虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高速鐵路接觸網(wǎng)施工中的運(yùn)用

韓雪 粟慧龍

摘 要：本文分析了高速鐵路接觸網(wǎng)施工中存在的問題，進(jìn)而提出虛擬現(xiàn)實技術(shù)在接觸網(wǎng)施工中的運(yùn)用方法。在高速鐵路接觸網(wǎng)施工中，施工企業(yè)借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠提升工程建設(shè)質(zhì)量，加快施工進(jìn)度。在施工過程中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠在施工培訓(xùn)、施工計算、模擬演練、材料測算方面發(fā)揮作用，為施工人員提供更加精確的數(shù)據(jù)信息，從而提升工程建設(shè)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;高速鐵路;接觸網(wǎng)

高速鐵路是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其接觸網(wǎng)施工的要求高于普通鐵路。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用能夠為施工創(chuàng)造可視性的平臺，和過去單一、抽象的一維或二維形式的顯示方式相比，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在展現(xiàn)空間數(shù)據(jù)方面具有難以替代的優(yōu)點。我們在施工過程中，采用這一技術(shù)對重點環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真，能夠顯著提升工程質(zhì)量，縮短工期，消除返工和材料耗費，而且有助于施工資源的合理化配置。

一、高速鐵路接觸網(wǎng)施工中存在的問題

接觸網(wǎng)系統(tǒng)具有復(fù)雜性，是由電氣、機(jī)械和受力平衡平衡結(jié)構(gòu)所組成的混合系統(tǒng)。目前，實踐中采用的施工方式僅僅應(yīng)用平面布置圖和安裝圖的技術(shù)資料，僅僅包括了單一層次的信息數(shù)據(jù)。在開始施工作以前，施工人員難以從整體上充分了解這一系統(tǒng)內(nèi)不同部分的電氣和機(jī)械等的彼此關(guān)系，亦難以掌握地質(zhì)環(huán)境、各類設(shè)備對施工可能產(chǎn)生的影響。因而，在施工的具體過程中，往往會產(chǎn)生錨段工作支與非工作支接觸線或者承力索錯位、懸臂梁與隧道壁絕緣距離不足等缺陷，導(dǎo)致返工現(xiàn)象，不但延長了工期，而且造成了材料的浪費現(xiàn)象。施工的重點環(huán)節(jié)主要有立柱安裝、懸臂安裝、補(bǔ)償裝置安裝、接觸網(wǎng)及接觸線安裝、吊線及定位裝置安裝等，這些部分都與施工順序安排存在緊密的關(guān)聯(lián)性。為了滿足高鐵線路建設(shè)的要求，就需要應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來提升施工的精度。

二、高速鐵路接觸網(wǎng)施工中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

（一）施工作業(yè)培訓(xùn)

在現(xiàn)場施工中，施工人員主要由管理人員、技術(shù)工作者和操作人員構(gòu)成。因為這些人員過去主要應(yīng)用的是傳統(tǒng)的施工技術(shù)，并沒有接受全面的接觸網(wǎng)系統(tǒng)的培訓(xùn)。操作人員往往只經(jīng)過簡單的技術(shù)交底或操作規(guī)程，初步掌握工程的施工要點，懂得如何進(jìn)行安裝，但并沒有掌握不同環(huán)節(jié)的理論基礎(chǔ)、安裝配套、復(fù)雜圖紙、理論參數(shù)和空間結(jié)構(gòu)等知識。因而，在具體的施工過程中，由于施工人員的能力和經(jīng)驗存在差異，施工難度不同，施工質(zhì)量難以保證，可能產(chǎn)生不同程度的質(zhì)量缺陷和安全風(fēng)險。

如果我們利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)出一套專門的培訓(xùn)系統(tǒng)，對施工人員開展技術(shù)培訓(xùn)，就能夠發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以反復(fù)練習(xí)、交互性強(qiáng)、切合施工實際的優(yōu)勢，提升施工人員對接觸網(wǎng)系統(tǒng)施工的技術(shù)掌握水平。我們可以基于unity3d技術(shù)，通過3D-Max建模軟件開發(fā)出專門應(yīng)用于施工培訓(xùn)的系統(tǒng)。unity3d技術(shù)能夠讓使用者應(yīng)用3D視頻游戲、建筑可視化、實時3D動畫等多種方式創(chuàng)建出一個虛擬現(xiàn)實的平臺，從而全面、實時地處理與施工各個環(huán)節(jié)相關(guān)的3D模型，從而創(chuàng)建出高質(zhì)量的三維仿真系統(tǒng)，達(dá)到一種實時的視覺效果。按照接觸網(wǎng)的原理、不同部件的數(shù)據(jù)以及對接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的具體測量，開發(fā)出包括支柱安裝、腕臂預(yù)配和安裝、接觸線安裝、吊索預(yù)裝配、吊索安裝在內(nèi)的多個功能模塊，讓施工人員在虛擬環(huán)境中對施工重點進(jìn)行培訓(xùn)和練習(xí)。

利用虛擬場景對施工人員進(jìn)行培訓(xùn)時，可以要求他們對不同的功能模塊進(jìn)行多次學(xué)習(xí)，并采用考核方式評價他們的學(xué)習(xí)水平。開始培訓(xùn)時，施工人員先要全面掌握安裝理論和具體的操作要點。之后，組織施工人員在系統(tǒng)中進(jìn)行模擬操作。若操作存在錯誤，系統(tǒng)就會給予相應(yīng)的提示，引導(dǎo)施工人員糾正自身的錯誤。最后，在沒有系統(tǒng)提示的情況下，要求施工人員獨立完成整個操作。只有施工人員經(jīng)過考核，確定其技術(shù)符合要求以后，才能到現(xiàn)場進(jìn)行實際安裝操作。而且，施工企業(yè)對關(guān)鍵性的施工環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)采用專項的方式。如負(fù)責(zé)電氣連接的操作人員經(jīng)過培訓(xùn)之后，只能從事這一方面的安裝工作，應(yīng)當(dāng)杜絕出現(xiàn)跨項目作業(yè)的情況。

（二）施工計算

施工的重點環(huán)節(jié)在于解決施工計算問題。在假設(shè)測量數(shù)據(jù)完全準(zhǔn)確的前提下，施工計算的數(shù)學(xué)模型、計算結(jié)果校驗和計算結(jié)果形式等都直接影響施工質(zhì)量的優(yōu)劣。

在施工的時候，重點環(huán)節(jié)之一是解決施工計算問題。在假定測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、合理的前提下，施工計算的數(shù)學(xué)模型、計算結(jié)果驗證以及計算結(jié)果形式都會對施工質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。目前，施工企業(yè)一般使用C++等計算機(jī)語言，利用AutoCAD軟件制作出二維模型，開發(fā)建筑計算軟件系統(tǒng)。軟件的計算結(jié)果都是借助二維平面圖、Excel數(shù)據(jù)表和CAD二維圖形得到表現(xiàn)。但這種計算結(jié)果的呈現(xiàn)方式僅僅能夠提供有限的空間數(shù)據(jù)，系統(tǒng)難以對機(jī)械安裝開展沖突校驗工作，也難以檢驗受電弓和動態(tài)包絡(luò)線會不會喝支撐裝置之間產(chǎn)生碰撞，帶電體與接地體之間的距離能否滿足絕緣方面的要求。而我們?nèi)绻柚摂M現(xiàn)實技術(shù)，研發(fā)出基于unity3d的三維虛擬現(xiàn)實仿真軟件系統(tǒng)，就能夠在實際施工之前針對腕臂系統(tǒng)的各個部件、接觸網(wǎng)設(shè)備以及外部環(huán)境構(gòu)建三維模型，并導(dǎo)進(jìn)系統(tǒng)，再導(dǎo)入實際測量所取得的數(shù)據(jù)，再利用現(xiàn)實仿真軟件系統(tǒng)按照有限元數(shù)學(xué)模型自動產(chǎn)生整個錨段的三維虛擬仿真場景，通過軟件系統(tǒng)就能夠生成并運(yùn)行虛擬場景。

通過仿真軟件系統(tǒng)，我們可以在計算機(jī)上呈現(xiàn)接觸網(wǎng)不同構(gòu)件的規(guī)格、錨段關(guān)節(jié)內(nèi)多支線索的空間關(guān)系、隧道內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)備與隧道壁的空間距離等信息，其與施工的實際場景具有一致性。在虛擬場景里，施工人員能夠測算不同部件在空間上的距離，模擬的動態(tài)包絡(luò)線可以檢測受電弓自動自動跟蹤工作支接觸線，能夠在整個錨段的接觸網(wǎng)中自動巡航。因為虛擬場景中的全部構(gòu)建都具備準(zhǔn)確的立體坐標(biāo)和屬性，因而系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)對可能存在的碰撞的自動檢測，并自動進(jìn)行校驗，極大地提升了施工計算效率。

（三）施工模擬演練

工程中存在許多復(fù)雜的關(guān)鍵節(jié)點。在施工開始之前，如果能借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)對這些節(jié)點加以模擬和實踐，明確操作人員分工，確定施工設(shè)備、施工內(nèi)容以及作業(yè)軌跡，精確統(tǒng)計所需要的材料類型和具體數(shù)量，就能夠提升工程建設(shè)效率，確保施工質(zhì)量和安全性，同時有效控制施工成本。施工企業(yè)可以基于Unity3D開發(fā)出三維虛擬現(xiàn)實仿真軟件系統(tǒng)，針對接觸網(wǎng)工程生成精確、直觀的場景，在正式施工之前開展仿真演練。在這一場景中，施工團(tuán)隊通過放置和移動人員、設(shè)備等模型，配合工作的三維動畫，可以提前預(yù)測和安排不同人員的工作職責(zé)和設(shè)備的操作軌跡，使施工人員能夠獲得現(xiàn)場的體驗，有助于提升后續(xù)工程的施工質(zhì)量。

（四）資料和材料統(tǒng)計

施工企業(yè)在借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建接觸網(wǎng)場景之后，系統(tǒng)就可以自動生成平面布置圖、剖面圖、安裝圖以及數(shù)據(jù)報表等，而且這些圖表和場景中的三維模型是同步聯(lián)動的，若后者產(chǎn)生變動，圖表也會自動實現(xiàn)同步的關(guān)聯(lián)變化。接觸網(wǎng)三維虛擬場景中的模型構(gòu)件在模型、數(shù)量、位置等方面與實際施工的系統(tǒng)構(gòu)件存在一一對應(yīng)的關(guān)系，能夠自動統(tǒng)計出所需要的材料，結(jié)果精確，這樣不但能夠化解過去存在的材料數(shù)量統(tǒng)計不科學(xué)的問題，同時還可以為制定材料采購計劃提供數(shù)據(jù)信息。按照系統(tǒng)所統(tǒng)計出的材料類型和數(shù)量進(jìn)行采購，能夠防止施工中出現(xiàn)材料不足或者材料浪費的現(xiàn)象，有利于控制施工成本。

在高速鐵路接觸網(wǎng)施工中，施工企業(yè)借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠提升工程建設(shè)質(zhì)量，加快施工進(jìn)度。隨著高速鐵路精細(xì)化管理的發(fā)展，建設(shè)單位對施工單位的施工水平要求也在不斷提升。在施工過程中，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，能夠為施工人員提供更加直觀的技術(shù)信息，讓施工企業(yè)能夠充分發(fā)揮自身在接觸網(wǎng)工程方面的優(yōu)勢，形成企業(yè)的核心競爭力，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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