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 ▲）
（设备状态和作业信息显示 ▲）
（使用镜头定位板，调整观察的方位和角度 ▲）
（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 ▲）
（将盾壳及其他装置隐藏后，可以观看管片拼装过程 ▲）
（将盾壳等部件隐蔽后，观看螺旋输送机。左图更使螺管透明，可以看到螺杆在旋转 ▲）
（将始发井右侧壁和前壁隐藏，使井里的盾构机清晰可见 ▲）
（将始发井左侧壁和前壁隐藏，观察始发时的盾构机 ▲）
（盾构机施工过程的回放，回放操作板 ▲）
附注：