虚拟现实技术在高速铁路接触网施工中的运用

韩雪 粟慧龙

摘 要：本文分析了高速铁路接触网施工中存在的问题，进而提出虚拟现实技术在接触网施工中的运用方法。在高速铁路接触网施工中，施工企业借助虚拟现实技术能够提升工程建设质量，加快施工进度。在施工过程中，虚拟现实技术能够在施工培训、施工计算、模拟演练、材料测算方面发挥作用，为施工人员提供更加精确的数据信息，从而提升工程建设质量。

关键词：虚拟现实;高速铁路;接触网

高速铁路是一个复杂的系统，其接触网施工的要求高于普通铁路。虚拟现实技术的应用能够为施工创造可视性的平台，和过去单一、抽象的一维或二维形式的显示方式相比，虚拟现实技术在展现空间数据方面具有难以替代的优点。我们在施工过程中，采用这一技术对重点环节进行仿真，能够显著提升工程质量，缩短工期，消除返工和材料耗费，而且有助于施工资源的合理化配置。

一、高速铁路接触网施工中存在的问题

接触网系统具有复杂性，是由电气、机械和受力平衡平衡结构所组成的混合系统。目前，实践中采用的施工方式仅仅应用平面布置图和安装图的技术资料，仅仅包括了单一层次的信息数据。在开始施工作以前，施工人员难以从整体上充分了解这一系统内不同部分的电气和机械等的彼此关系，亦难以掌握地质环境、各类设备对施工可能产生的影响。因而，在施工的具体过程中，往往会产生锚段工作支与非工作支接触线或者承力索错位、悬臂梁与隧道壁绝缘距离不足等缺陷，导致返工现象，不但延长了工期，而且造成了材料的浪费现象。施工的重点环节主要有立柱安装、悬臂安装、补偿装置安装、接触网及接触线安装、吊线及定位装置安装等，这些部分都与施工顺序安排存在紧密的关联性。为了满足高铁线路建设的要求，就需要应用虚拟现实技术来提升施工的精度。

二、高速铁路接触网施工中虚拟现实技术的应用

（一）施工作业培训

在现场施工中，施工人员主要由管理人员、技术工作者和操作人员构成。因为这些人员过去主要应用的是传统的施工技术，并没有接受全面的接触网系统的培训。操作人员往往只经过简单的技术交底或操作规程，初步掌握工程的施工要点，懂得如何进行安装，但并没有掌握不同环节的理论基础、安装配套、复杂图纸、理论参数和空间结构等知识。因而，在具体的施工过程中，由于施工人员的能力和经验存在差异，施工难度不同，施工质量难以保证，可能产生不同程度的质量缺陷和安全风险。

如果我们利用虚拟现实技术开发出一套专门的培训系统，对施工人员开展技术培训，就能够发挥虚拟现实技术可以反复练习、交互性强、切合施工实际的优势，提升施工人员对接触网系统施工的技术掌握水平。我们可以基于unity3d技术，通过3D-Max建模软件开发出专门应用于施工培训的系统。unity3d技术能够让使用者应用3D视频游戏、建筑可视化、实时3D动画等多种方式创建出一个虚拟现实的平台，从而全面、实时地处理与施工各个环节相关的3D模型，从而创建出高质量的三维仿真系统，达到一种实时的视觉效果。按照接触网的原理、不同部件的数据以及对接触網结构的具体测量，开发出包括支柱安装、腕臂预配和安装、接触线安装、吊索预装配、吊索安装在内的多个功能模块，让施工人员在虚拟环境中对施工重点进行培训和练习。

利用虚拟场景对施工人员进行培训时，可以要求他们对不同的功能模块进行多次学习，并采用考核方式评价他们的学习水平。开始培训时，施工人员先要全面掌握安装理论和具体的操作要点。之后，组织施工人员在系统中进行模拟操作。若操作存在错误，系统就会给予相应的提示，引导施工人员纠正自身的错误。最后，在没有系统提示的情况下，要求施工人员独立完成整个操作。只有施工人员经过考核，确定其技术符合要求以后，才能到现场进行实际安装操作。而且，施工企业对关键性的施工环节应当采用专项的方式。如负责电气连接的操作人员经过培训之后，只能从事这一方面的安装工作，应当杜绝出现跨项目作业的情况。

（二）施工计算

施工的重点环节在于解决施工计算问题。在假设测量数据完全准确的前提下，施工计算的数学模型、计算结果校验和计算结果形式等都直接影响施工质量的优劣。

在施工的时候，重点环节之一是解决施工计算问题。在假定测量数据准确、合理的前提下，施工计算的数学模型、计算结果验证以及计算结果形式都会对施工质量产生重要影响。目前，施工企业一般使用C++等计算机语言，利用AutoCAD软件制作出二维模型，开发建筑计算软件系统。软件的计算结果都是借助二维平面图、Excel数据表和CAD二维图形得到表现。但这种计算结果的呈现方式仅仅能够提供有限的空间数据，系统难以对机械安装开展冲突校验工作，也难以检验受电弓和动态包络线会不会喝支撑装置之间产生碰撞，带电体与接地体之间的距离能否满足绝缘方面的要求。而我们如果借助虚拟现实技术，研发出基于unity3d的三维虚拟现实仿真软件系统，就能够在实际施工之前针对腕臂系统的各个部件、接触网设备以及外部环境构建三维模型，并导进系统，再导入实际测量所取得的数据，再利用现实仿真软件系统按照有限元数学模型自动产生整个锚段的三维虚拟仿真场景，通过软件系统就能够生成并运行虚拟场景。

通过仿真软件系统，我们可以在计算机上呈现接触网不同构件的规格、锚段关节内多支线索的空间关系、隧道内接触网设备与隧道壁的空间距离等信息，其与施工的实际场景具有一致性。在虚拟场景里，施工人员能够测算不同部件在空间上的距离，模拟的动态包络线可以检测受电弓自动自动跟踪工作支接触线，能够在整个锚段的接触网中自动巡航。因为虚拟场景中的全部构建都具备准确的立体坐标和属性，因而系统就能够实现对可能存在的碰撞的自动检测，并自动进行校验，极大地提升了施工计算效率。

（三）施工模拟演练

工程中存在许多复杂的关键节点。在施工开始之前，如果能借助虚拟现实技术对这些节点加以模拟和实践，明确操作人员分工，确定施工设备、施工内容以及作业轨迹，精确统计所需要的材料类型和具体数量，就能够提升工程建设效率，确保施工质量和安全性，同时有效控制施工成本。施工企业可以基于Unity3D开发出三维虚拟现实仿真软件系统，针对接触网工程生成精确、直观的场景，在正式施工之前开展仿真演练。在这一场景中，施工团队通过放置和移动人员、设备等模型，配合工作的三维动画，可以提前预测和安排不同人员的工作职责和设备的操作轨迹，使施工人员能够获得现场的体验，有助于提升后续工程的施工质量。

（四）资料和材料统计

施工企业在借助虚拟现实技术构建接触网场景之后，系统就可以自动生成平面布置图、剖面图、安装图以及数据报表等，而且这些图表和场景中的三维模型是同步联动的，若后者产生变动，图表也会自动实现同步的关联变化。接触网三维虚拟场景中的模型构件在模型、数量、位置等方面与实际施工的系统构件存在一一对应的关系，能够自动统计出所需要的材料，结果精确，这样不但能够化解过去存在的材料数量统计不科学的问题，同时还可以为制定材料采购计划提供数据信息。按照系统所统计出的材料类型和数量进行采购，能够防止施工中出现材料不足或者材料浪费的现象，有利于控制施工成本。

在高速铁路接触网施工中，施工企业借助虚拟现实技术能够提升工程建设质量，加快施工进度。随着高速铁路精细化管理的发展，建设单位对施工单位的施工水平要求也在不断提升。在施工过程中，通过虚拟现实技术的开发和应用，能够为施工人员提供更加直观的技术信息，让施工企业能够充分发挥自身在接触网工程方面的优势，形成企业的核心竞争力，创造经济效益。

参考文献

[1] 章彬.建筑施工安全的虚拟现实技术应用[J].建筑知识：学术刊，（2018）：137-138.

[2] 李凯.虚拟现实技术在高速铁路接触网施工中的运用探讨[J].铁道技术监督， 2015（11）：45-47.