城市軌道交通軌旁設(shè)備智能培訓(xùn)系統(tǒng)

施 聰 陸鑫源 孫 杰 晏 偉 陳恒泰 戴洋競(jìng) 顧思淵 張玉潔 桂文婧

(1.上海磁浮交通發(fā)展有限公司, 201204, 上海;2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司,200235,上?！蔚谝蛔髡?高級(jí)工程師)

工務(wù)通過巡檢和維修的方式確保城市軌道交通線路及相關(guān)設(shè)備的正常使用。而軌旁設(shè)備是工務(wù)關(guān)注的重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,因其設(shè)備復(fù)雜,而且故障具有隱蔽性,巡檢人員難以及時(shí)跟蹤設(shè)備故障,難以及時(shí)識(shí)別隱患。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,傳統(tǒng)的工務(wù)運(yùn)維體系難以應(yīng)對(duì)城市軌道交通整體維修期所帶來的挑戰(zhàn)。

在BIM(建筑信息模型)技術(shù)的應(yīng)用研究方面,文獻(xiàn)[1]應(yīng)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了橋梁的可視化、信息化管理,提高了橋梁管養(yǎng)的效率;文獻(xiàn)[2]將健康監(jiān)測(cè)方案與BIM技術(shù)進(jìn)行可視化融合,實(shí)現(xiàn)傳感器布設(shè)方案碰撞檢測(cè)等功能,全面提升管理水平;文獻(xiàn)[3]將 BIM作為信息平臺(tái),使管理人員能夠根據(jù)實(shí)時(shí)信息做出管理決策;文獻(xiàn)[4]在水利工程中建立數(shù)字化管理平臺(tái)及 BIM數(shù)據(jù)庫(kù),達(dá)到各系統(tǒng)的資源共享和業(yè)務(wù)協(xié)同。在AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))技術(shù)的應(yīng)用研究方面,文獻(xiàn)[5]提出應(yīng)用移動(dòng)AR技術(shù)的智能輔助裝配系統(tǒng),為人工裝配的數(shù)字化、規(guī)范化提供了思路與方法;文獻(xiàn)[6]開發(fā)了AR智能安全巡檢系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了巡檢數(shù)據(jù)安全管理等主要應(yīng)用功能。在城市軌道交通工程培訓(xùn)的可視化技術(shù)應(yīng)用方面,文獻(xiàn)[7]提出了一種工程進(jìn)度可視化管理系統(tǒng),提高了進(jìn)度管理水平,降低了管控成本;文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)交互模塊,連接城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)與仿真模擬器,具有很好的培訓(xùn)效果和擴(kuò)展性;文獻(xiàn)[9]提出了一種基于網(wǎng)格的軌道狀態(tài)大數(shù)據(jù)可視化模型,直觀展示各軌道網(wǎng)格健康狀態(tài)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(shù)在軌旁設(shè)備運(yùn)維應(yīng)用方面的研究還有所欠缺。為了滿足軌旁設(shè)備日常維修養(yǎng)護(hù)管理需求,引入BIM+AR技術(shù)。采用Revit軟件對(duì)軌旁設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化建模,以對(duì)復(fù)雜設(shè)備進(jìn)行可視化模擬演練;根據(jù)軌旁設(shè)備檢修的實(shí)際需求,基于Unity軟件搭建軌旁設(shè)備智能培訓(xùn)管理平臺(tái);采用移動(dòng)AR技術(shù)發(fā)布手機(jī)端APP,實(shí)現(xiàn)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(xùn)內(nèi)容直觀化、可視化,以對(duì)軌旁設(shè)備的養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)提供有效指導(dǎo)。

1 軌旁設(shè)備運(yùn)維問題分析

由于軌旁設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜,而且內(nèi)部線路具有隱蔽性,因此其養(yǎng)護(hù)維修是一項(xiàng)十分繁雜的工程。目前在軌旁設(shè)備運(yùn)維中主要存在以下問題:

1) 檢修人員專業(yè)性要求方面:對(duì)軌旁設(shè)備的檢修操作要求比較嚴(yán)格,同時(shí)軌旁設(shè)備構(gòu)造龐雜,特殊故障處理難度較大,因此對(duì)檢修人員的專業(yè)技能具有較高的要求。

2) 隱蔽性養(yǎng)護(hù)維修項(xiàng)目的檢測(cè)方面:軌旁設(shè)備內(nèi)部有很多隱蔽性養(yǎng)護(hù)維修項(xiàng)目,對(duì)這些項(xiàng)目的檢測(cè)結(jié)果難以直接展現(xiàn),因此在定期巡檢過程中常常忽略對(duì)這些項(xiàng)目的檢測(cè)。

3) 檢修人員培訓(xùn)方面:目前的培訓(xùn)體系中沒有采用可視化培訓(xùn)系統(tǒng),培訓(xùn)效果不佳,直接導(dǎo)致軌旁設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修效率低下。

2 軌旁設(shè)備智能培訓(xùn)系統(tǒng)

為完善現(xiàn)有培訓(xùn)體系,提高軌旁設(shè)備檢修人員的專業(yè)技能,開發(fā)了軌旁設(shè)備智能培訓(xùn)系統(tǒng)。

2.1 可視化模型搭建

建立信息化BIM模型前,需組建好各設(shè)備組成零件之間的連接和配合關(guān)系;對(duì)于軌旁設(shè)備的復(fù)雜化和異形化,需構(gòu)建自定義族進(jìn)行精確的參數(shù)設(shè)置;對(duì)于采用標(biāo)準(zhǔn)元素和參數(shù)的模型,參數(shù)化建模可以做到精細(xì)化處理;通過調(diào)整尺寸、角度和材料等動(dòng)態(tài)修正的方式降低建模難度,實(shí)現(xiàn)快速建模[10];對(duì)建立的模型進(jìn)行模擬、渲染等操作,實(shí)現(xiàn)軌旁設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修的可視化交底。

引入BIM技術(shù),使用Revit軟件建立軌旁設(shè)備的精細(xì)化模型(見圖1)。通過該模型準(zhǔn)確模擬巡檢維修過程,實(shí)現(xiàn)可視化操作。

圖1 軌旁設(shè)備模型

2.2 AR功能實(shí)現(xiàn)流程

AR技術(shù)可以清晰直觀地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)信息,是理想的可視化手段,可實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境更高效的交互。同時(shí)對(duì)BIM特定用例具有突出價(jià)值,可提高現(xiàn)場(chǎng)方案計(jì)劃的效率和準(zhǔn)確性。

BIM+AR的移動(dòng)端應(yīng)用開發(fā)由主場(chǎng)景和應(yīng)用模塊界面兩部分組成。主場(chǎng)景開發(fā)主要包括不同場(chǎng)景的建立和切換設(shè)計(jì)、UI(用戶界面)設(shè)計(jì)與功能展示等;應(yīng)用模塊界面設(shè)計(jì)包含畫布、按鈕等。整體技術(shù)路線如圖2所示,實(shí)現(xiàn)步驟如下:

圖2 BIM+AR的移動(dòng)端應(yīng)用開發(fā)技術(shù)路線

1) 通過Revit軟件建立信息化模型,經(jīng)Navisworks軟件導(dǎo)出為FBX格式文件后,導(dǎo)入U(xiǎn)nity平臺(tái),并使用材質(zhì)球等工具來渲染模型。

2) 將需AR識(shí)別的軌旁設(shè)備采集特征點(diǎn)樣本生成數(shù)據(jù)庫(kù), 并通過 Vuforia軟件的SDK(軟件開發(fā)工具包)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果。根據(jù)軌旁設(shè)備檢修的實(shí)際需求,定制沉浸式培訓(xùn)交互功能。

3) 配置 Android(安卓)系統(tǒng)環(huán)境,調(diào)試運(yùn)行后發(fā)布移動(dòng)端APP。

2.3 智能培訓(xùn)平臺(tái)搭建

本文以軌旁轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備為主要研究對(duì)象,遵循“預(yù)防為主,防治結(jié)合、嚴(yán)檢慎修”的基本原則,做到精確檢修、全面分析和精細(xì)修理[11]。結(jié)合ZDJ9型轉(zhuǎn)轍機(jī)養(yǎng)護(hù)維修項(xiàng)目的檢測(cè)內(nèi)容和檢測(cè)難點(diǎn)(見表1),根據(jù)BIM+AR技術(shù)方案,提出軌旁設(shè)備隱蔽性檢測(cè)項(xiàng)目的可視化解決方案,并根據(jù)實(shí)際需求開發(fā)出相應(yīng)的功能模塊。

表1 ZDJ9型轉(zhuǎn)轍機(jī)檢測(cè)需求表

由表1可知,轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備的養(yǎng)護(hù)維修項(xiàng)目大多屬于隱蔽性檢測(cè)項(xiàng)目,因此需在Unity軟件中建立不同虛擬場(chǎng)景來定義不同的功能模塊。為了讓移動(dòng)終端應(yīng)用能夠準(zhǔn)確使用AR技術(shù)識(shí)別出不同的電路故障信息,在每個(gè)功能場(chǎng)景下添加AR Camera(AR相機(jī)),以及不同時(shí)間、光影條件的轉(zhuǎn)轍機(jī)特征點(diǎn)樣本圖。獲取Vuforia軟件官方的License Manager(許可證管理器)及Target Manager(目標(biāo)管理器),通過Add Target(添加目標(biāo))上傳特征圖,生成的Unity Package(Unity資源包)安裝至Unity平臺(tái)開發(fā)項(xiàng)目,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備人工特征點(diǎn)與內(nèi)部電路三維模型的關(guān)聯(lián)。此外,采用UI功能來實(shí)現(xiàn)定位與反位等場(chǎng)景的切換,在Hierarchy(層級(jí))視圖下選擇UI選項(xiàng)卡添加Button(按鈕)功能,進(jìn)一步在Assets(資源文件)下添加腳本文件,通過編寫相關(guān)代碼實(shí)現(xiàn)設(shè)定的不同場(chǎng)景模塊轉(zhuǎn)轍機(jī)電路故障的三維展示。在此基礎(chǔ)上,在電路故障功能界面下應(yīng)用Text(文本)工具添加轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)電壓等資料的文本信息,并對(duì)其滾珠絲杠組、遮斷器、動(dòng)靜接點(diǎn)組等主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的檢修內(nèi)容的信息展示。將建立好的轉(zhuǎn)轍機(jī)電路模型設(shè)定為電流流動(dòng)箭頭模型的移動(dòng)路徑,編譯并調(diào)試完腳本代碼后,實(shí)現(xiàn)箭頭模型沿著電路模型定向移動(dòng),達(dá)到三維展示電流走向的效果。移動(dòng)端應(yīng)用Android系統(tǒng)環(huán)境的配置,包括定義軟件名稱為轉(zhuǎn)轍機(jī)養(yǎng)護(hù)維修培訓(xùn),生成發(fā)布APK(Android系統(tǒng)應(yīng)用程序包)文件后部署至Android系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行。

3 軌旁設(shè)備智能培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 復(fù)雜性工程模擬

以ZDJ9 型轉(zhuǎn)轍機(jī)為例,通過BIM技術(shù)能夠準(zhǔn)確了解其結(jié)構(gòu)和工作原理,能更加直觀地展示軌旁設(shè)備的空間位置、各種設(shè)備之間的關(guān)系;同時(shí)可讓員工在虛擬環(huán)境中進(jìn)行訓(xùn)練和模擬,通過反復(fù)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(duì)工作流程的理解和熟悉度,有效提高工作效率和質(zhì)量,減少工作中的錯(cuò)誤和風(fēng)險(xiǎn),降低維修成本。軌旁智能培訓(xùn)系統(tǒng)可為軌旁設(shè)備的養(yǎng)護(hù)運(yùn)維提供更加優(yōu)質(zhì)和高效的解決方案。

3.2 電路故障可視化展示

培訓(xùn)員工打開移動(dòng)終端應(yīng)用程序即可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。通過手機(jī)攝像頭識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境特征點(diǎn);點(diǎn)選定位與反位UI功能按鈕切換轉(zhuǎn)轍機(jī)工作狀態(tài);通過相應(yīng)場(chǎng)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(zhuǎn)轍機(jī)相應(yīng)故障時(shí)電路狀態(tài)。

3.3 電壓信息及檢修內(nèi)容提示

培訓(xùn)員工在移動(dòng)終端應(yīng)用程序中點(diǎn)擊電壓顯示按鈕,即可獲得現(xiàn)實(shí)世界對(duì)虛擬信息的真實(shí)反饋,能夠準(zhǔn)確判斷轉(zhuǎn)轍機(jī)在定位與反位正常工作狀態(tài)與開路的故障工作狀態(tài)下電壓幅值的區(qū)別;與此同時(shí),點(diǎn)擊轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)的功能按鈕,可以文本形式展示滾珠絲杠組、遮斷器、動(dòng)靜接點(diǎn)組等部位的具體檢修注意事項(xiàng)。

3.4 電流走向展示

培訓(xùn)員工在移動(dòng)終端應(yīng)用程序中通過點(diǎn)選每個(gè)功能場(chǎng)景下設(shè)置的電流走向UI按鈕,即可通過指向箭頭的定向流動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部的電流信息的準(zhǔn)確判斷。

4 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)軌旁設(shè)備的高質(zhì)量運(yùn)維,結(jié)合 BIM+AR技術(shù),提出了以轉(zhuǎn)轍機(jī)為主要研究對(duì)象的軌旁設(shè)備智能培訓(xùn)系統(tǒng)。在移動(dòng)終端應(yīng)用程序中可以實(shí)現(xiàn)軌旁設(shè)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(jié)論為:

1) 應(yīng)用BIM技術(shù)建立可視化模型,將二維圖紙映射到三維空間,使復(fù)雜工程直觀化,運(yùn)維人員能夠更直觀了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理,可為運(yùn)維決策提供依據(jù)。

2) 該系統(tǒng)可對(duì)軌旁設(shè)備的養(yǎng)護(hù)維修提供有效作業(yè)指導(dǎo)。通過對(duì)不同功能模塊的點(diǎn)選,可實(shí)現(xiàn)軌旁設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修操作培訓(xùn)。對(duì)隱蔽性檢測(cè)項(xiàng)目而言,具有現(xiàn)實(shí)價(jià)值和指導(dǎo)意義。

3) 通過BIM+AR技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用,該系統(tǒng)可通過移動(dòng)終端提供培訓(xùn),對(duì)故障定位準(zhǔn),可提升檢修作業(yè)的效率,縮短天窗作業(yè)時(shí)間,有助于推動(dòng)城市軌道交通軌旁設(shè)備智能運(yùn)維的進(jìn)程。