虛擬現實技術在高速鐵路接觸網施工應用分析

況水云

中鐵建電氣化局集團南方工程有限公司電氣化分公司 湖北 武漢 430074

引言

高速鐵路可以說是高科技，多技術集成的現代化交通工具，在提高交通運輸效率等方面發(fā)揮著越來越重要的積極作用，為了給民眾出行和貨物運輸提供更大便利，國家投入了巨大的人力、物力以及資金資源開展高速鐵路建設，而且高速鐵路基本上已經實現了電氣化，對于電氣化鐵路來說，鐵路系統(tǒng)能否健康平穩(wěn)運行，在一定程度上取決于高速鐵路接觸網施工質量，但是目前的高速鐵路接觸網施工仍然存在一些短板，所以很有必要在接觸網施工中合理引進現代化先進技術，以便在優(yōu)化改進接觸上施工模式的同時，更好的助力高速鐵路接觸網施工作業(yè)的高質高效推進，虛擬現實技術的出現及其在建設項目中的應用，為高速鐵路接觸網施工模式創(chuàng)新指出了方向。

1 接觸網施工存在的問題

接觸網系統(tǒng)的構成有很多方面，總體來說包含受力平衡結構、電氣以及機械等三部分，它是一個比較復雜的混合系統(tǒng)。接觸網施工的現狀是依照安裝圖以及接觸網平面布置圖來開展具體的施工活動，不過這些圖紙?zhí)峁┑募夹g信息都是相對單一的。這就造成在接觸網施工中對整體情況不能進行充分了解，施工現場的具體地理環(huán)境以及周圍的各項設備對其造成的影響不能具體反映出來，另外對接觸網內部各個組成部分的機械和電氣之間的互相作用沒有體現出來。這就導致具體施工中可能會出現腕臂間絕緣距離不夠，或者造成錨段關節(jié)內非工作支和工作支其承力索或者接觸線出現了錯位，或者造成隧道里面腕臂和隧道壁之間的絕緣距離不充分，可能會造成維修或者返工問題的出現，造成成本的增加以及工期的延遲。高速鐵路接觸網中的施工流程比較復雜，環(huán)節(jié)也比較多，具體的施工主要環(huán)節(jié)有腕臂安裝、支柱安裝、承力索和接觸網的具體架設、補償裝置的安裝調試以及吊弦和定位裝置的安裝以及調試等等，施工中各個環(huán)節(jié)之間即相互獨立也是互相聯系的，所以為了確保高鐵接觸網施工的質量以及高精密性能，這就非常需要有一套科學系統(tǒng)的技術統(tǒng)籌對施工中的各個方面進行科學管理。

2 虛擬現實技術在工程建設中應用的價值

當代社會經濟形勢持續(xù)增長、經濟效益顯著提高、生態(tài)環(huán)境也日益改善，在這種情況下建筑行業(yè)也得到了長足的發(fā)展，具體的施工中施工方案的制定要結合周圍環(huán)境、施工進度以及施工安全等多方面情況進行綜合考慮，提高建筑質量的同時也要注意對生態(tài)環(huán)境的保護。當代社會也是一個信息大爆炸的時代，各種信息化技術層出不窮，建筑工程施工技術和施工工藝也要順勢而為，用虛擬現實技術加持建筑工程施工過程，可以使相關的施工參與者預先對施工的具體效果進行詳細了解，在這個前提下如果發(fā)現施工方案和具體施工中的因素有不相符的地方及時進行修正，這樣做對會使施工質量達到最優(yōu)，以下詳細分析一下建筑工程施工中對于虛擬現實技術的具體應用。

虛擬現實技術顧名思義是一種現實和虛擬相結合的技術。它是依托計算機進行處理生成人類可以用觸覺、視覺或者聽覺進行感受的技術，這項技術里可以實現對虛擬事物的操作以及觀察[1]。虛擬現實技術是在計算機設備的發(fā)展以及信息技術的進步的基礎上創(chuàng)新出現的，對社會經濟中的各個行業(yè)的發(fā)展都有很重要的影響，提升了工作效率。對于建筑行業(yè)來說，虛擬現實技術的使用可以使建筑效果預先呈現出來，相關工作人員通過觀察預先效果可以對合適的地方進行改進，使施工方案也得及改進，這樣就保證了施工的質量和工期。

時代在進步，人們對建筑物的要求也隨之提高，建筑物除了具有使用以及安全的功能以外，人們還要求其能在造型上更新穎更具觀賞性，這對設計和施工提出了更大的挑戰(zhàn)。不過借助虛擬現實技術操作起來就更具可觀性了，傳統(tǒng)的方法只能通過設計圖在大腦中描繪建成后的效果，現在就可以把虛擬現實技術結合到建筑的設計中來，通過此項技術對建筑的結構效果進行立體的呈現。

3 虛擬現實技術在高速鐵路接觸網施工應用

3.1 高速鐵路接觸網施工概況

目前高速鐵路的發(fā)展狀況是其從業(yè)者的綜合素質比較低，專業(yè)技能也不過關，另外安全生產意識也比較薄弱，對于這種情況要采取相應的措施進行改善，比如開展有針對性的培訓。

近年來計算機圖形學的學習與應用也得到了發(fā)展，在此基礎上BIM三維虛擬現實技術也得到了長足的發(fā)展，相應的其應用領域也得到了拓寬。

3.2 接觸網仿真系統(tǒng)主要內容

虛擬仿真系統(tǒng)的應用比較廣泛其中有游戲引擎技術、建模和動畫技術以及物理渲染技術等。在運用到高速鐵路接觸網的時候是把各個部位的組件圖紙經過BIM三維建模和裝配，然后對弓網關系也展開相應的動畫仿真模擬，接下來就是對角色循環(huán)待機動畫的相關制作以及作業(yè)指導書中相關的工序的動畫的制作，最后就是把相關的動畫以及模型數據認真仔細的導入游戲引擎，最終接觸網虛擬仿真實訓系統(tǒng)就全部制作完成了。通過計算機圖形技術的應用對接觸網的實際施工后的效果進行了立體的展示，這也豐富了數字模型資產庫，為日后三維類虛擬現實系統(tǒng)的研究和開發(fā)提供條件[2]。三維類虛擬現實系統(tǒng)的應用可以更加直觀的認識接觸網設備的詳細結構，同時也可以實現人機交互，另外在培訓的時候也可以借助此系統(tǒng)，相關的工作人員可以更加直觀地對接觸網進行了解。

傳統(tǒng)的職工培訓場地收到現實環(huán)境的各種因素影響，很難綜合全面的對接觸網進行了解。要改革培訓方式開發(fā)數字化三維訓練場，虛擬和實際情況相結合就可以更科學的對接觸網展開了解，接受培訓的相關人員不會再受到場地因素的影響，能夠更加全面立體的對接觸網進行了解。

另外對相關的工作人員進行安全供電培訓的時候可以借助VR技術，通過對典型案例的現場事故再現使職工有身臨其境的感受，更加清楚地了解到事故中由于粗心大意或者操作不當造成的人身安全事故以及財產損失，提高相關工作人員的安全意識，使安全供電意識深入職工的內心，保障高鐵的安全運行。

3.3 接觸網仿真系統(tǒng)的核心功能

3.3.1 漫游系統(tǒng)。漫游系統(tǒng)的組成分為兩個部分一種是行走模式，還有一種是飛行模式。通過行走模式的運用，體驗者可以實現各個場景之間的移動以及轉向，還可以對高鐵中的各項供電設備的相關信息進行觀看了解。另外此系統(tǒng)中可以實現定點傳送，在查詢某一個指定的設備時，系統(tǒng)會對此設備進行定向標注，這樣體驗者可以更快捷的查找。除此以外，體驗者還可以在漫游系統(tǒng)中對特定的兩個點位，他們之間的實際距離如拉出值和導高等進行準確的測量。

3.3.2 檢修工藝流程原理動畫演示系統(tǒng)。在對高鐵系統(tǒng)的新員工進行入職培訓的時候，為了更加直觀的展示高鐵的檢修流程以及檢修工藝，可以借助三維操作動畫演示系統(tǒng)來展示，這種方式可以使新員工能夠更快更高效的了解到相關的技術。

3.3.3 數字練兵場系統(tǒng)。BIM平臺上的虛擬施工模塊基礎上搭建的數字練兵場系統(tǒng)是施工培訓的重要子系統(tǒng)。數字練兵場系統(tǒng)全面詳細地展示了高鐵接觸網的每一個細節(jié)，包括各類錨段關節(jié)的相關組成部分、各個設備之間以及設備和場景之間的特定關系等，接受培訓的相關人員可以通過這個系統(tǒng)對高鐵接觸網展開全面立體詳細的認識。另外在數字練兵場中接受培訓的時候要嚴格按照作業(yè)指導書中列出的具體操作規(guī)范執(zhí)行，這對受訓者實際工作中能嚴格按照操作規(guī)范要求執(zhí)行具體任務有特別重要的作用[3]。虛擬接觸網還可以實現虛擬場景設備交互，包括檢修隔離開關、組裝接觸網的腕臂以及調整拉出值等。在數字練兵場中可以對受訓者提供各種虛擬實踐的機會，同時也對受訓者的掌握情況進行檢測，對新入職員工更迅速的學習到準確的檢修標準以及流程和規(guī)范化的操作訓練起到了非常關鍵的作用。

3.3.4 VR安全警示教育系統(tǒng)。對于近些年高鐵運行中發(fā)生的典型案例結合VR技術進行模擬展示，使相關的人員在VR影像技術中更加深刻地體驗到事故對人財物造成的危害，提高高鐵接觸網施工人員的安全意識，防范各種危險事故的發(fā)生。

3.3.5 任務系統(tǒng)。任務系統(tǒng)的使用可以使高鐵檢修工作更加全面安全，對設備的具體操作、各類巡檢以及緊急事故的處理在這個系統(tǒng)中都是任務形式存在的，所有任務的執(zhí)行都有終極目標[4]。舉例來說組裝接觸網腕臂的工作，具體執(zhí)行中是分為若干個小任務的，只有所有的構件都完成裝配后，才能完成腕臂組裝的終極任務。除此以外，變電所倒閘作業(yè)也是分為幾個小任務的，當每個小任務在相關科室的配合下完成后，最終才能完成倒閘作業(yè)的終極任務。

3.3.6 接觸網數據集成與傳遞。

3.3.6.1 數據種類。接觸網的實際施工開展中，相應會有各類的數據產生，這些數據包括接觸網實施的方方面面，比如有設計、生產制造、材料驗收、施工安裝等等各種數據，并且隨著施工的開展相應的數據會不斷增加。

3.3.6.2 數據采集與集成手段。在虛擬現實技術運用到高鐵接觸網的施工中，首先要進行建模，建模需要把各種信息錄入系統(tǒng)，比如支柱容量以及長度、材質、型號和壽命等等。接觸網支柱要在指定地方粘貼二維碼之后才準許出廠，其中二維碼包括的信息有支柱的生產廠家、批次、型號、材質等等。接觸網腕臂支撐裝置要進行預加工，在預加工之前要對現場進行詳細的測量，測量的內容包括側面限界、支柱斜率以及外軌超高等等，然后對測得的數據進行計算得出腕臂的構成部件的下料長度，再經過精加工后就能運用到具體的施工中了[5]。在設計建筑信息模型的時候，把所有的數據進行輕量化處理達到數模分離的目的，然后將相關的信息分別導入到建筑信息模型的數據庫中，然后把接觸網設計信息、安裝信息等等各類信息也導入到建筑信息模型數據庫，通過ID關聯構件實體相關的構件編碼，最后秉持“一桿一檔”的原則對數據展開重組，最終實現數據的關聯以及集成目的。

3.3.6.3 數字化竣工交付。在交付的過程中要嚴格依照運維管理要求的相關資料展開移交工作，通過數字化竣工交付的執(zhí)行，將所有的數據信息綜合完整的移交到運維單位，這樣使后期的運行以及維護工作開展的信息也能夠補充進來，為接觸網的安全運行以及高效率的運行提供技術支持。

3.4 應用效益

以西安供電段的培訓系統(tǒng)為例來說，它是在3D立體成像技術和三維數據技術的基礎上自主創(chuàng)新研發(fā)出的一個培訓系統(tǒng)。在此培訓系統(tǒng)的實際運用過程中我們發(fā)現，它解決了傳統(tǒng)方式下培訓效果不很理想的問題，對職工專業(yè)素質的提高也起到了非常重要的作用，另外也使相關工作人員的安全意識得到了提高[6]。

4 結束語

不論任何一項施工作業(yè)的開展，都需要以精湛的施工技術作為基礎，在高速鐵路工程建設中，高速鐵路接觸網承擔著為高速鐵路機車提供運行電力的重要使命，如果出現高速鐵路接觸網斷電等情況，就會對高速鐵路機車的安全穩(wěn)定運行造成嚴重負面影響，因此必須采取各種有效方法，確保高速鐵路接觸網施工質量的可靠性，鑒于現階段的高速鐵路接觸網施工仍需進一步優(yōu)化改進，而虛擬現實技術在各類建設項目中都具備非常顯著的應用價值，因此筆者建議相關人員多方位、多角度的去探索虛擬現實技術在高速鐵路接觸網施工中的具體應用，以便為接觸網施工作業(yè)提供技術支撐。