三維可視化技術(shù)在軌道交通接觸網(wǎng)施工中的應(yīng)用

謝文藝

(中鐵建電氣化局集團(tuán)第四工程有限公司,410016,長(zhǎng)沙//高級(jí)工程師)

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三維可視化技術(shù)在軌道交通接觸網(wǎng)施工中的應(yīng)用

謝文藝

(中鐵建電氣化局集團(tuán)第四工程有限公司,410016,長(zhǎng)沙//高級(jí)工程師)

利用跨平臺(tái)應(yīng)用軟件OpenGL開(kāi)發(fā)了接觸網(wǎng)施工三維可視化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)腕臂裝配和吊弦的三維可視化計(jì)算,以及三維可視化復(fù)核檢查和效果展示;實(shí)現(xiàn)了整錨段、整區(qū)間、整條線路的全貌展示;實(shí)現(xiàn)了施工完成前對(duì)接觸網(wǎng)的電氣、機(jī)械碰撞檢測(cè);實(shí)現(xiàn)了施工前對(duì)工程量進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)、精確訂貨。三維可視化技術(shù)能大大提高軌道交通接觸網(wǎng)施工的效率和施工質(zhì)量,大大減少返工和材料的浪費(fèi),實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。

軌道交通; 接觸網(wǎng); 三維可視化技術(shù)

Author′s address China Railway Construction Electrification Bureau Group,the 4th Engineering Co.,Ltd.,410016,Changsha,China

為了保證高速運(yùn)行狀態(tài)下,受電弓和接觸網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行安全性和良好的受流質(zhì)量,對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)精確度的控制在高速鐵路工程建設(shè)中具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的施工方法依賴于二維的平面布置圖、二維的CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))裝配圖,以及二維圖表和文字的作業(yè)指導(dǎo)書(shū)等技術(shù)資料,由于技術(shù)復(fù)雜、內(nèi)容繁多,不同技術(shù)人員可能會(huì)有不同的理解,造成施工質(zhì)量無(wú)法標(biāo)準(zhǔn)化,存在返工和材料浪費(fèi)的現(xiàn)象。

三維可視化技術(shù)具有交互形式豐富、仿真效果好、用戶真實(shí)感強(qiáng)、易于掌握等優(yōu)點(diǎn),在軌道交通接觸網(wǎng)施工中引入三維可視化技術(shù)的益處在于:①實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)施工技術(shù)人員的可視化培訓(xùn),增強(qiáng)了教與學(xué)的交互性;可視化培訓(xùn)系統(tǒng)簡(jiǎn)化了技術(shù)問(wèn)題的復(fù)雜性,更有助于被培訓(xùn)人員的理解;可視化培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了施工作業(yè)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化,更有助于被培訓(xùn)人員對(duì)施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)的嚴(yán)格管控。②實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)系統(tǒng)腕臂裝配和吊弦的三維可視化計(jì)算,可進(jìn)行形象的三維視化復(fù)核檢查和效果展示。③實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)系統(tǒng)整錨段、整區(qū)間、整條線路的展全貌展示。④施工完成前可對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的電氣、機(jī)械進(jìn)行碰撞檢測(cè)。⑤施工前,可對(duì)工程量進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì),實(shí)現(xiàn)精確訂貨。由此可見(jiàn),三維可視化技術(shù)能大大提高軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)的施工效率和施工質(zhì)量,大大減少返工和材料浪費(fèi)現(xiàn)象。

1 接觸網(wǎng)施工三維可視化系統(tǒng)研發(fā)

目前,為了實(shí)現(xiàn)兼容和數(shù)據(jù)共享,某些設(shè)計(jì)企業(yè)主要采用AutoCAD Civil 3D軟件進(jìn)行接觸網(wǎng)施工三維可視化系統(tǒng)的研發(fā),這樣可以讓開(kāi)發(fā)者在熟悉的AutoCAD環(huán)境中進(jìn)行三維可視化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)?；贏utoCAD Civil 3D軟件的接觸網(wǎng)施工三維可視化系統(tǒng)能夠使各專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)人員保持協(xié)調(diào)一致,有助于提高工程施工效率、節(jié)約施工成本、保證施工質(zhì)量。

在接觸網(wǎng)施工三維可視化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段,AutoCAD Civil 3D軟件具有一定的優(yōu)勢(shì),但在接觸網(wǎng)施工階段,由于對(duì)畫(huà)質(zhì)、對(duì)實(shí)時(shí)渲染性、對(duì)大型三維場(chǎng)景在系統(tǒng)平臺(tái)中運(yùn)行的流暢性等的要求更高,往往難以滿足實(shí)際需求。本文采用OpenGL軟件進(jìn)行接觸網(wǎng)施工三維可視化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),OpenGL軟件已被認(rèn)為是高性能圖形和交互式視景處理的標(biāo)準(zhǔn),包括ATT公司UNIX軟件實(shí)驗(yàn)室、IBM公司、Microsoft公司在內(nèi)的幾家在計(jì)算機(jī)市場(chǎng)占領(lǐng)導(dǎo)地位的大公司都采用了OpenGL圖形標(biāo)準(zhǔn)。AutoCAD Civil 3D軟件與OpenGL軟件的功能對(duì)比分析見(jiàn)表1。

基于OpenGL軟件的三維可視化系統(tǒng)開(kāi)發(fā),首先要采用solidworks、3dmax等三維建模軟件建立精確的三維模型,并在OpenGL軟件中再對(duì)模型貼圖、材質(zhì)、紋理進(jìn)行精確控制,然后再采用C#語(yǔ)言進(jìn)行編程,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜安裝工藝的動(dòng)畫(huà)、交互式控制、復(fù)雜數(shù)學(xué)模型、報(bào)表輸出等動(dòng)作。該系統(tǒng)采用SQL Server作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù),存儲(chǔ)文檔、數(shù)據(jù)、文字等數(shù)據(jù)信息。

表1 AutoCAD Civil 3D軟件與OpenGL軟件功能對(duì)比分析

2 接觸網(wǎng)施工三維可視化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)接觸網(wǎng)施工設(shè)計(jì)均以二維設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),接觸網(wǎng)腕臂、吊弦計(jì)算安裝圖,下錨、線岔、附加線索安裝圖,以及接觸網(wǎng)平面布置圖等均為二維設(shè)計(jì),施工人員在施工階段按圖施工時(shí),不易提早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。圖1為接觸網(wǎng)施工三維可視化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。建立了機(jī)械、幾何、電氣等多專(zhuān)業(yè)的接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)三維模型,在此虛擬現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景中,包含了真實(shí)的地理三維信息數(shù)據(jù)和模型,在施工初期、中期就能看到施工完成后接近實(shí)際的接觸網(wǎng)系統(tǒng)。采用OpenGL軟件強(qiáng)大的三維呈現(xiàn)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)系統(tǒng)及周邊地理場(chǎng)景的三維數(shù)字可視化,還可實(shí)現(xiàn)施工培訓(xùn)、距離測(cè)量、碰撞檢測(cè)、實(shí)時(shí)漫游、精確訂貨等功能,并可直觀地進(jìn)行施工效果審查,優(yōu)化施工方案。

圖1 接觸網(wǎng)施工三維可視化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 三維可視化技術(shù)在接觸網(wǎng)施工培訓(xùn)中的應(yīng)用

高速鐵路的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)類(lèi)型、零部件外觀、施工工藝等都與普速鐵路有著極大差異,要保證高精度的施工質(zhì)量,首先就要保證“施工人員的專(zhuān)業(yè)化”,對(duì)施工人員進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、專(zhuān)業(yè)化施工培訓(xùn)顯得尤為重要。目前的培訓(xùn)方式主要依靠各施工單位編寫(xiě)的作業(yè)指導(dǎo)書(shū),其主要以文字、數(shù)字、圖表為主,配以少量的實(shí)物照片進(jìn)行說(shuō)明,其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的表現(xiàn)方式比較單調(diào),不夠形象和直觀,無(wú)交互式操作,更無(wú)法展示高速鐵路接觸網(wǎng)施工測(cè)量、軟件計(jì)算、工廠預(yù)配、現(xiàn)場(chǎng)安裝和系統(tǒng)精調(diào)等各個(gè)階段的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)拍攝現(xiàn)場(chǎng)施工視頻進(jìn)行剪輯、配音和特效制作的方式進(jìn)行培訓(xùn)同真實(shí)場(chǎng)景又缺少互動(dòng),使被培訓(xùn)人員被動(dòng)接受培訓(xùn),印象不深刻,培訓(xùn)效果不明顯。針對(duì)以上情況,可交互、可視化的三維培訓(xùn)方式應(yīng)運(yùn)而生。

基于OpenGL軟件開(kāi)發(fā)的三維可視化虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)(如圖2～圖4所示)可以在項(xiàng)目施工之前,根據(jù)本項(xiàng)目接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)參數(shù),配置系統(tǒng)參數(shù),生成將要施工建設(shè)的接觸網(wǎng)虛擬場(chǎng)景,可以使工程完工后的狀貌在施工前就呈現(xiàn)出來(lái);施工人員可以在虛擬場(chǎng)景中交互運(yùn)動(dòng),全角度旋轉(zhuǎn)查看,讓施工人員做到心中有數(shù)、精確施工。

圖2 三維可視化虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)軟件界面

圖3 整錨段三維呈現(xiàn)界面

圖4 項(xiàng)目部臨時(shí)培訓(xùn)中心

在項(xiàng)目施工期間,對(duì)承力索座、套管座、腕臂支撐、套管單耳、定位線夾、定位支座、電氣跳線、矩形定位器、定位環(huán)、防風(fēng)拉線及防風(fēng)定位環(huán)、整體吊弦裝置、錨支定位卡子、接觸線中心錨結(jié)線夾、承力索中心錨結(jié)線夾、彈性吊索線夾、接觸線電連接線夾、接觸線終端錨固線夾、腕臂預(yù)配、隧道吊柱安裝等安裝環(huán)節(jié)和施工工藝進(jìn)行有針對(duì)性的可視化培訓(xùn)。施工工藝的可視化培訓(xùn)界面如圖5所示。

圖5 施工工藝可視化培訓(xùn)

從實(shí)際培訓(xùn)效果來(lái)看,集先進(jìn)性、實(shí)用性、科學(xué)性于一體的三維可視化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在接觸網(wǎng)施工實(shí)訓(xùn)方面,不受實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地的限制,具有較好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)效性,是一種提高施工作業(yè)人員技能水平的有效培訓(xùn)手段。

4 三維可視化技術(shù)在接觸網(wǎng)施工作業(yè)中的應(yīng)用

(1) 可視化計(jì)算、交底。高速鐵路接觸網(wǎng)關(guān)鍵施工技術(shù)中的“四個(gè)一次到位”是指腕臂裝配一次到位、承力索架設(shè)一次到位、接觸線架設(shè)一次到位、吊弦安裝一次到位。其中腕臂裝配一次到位和吊弦安裝一次到位的關(guān)鍵為準(zhǔn)確測(cè)量和精確計(jì)算。如圖6所示,根據(jù)設(shè)計(jì)院最終交付的安裝通用圖,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)每根支柱的側(cè)面限界、上腕臂底座高度、支柱斜率、軌道超高等準(zhǔn)確實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),并采用3 dmax建模軟件創(chuàng)建精確三維模型,可精確計(jì)算出腕臂裝置上各類(lèi)零部件的安裝空間位置和管材長(zhǎng)度,生成二維CAD圖紙和三維模型,全面表達(dá)出設(shè)計(jì)信息,更準(zhǔn)確和直觀地展示出實(shí)際的安裝情況。為設(shè)備接管單位提供精確尺寸的二維安裝圖紙,以及準(zhǔn)確直觀的三維模型,建立可視化的“一桿一檔”數(shù)據(jù)庫(kù),能夠大大提高用戶使用體驗(yàn)感。

圖6 三維可視化技術(shù)應(yīng)用于支柱位置變更及裝配更新

(2) 電氣、機(jī)械碰撞檢測(cè)。高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)懸掛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件型號(hào)規(guī)格多樣、數(shù)量眾多,既要保證帶電部件與零電位、低電位部件之間的電氣絕緣距離,還要保證各部件在動(dòng)態(tài)振動(dòng)狀態(tài)下不相互磨蹭。利用OpenGL軟件中的物理碰撞引擎能夠很準(zhǔn)確地進(jìn)行相關(guān)校驗(yàn)。圖7所示為:補(bǔ)償裝置與橋梁鋼架、聲屏障的機(jī)械碰撞校驗(yàn);AF線與站房雨棚的絕緣核驗(yàn);AF線與PW線的絕緣核驗(yàn);錨段關(guān)節(jié)內(nèi)工作支與非工作支承力索、接觸線、腕臂、定位器的機(jī)械碰撞校驗(yàn);隧道內(nèi)平腕臂、定位管與隧道壁的絕緣校驗(yàn)?？梢蕴崆鞍l(fā)現(xiàn)安裝沖突和絕緣距離不符合要求的情況,能夠提前調(diào)整安裝方案,減少調(diào)整和返工的情況。

圖7 三維可視化技術(shù)應(yīng)用于碰撞核驗(yàn)

(3) 精確訂貨。利用三維可視化技術(shù)可以在施工初期、中期基于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況創(chuàng)建全線準(zhǔn)確的三維模型,由于接觸網(wǎng)支柱(吊柱)、腕臂裝置、各類(lèi)線索(接觸線、承力索、附加線索)、吊弦、電連接線、補(bǔ)償裝置、隔離開(kāi)關(guān)等部件都與建成后的現(xiàn)場(chǎng)是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,施工單位可以從三維模型后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中更便捷、更精確匯總出本工程所需的材料、設(shè)備數(shù)量,可有針對(duì)性地制定材料、設(shè)備提報(bào)計(jì)劃。

5 結(jié)論

(1) 本文基于OpenGL軟件進(jìn)行接觸網(wǎng)施工三維可視化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。利用OpenGL大型三維引擎開(kāi)發(fā)的接觸網(wǎng)施工階段的三維可視化系統(tǒng),在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢(shì)。

(2) 基于三維可視化技術(shù)在接觸網(wǎng)施工階段進(jìn)行三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā),建立了項(xiàng)目部“臨時(shí)培訓(xùn)中心”培訓(xùn)制度和運(yùn)行機(jī)制,施工建設(shè)與技術(shù)培訓(xùn)同步進(jìn)行,能有效提高施工人員的技術(shù)水平。

(3) 利用OpenGL軟件開(kāi)發(fā)的三維可視化系統(tǒng)具有可視化計(jì)算,交互式培訓(xùn),機(jī)械、電氣碰撞檢測(cè),精確訂貨等方面的應(yīng)用,能夠有效減少返工引起的材料和勞動(dòng)力浪費(fèi),對(duì)提高施工效率有重要作用。

[1] 李永剛.高速鐵路接觸網(wǎng)工程施工精度的技術(shù)探討[J].城市建設(shè)理論研究,2015(17):1.

[2] 朱飛雄.高速鐵路接觸網(wǎng)施工關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)鐵路,2004,(7):2.

[3] 潘英,宋桃東.三維技術(shù)在接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討[J].電氣化鐵道,2012(6):2.

Application of 3D Visualization Technology in the Construction of Rail Transit Contact Line

XIE Wenyi

Software OpenGL applied in cross-platform is used to develop 3D visualization system for rail transit contact line, which has achieved 3D visualization calculation of cantilever assembly and dropper, and conducted visualized re-examination and result display via the visual 3D form. This system has achieved the overview display of the whole anchoring section, the whole section and the whole line, achieved the electrical and mechanical collision detection for the contact line before completion of the construction, also the accurate statistics for quantities and precise ordering. 3D visualization technology can greatly improve the construction efficiency and engineering quality, eliminate the rework and material waste as well.

rail transit; contact line; 3D visualization technology

TP 391.41:U 225.5

10.16037/j.1007-869x.2016.09.027

2016-02-20)