三维可视化技术在轨道交通接触网施工中的应用

谢文艺

(中铁建电气化局集团第四工程有限公司,410016,长沙//高级工程师)



三维可视化技术在轨道交通接触网施工中的应用

谢文艺

(中铁建电气化局集团第四工程有限公司,410016,长沙//高级工程师)

利用跨平台应用软件OpenGL开发了接触网施工三维可视化系统,实现了接触网腕臂装配和吊弦的三维可视化计算,以及三维可视化复核检查和效果展示;实现了整锚段、整区间、整条线路的全貌展示;实现了施工完成前对接触网的电气、机械碰撞检测;实现了施工前对工程量进行准确统计、精确订货。三维可视化技术能大大提高轨道交通接触网施工的效率和施工质量,大大减少返工和材料的浪费,实现标准化作业。

轨道交通; 接触网; 三维可视化技术

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

为了保证高速运行状态下,受电弓和接触网系统的动态运行安全性和良好的受流质量,对接触网系统精确度的控制在高速铁路工程建设中具有十分重要的意义。传统的施工方法依赖于二维的平面布置图、二维的CAD(计算机辅助设计)装配图,以及二维图表和文字的作业指导书等技术资料,由于技术复杂、内容繁多,不同技术人员可能会有不同的理解,造成施工质量无法标准化,存在返工和材料浪费的现象。

三维可视化技术具有交互形式丰富、仿真效果好、用户真实感强、易于掌握等优点,在轨道交通接触网施工中引入三维可视化技术的益处在于:①实现了接触网施工技术人员的可视化培训,增强了教与学的交互性;可视化培训系统简化了技术问题的复杂性,更有助于被培训人员的理解;可视化培训系统实现了施工作业过程的标准化,更有助于被培训人员对施工关键环节的严格管控。②实现了接触网系统腕臂装配和吊弦的三维可视化计算,可进行形象的三维视化复核检查和效果展示。③实现了接触网系统整锚段、整区间、整条线路的展全貌展示。④施工完成前可对接触网系统的电气、机械进行碰撞检测。⑤施工前,可对工程量进行准确统计,实现精确订货。由此可见,三维可视化技术能大大提高轨道交通接触网系统的施工效率和施工质量,大大减少返工和材料浪费现象。

1 接触网施工三维可视化系统研发

目前,为了实现兼容和数据共享,某些设计企业主要采用AutoCAD Civil 3D软件进行接触网施工三维可视化系统的研发,这样可以让开发者在熟悉的AutoCAD环境中进行三维可视化系统的开发。基于AutoCAD Civil 3D软件的接触网施工三维可视化系统能够使各专业的设计人员保持协调一致,有助于提高工程施工效率、节约施工成本、保证施工质量。

在接触网施工三维可视化系统的开发设计阶段,AutoCAD Civil 3D软件具有一定的优势,但在接触网施工阶段,由于对画质、对实时渲染性、对大型三维场景在系统平台中运行的流畅性等的要求更高,往往难以满足实际需求。本文采用OpenGL软件进行接触网施工三维可视化系统的开发,OpenGL软件已被认为是高性能图形和交互式视景处理的标准,包括ATT公司UNIX软件实验室、IBM公司、Microsoft公司在内的几家在计算机市场占领导地位的大公司都采用了OpenGL图形标准。AutoCAD Civil 3D软件与OpenGL软件的功能对比分析见表1。

基于OpenGL软件的三维可视化系统开发,首先要采用solidworks、3dmax等三维建模软件建立精确的三维模型,并在OpenGL软件中再对模型贴图、材质、纹理进行精确控制,然后再采用C#语言进行编程,实现复杂安装工艺的动画、交互式控制、复杂数学模型、报表输出等动作。该系统采用SQL Server作为后台数据库,存储文档、数据、文字等数据信息。

表1 AutoCAD Civil 3D软件与OpenGL软件功能对比分析

2 接触网施工三维可视化系统的结构设计

传统接触网施工设计均以二维设计为基础,接触网腕臂、吊弦计算安装图,下锚、线岔、附加线索安装图,以及接触网平面布置图等均为二维设计,施工人员在施工阶段按图施工时,不易提早发现设计中存在的问题。图1为接触网施工三维可视化系统的结构设计图。建立了机械、几何、电气等多专业的接触网悬挂系统虚拟现实三维模型,在此虚拟现实三维场景中,包含了真实的地理三维信息数据和模型,在施工初期、中期就能看到施工完成后接近实际的接触网系统。采用OpenGL软件强大的三维呈现技术,可以实现接触网系统及周边地理场景的三维数字可视化,还可实现施工培训、距离测量、碰撞检测、实时漫游、精确订货等功能,并可直观地进行施工效果审查,优化施工方案。

图1 接触网施工三维可视化系统的结构设计图

3 三维可视化技术在接触网施工培训中的应用

高速铁路的接触网结构类型、零部件外观、施工工艺等都与普速铁路有着极大差异,要保证高精度的施工质量,首先就要保证“施工人员的专业化”,对施工人员进行标准化、专业化施工培训显得尤为重要。目前的培训方式主要依靠各施工单位编写的作业指导书,其主要以文字、数字、图表为主,配以少量的实物照片进行说明,其对现场的表现方式比较单调,不够形象和直观,无交互式操作,更无法展示高速铁路接触网施工测量、软件计算、工厂预配、现场安装和系统精调等各个阶段的关键技术。通过拍摄现场施工视频进行剪辑、配音和特效制作的方式进行培训同真实场景又缺少互动,使被培训人员被动接受培训,印象不深刻,培训效果不明显。针对以上情况,可交互、可视化的三维培训方式应运而生。

基于OpenGL软件开发的三维可视化虚拟仿真培训系统(如图2～图4所示)可以在项目施工之前,根据本项目接触网的设计参数,配置系统参数,生成将要施工建设的接触网虚拟场景,可以使工程完工后的状貌在施工前就呈现出来;施工人员可以在虚拟场景中交互运动,全角度旋转查看,让施工人员做到心中有数、精确施工。

图2 三维可视化虚拟仿真培训系统软件界面

图3 整锚段三维呈现界面

图4 项目部临时培训中心

在项目施工期间,对承力索座、套管座、腕臂支撑、套管单耳、定位线夹、定位支座、电气跳线、矩形定位器、定位环、防风拉线及防风定位环、整体吊弦装置、锚支定位卡子、接触线中心锚结线夹、承力索中心锚结线夹、弹性吊索线夹、接触线电连接线夹、接触线终端锚固线夹、腕臂预配、隧道吊柱安装等安装环节和施工工艺进行有针对性的可视化培训。施工工艺的可视化培训界面如图5所示。

图5 施工工艺可视化培训

从实际培训效果来看,集先进性、实用性、科学性于一体的三维可视化仿真培训系统在接触网施工实训方面,不受实训场地的限制,具有较好的经济性和实效性,是一种提高施工作业人员技能水平的有效培训手段。

4 三维可视化技术在接触网施工作业中的应用

(1) 可视化计算、交底。高速铁路接触网关键施工技术中的“四个一次到位”是指腕臂装配一次到位、承力索架设一次到位、接触线架设一次到位、吊弦安装一次到位。其中腕臂装配一次到位和吊弦安装一次到位的关键为准确测量和精确计算。如图6所示,根据设计院最终交付的安装通用图,结合现场每根支柱的侧面限界、上腕臂底座高度、支柱斜率、轨道超高等准确实测数据,并采用3 dmax建模软件创建精确三维模型,可精确计算出腕臂装置上各类零部件的安装空间位置和管材长度,生成二维CAD图纸和三维模型,全面表达出设计信息,更准确和直观地展示出实际的安装情况。为设备接管单位提供精确尺寸的二维安装图纸,以及准确直观的三维模型,建立可视化的“一杆一档”数据库,能够大大提高用户使用体验感。

图6 三维可视化技术应用于支柱位置变更及装配更新

(2) 电气、机械碰撞检测。高速铁路接触网系统悬挂结构复杂，零部件型号规格多样、数量众多,既要保证带电部件与零电位、低电位部件之间的电气绝缘距离,还要保证各部件在动态振动状态下不相互磨蹭。利用OpenGL软件中的物理碰撞引擎能够很准确地进行相关校验。图7所示为:补偿装置与桥梁钢架、声屏障的机械碰撞校验;AF线与站房雨棚的绝缘核验;AF线与PW线的绝缘核验;锚段关节内工作支与非工作支承力索、接触线、腕臂、定位器的机械碰撞校验;隧道内平腕臂、定位管与隧道壁的绝缘校验。可以提前发现安装冲突和绝缘距离不符合要求的情况,能够提前调整安装方案,减少调整和返工的情况。

图7 三维可视化技术应用于碰撞核验

(3) 精确订货。利用三维可视化技术可以在施工初期、中期基于现场的实际情况创建全线准确的三维模型,由于接触网支柱(吊柱)、腕臂装置、各类线索(接触线、承力索、附加线索)、吊弦、电连接线、补偿装置、隔离开关等部件都与建成后的现场是一一对应的关系,施工单位可以从三维模型后台数据库中更便捷、更精确汇总出本工程所需的材料、设备数量,可有针对性地制定材料、设备提报计划。

5 结论

(1) 本文基于OpenGL软件进行接触网施工三维可视化系统的开发。利用OpenGL大型三维引擎开发的接触网施工阶段的三维可视化系统,在实际应用中具有一定的优势。

(2) 基于三维可视化技术在接触网施工阶段进行三维仿真培训系统开发,建立了项目部“临时培训中心”培训制度和运行机制,施工建设与技术培训同步进行,能有效提高施工人员的技术水平。

(3) 利用OpenGL软件开发的三维可视化系统具有可视化计算,交互式培训,机械、电气碰撞检测,精确订货等方面的应用,能够有效减少返工引起的材料和劳动力浪费,对提高施工效率有重要作用。

[1] 李永刚.高速铁路接触网工程施工精度的技术探讨[J].城市建设理论研究,2015(17):1.

[2] 朱飞雄.高速铁路接触网施工关键技术[J].中国铁路,2004,(7):2.

[3] 潘英,宋桃东.三维技术在接触网设计中的应用探讨[J].电气化铁道,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)