马志广，霍红果，王生旭，徐化峰

（中铁电气化局集团第一工程有限公司，北京 100070）

目前铁路列车运行动力由牵引供电系统提供，牵引变电所是牵引供电系统的心脏，将地方220 kV、110 kV 的高电压转换为铁路列车运行需要的27.5 kV电压，其设备安全运行对列车安全运行至关重要。利用数字化、可视化技术对牵引变电所一、二次设备进行三维建模，建立二次设备及二次回路模型库，模拟设备二次系统运行，用于牵引变电所二次回路及送电操作可视化教学，提高员工素质，实现对牵引变电所安全运行的维护及管理，为铁路列车安全运行提供保障，意义重大[1]。

计算机图形学、数字孪生技术、多媒体技术、人工智能技术、VR 交互等技术在各行各业中已被陆续应用，铁路牵引变电所二次系统施工及维护也可运用数字孪生技术，实现孪生三维数据模拟模型及场景的人机交互，模拟二次系统各设备模型，模拟设备控制、测量、信号各回路运行原理，模拟二次端子排接线状态，为牵引变电所施工二次回路检查及运行检修提供可视化模拟平台，为设备安全运行提供可靠依据[2]。

1 牵引变电所二次系统仿真模拟简介

牵引变电所二次系统仿真模拟包含二次设备数字化建模、点云数据采集、二次系统三维模型、二次设备模型库建设。主要以牵引变电所一、二次设备为基础，构建整个牵引变电所设备模型布局及各设备二次部分布局，并真实展示现场情况，展示内容与现场设备高度一致。主要展示内容为各设备型号、功能，各设备间连锁关系，控制回路、信号回路、测量回路原理及动画，送电启动设备操作画面，送电过程设备机械运动情况等[3]。

1.1 二次设备数字化建模

牵引变电所内二次设备数字化建模的核心：对室内二次设备进行标准化的模型采样，采集二次设备的图纸、纹理影像、点云数据、BⅠM 模型优化数据等，利用采集的完整数据资料进行数字化的仿真三维建模，为下一步数据模型导入牵引变电所教学模拟平台建立了数据基础。

二次设备建模区别于其他城市建模、工业建模、动画建模等建模方式，该项目建立了全新的独创的二次设备建模标准，采取更加便捷、快速、准确的建模方式，同时合理优化变电所内一次设备的BⅠM 模型文件，结合模型优先表现重点模型的方式，对牵引变电所内所有模型文件进行优化提升，便于将其完整准确地导入牵引变电所教学模拟平台。全新的独创的二次设备建模标准为数字化、信息化建设牵引变电所提供了新的建模依据和模型执行标准。具体的工作流程如图1 所示[4]。

图1 工作流程

1.2 点云数据采集

项目使用Leica BLK360 三维激光扫描系统根据现场环境合理布置扫描位置，多点位密集方式对变电所室内二次设备进行三维激光扫描。Leica BLK360 三维激光扫描仪最大扫描范围为60 m，点频为36 万点/s，具有小巧、便携、操作方便的特点，极大地加快了点云数据的采集速度，针对室内二次设备采取重点密集加站的方式进行了全面的采集，同时分别对室外、室内其他设备设施位置合理布置点位，在保证数据质量的前提下完整精细化地扫描牵引变电所。点云数据的采集极大地提升了建模相对位置的准确度，全面细致地反映了现场环境状态，为标准化建模提供了高标准的数据保证[2]。

外业点云采集如图2 所示。对采集的点云数据进行平差，误差控制在5 mm 以内，并对采集获取的点云数据进行拼接整接，如图3 所示。

图2 点云采集

图3 点云数据拼接

1.3 二次系统三维模型建设

二次系统三维模型的创建是为了真实还原现场设备设施位置分布、物体纹理、机械结构等情况，进而对虚拟仿真引擎进行模拟及教学编辑，建立模型数据支撑，真实的贴图纹理效果更能提升仿真模拟教学的视觉感受和重复操作教学的意义，模型的标准化是三维数据建设的有利保证。建立全新独立的二次设备建模标准，是完成该项目的目标之一，该项目二次设备三维建模执行以下三维建模标准：①模型统一以“mm”为计量单位，所有模型物体轴心点定义在各自的物体中心或模型基底中心；②去除模型多余的点、线、面，保证没有废点、废线、重面等情况；③所有模型均需按照现场真实建模，如有必须建模但现场还未完善的设备设施，则参照CAD 图纸建模；④模型制作时必须开启捕捉工具，禁止产生漏缝模型或重叠闪面现象；⑤结合点云数据，合理准确定位模型位置、高度、大小、材质等；⑥纹理贴图格式为jpg、png，透明贴图采用png 格式，贴图不可有白边等情况；⑦纹理贴图像素为2N，如64、128、256、512、1 024、2 048，在保持贴图清晰的基础上，尽可能保证贴图质量，保存时分辨率设置为300，保存品质为12；⑧贴图纹理尺寸比例要符合比例要求，宽和高的像素大小不得过2 048，贴图长宽比为1∶1、1∶2；⑨贴图纹理要清晰明亮，不可有其他投影、倒影等，建筑立面及屋顶要能表现出现场实际情况；⑩贴图纹理色调、饱和度要保证与现场一致，保证整体色调统一，采用RGB 色彩模式；⑪贴图纹理要做到相同材质统一使用，不可出现同材质重复材质球的情况；⑫贴图纹理名称命名要统一按照设备名称+机柜位置+使用属性+贴图编号来执行，公用材质命名按照变电所名称+贴图编号来执行；⑬模型物体名称命名要统一按照设备名称+机柜位置+使用属性+物体编号来执行[2]。

按照该建模标准，完成的二次设备三维模型如图4、图5 所示。

图4 机柜模型

图5 设备模型

1.4 二次设备模型库

通过建立二次设备模型库，保存单独完整的二次设备模型，方便快速提取、快速组合，形成一套可以组合式建立二次设备模型的方法，采取分级保存的方式，标定每一个二次设备的基础信息，编订标号，编辑查询列表，并以图片的形式展示在平台中，为后续平台开发应用做好模型数据保存工作。模型库的建立极大地满足了数据维护、模型替换、模型变更组合等教学模拟需求，满足了牵引变电所仿真模拟平台对教学设备组合类型多变、方式不同的现实使用要求。

2 牵引变电所仿真模拟平台

根据项目需求，牵引变电所教学模拟平台以展示现场真实的环境、现状设备运转教学模拟为基本原则，同时仿真模拟设备运行、信号线路、属性信息查询、运营维护等具体内容，进行可视化的模拟仿真平台建设。基于Unity 虚拟平台，可完整全面地展示该项目变电所全貌，各设备型号、设备功能，各设备间连锁关系，控制回路、信号回路、测量回路原理及动画。强大的跨平台性能，多平台开发部署，使该项目能够快速整合、快速开发部署，实现了牵引变电所对数字化、信息化建设的需求。具体的模拟教学内容与相关设定如下：①教学模拟平台模型建设内容包括建筑、地形、室外设备（一次设备）、室内设备（二次设备）、地下电缆沟、地基、其他设施设备等。②教学模拟平台可查看内容包括变电所的所有的空间与设备布局，二次设备间内的设备名称、生产厂商、类型、型号、运行参数、基础信息等，如图6 所示。③二次设备机柜信息通过点击二次设备模型，弹出信息显示窗口，窗口内显示二次设备的基础静态信息，如图7 所示。④教学模拟平台界面的内容包括首页、认知培训、流程培训等，如图6 所示。⑤教学模拟平台动画模拟设定。自由漫游时，当画面处设备模型前时，点击设备模型，弹出设备信息窗口可以查询设备基础信息，如点击机柜模型，就弹出对应的展示窗口，同时显示对应的基础信息，如图7 所示。⑥教学模拟平台进入室内部分时可以点击教学模式，根据教学流程步骤提示，学习每一步的操作流程，并同时观看操作后的结果反馈等内容，如图8 所示。⑦教学模拟平台室内外场景切换时，室内场景与室外场景为不同的相机设定，有一个舒缓的过渡过程。⑧教学模拟线路上的信号模拟流程，完全按照真实标准流程来执行，信号以可见光亮条在二次设备与一次设备的链接线路上快速滑动进行展现，最终信号传导进入端子箱后，再进行下一步的设备机械运行动作的模拟，如图7 所示。

图6 变电站全貌平台展示

图7 二次设备信息展示

图8 二次设备操作展示

3 结语

基于数字孪生技术的应用对牵引变电所内一、二次系统进行虚拟仿真建设，真实的漫游加上标准的信号回路模拟，使施工人员体验真实感的操作环境，促进施工人员快速熟悉现场设备情况，打下重要的实操基础。在多种建模手段加动画模拟的基础上，牵引变电所系统平台对设备信息、仿真模拟、场景漫游进行数据展示，能够满足对员工的培训需求，进而提升变电所施工人员的业务能力及操作技能水平。