虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高速鐵路接觸網(wǎng)施工應(yīng)用分析

況水云

中鐵建電氣化局集團(tuán)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(shuō)是高科技，多技術(shù)集成的現(xiàn)代化交通工具，在提高交通運(yùn)輸效率等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的積極作用，為了給民眾出行和貨物運(yùn)輸提供更大便利，國(guó)家投入了巨大的人力、物力以及資金資源開(kāi)展高速鐵路建設(shè)，而且高速鐵路基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電氣化，對(duì)于電氣化鐵路來(lái)說(shuō)，鐵路系統(tǒng)能否健康平穩(wěn)運(yùn)行，在一定程度上取決于高速鐵路接觸網(wǎng)施工質(zhì)量，但是目前的高速鐵路接觸網(wǎng)施工仍然存在一些短板，所以很有必要在接觸網(wǎng)施工中合理引進(jìn)現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)，以便在優(yōu)化改進(jìn)接觸上施工模式的同時(shí)，更好的助力高速鐵路接觸網(wǎng)施工作業(yè)的高質(zhì)高效推進(jìn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)及其在建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用，為高速鐵路接觸網(wǎng)施工模式創(chuàng)新指出了方向。

1 接觸網(wǎng)施工存在的問(wèn)題

接觸網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成有很多方面，總體來(lái)說(shuō)包含受力平衡結(jié)構(gòu)、電氣以及機(jī)械等三部分，它是一個(gè)比較復(fù)雜的混合系統(tǒng)。接觸網(wǎng)施工的現(xiàn)狀是依照安裝圖以及接觸網(wǎng)平面布置圖來(lái)開(kāi)展具體的施工活動(dòng)，不過(guò)這些圖紙?zhí)峁┑募夹g(shù)信息都是相對(duì)單一的。這就造成在接觸網(wǎng)施工中對(duì)整體情況不能進(jìn)行充分了解，施工現(xiàn)場(chǎng)的具體地理環(huán)境以及周圍的各項(xiàng)設(shè)備對(duì)其造成的影響不能具體反映出來(lái)，另外對(duì)接觸網(wǎng)內(nèi)部各個(gè)組成部分的機(jī)械和電氣之間的互相作用沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。這就導(dǎo)致具體施工中可能會(huì)出現(xiàn)腕臂間絕緣距離不夠，或者造成錨段關(guān)節(jié)內(nèi)非工作支和工作支其承力索或者接觸線出現(xiàn)了錯(cuò)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(huì)造成維修或者返工問(wèn)題的出現(xiàn)，造成成本的增加以及工期的延遲。高速鐵路接觸網(wǎng)中的施工流程比較復(fù)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(wǎng)的具體架設(shè)、補(bǔ)償裝置的安裝調(diào)試以及吊弦和定位裝置的安裝以及調(diào)試等等，施工中各個(gè)環(huán)節(jié)之間即相互獨(dú)立也是互相聯(lián)系的，所以為了確保高鐵接觸網(wǎng)施工的質(zhì)量以及高精密性能，這就非常需要有一套科學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)統(tǒng)籌對(duì)施工中的各個(gè)方面進(jìn)行科學(xué)管理。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程建設(shè)中應(yīng)用的價(jià)值

當(dāng)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)持續(xù)增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)足的發(fā)展，具體的施工中施工方案的制定要結(jié)合周圍環(huán)境、施工進(jìn)度以及施工安全等多方面情況進(jìn)行綜合考慮，提高建筑質(zhì)量的同時(shí)也要注意對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。當(dāng)代社會(huì)也是一個(gè)信息大爆炸的時(shí)代，各種信息化技術(shù)層出不窮，建筑工程施工技術(shù)和施工工藝也要順勢(shì)而為，用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)加持建筑工程施工過(guò)程，可以使相關(guān)的施工參與者預(yù)先對(duì)施工的具體效果進(jìn)行詳細(xì)了解，在這個(gè)前提下如果發(fā)現(xiàn)施工方案和具體施工中的因素有不相符的地方及時(shí)進(jìn)行修正，這樣做對(duì)會(huì)使施工質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)，以下詳細(xì)分析一下建筑工程施工中對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的具體應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)顧名思義是一種現(xiàn)實(shí)和虛擬相結(jié)合的技術(shù)。它是依托計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理生成人類可以用觸覺(jué)、視覺(jué)或者聽(tīng)覺(jué)進(jìn)行感受的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)里可以實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬事物的操作以及觀察[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)設(shè)備的發(fā)展以及信息技術(shù)的進(jìn)步的基礎(chǔ)上創(chuàng)新出現(xiàn)的，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)中的各個(gè)行業(yè)的發(fā)展都有很重要的影響，提升了工作效率。對(duì)于建筑行業(yè)來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用可以使建筑效果預(yù)先呈現(xiàn)出來(lái)，相關(guān)工作人員通過(guò)觀察預(yù)先效果可以對(duì)合適的地方進(jìn)行改進(jìn)，使施工方案也得及改進(jìn)，這樣就保證了施工的質(zhì)量和工期。

時(shí)代在進(jìn)步，人們對(duì)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(duì)設(shè)計(jì)和施工提出了更大的挑戰(zhàn)。不過(guò)借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)操作起來(lái)就更具可觀性了，傳統(tǒng)的方法只能通過(guò)設(shè)計(jì)圖在大腦中描繪建成后的效果，現(xiàn)在就可以把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合到建筑的設(shè)計(jì)中來(lái)，通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)效果進(jìn)行立體的呈現(xiàn)。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高速鐵路接觸網(wǎng)施工應(yīng)用

3.1 高速鐵路接觸網(wǎng)施工概況

目前高速鐵路的發(fā)展?fàn)顩r是其從業(yè)者的綜合素質(zhì)比較低，專業(yè)技能也不過(guò)關(guān)，另外安全生產(chǎn)意識(shí)也比較薄弱，對(duì)于這種情況要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行改善，比如開(kāi)展有針對(duì)性的培訓(xùn)。

近年來(lái)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用也得到了發(fā)展，在此基礎(chǔ)上BIM三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，相應(yīng)的其應(yīng)用領(lǐng)域也得到了拓寬。

3.2 接觸網(wǎng)仿真系統(tǒng)主要內(nèi)容

虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用比較廣泛其中有游戲引擎技術(shù)、建模和動(dòng)畫技術(shù)以及物理渲染技術(shù)等。在運(yùn)用到高速鐵路接觸網(wǎng)的時(shí)候是把各個(gè)部位的組件圖紙經(jīng)過(guò)BIM三維建模和裝配，然后對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系也展開(kāi)相應(yīng)的動(dòng)畫仿真模擬，接下來(lái)就是對(duì)角色循環(huán)待機(jī)動(dòng)畫的相關(guān)制作以及作業(yè)指導(dǎo)書(shū)中相關(guān)的工序的動(dòng)畫的制作，最后就是把相關(guān)的動(dòng)畫以及模型數(shù)據(jù)認(rèn)真仔細(xì)的導(dǎo)入游戲引擎，最終接觸網(wǎng)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)就全部制作完成了。通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的應(yīng)用對(duì)接觸網(wǎng)的實(shí)際施工后的效果進(jìn)行了立體的展示，這也豐富了數(shù)字模型資產(chǎn)庫(kù)，為日后三維類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)提供條件[2]。三維類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用可以更加直觀的認(rèn)識(shí)接觸網(wǎng)設(shè)備的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，另外在培訓(xùn)的時(shí)候也可以借助此系統(tǒng)，相關(guān)的工作人員可以更加直觀地對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行了解。

傳統(tǒng)的職工培訓(xùn)場(chǎng)地收到現(xiàn)實(shí)環(huán)境的各種因素影響，很難綜合全面的對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行了解。要改革培訓(xùn)方式開(kāi)發(fā)數(shù)字化三維訓(xùn)練場(chǎng)，虛擬和實(shí)際情況相結(jié)合就可以更科學(xué)的對(duì)接觸網(wǎng)展開(kāi)了解，接受培訓(xùn)的相關(guān)人員不會(huì)再受到場(chǎng)地因素的影響，能夠更加全面立體的對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行了解。

另外對(duì)相關(guān)的工作人員進(jìn)行安全供電培訓(xùn)的時(shí)候可以借助VR技術(shù)，通過(guò)對(duì)典型案例的現(xiàn)場(chǎng)事故再現(xiàn)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(dāng)造成的人身安全事故以及財(cái)產(chǎn)損失，提高相關(guān)工作人員的安全意識(shí)，使安全供電意識(shí)深入職工的內(nèi)心，保障高鐵的安全運(yùn)行。

3.3 接觸網(wǎng)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(gè)部分一種是行走模式，還有一種是飛行模式。通過(guò)行走模式的運(yùn)用，體驗(yàn)者可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)場(chǎng)景之間的移動(dòng)以及轉(zhuǎn)向，還可以對(duì)高鐵中的各項(xiàng)供電設(shè)備的相關(guān)信息進(jìn)行觀看了解。另外此系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)傳送，在查詢某一個(gè)指定的設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)此設(shè)備進(jìn)行定向標(biāo)注，這樣體驗(yàn)者可以更快捷的查找。除此以外，體驗(yàn)者還可以在漫游系統(tǒng)中對(duì)特定的兩個(gè)點(diǎn)位，他們之間的實(shí)際距離如拉出值和導(dǎo)高等進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。

3.3.2 檢修工藝流程原理動(dòng)畫演示系統(tǒng)。在對(duì)高鐵系統(tǒng)的新員工進(jìn)行入職培訓(xùn)的時(shí)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(dòng)畫演示系統(tǒng)來(lái)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(guān)的技術(shù)。

3.3.3 數(shù)字練兵場(chǎng)系統(tǒng)。BIM平臺(tái)上的虛擬施工模塊基礎(chǔ)上搭建的數(shù)字練兵場(chǎng)系統(tǒng)是施工培訓(xùn)的重要子系統(tǒng)。數(shù)字練兵場(chǎng)系統(tǒng)全面詳細(xì)地展示了高鐵接觸網(wǎng)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，包括各類錨段關(guān)節(jié)的相關(guān)組成部分、各個(gè)設(shè)備之間以及設(shè)備和場(chǎng)景之間的特定關(guān)系等，接受培訓(xùn)的相關(guān)人員可以通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)對(duì)高鐵接觸網(wǎng)展開(kāi)全面立體詳細(xì)的認(rèn)識(shí)。另外在數(shù)字練兵場(chǎng)中接受培訓(xùn)的時(shí)候要嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書(shū)中列出的具體操作規(guī)范執(zhí)行，這對(duì)受訓(xùn)者實(shí)際工作中能嚴(yán)格按照操作規(guī)范要求執(zhí)行具體任務(wù)有特別重要的作用[3]。虛擬接觸網(wǎng)還可以實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景設(shè)備交互，包括檢修隔離開(kāi)關(guān)、組裝接觸網(wǎng)的腕臂以及調(diào)整拉出值等。在數(shù)字練兵場(chǎng)中可以對(duì)受訓(xùn)者提供各種虛擬實(shí)踐的機(jī)會(huì)，同時(shí)也對(duì)受訓(xùn)者的掌握情況進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)新入職員工更迅速的學(xué)習(xí)到準(zhǔn)確的檢修標(biāo)準(zhǔn)以及流程和規(guī)范化的操作訓(xùn)練起到了非常關(guān)鍵的作用。

3.3.4 VR安全警示教育系統(tǒng)。對(duì)于近些年高鐵運(yùn)行中發(fā)生的典型案例結(jié)合VR技術(shù)進(jìn)行模擬展示，使相關(guān)的人員在VR影像技術(shù)中更加深刻地體驗(yàn)到事故對(duì)人財(cái)物造成的危害，提高高鐵接觸網(wǎng)施工人員的安全意識(shí)，防范各種危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

3.3.5 任務(wù)系統(tǒng)。任務(wù)系統(tǒng)的使用可以使高鐵檢修工作更加全面安全，對(duì)設(shè)備的具體操作、各類巡檢以及緊急事故的處理在這個(gè)系統(tǒng)中都是任務(wù)形式存在的，所有任務(wù)的執(zhí)行都有終極目標(biāo)[4]。舉例來(lái)說(shuō)組裝接觸網(wǎng)腕臂的工作，具體執(zhí)行中是分為若干個(gè)小任務(wù)的，只有所有的構(gòu)件都完成裝配后，才能完成腕臂組裝的終極任務(wù)。除此以外，變電所倒閘作業(yè)也是分為幾個(gè)小任務(wù)的，當(dāng)每個(gè)小任務(wù)在相關(guān)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(wù)。

3.3.6 接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)集成與傳遞。

3.3.6.1 數(shù)據(jù)種類。接觸網(wǎng)的實(shí)際施工開(kāi)展中，相應(yīng)會(huì)有各類的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，這些數(shù)據(jù)包括接觸網(wǎng)實(shí)施的方方面面，比如有設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、材料驗(yàn)收、施工安裝等等各種數(shù)據(jù)，并且隨著施工的開(kāi)展相應(yīng)的數(shù)據(jù)會(huì)不斷增加。

3.3.6.2 數(shù)據(jù)采集與集成手段。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到高鐵接觸網(wǎng)的施工中，首先要進(jìn)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(zhǎng)度、材質(zhì)、型號(hào)和壽命等等。接觸網(wǎng)支柱要在指定地方粘貼二維碼之后才準(zhǔn)許出廠，其中二維碼包括的信息有支柱的生產(chǎn)廠家、批次、型號(hào)、材質(zhì)等等。接觸網(wǎng)腕臂支撐裝置要進(jìn)行預(yù)加工，在預(yù)加工之前要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量，測(cè)量的內(nèi)容包括側(cè)面限界、支柱斜率以及外軌超高等等，然后對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得出腕臂的構(gòu)成部件的下料長(zhǎng)度，再經(jīng)過(guò)精加工后就能運(yùn)用到具體的施工中了[5]。在設(shè)計(jì)建筑信息模型的時(shí)候，把所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理達(dá)到數(shù)模分離的目的，然后將相關(guān)的信息分別導(dǎo)入到建筑信息模型的數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后把接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)信息、安裝信息等等各類信息也導(dǎo)入到建筑信息模型數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)ID關(guān)聯(lián)構(gòu)件實(shí)體相關(guān)的構(gòu)件編碼，最后秉持“一桿一檔”的原則對(duì)數(shù)據(jù)展開(kāi)重組，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)以及集成目的。

3.3.6.3 數(shù)字化竣工交付。在交付的過(guò)程中要嚴(yán)格依照運(yùn)維管理要求的相關(guān)資料展開(kāi)移交工作，通過(guò)數(shù)字化竣工交付的執(zhí)行，將所有的數(shù)據(jù)信息綜合完整的移交到運(yùn)維單位，這樣使后期的運(yùn)行以及維護(hù)工作開(kāi)展的信息也能夠補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，為接觸網(wǎng)的安全運(yùn)行以及高效率的運(yùn)行提供技術(shù)支持。

3.4 應(yīng)用效益

以西安供電段的培訓(xùn)系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)，它是在3D立體成像技術(shù)和三維數(shù)據(jù)技術(shù)的基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新研發(fā)出的一個(gè)培訓(xùn)系統(tǒng)。在此培訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，它解決了傳統(tǒng)方式下培訓(xùn)效果不很理想的問(wèn)題，對(duì)職工專業(yè)素質(zhì)的提高也起到了非常重要的作用，另外也使相關(guān)工作人員的安全意識(shí)得到了提高[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

不論任何一項(xiàng)施工作業(yè)的開(kāi)展，都需要以精湛的施工技術(shù)作為基礎(chǔ)，在高速鐵路工程建設(shè)中，高速鐵路接觸網(wǎng)承擔(dān)著為高速鐵路機(jī)車提供運(yùn)行電力的重要使命，如果出現(xiàn)高速鐵路接觸網(wǎng)斷電等情況，就會(huì)對(duì)高速鐵路機(jī)車的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重負(fù)面影響，因此必須采取各種有效方法，確保高速鐵路接觸網(wǎng)施工質(zhì)量的可靠性，鑒于現(xiàn)階段的高速鐵路接觸網(wǎng)施工仍需進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各類建設(shè)項(xiàng)目中都具備非常顯著的應(yīng)用價(jià)值，因此筆者建議相關(guān)人員多方位、多角度的去探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高速鐵路接觸網(wǎng)施工中的具體應(yīng)用，以便為接觸網(wǎng)施工作業(yè)提供技術(shù)支撐。