城市轨道交通轨旁设备智能培训系统

施 聪 陆鑫源 孙 杰 晏 伟 陈恒泰 戴洋竞 顾思渊 张玉洁 桂文婧

(1.上海磁浮交通发展有限公司, 201204, 上海;2.上海地铁维护保障有限公司通号分公司,200235,上海∥第一作者,高级工程师)

工务通过巡检和维修的方式确保城市轨道交通线路及相关设备的正常使用。而轨旁设备是工务关注的重点风险区域,因其设备复杂,而且故障具有隐蔽性,巡检人员难以及时跟踪设备故障,难以及时识别隐患。随着智能化技术的发展与应用,传统的工务运维体系难以应对城市轨道交通整体维修期所带来的挑战。

在BIM(建筑信息模型)技术的应用研究方面,文献[1]应用BIM技术实现了桥梁的可视化、信息化管理,提高了桥梁管养的效率;文献[2]将健康监测方案与BIM技术进行可视化融合,实现传感器布设方案碰撞检测等功能,全面提升管理水平;文献[3]将 BIM作为信息平台,使管理人员能够根据实时信息做出管理决策;文献[4]在水利工程中建立数字化管理平台及 BIM数据库,达到各系统的资源共享和业务协同。在AR(增强现实)技术的应用研究方面,文献[5]提出应用移动AR技术的智能辅助装配系统,为人工装配的数字化、规范化提供了思路与方法;文献[6]开发了AR智能安全巡检系统,实现了巡检数据安全管理等主要应用功能。在城市轨道交通工程培训的可视化技术应用方面,文献[7]提出了一种工程进度可视化管理系统,提高了进度管理水平,降低了管控成本;文献[8]设计了一种数据交互模块,连接城市轨道交通综合监控系统与仿真模拟器,具有很好的培训效果和扩展性;文献[9]提出了一种基于网格的轨道状态大数据可视化模型,直观展示各轨道网格健康状态特征的相似性或差异性。

由上述分析可知,BIM、AR和可视化技术在轨旁设备运维应用方面的研究还有所欠缺。为了满足轨旁设备日常维修养护管理需求,引入BIM+AR技术。采用Revit软件对轨旁设备进行精细化建模,以对复杂设备进行可视化模拟演练;根据轨旁设备检修的实际需求,基于Unity软件搭建轨旁设备智能培训管理平台;采用移动AR技术发布手机端APP,实现电路、线路电压以及电流走向等隐蔽性信息的可视化展示,使培训内容直观化、可视化,以对轨旁设备的养护维修作业提供有效指导。

1 轨旁设备运维问题分析

由于轨旁设备构造复杂,而且内部线路具有隐蔽性,因此其养护维修是一项十分繁杂的工程。目前在轨旁设备运维中主要存在以下问题:

1) 检修人员专业性要求方面:对轨旁设备的检修操作要求比较严格,同时轨旁设备构造庞杂,特殊故障处理难度较大,因此对检修人员的专业技能具有较高的要求。

2) 隐蔽性养护维修项目的检测方面:轨旁设备内部有很多隐蔽性养护维修项目,对这些项目的检测结果难以直接展现,因此在定期巡检过程中常常忽略对这些项目的检测。

3) 检修人员培训方面:目前的培训体系中没有采用可视化培训系统,培训效果不佳,直接导致轨旁设备养护维修效率低下。

2 轨旁设备智能培训系统

为完善现有培训体系,提高轨旁设备检修人员的专业技能,开发了轨旁设备智能培训系统。

2.1 可视化模型搭建

建立信息化BIM模型前,需组建好各设备组成零件之间的连接和配合关系;对于轨旁设备的复杂化和异形化,需构建自定义族进行精确的参数设置;对于采用标准元素和参数的模型,参数化建模可以做到精细化处理;通过调整尺寸、角度和材料等动态修正的方式降低建模难度,实现快速建模[10];对建立的模型进行模拟、渲染等操作,实现轨旁设备养护维修的可视化交底。

引入BIM技术,使用Revit软件建立轨旁设备的精细化模型(见图1)。通过该模型准确模拟巡检维修过程,实现可视化操作。

图1 轨旁设备模型

2.2 AR功能实现流程

AR技术可以清晰直观地呈现数据信息,是理想的可视化手段,可实现人与环境更高效的交互。同时对BIM特定用例具有突出价值,可提高现场方案计划的效率和准确性。

BIM+AR的移动端应用开发由主场景和应用模块界面两部分组成。主场景开发主要包括不同场景的建立和切换设计、UI(用户界面)设计与功能展示等;应用模块界面设计包含画布、按钮等。整体技术路线如图2所示,实现步骤如下:

图2 BIM+AR的移动端应用开发技术路线

1) 通过Revit软件建立信息化模型,经Navisworks软件导出为FBX格式文件后,导入Unity平台,并使用材质球等工具来渲染模型。

2) 将需AR识别的轨旁设备采集特征点样本生成数据库, 并通过 Vuforia软件的SDK(软件开发工具包)实现增强现实效果。根据轨旁设备检修的实际需求,定制沉浸式培训交互功能。

3) 配置 Android(安卓)系统环境,调试运行后发布移动端APP。

2.3 智能培训平台搭建

本文以轨旁转辙机设备为主要研究对象,遵循“预防为主,防治结合、严检慎修”的基本原则,做到精确检修、全面分析和精细修理[11]。结合ZDJ9型转辙机养护维修项目的检测内容和检测难点(见表1),根据BIM+AR技术方案,提出轨旁设备隐蔽性检测项目的可视化解决方案,并根据实际需求开发出相应的功能模块。

表1 ZDJ9型转辙机检测需求表

由表1可知,转辙机设备的养护维修项目大多属于隐蔽性检测项目,因此需在Unity软件中建立不同虚拟场景来定义不同的功能模块。为了让移动终端应用能够准确使用AR技术识别出不同的电路故障信息,在每个功能场景下添加AR Camera(AR相机),以及不同时间、光影条件的转辙机特征点样本图。获取Vuforia软件官方的License Manager(许可证管理器)及Target Manager(目标管理器),通过Add Target(添加目标)上传特征图,生成的Unity Package(Unity资源包)安装至Unity平台开发项目,实现转辙机设备人工特征点与内部电路三维模型的关联。此外,采用UI功能来实现定位与反位等场景的切换,在Hierarchy(层级)视图下选择UI选项卡添加Button(按钮)功能,进一步在Assets(资源文件)下添加脚本文件,通过编写相关代码实现设定的不同场景模块转辙机电路故障的三维展示。在此基础上,在电路故障功能界面下应用Text(文本)工具添加转辙机内部标准电压等资料的文本信息,并对其滚珠丝杠组、遮断器、动静接点组等主要结构进行详细的检修内容的信息展示。将建立好的转辙机电路模型设定为电流流动箭头模型的移动路径,编译并调试完脚本代码后,实现箭头模型沿着电路模型定向移动,达到三维展示电流走向的效果。移动端应用Android系统环境的配置,包括定义软件名称为转辙机养护维修培训,生成发布APK(Android系统应用程序包)文件后部署至Android系统设备运行。

3 轨旁设备智能培训系统应用

3.1 复杂性工程模拟

以ZDJ9 型转辙机为例,通过BIM技术能够准确了解其结构和工作原理,能更加直观地展示轨旁设备的空间位置、各种设备之间的关系;同时可让员工在虚拟环境中进行训练和模拟,通过反复不断的模拟操作,使员工可以在模型里逐步掌握操作技能,加深对工作流程的理解和熟悉度,有效提高工作效率和质量,减少工作中的错误和风险,降低维修成本。轨旁智能培训系统可为轨旁设备的养护运维提供更加优质和高效的解决方案。

3.2 电路故障可视化展示

培训员工打开移动终端应用程序即可实现人机交互。通过手机摄像头识别现场环境特征点;点选定位与反位UI功能按钮切换转辙机工作状态;通过相应场景下继电路支路开路与二极管支路开路虚拟按钮的选择,可分别展示转辙机相应故障时电路状态。

3.3 电压信息及检修内容提示

培训员工在移动终端应用程序中点击电压显示按钮,即可获得现实世界对虚拟信息的真实反馈,能够准确判断转辙机在定位与反位正常工作状态与开路的故障工作状态下电压幅值的区别;与此同时,点击转辙机内部不同结构的功能按钮,可以文本形式展示滚珠丝杠组、遮断器、动静接点组等部位的具体检修注意事项。

3.4 电流走向展示

培训员工在移动终端应用程序中通过点选每个功能场景下设置的电流走向UI按钮,即可通过指向箭头的定向流动实现转辙机内部的电流信息的准确判断。

4 结语

为实现轨旁设备的高质量运维,结合 BIM+AR技术,提出了以转辙机为主要研究对象的轨旁设备智能培训系统。在移动终端应用程序中可以实现轨旁设备电路故障、线路电压和电流走向等虚拟信息的可视化展示。主要结论为:

1) 应用BIM技术建立可视化模型,将二维图纸映射到三维空间,使复杂工程直观化,运维人员能够更直观了解设备的结构和工作原理,可为运维决策提供依据。

2) 该系统可对轨旁设备的养护维修提供有效作业指导。通过对不同功能模块的点选,可实现轨旁设备内部结构养护维修操作培训。对隐蔽性检测项目而言,具有现实价值和指导意义。

3) 通过BIM+AR技术的创新应用,该系统可通过移动终端提供培训,对故障定位准,可提升检修作业的效率,缩短天窗作业时间,有助于推动城市轨道交通轨旁设备智能运维的进程。