三維可視化技術在軌道交通接觸網施工中的應用

謝文藝

(中鐵建電氣化局集團第四工程有限公司,410016,長沙//高級工程師)

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三維可視化技術在軌道交通接觸網施工中的應用

謝文藝

(中鐵建電氣化局集團第四工程有限公司,410016,長沙//高級工程師)

利用跨平臺應用軟件OpenGL開發了接觸網施工三維可視化系統,實現了接觸網腕臂裝配和吊弦的三維可視化計算,以及三維可視化復核檢查和效果展示;實現了整錨段、整區間、整條線路的全貌展示;實現了施工完成前對接觸網的電氣、機械碰撞檢測;實現了施工前對工程量進行準確統計、精確訂貨。三維可視化技術能大大提高軌道交通接觸網施工的效率和施工質量,大大減少返工和材料的浪費,實現標準化作業。

軌道交通; 接觸網; 三維可視化技術

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

為了保證高速運行狀態下,受電弓和接觸網系統的動態運行安全性和良好的受流質量,對接觸網系統精確度的控制在高速鐵路工程建設中具有十分重要的意義。傳統的施工方法依賴于二維的平面布置圖、二維的CAD(計算機輔助設計)裝配圖,以及二維圖表和文字的作業指導書等技術資料,由于技術復雜、內容繁多,不同技術人員可能會有不同的理解,造成施工質量無法標準化,存在返工和材料浪費的現象。

三維可視化技術具有交互形式豐富、仿真效果好、用戶真實感強、易于掌握等優點,在軌道交通接觸網施工中引入三維可視化技術的益處在于:①實現了接觸網施工技術人員的可視化培訓,增強了教與學的交互性;可視化培訓系統簡化了技術問題的復雜性,更有助于被培訓人員的理解;可視化培訓系統實現了施工作業過程的標準化,更有助于被培訓人員對施工關鍵環節的嚴格管控。②實現了接觸網系統腕臂裝配和吊弦的三維可視化計算,可進行形象的三維視化復核檢查和效果展示。③實現了接觸網系統整錨段、整區間、整條線路的展全貌展示。④施工完成前可對接觸網系統的電氣、機械進行碰撞檢測。⑤施工前,可對工程量進行準確統計,實現精確訂貨。由此可見,三維可視化技術能大大提高軌道交通接觸網系統的施工效率和施工質量,大大減少返工和材料浪費現象。

1 接觸網施工三維可視化系統研發

目前,為了實現兼容和數據共享,某些設計企業主要采用AutoCAD Civil 3D軟件進行接觸網施工三維可視化系統的研發,這樣可以讓開發者在熟悉的AutoCAD環境中進行三維可視化系統的開發。基于AutoCAD Civil 3D軟件的接觸網施工三維可視化系統能夠使各專業的設計人員保持協調一致,有助于提高工程施工效率、節約施工成本、保證施工質量。

在接觸網施工三維可視化系統的開發設計階段,AutoCAD Civil 3D軟件具有一定的優勢,但在接觸網施工階段,由于對畫質、對實時渲染性、對大型三維場景在系統平臺中運行的流暢性等的要求更高,往往難以滿足實際需求。本文采用OpenGL軟件進行接觸網施工三維可視化系統的開發,OpenGL軟件已被認為是高性能圖形和交互式視景處理的標準,包括ATT公司UNIX軟件實驗室、IBM公司、Microsoft公司在內的幾家在計算機市場占領導地位的大公司都采用了OpenGL圖形標準。AutoCAD Civil 3D軟件與OpenGL軟件的功能對比分析見表1。

基于OpenGL軟件的三維可視化系統開發,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軟件中再對模型貼圖、材質、紋理進行精確控制,然后再采用C#語言進行編程,實現復雜安裝工藝的動畫、交互式控制、復雜數學模型、報表輸出等動作。該系統采用SQL Server作為后臺數據庫,存儲文檔、數據、文字等數據信息。

表1 AutoCAD Civil 3D軟件與OpenGL軟件功能對比分析

2 接觸網施工三維可視化系統的結構設計

傳統接觸網施工設計均以二維設計為基礎,接觸網腕臂、吊弦計算安裝圖,下錨、線岔、附加線索安裝圖,以及接觸網平面布置圖等均為二維設計,施工人員在施工階段按圖施工時,不易提早發現設計中存在的問題。圖1為接觸網施工三維可視化系統的結構設計圖。建立了機械、幾何、電氣等多專業的接觸網懸掛系統虛擬現實三維模型,在此虛擬現實三維場景中,包含了真實的地理三維信息數據和模型,在施工初期、中期就能看到施工完成后接近實際的接觸網系統。采用OpenGL軟件強大的三維呈現技術,可以實現接觸網系統及周邊地理場景的三維數字可視化,還可實現施工培訓、距離測量、碰撞檢測、實時漫游、精確訂貨等功能,并可直觀地進行施工效果審查,優化施工方案。

圖1 接觸網施工三維可視化系統的結構設計圖

3 三維可視化技術在接觸網施工培訓中的應用

高速鐵路的接觸網結構類型、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量,首先就要保證“施工人員的專業化”,對施工人員進行標準化、專業化施工培訓顯得尤為重要。目前的培訓方式主要依靠各施工單位編寫的作業指導書,其主要以文字、數字、圖表為主,配以少量的實物照片進行說明,其對現場的表現方式比較單調,不夠形象和直觀,無交互式操作,更無法展示高速鐵路接觸網施工測量、軟件計算、工廠預配、現場安裝和系統精調等各個階段的關鍵技術。通過拍攝現場施工視頻進行剪輯、配音和特效制作的方式進行培訓同真實場景又缺少互動,使被培訓人員被動接受培訓,印象不深刻,培訓效果不明顯。針對以上情況,可交互、可視化的三維培訓方式應運而生。

基于OpenGL軟件開發的三維可視化虛擬仿真培訓系統(如圖2～圖4所示)可以在項目施工之前,根據本項目接觸網的設計參數,配置系統參數,生成將要施工建設的接觸網虛擬場景,可以使工程完工后的狀貌在施工前就呈現出來;施工人員可以在虛擬場景中交互運動,全角度旋轉查看,讓施工人員做到心中有數、精確施工。

圖2 三維可視化虛擬仿真培訓系統軟件界面

圖3 整錨段三維呈現界面

圖4 項目部臨時培訓中心

在項目施工期間,對承力索座、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、防風拉線及防風定位環、整體吊弦裝置、錨支定位卡子、接觸線中心錨結線夾、承力索中心錨結線夾、彈性吊索線夾、接觸線電連接線夾、接觸線終端錨固線夾、腕臂預配、隧道吊柱安裝等安裝環節和施工工藝進行有針對性的可視化培訓。施工工藝的可視化培訓界面如圖5所示。

圖5 施工工藝可視化培訓

從實際培訓效果來看,集先進性、實用性、科學性于一體的三維可視化仿真培訓系統在接觸網施工實訓方面,不受實訓場地的限制,具有較好的經濟性和實效性,是一種提高施工作業人員技能水平的有效培訓手段。

4 三維可視化技術在接觸網施工作業中的應用

(1) 可視化計算、交底。高速鐵路接觸網關鍵施工技術中的“四個一次到位”是指腕臂裝配一次到位、承力索架設一次到位、接觸線架設一次到位、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鍵為準確測量和精確計算。如圖6所示,根據設計院最終交付的安裝通用圖,結合現場每根支柱的側面限界、上腕臂底座高度、支柱斜率、軌道超高等準確實測數據,并采用3 dmax建模軟件創建精確三維模型,可精確計算出腕臂裝置上各類零部件的安裝空間位置和管材長度,生成二維CAD圖紙和三維模型,全面表達出設計信息,更準確和直觀地展示出實際的安裝情況。為設備接管單位提供精確尺寸的二維安裝圖紙,以及準確直觀的三維模型,建立可視化的“一桿一檔”數據庫,能夠大大提高用戶使用體驗感。

圖6 三維可視化技術應用于支柱位置變更及裝配更新

(2) 電氣、機械碰撞檢測。高速鐵路接觸網系統懸掛結構復雜，零部件型號規格多樣、數量眾多,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態振動狀態下不相互磨蹭。利用OpenGL軟件中的物理碰撞引擎能夠很準確地進行相關校驗。圖7所示為:補償裝置與橋梁鋼架、聲屏障的機械碰撞校驗;AF線與站房雨棚的絕緣核驗;AF線與PW線的絕緣核驗;錨段關節內工作支與非工作支承力索、接觸線、腕臂、定位器的機械碰撞校驗;隧道內平腕臂、定位管與隧道壁的絕緣校驗。可以提前發現安裝沖突和絕緣距離不符合要求的情況,能夠提前調整安裝方案,減少調整和返工的情況。

圖7 三維可視化技術應用于碰撞核驗

(3) 精確訂貨。利用三維可視化技術可以在施工初期、中期基于現場的實際情況創建全線準確的三維模型,由于接觸網支柱(吊柱)、腕臂裝置、各類線索(接觸線、承力索、附加線索)、吊弦、電連接線、補償裝置、隔離開關等部件都與建成后的現場是一一對應的關系,施工單位可以從三維模型后臺數據庫中更便捷、更精確匯總出本工程所需的材料、設備數量,可有針對性地制定材料、設備提報計劃。

5 結論

(1) 本文基于OpenGL軟件進行接觸網施工三維可視化系統的開發。利用OpenGL大型三維引擎開發的接觸網施工階段的三維可視化系統,在實際應用中具有一定的優勢。

(2) 基于三維可視化技術在接觸網施工階段進行三維仿真培訓系統開發,建立了項目部“臨時培訓中心”培訓制度和運行機制,施工建設與技術培訓同步進行,能有效提高施工人員的技術水平。

(3) 利用OpenGL軟件開發的三維可視化系統具有可視化計算,交互式培訓,機械、電氣碰撞檢測,精確訂貨等方面的應用,能夠有效減少返工引起的材料和勞動力浪費,對提高施工效率有重要作用。

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

[2] 朱飛雄.高速鐵路接觸網施工關鍵技術[J].中國鐵路,2004,(7):2.

[3] 潘英,宋桃東.三維技術在接觸網設計中的應用探討[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)