數(shù)字孿生技術(shù)在牽引變電所二次系統(tǒng)仿真模擬中的應(yīng)用

馬志廣，霍紅果，王生旭，徐化峰

（中鐵電氣化局集團(tuán)第一工程有限公司，北京 100070）

目前鐵路列車運行動力由牽引供電系統(tǒng)提供，牽引變電所是牽引供電系統(tǒng)的心臟，將地方220 kV、110 kV 的高電壓轉(zhuǎn)換為鐵路列車運行需要的27.5 kV電壓，其設(shè)備安全運行對列車安全運行至關(guān)重要。利用數(shù)字化、可視化技術(shù)對牽引變電所一、二次設(shè)備進(jìn)行三維建模，建立二次設(shè)備及二次回路模型庫，模擬設(shè)備二次系統(tǒng)運行，用于牽引變電所二次回路及送電操作可視化教學(xué)，提高員工素質(zhì)，實現(xiàn)對牽引變電所安全運行的維護(hù)及管理，為鐵路列車安全運行提供保障，意義重大[1]。

計算機圖形學(xué)、數(shù)字孿生技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、VR 交互等技術(shù)在各行各業(yè)中已被陸續(xù)應(yīng)用，鐵路牽引變電所二次系統(tǒng)施工及維護(hù)也可運用數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)孿生三維數(shù)據(jù)模擬模型及場景的人機交互，模擬二次系統(tǒng)各設(shè)備模型，模擬設(shè)備控制、測量、信號各回路運行原理，模擬二次端子排接線狀態(tài)，為牽引變電所施工二次回路檢查及運行檢修提供可視化模擬平臺，為設(shè)備安全運行提供可靠依據(jù)[2]。

1 牽引變電所二次系統(tǒng)仿真模擬簡介

牽引變電所二次系統(tǒng)仿真模擬包含二次設(shè)備數(shù)字化建模、點云數(shù)據(jù)采集、二次系統(tǒng)三維模型、二次設(shè)備模型庫建設(shè)。主要以牽引變電所一、二次設(shè)備為基礎(chǔ)，構(gòu)建整個牽引變電所設(shè)備模型布局及各設(shè)備二次部分布局，并真實展示現(xiàn)場情況，展示內(nèi)容與現(xiàn)場設(shè)備高度一致。主要展示內(nèi)容為各設(shè)備型號、功能，各設(shè)備間連鎖關(guān)系，控制回路、信號回路、測量回路原理及動畫，送電啟動設(shè)備操作畫面，送電過程設(shè)備機械運動情況等[3]。

1.1 二次設(shè)備數(shù)字化建模

牽引變電所內(nèi)二次設(shè)備數(shù)字化建模的核心：對室內(nèi)二次設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的模型采樣，采集二次設(shè)備的圖紙、紋理影像、點云數(shù)據(jù)、BⅠM 模型優(yōu)化數(shù)據(jù)等，利用采集的完整數(shù)據(jù)資料進(jìn)行數(shù)字化的仿真三維建模，為下一步數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入牽引變電所教學(xué)模擬平臺建立了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

二次設(shè)備建模區(qū)別于其他城市建模、工業(yè)建模、動畫建模等建模方式，該項目建立了全新的獨創(chuàng)的二次設(shè)備建模標(biāo)準(zhǔn)，采取更加便捷、快速、準(zhǔn)確的建模方式，同時合理優(yōu)化變電所內(nèi)一次設(shè)備的BⅠM 模型文件，結(jié)合模型優(yōu)先表現(xiàn)重點模型的方式，對牽引變電所內(nèi)所有模型文件進(jìn)行優(yōu)化提升，便于將其完整準(zhǔn)確地導(dǎo)入牽引變電所教學(xué)模擬平臺。全新的獨創(chuàng)的二次設(shè)備建模標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)字化、信息化建設(shè)牽引變電所提供了新的建模依據(jù)和模型執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。具體的工作流程如圖1 所示[4]。

圖1 工作流程

1.2 點云數(shù)據(jù)采集

項目使用Leica BLK360 三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境合理布置掃描位置，多點位密集方式對變電所室內(nèi)二次設(shè)備進(jìn)行三維激光掃描。Leica BLK360 三維激光掃描儀最大掃描范圍為60 m，點頻為36 萬點/s，具有小巧、便攜、操作方便的特點，極大地加快了點云數(shù)據(jù)的采集速度，針對室內(nèi)二次設(shè)備采取重點密集加站的方式進(jìn)行了全面的采集，同時分別對室外、室內(nèi)其他設(shè)備設(shè)施位置合理布置點位，在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下完整精細(xì)化地掃描牽引變電所。點云數(shù)據(jù)的采集極大地提升了建模相對位置的準(zhǔn)確度，全面細(xì)致地反映了現(xiàn)場環(huán)境狀態(tài)，為標(biāo)準(zhǔn)化建模提供了高標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)保證[2]。

外業(yè)點云采集如圖2 所示。對采集的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行平差，誤差控制在5 mm 以內(nèi)，并對采集獲取的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接整接，如圖3 所示。

圖2 點云采集

圖3 點云數(shù)據(jù)拼接

1.3 二次系統(tǒng)三維模型建設(shè)

二次系統(tǒng)三維模型的創(chuàng)建是為了真實還原現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施位置分布、物體紋理、機械結(jié)構(gòu)等情況，進(jìn)而對虛擬仿真引擎進(jìn)行模擬及教學(xué)編輯，建立模型數(shù)據(jù)支撐，真實的貼圖紋理效果更能提升仿真模擬教學(xué)的視覺感受和重復(fù)操作教學(xué)的意義，模型的標(biāo)準(zhǔn)化是三維數(shù)據(jù)建設(shè)的有利保證。建立全新獨立的二次設(shè)備建模標(biāo)準(zhǔn)，是完成該項目的目標(biāo)之一，該項目二次設(shè)備三維建模執(zhí)行以下三維建模標(biāo)準(zhǔn)：①模型統(tǒng)一以“mm”為計量單位，所有模型物體軸心點定義在各自的物體中心或模型基底中心；②去除模型多余的點、線、面，保證沒有廢點、廢線、重面等情況；③所有模型均需按照現(xiàn)場真實建模，如有必須建模但現(xiàn)場還未完善的設(shè)備設(shè)施，則參照CAD 圖紙建模；④模型制作時必須開啟捕捉工具，禁止產(chǎn)生漏縫模型或重疊閃面現(xiàn)象；⑤結(jié)合點云數(shù)據(jù)，合理準(zhǔn)確定位模型位置、高度、大小、材質(zhì)等；⑥紋理貼圖格式為jpg、png，透明貼圖采用png 格式，貼圖不可有白邊等情況；⑦紋理貼圖像素為2N，如64、128、256、512、1 024、2 048，在保持貼圖清晰的基礎(chǔ)上，盡可能保證貼圖質(zhì)量，保存時分辨率設(shè)置為300，保存品質(zhì)為12；⑧貼圖紋理尺寸比例要符合比例要求，寬和高的像素大小不得過2 048，貼圖長寬比為1∶1、1∶2；⑨貼圖紋理要清晰明亮，不可有其他投影、倒影等，建筑立面及屋頂要能表現(xiàn)出現(xiàn)場實際情況；⑩貼圖紋理色調(diào)、飽和度要保證與現(xiàn)場一致，保證整體色調(diào)統(tǒng)一，采用RGB 色彩模式；?貼圖紋理要做到相同材質(zhì)統(tǒng)一使用，不可出現(xiàn)同材質(zhì)重復(fù)材質(zhì)球的情況；?貼圖紋理名稱命名要統(tǒng)一按照設(shè)備名稱+機柜位置+使用屬性+貼圖編號來執(zhí)行，公用材質(zhì)命名按照變電所名稱+貼圖編號來執(zhí)行；?模型物體名稱命名要統(tǒng)一按照設(shè)備名稱+機柜位置+使用屬性+物體編號來執(zhí)行[2]。

按照該建模標(biāo)準(zhǔn)，完成的二次設(shè)備三維模型如圖4、圖5 所示。

圖4 機柜模型

圖5 設(shè)備模型

1.4 二次設(shè)備模型庫

通過建立二次設(shè)備模型庫，保存單獨完整的二次設(shè)備模型，方便快速提取、快速組合，形成一套可以組合式建立二次設(shè)備模型的方法，采取分級保存的方式，標(biāo)定每一個二次設(shè)備的基礎(chǔ)信息，編訂標(biāo)號，編輯查詢列表，并以圖片的形式展示在平臺中，為后續(xù)平臺開發(fā)應(yīng)用做好模型數(shù)據(jù)保存工作。模型庫的建立極大地滿足了數(shù)據(jù)維護(hù)、模型替換、模型變更組合等教學(xué)模擬需求，滿足了牽引變電所仿真模擬平臺對教學(xué)設(shè)備組合類型多變、方式不同的現(xiàn)實使用要求。

2 牽引變電所仿真模擬平臺

根據(jù)項目需求，牽引變電所教學(xué)模擬平臺以展示現(xiàn)場真實的環(huán)境、現(xiàn)狀設(shè)備運轉(zhuǎn)教學(xué)模擬為基本原則，同時仿真模擬設(shè)備運行、信號線路、屬性信息查詢、運營維護(hù)等具體內(nèi)容，進(jìn)行可視化的模擬仿真平臺建設(shè)。基于Unity 虛擬平臺，可完整全面地展示該項目變電所全貌，各設(shè)備型號、設(shè)備功能，各設(shè)備間連鎖關(guān)系，控制回路、信號回路、測量回路原理及動畫。強大的跨平臺性能，多平臺開發(fā)部署，使該項目能夠快速整合、快速開發(fā)部署，實現(xiàn)了牽引變電所對數(shù)字化、信息化建設(shè)的需求。具體的模擬教學(xué)內(nèi)容與相關(guān)設(shè)定如下：①教學(xué)模擬平臺模型建設(shè)內(nèi)容包括建筑、地形、室外設(shè)備（一次設(shè)備）、室內(nèi)設(shè)備（二次設(shè)備）、地下電纜溝、地基、其他設(shè)施設(shè)備等。②教學(xué)模擬平臺可查看內(nèi)容包括變電所的所有的空間與設(shè)備布局，二次設(shè)備間內(nèi)的設(shè)備名稱、生產(chǎn)廠商、類型、型號、運行參數(shù)、基礎(chǔ)信息等，如圖6 所示。③二次設(shè)備機柜信息通過點擊二次設(shè)備模型，彈出信息顯示窗口，窗口內(nèi)顯示二次設(shè)備的基礎(chǔ)靜態(tài)信息，如圖7 所示。④教學(xué)模擬平臺界面的內(nèi)容包括首頁、認(rèn)知培訓(xùn)、流程培訓(xùn)等，如圖6 所示。⑤教學(xué)模擬平臺動畫模擬設(shè)定。自由漫游時，當(dāng)畫面處設(shè)備模型前時，點擊設(shè)備模型，彈出設(shè)備信息窗口可以查詢設(shè)備基礎(chǔ)信息，如點擊機柜模型，就彈出對應(yīng)的展示窗口，同時顯示對應(yīng)的基礎(chǔ)信息，如圖7 所示。⑥教學(xué)模擬平臺進(jìn)入室內(nèi)部分時可以點擊教學(xué)模式，根據(jù)教學(xué)流程步驟提示，學(xué)習(xí)每一步的操作流程，并同時觀看操作后的結(jié)果反饋等內(nèi)容，如圖8 所示。⑦教學(xué)模擬平臺室內(nèi)外場景切換時，室內(nèi)場景與室外場景為不同的相機設(shè)定，有一個舒緩的過渡過程。⑧教學(xué)模擬線路上的信號模擬流程，完全按照真實標(biāo)準(zhǔn)流程來執(zhí)行，信號以可見光亮條在二次設(shè)備與一次設(shè)備的鏈接線路上快速滑動進(jìn)行展現(xiàn)，最終信號傳導(dǎo)進(jìn)入端子箱后，再進(jìn)行下一步的設(shè)備機械運行動作的模擬，如圖7 所示。

圖6 變電站全貌平臺展示

圖7 二次設(shè)備信息展示

圖8 二次設(shè)備操作展示

3 結(jié)語

基于數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用對牽引變電所內(nèi)一、二次系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真建設(shè)，真實的漫游加上標(biāo)準(zhǔn)的信號回路模擬，使施工人員體驗真實感的操作環(huán)境，促進(jìn)施工人員快速熟悉現(xiàn)場設(shè)備情況，打下重要的實操基礎(chǔ)。在多種建模手段加動畫模擬的基礎(chǔ)上，牽引變電所系統(tǒng)平臺對設(shè)備信息、仿真模擬、場景漫游進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，能夠滿足對員工的培訓(xùn)需求，進(jìn)而提升變電所施工人員的業(yè)務(wù)能力及操作技能水平。