虛擬現實技術在高速鐵路接觸網施工中的運用

韓雪 粟慧龍

摘 要：本文分析了高速鐵路接觸網施工中存在的問題，進而提出虛擬現實技術在接觸網施工中的運用方法。在高速鐵路接觸網施工中，施工企業借助虛擬現實技術能夠提升工程建設質量，加快施工進度。在施工過程中，虛擬現實技術能夠在施工培訓、施工計算、模擬演練、材料測算方面發揮作用，為施工人員提供更加精確的數據信息，從而提升工程建設質量。

關鍵詞：虛擬現實;高速鐵路;接觸網

高速鐵路是一個復雜的系統，其接觸網施工的要求高于普通鐵路。虛擬現實技術的應用能夠為施工創造可視性的平臺，和過去單一、抽象的一維或二維形式的顯示方式相比，虛擬現實技術在展現空間數據方面具有難以替代的優點。我們在施工過程中，采用這一技術對重點環節進行仿真，能夠顯著提升工程質量，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、高速鐵路接觸網施工中存在的問題

接觸網系統具有復雜性，是由電氣、機械和受力平衡平衡結構所組成的混合系統。目前，實踐中采用的施工方式僅僅應用平面布置圖和安裝圖的技術資料，僅僅包括了單一層次的信息數據。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內不同部分的電氣和機械等的彼此關系，亦難以掌握地質環境、各類設備對施工可能產生的影響。因而，在施工的具體過程中，往往會產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，導致返工現象，不但延長了工期，而且造成了材料的浪費現象。施工的重點環節主要有立柱安裝、懸臂安裝、補償裝置安裝、接觸網及接觸線安裝、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聯性。為了滿足高鐵線路建設的要求，就需要應用虛擬現實技術來提升施工的精度。

二、高速鐵路接觸網施工中虛擬現實技術的應用

（一）施工作業培訓

在現場施工中，施工人員主要由管理人員、技術工作者和操作人員構成。因為這些人員過去主要應用的是傳統的施工技術，并沒有接受全面的接觸網系統的培訓。操作人員往往只經過簡單的技術交底或操作規程，初步掌握工程的施工要點，懂得如何進行安裝，但并沒有掌握不同環節的理論基礎、安裝配套、復雜圖紙、理論參數和空間結構等知識。因而，在具體的施工過程中，由于施工人員的能力和經驗存在差異，施工難度不同，施工質量難以保證，可能產生不同程度的質量缺陷和安全風險。

如果我們利用虛擬現實技術開發出一套專門的培訓系統，對施工人員開展技術培訓，就能夠發揮虛擬現實技術可以反復練習、交互性強、切合施工實際的優勢，提升施工人員對接觸網系統施工的技術掌握水平。我們可以基于unity3d技術，通過3D-Max建模軟件開發出專門應用于施工培訓的系統。unity3d技術能夠讓使用者應用3D視頻游戲、建筑可視化、實時3D動畫等多種方式創建出一個虛擬現實的平臺，從而全面、實時地處理與施工各個環節相關的3D模型，從而創建出高質量的三維仿真系統，達到一種實時的視覺效果。按照接觸網的原理、不同部件的數據以及對接觸網結構的具體測量，開發出包括支柱安裝、腕臂預配和安裝、接觸線安裝、吊索預裝配、吊索安裝在內的多個功能模塊，讓施工人員在虛擬環境中對施工重點進行培訓和練習。

利用虛擬場景對施工人員進行培訓時，可以要求他們對不同的功能模塊進行多次學習，并采用考核方式評價他們的學習水平。開始培訓時，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中進行模擬操作。若操作存在錯誤，系統就會給予相應的提示，引導施工人員糾正自身的錯誤。最后，在沒有系統提示的情況下，要求施工人員獨立完成整個操作。只有施工人員經過考核，確定其技術符合要求以后，才能到現場進行實際安裝操作。而且，施工企業對關鍵性的施工環節應當采用專項的方式。如負責電氣連接的操作人員經過培訓之后，只能從事這一方面的安裝工作，應當杜絕出現跨項目作業的情況。

（二）施工計算

施工的重點環節在于解決施工計算問題。在假設測量數據完全準確的前提下，施工計算的數學模型、計算結果校驗和計算結果形式等都直接影響施工質量的優劣。

在施工的時候，重點環節之一是解決施工計算問題。在假定測量數據準確、合理的前提下，施工計算的數學模型、計算結果驗證以及計算結果形式都會對施工質量產生重要影響。目前，施工企業一般使用C++等計算機語言，利用AutoCAD軟件制作出二維模型，開發建筑計算軟件系統。軟件的計算結果都是借助二維平面圖、Excel數據表和CAD二維圖形得到表現。但這種計算結果的呈現方式僅僅能夠提供有限的空間數據，系統難以對機械安裝開展沖突校驗工作，也難以檢驗受電弓和動態包絡線會不會喝支撐裝置之間產生碰撞，帶電體與接地體之間的距離能否滿足絕緣方面的要求。而我們如果借助虛擬現實技術，研發出基于unity3d的三維虛擬現實仿真軟件系統，就能夠在實際施工之前針對腕臂系統的各個部件、接觸網設備以及外部環境構建三維模型，并導進系統，再導入實際測量所取得的數據，再利用現實仿真軟件系統按照有限元數學模型自動產生整個錨段的三維虛擬仿真場景，通過軟件系統就能夠生成并運行虛擬場景。

通過仿真軟件系統，我們可以在計算機上呈現接觸網不同構件的規格、錨段關節內多支線索的空間關系、隧道內接觸網設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，模擬的動態包絡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中自動巡航。因為虛擬場景中的全部構建都具備準確的立體坐標和屬性，因而系統就能夠實現對可能存在的碰撞的自動檢測，并自動進行校驗，極大地提升了施工計算效率。

（三）施工模擬演練

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

（四）資料和材料統計

施工企業在借助虛擬現實技術構建接觸網場景之后，系統就可以自動生成平面布置圖、剖面圖、安裝圖以及數據報表等，而且這些圖表和場景中的三維模型是同步聯動的，若后者產生變動，圖表也會自動實現同步的關聯變化。接觸網三維虛擬場景中的模型構件在模型、數量、位置等方面與實際施工的系統構件存在一一對應的關系，能夠自動統計出所需要的材料，結果精確，這樣不但能夠化解過去存在的材料數量統計不科學的問題，同時還可以為制定材料采購計劃提供數據信息。按照系統所統計出的材料類型和數量進行采購，能夠防止施工中出現材料不足或者材料浪費的現象，有利于控制施工成本。

在高速鐵路接觸網施工中，施工企業借助虛擬現實技術能夠提升工程建設質量，加快施工進度。隨著高速鐵路精細化管理的發展，建設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，通過虛擬現實技術的開發和應用，能夠為施工人員提供更加直觀的技術信息，讓施工企業能夠充分發揮自身在接觸網工程方面的優勢，形成企業的核心競爭力，創造經濟效益。

參考文獻

[1] 章彬.建筑施工安全的虛擬現實技術應用[J].建筑知識：學術刊，（2018）：137-138.

[2] 李凱.虛擬現實技術在高速鐵路接觸網施工中的運用探討[J].鐵道技術監督， 2015（11）：45-47.