城市軌道交通軌旁設備智能培訓系統

施 聰 陸鑫源 孫 杰 晏 偉 陳恒泰 戴洋競 顧思淵 張玉潔 桂文婧

(1.上海磁浮交通發展有限公司, 201204, 上海;2.上海地鐵維護保障有限公司通號分公司,200235,上海∥第一作者,高級工程師)

工務通過巡檢和維修的方式確保城市軌道交通線路及相關設備的正常使用。而軌旁設備是工務關注的重點風險區域,因其設備復雜,而且故障具有隱蔽性,巡檢人員難以及時跟蹤設備故障,難以及時識別隱患。隨著智能化技術的發展與應用,傳統的工務運維體系難以應對城市軌道交通整體維修期所帶來的挑戰。

在BIM(建筑信息模型)技術的應用研究方面,文獻[1]應用BIM技術實現了橋梁的可視化、信息化管理,提高了橋梁管養的效率;文獻[2]將健康監測方案與BIM技術進行可視化融合,實現傳感器布設方案碰撞檢測等功能,全面提升管理水平;文獻[3]將 BIM作為信息平臺,使管理人員能夠根據實時信息做出管理決策;文獻[4]在水利工程中建立數字化管理平臺及 BIM數據庫,達到各系統的資源共享和業務協同。在AR(增強現實)技術的應用研究方面,文獻[5]提出應用移動AR技術的智能輔助裝配系統,為人工裝配的數字化、規范化提供了思路與方法;文獻[6]開發了AR智能安全巡檢系統,實現了巡檢數據安全管理等主要應用功能。在城市軌道交通工程培訓的可視化技術應用方面,文獻[7]提出了一種工程進度可視化管理系統,提高了進度管理水平,降低了管控成本;文獻[8]設計了一種數據交互模塊,連接城市軌道交通綜合監控系統與仿真模擬器,具有很好的培訓效果和擴展性;文獻[9]提出了一種基于網格的軌道狀態大數據可視化模型,直觀展示各軌道網格健康狀態特征的相似性或差異性。

由上述分析可知,BIM、AR和可視化技術在軌旁設備運維應用方面的研究還有所欠缺。為了滿足軌旁設備日常維修養護管理需求,引入BIM+AR技術。采用Revit軟件對軌旁設備進行精細化建模,以對復雜設備進行可視化模擬演練;根據軌旁設備檢修的實際需求,基于Unity軟件搭建軌旁設備智能培訓管理平臺;采用移動AR技術發布手機端APP,實現電路、線路電壓以及電流走向等隱蔽性信息的可視化展示,使培訓內容直觀化、可視化,以對軌旁設備的養護維修作業提供有效指導。

1 軌旁設備運維問題分析

由于軌旁設備構造復雜,而且內部線路具有隱蔽性,因此其養護維修是一項十分繁雜的工程。目前在軌旁設備運維中主要存在以下問題:

1) 檢修人員專業性要求方面:對軌旁設備的檢修操作要求比較嚴格,同時軌旁設備構造龐雜,特殊故障處理難度較大,因此對檢修人員的專業技能具有較高的要求。

2) 隱蔽性養護維修項目的檢測方面:軌旁設備內部有很多隱蔽性養護維修項目,對這些項目的檢測結果難以直接展現,因此在定期巡檢過程中常常忽略對這些項目的檢測。

3) 檢修人員培訓方面:目前的培訓體系中沒有采用可視化培訓系統,培訓效果不佳,直接導致軌旁設備養護維修效率低下。

2 軌旁設備智能培訓系統

為完善現有培訓體系,提高軌旁設備檢修人員的專業技能,開發了軌旁設備智能培訓系統。

2.1 可視化模型搭建

建立信息化BIM模型前,需組建好各設備組成零件之間的連接和配合關系;對于軌旁設備的復雜化和異形化,需構建自定義族進行精確的參數設置;對于采用標準元素和參數的模型,參數化建模可以做到精細化處理;通過調整尺寸、角度和材料等動態修正的方式降低建模難度,實現快速建模[10];對建立的模型進行模擬、渲染等操作,實現軌旁設備養護維修的可視化交底。

引入BIM技術,使用Revit軟件建立軌旁設備的精細化模型(見圖1)。通過該模型準確模擬巡檢維修過程,實現可視化操作。

圖1 軌旁設備模型

2.2 AR功能實現流程

AR技術可以清晰直觀地呈現數據信息,是理想的可視化手段,可實現人與環境更高效的交互。同時對BIM特定用例具有突出價值,可提高現場方案計劃的效率和準確性。

BIM+AR的移動端應用開發由主場景和應用模塊界面兩部分組成。主場景開發主要包括不同場景的建立和切換設計、UI(用戶界面)設計與功能展示等;應用模塊界面設計包含畫布、按鈕等。整體技術路線如圖2所示,實現步驟如下:

圖2 BIM+AR的移動端應用開發技術路線

1) 通過Revit軟件建立信息化模型,經Navisworks軟件導出為FBX格式文件后,導入Unity平臺,并使用材質球等工具來渲染模型。

2) 將需AR識別的軌旁設備采集特征點樣本生成數據庫, 并通過 Vuforia軟件的SDK(軟件開發工具包)實現增強現實效果。根據軌旁設備檢修的實際需求,定制沉浸式培訓交互功能。

3) 配置 Android(安卓)系統環境,調試運行后發布移動端APP。

2.3 智能培訓平臺搭建

本文以軌旁轉轍機設備為主要研究對象,遵循“預防為主,防治結合、嚴檢慎修”的基本原則,做到精確檢修、全面分析和精細修理[11]。結合ZDJ9型轉轍機養護維修項目的檢測內容和檢測難點(見表1),根據BIM+AR技術方案,提出軌旁設備隱蔽性檢測項目的可視化解決方案,并根據實際需求開發出相應的功能模塊。

表1 ZDJ9型轉轍機檢測需求表

由表1可知,轉轍機設備的養護維修項目大多屬于隱蔽性檢測項目,因此需在Unity軟件中建立不同虛擬場景來定義不同的功能模塊。為了讓移動終端應用能夠準確使用AR技術識別出不同的電路故障信息,在每個功能場景下添加AR Camera(AR相機),以及不同時間、光影條件的轉轍機特征點樣本圖。獲取Vuforia軟件官方的License Manager(許可證管理器)及Target Manager(目標管理器),通過Add Target(添加目標)上傳特征圖,生成的Unity Package(Unity資源包)安裝至Unity平臺開發項目,實現轉轍機設備人工特征點與內部電路三維模型的關聯。此外,采用UI功能來實現定位與反位等場景的切換,在Hierarchy(層級)視圖下選擇UI選項卡添加Button(按鈕)功能,進一步在Assets(資源文件)下添加腳本文件,通過編寫相關代碼實現設定的不同場景模塊轉轍機電路故障的三維展示。在此基礎上,在電路故障功能界面下應用Text(文本)工具添加轉轍機內部標準電壓等資料的文本信息,并對其滾珠絲杠組、遮斷器、動靜接點組等主要結構進行詳細的檢修內容的信息展示。將建立好的轉轍機電路模型設定為電流流動箭頭模型的移動路徑,編譯并調試完腳本代碼后,實現箭頭模型沿著電路模型定向移動,達到三維展示電流走向的效果。移動端應用Android系統環境的配置,包括定義軟件名稱為轉轍機養護維修培訓,生成發布APK(Android系統應用程序包)文件后部署至Android系統設備運行。

3 軌旁設備智能培訓系統應用

3.1 復雜性工程模擬

以ZDJ9 型轉轍機為例,通過BIM技術能夠準確了解其結構和工作原理,能更加直觀地展示軌旁設備的空間位置、各種設備之間的關系;同時可讓員工在虛擬環境中進行訓練和模擬,通過反復不斷的模擬操作,使員工可以在模型里逐步掌握操作技能,加深對工作流程的理解和熟悉度,有效提高工作效率和質量,減少工作中的錯誤和風險,降低維修成本。軌旁智能培訓系統可為軌旁設備的養護運維提供更加優質和高效的解決方案。

3.2 電路故障可視化展示

培訓員工打開移動終端應用程序即可實現人機交互。通過手機攝像頭識別現場環境特征點;點選定位與反位UI功能按鈕切換轉轍機工作狀態;通過相應場景下繼電路支路開路與二極管支路開路虛擬按鈕的選擇,可分別展示轉轍機相應故障時電路狀態。

3.3 電壓信息及檢修內容提示

培訓員工在移動終端應用程序中點擊電壓顯示按鈕,即可獲得現實世界對虛擬信息的真實反饋,能夠準確判斷轉轍機在定位與反位正常工作狀態與開路的故障工作狀態下電壓幅值的區別;與此同時,點擊轉轍機內部不同結構的功能按鈕,可以文本形式展示滾珠絲杠組、遮斷器、動靜接點組等部位的具體檢修注意事項。

3.4 電流走向展示

培訓員工在移動終端應用程序中通過點選每個功能場景下設置的電流走向UI按鈕,即可通過指向箭頭的定向流動實現轉轍機內部的電流信息的準確判斷。

4 結語

為實現軌旁設備的高質量運維,結合 BIM+AR技術,提出了以轉轍機為主要研究對象的軌旁設備智能培訓系統。在移動終端應用程序中可以實現軌旁設備電路故障、線路電壓和電流走向等虛擬信息的可視化展示。主要結論為:

1) 應用BIM技術建立可視化模型,將二維圖紙映射到三維空間,使復雜工程直觀化,運維人員能夠更直觀了解設備的結構和工作原理,可為運維決策提供依據。

2) 該系統可對軌旁設備的養護維修提供有效作業指導。通過對不同功能模塊的點選,可實現軌旁設備內部結構養護維修操作培訓。對隱蔽性檢測項目而言,具有現實價值和指導意義。

3) 通過BIM+AR技術的創新應用,該系統可通過移動終端提供培訓,對故障定位準,可提升檢修作業的效率,縮短天窗作業時間,有助于推動城市軌道交通軌旁設備智能運維的進程。