CN112150613A

CN112150613A - 驱动bim模型生成千公里级高铁接触网三维孪生系统的方法

Info

Publication number: CN112150613A
Application number: CN202011011480.3A
Authority: CN
Inventors: 任文锋; 钟建军; 曾晓红; 全宇慧; 肖钰; 周洪宇; 刘开亮; 李建泽; 王云
Original assignee: Chengdu Yuntie Intelligent Transportation Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Yuntie Intelligent Transportation Technology Co ltd
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2020-12-29

Abstract

本发明公开了一种驱动BIM模型生成千公里级高铁接触网三维孪生系统的方法，包括以下步骤：建立高铁接触网零部件的BIM模型；利用建立的模型，生成高铁接触网腕臂支撑装置的三维数字孪生系统；利用建立的模型，生成高铁接触网接触悬挂的三维数字孪生系统；利用生成的两个系统，建立千公里级带状高铁接触网三维数字孪生系统；利用高铁接触网三维数字孪生系统，建立高铁接触网一杆一档三维数字孪生信息管理系统。本发明通过数据驱动BIM模型生成三维数字孪生系统，在三维数字孪生系统中可视化修改数据的方法，建立准确的一杆一档信息管理系统，为数据集中、分析和挖掘等大数据技术手段提供准确的数据和信息。

Description

驱动BIM模型生成千公里级高铁接触网三维孪生系统的方法

技术领域

本发明涉及高铁接触网领域，尤其涉及一种驱动BIM模型生成千公里级高铁接触网三维孪生系统的方法。

背景技术

长期以来，我国铁路高度重视电气化发展，经过几十年努力，建成了世界一流的铁路供电网，其巨大发展成就集中体现为规模最大、发展最快、技术最先进的“三个世界之最”，同时也在努力创造“第四个世界之最”——建立一套完整的世界一流水平的铁路供电养护维修体系，特别是高速铁路供电养护维修体系。

为了赶超世界一流水准，供电系统在供电设备、检测监测数据、维修信息的现代化管理方面做出了诸多技术创新，特别是6C数据中心、接触网一杆一档等信息化系统的运用，大大提升了供电系统的管理水平，6C系统中大量的数据，为接触网一杆一档电子化管理模式奠定了数据基础。

一杆一档信息管理系统是围绕着每根支柱的信息收集、保存、查询，进行操作的系统。主要包括三个方面的信息：支柱(包腕臂装置、接触悬挂、附加悬挂、接地装置、接触网上设备、接触网地面设备等)的装配信息、检测监测信息、维修保养信息，通过系统自动采集、人工导入、人工录入等多种数据输入方式，针对数以万计的支柱，实现了快速获取每根支柱的设计信息、装配信息、安装环境、位置特征、运用状态、检测监测、维修保养等实用信息，当发生突发事故时为各级抢修指挥人员及时查看事故地点的设备状态，了解事故现场情况、制定事故抢修预案以及准备抢修料具等提供技术支持，实现科学组织、快速决策。同时，也为日常维修工作提供技术依据。

但是瞄准供电维护世界一流目标，我国的供电系统信息化程度还有差距，尤其是在高速铁路接触网的一杆一档动态电子履历系统方面还存在数据准确性难以判断、数据关联性差、数据不直观形象等问题。

目前的最接近的现有技术方案是在高速铁路运营阶段，以接触网支柱和吊柱为基本单元，根据支柱和吊柱上附属的接触网设备设施参数特征，建立接触网一杆一档的数据库。通过HTML5和java技术，开发出基于浏览器的一杆一档网页系统，可实现多用户通过浏览器用各种方式查询数据库中的数据表，并将数据表中各字段数据和信息在网页中以表格形式显示出来的功能，但是系统无法对一杆一档数据、线路曲线、线路坡度数据进行二维图形化展示，同时更无法驱动BIM三维模型进行三维虚拟现实展示。

同时，现有技术中在高速铁路施工阶段，采用BIM技术对高速铁路接触网进行深化设计，通过大量的人员、耗费大量的时间，对每根支柱腕臂和悬挂设施进行BIM建模，生成单腕臂的三维模型。但是由于显示BIM三维模型会耗费大量的计算机CPU、内存和显存等资源，太多大量的BIM三维模型同时存放在一个三维空间中，计算机将无法运行，因此目前Revit、Bentley等主流的BIM软件都只能同时显示连续几公里的接触网BIM模型，并且在显示时线路坡度、轨道等都无法按真实数据进行虚拟现实，更无法以网页形式呈现基于BIM模型的长大接触网三维虚拟现实场景。

发明内容

为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种驱动BIM模型生成千公里级高铁接触网三维孪生系统的方法，在传统一杆一档数据库基础上，采用手动修正，实现形象直观的对错误数据进行可视化修正，逐步建立准确的一杆一档信息管理系统数据库，基于修正后的数据库，采用接触网腕臂装置三维可视化虚拟现实方法和接触网悬挂可视化三维虚拟现实方法，实现数据驱动接触网零部件BIM三维模型，利用Unity3dD平台引擎，结合工程化数据生成地形的方法，实现连续千公里级的高速铁路接触网系统三维虚拟现实可视化。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：

一种驱动BIM模型生成千公里级高铁接触网三维孪生系统的方法，包括以下步骤：

建立高铁接触网零部件的BIM模型；

利用建立的模型，生成高铁接触网腕臂支撑装置的三维数字孪生系统；

利用建立的模型，生成高铁接触网接触悬挂的三维数字孪生系统；

利用生成的两个系统，建立高铁接触网三维数字孪生系统；

利用高铁接触网三维数字孪生系统，建立高铁接触网一杆一档三维数字孪生信息管理系统。

进一步的是，所述建立高铁接触网零部件的BIM模型，包括以下步骤：

S11、建立铁路接触网零部件标准BIM模型库，以及各种不同规格型号零部件的BIM精模库；

S12、通过BIM模型轻量化方法，减少BIM模型的面数及贴图精度，将BIM精模进行不同程度的处理，形成BIM简模库；

优选的，所述各种不同规格型号零部件包括接触网支柱、接触线、承力索、吊弦和电连接线。

进一步的是，所述S11步骤包括以下步骤：

S1101、获取接触网零部件点云数据，逆向求出接触网零部件的标准几何尺寸；

S1102、利用三维扫描软件，将点云数据转换为三维格式文件；

S1103、对三维格式文件进行包括面数优化、点面焊接、模型UV处理，得到三维模型；

S1104、对三维模型进行贴图，并进行纹理修整；

S1105、导出文件存储。

进一步的是，所述S11步骤包括以下步骤：

S1111、运用建模软件，创建标准的BIM模型库；

S1112、运用工程图纸数据，手动创建三维模型UV以及贴图；

S1113、对零部件的物理特性进行还原；

S1114、导出文件存储。

进一步的是，所述生成高铁接触网腕臂支撑装置的三维数字孪生系统，包括以下步骤：

S21、将生成的接触网零部件BIM精模、简模库全部导入Unity3D引擎中，并把每个模型做成具有唯一命名的预制体；

S22、在以沿轨平面横向为X轴、纵向为Y辆、垂直方向为Z轴的三维坐标系中，以一杆一档数据库中第一根支柱对应的线路中心线为三维坐标系原点，利用接触网腕臂支撑装置精确算法，使一杆一档数据驱动一级BIM模型零部件，生成实时联动的零部件BIM模型；

S23、通过接触网腕臂支撑装置精确算法驱动腕臂支撑装置零部件三维模型，建立每个模型的正确坐标、旋转角度、缩放比例，最终生成单支柱腕臂支撑装置的三维数字孪生系统。

进一步的是，所述生成高铁接触网接触悬挂的三维数字孪生系统，包括以下步骤：

S31、将生成的接触网零部件BIM精模、简模库全部导入Unity3D引擎中，并把每个模型做成具有唯一命名的预制体；

S32、在以沿轨平面横向为X轴、纵向为Y辆、垂直方向为Z轴的三维坐标系中，以一杆一档数据库中第一根支柱对应的线路中心线为三维坐标系原点，利用接触网吊弦精确算法，使一杆一档数据驱动一级BIM模型零部件，生成实时联动的零部件BIM模型；

S33、通过接触网腕臂支撑装置精确算法和接触网吊弦精确算法驱动腕臂支撑装置和吊弦的BIM模型，并根据吊弦的长度对承力索、接触线进行放样组合，最终生成一跨内接触网部件的三维数字孪生系统。

进一步的是，所述建立千公里级带状高铁接触网三维数字孪生系统，包括以下步骤：

S41、以一杆一跨为单位，采用生成高铁接触网腕臂支撑装置的三维数字孪生系统的方法，同时连续生成10-30根支柱腕臂支撑装置的三维数字孪生系统；

S42、采用生成高铁接触网接触悬挂的三维数字孪生系统的方法，在上述10-30根支柱的每跨内连续生成10-30跨接触悬挂三维数字孪生系统，组成完整的10-30跨接触网三维数字孪生系统。

进一步的是，所述建立千公里级带状高铁接触网三维数字孪生系统步骤中，以观察摄像机为起点的前5-10跨采用BIM精模、后5-30跨采用BIM简模，形成视线范围内全为精细化模型，视线远方为简化模型的三维虚拟场景。

进一步的是，所述建立千公里级带状高铁接触网三维数字孪生系统步骤中，随着巡视观察人员的移动，在其视线前方逐步生成一杆一跨接触网三维数字孪生设备，精模和简模实时更替，视线后方逐步销毁视线外的接触网三维虚拟设备，新生成的三维数字孪生设备和已生成的三维数字孪生设备间进行无缝实时连接，通过巡视观察人员的移动，最终实现全线接触网的三维数字孪生。

进一步的是，所述建立高铁接触网一杆一档三维数字孪生信息管理系统，包括以下步骤：

S51、利用JavaScriptAPI呈现3D电脑图形的WebGL技术，实现Unity 3D图像在浏览器中的展示；

S52、通过后台程序读取数据库中一杆一档的数据，采用建立千公里级带状高铁接触网三维数字孪生系统方法，驱动BIM模型生成千公里级接触网系统三维数字孪生系统；

S53、通过巡视漫游查找三维数字孪生场景中的BIM模型的异常现象，对异常现象通过鼠标交互操作，使其达到正确的状态；

S54、逐步建立准确的一杆一档数据，实现数据驱动BIM模型生成三维数字孪生系统；

优选的，所述异常现象包括是否在正确的空间位置、是否有正确的尺寸、是否有正确的旋转角度、各部件间的连接是否错位、是否有穿模；

更为优选的，所述正确的状态包括正确的空间位置、几何尺寸，以及外观状态。

本发明的有益效果：

(1)通过数据驱动BIM模型生成三维数字孪生系统，在三维数字孪生系统中可视化修改数据的方法，建立准确的一杆一档信息管理系统，为数据集中、分析和挖掘等大数据技术手段提供准确的数据和信息。

(2)在传统动态电子履历系统基础上，采用数据驱动三维模型修正，增强了数据关联性和、直观性，以及数据准确性判断，各级维护者和管理者能够形象、直观、沉浸式的掌握高速铁路接触网设施备的动态履历信息。

(3)实现腕臂支撑装置预配，腕臂预配是接触网施工的重要环节，精确的计算是预配的技术保障，计算结果的三维可视化模型可以检测出腕臂与线索、隧道臂等物体的干涉和绝缘距离问题，也可形象直观的指导工人预配和安装。

(4)千公里级带状高铁接触网系统三维数字孪生方法，为在高速铁路接触网深化设计智能运维方面，提供历史数据和可视化平台能节省大量的人员和时间。

(5)本发明的方法，驱动BIM三维模型进行三维虚拟现实展示，并通过每次生成10-30跨的三维虚拟现实场景，实现了连续千公里级的呈现。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明步骤图；

图3为实施例2腕臂装配方法模型图；

图4为实施例2的关键位置指示图；

图5为实施例2坐标系示意；

图6为实施例2腕臂计算所需参数示意图；

图7为实施例2腕臂计算测量参数；

图8为实施例2腕臂计算零部件参数；

图9为实施例2腕臂类型说明；

图10为实施例2基础不封装；

图11为实施例2基础封装。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

实施例1

一种驱动BIM模型生成千公里级高铁接触网三维孪生系统的方法，如图1和2所示，包括以下步骤：

1、建立高铁接触网零部件的BIM模型。

根据《电气化铁路接触网零部件》(TB/T 2075-2010)、工程图纸获取接触网零部件的标准几何尺寸和技术信息，根据铁路BIM联盟发布的《铁路四电工程信息模型数据存储标准》，结合工程实际BIM应用需求，制定出接触网一杆一档BIM编码体系。用以下两种方式建立BIM标准模型库：

第一种：

S1101、利用高精度3D扫描仪获取接触网零部件点云数据，逆向求出接触网零部件的标准几何尺寸；

S1102、用reeyee Pro 2X等三维扫描软件将点云数据转换为OBJ、STL等三维格式文件；

S1103、通过3dsmax、Zbrush、Polygon Crunche等软件对每个OBJ、STL格式文件进行面数优化、点面焊接、模型UV等处理，得到三维模型；

S1104、对三维模型进行贴图，并用Photoshop、Substance Painter软件进行纹理修整；

S1105、导出FBX格式文件存储。

第二种：

S1111、直接运用Revit、3dsmax、Maya等建模软件，创建标准的BIM模型库；

S1112、运用CAD工程图纸数据手动创建三维模型UV以及贴图；

S1113、用Substance Painter对零部件的物理特性进行还原；

S1114、导出FBX格式文件存储。

运用以上两种方式任意一种建立高速铁路、客运专线、城际铁路接触网零部件标准BIM模型库，以及各种不同规格型号的接触网支柱、接触线、承力索、吊弦、电连接线等部件的BIM精模库。确保每个三维模型都有准确的几何尺寸和高度虚拟现实的表面材料、纹理和色泽。另外，通过BIM模型轻量化方法，减少BIM模型的面数及贴图精度，将上述BIM精模进行不同程度的处理，形成BIM简模库。

2、利用建立的模型，生成高铁接触网腕臂支撑装置的三维数字孪生系统。

S21、将步骤1生成的接触网零部件BIM精模、简模库全部导入Unity3D引擎中，把每个模型做成具有唯一命名的预制体。

S22、在以沿轨平面横向为X轴、纵向为Y辆、垂直方向为Z轴的三维坐标系中，以一杆一档数据库中第一根支柱对应的线路中心线为三维坐标系原点，利用接触网腕臂支撑装置精确算法，采用一杆一档数据驱动一级BIM模型零部件，即把零部件作为一个三维模型单位在三维坐标系中进行空间移动、旋转、放大、缩小等操作，采用一杆一档中零部件上子部件的数据驱动BIM模型上子部件模型变化，从而生成实时联动的零部件BIM模型。

3、利用建立的模型，生成高铁接触网接触悬挂的三维数字孪生系统。

S31、将步骤1生成的接触网零部件BIM精模、简模库全部导入Unity3D引擎中，把每个模型做成具有唯一命名的预制体。

S32、在以沿轨平面横向为X轴、纵向为Y辆、垂直方向为Z轴的三维坐标系中，以一杆一档数据库中第一根支柱对应的线路中心线为三维坐标系原点，利用接触网吊弦精确算法，采用一杆一档数据驱动一级BIM模型零部件，即把零部件作为一个三维模型单位在三维坐标系中进行空间移动、旋转、放大、缩小等操作，采用一杆一档中零部件上子部件的数据驱动BIM模型上子部件模型变化，从而生成实时联动的零部件BIM模型。

4、利用生成的两个系统，建立高铁接触网三维数字孪生系统。

S41、以一杆一跨为单位，采用步骤2的方法同时连续生成10-30根支柱腕臂支撑装置的三维数字孪生系统；

S42、同时采用步骤3的方法在上述10-30根支柱的每跨内连续生成10-30跨接触悬挂三维数字孪生系统，组成完整的10-30跨接触网三维数字孪生系统。

其中，以观察摄像机为起点的前5-10跨采用BIM精模、后5-30跨采用BIM简模，形成视线范围内全为精细化模型，视线远方为简化模型的三维虚拟场景，随着巡视观察人员的移动，在其视线前方逐步生成一杆一跨接触网三维数字孪生设备，精模和简模实时更替，视线后方逐步销毁视线外的接触网三维虚拟设备，新生成的三维数字孪生设备和已生成的三维数字孪生设备间进行无缝实时连接，通过巡视观察人员的移动，最终实现全线接触网的三维数字孪生。

5、利用高铁接触网三维数字孪生系统，建立准确的高铁接触网一杆一档三维数字孪生信息管理系统。

S51、利用JavaScriptAPI呈现3D电脑图形的WebGL技术，实现Unity 3D图像在浏览器中的展示，而且WebGL的这套JavaScriptAPI透过浏览器直接和系统的显卡交换数据，效率也可以得到保证。

S52、通过后台程序读取Oracle数据库中一杆一档的数据，采用步骤4的方法驱动BIM模型生成千公里级接触网系统三维数字孪生系统。

S53、通过巡视漫游查找三维数字孪生场景中的BIM模型是否在正确的空间位置、是否有正确的尺寸、是否有正确的旋转角度、各部件间的连接是否错位、是否有穿模等异常现象，通过在三维虚拟空间中像真实世界中那样去巡视发现缺陷，并且可以通过鼠标对被观察的BIM模型进行放大、拉近、旋转观察，以便更加准确、更加全面的发现缺陷，在三维虚拟空间中发现的缺陷反映了后台一档一档数据库中数据的错误，可通过鼠标交互操作移动、旋转、放大、缩小BIM模型部件，使其达到正确的空间位置、几何尺寸，以及外观状态。

S54、同时数据库中的相应数据也会随之联动改变，实现形象直观的对错误数据进行可视化修正，逐步建立准确的一杆一档数据，实现数据驱动BIM模型生成三维数字孪生系统，在三维数字孪生系统中可视化修改数据的方法，为数据集中、分析和挖掘等大数据技术手段提供准确的数据和信息。

实施例2

本实施例对实施例1中的生成高铁接触网腕臂支撑装置的三维数字孪生系统作进一步的阐述。

一种一杆一档数据驱动模型生成三维腕臂支撑装置的方法，包括以下步骤：

一、建立高速铁路接触网一杆一档数据库

首先根据“运供供电函[2015]341号高速铁路接触网一杆一档系统技术条件”“运供设备函[2016]343号铁路牵引供电设备设施单元划分、编码暂行规范”、“TJ/GD 009-20146C系统综合数据处理中心暂行技术条件”要求，建立高速铁路接触网一杆一档数据库，该数据库采用orcle数据库，名称为HSRCatenary，包括建立线路、供电段、车间、工区、隧道、桥梁、区间(站场)、接触悬挂锚段、支柱信息、支撑装置、接触悬挂、接触网零部件信息、牵引变电所、分区所、AT所等数据表。

二、建立高速铁路接触网坐标系

如图5所示，线路上所有零部件均统一到同一个三维坐标系，定义Y轴为低轨面内、正方向为动车组行车方向且原点为线路中心的轴；X轴为同Y轴在同一平面内且垂直于Y轴、正方向为行车方向左侧、负方向为行车方向右侧的轴；Z轴为垂直于X轴和Y轴组成的平面、正方向为垂直向上、负方向为垂直向下的轴。

三、将接触网零部件的信息存储在一杆一档数据库的接触网零部件信息数据库中

把接触网零部件BIM模型的尺寸数据、材料、机械、工艺等信息存在接触网零部件信息数据库中。参数包括腕臂底座、连接平(斜)腕臂的棒式绝缘子、不同位置的套管单耳、双套管连接器、承力索底座、定位管卡子、限位定位支座、定位器、防风拉线定位耳环等零部件BIM模型的尺寸和信息。存储在接触网零部件信息数据库中的信息还包括腕臂的类型。

腕臂预配是接触网施工的重要环节，精确的计算是预配的技术保障，计算结果的三维可视化模型可以检测出腕臂与线索、隧道臂等物体的干涉和绝缘距离问题，也可形象直观的指导工人预配和安装。下面就精确计算数据驱动模型生成腕臂支撑进行阐述。

腕臂尺寸计算中，接触线的高度、拉出值和结构高度是腕臂计算的控制条件。腕臂计算所需要的参数包括测量参数、设计参数以及零部件参数等。

设计参数主要包括接触线高度、拉出值、定位方式、结构高度、不同曲线半径下的外轨超高，线路的曲线半径、缓和曲线长度和曲线起点，锚段的起点和终点公里标、支柱类型、定位器型号和长度、跨距，以及不同跨距时的弹性吊索长度、第一吊弦的位置等。

如图6所示，其中测量参数主要为支柱的倾斜率、侧面限界、腕臂上底座相对低轨面的高度、腕臂下底座相对低轨面的高度等，各参数的具体含义如图7所示。

在设计库的设计中，增加图8的数据库设计，把零部件的尺寸数据存在数据库中，图中的数据均为示意，具体的项目中这些值均有可能变动。零部件参数包括腕臂底座、连接平(斜)腕臂的棒式绝缘子、不同位置的套管单耳、双套管连接器、承力索底座、定位管卡子、限位定位支座、定位器、防风拉线定位耳环等零部件的尺寸。

在设计库的设计中，增加图9的数据库设计，把腕臂类型数据存在数据库中。我国高铁接触网腕臂设计的类型较多，几乎每条线都有些差异，主要是腕臂的结构类型不同，接触网零部件的几何尺寸不同。其中腕臂的结构类型如图9所示。

四、在数据库的基础上，按照坐标系，根据腕臂装配模型图，从数据库中读取基础数据信息，对腕臂支撑装置的各零部件BIM模型空间位置坐标进行计算。

4.1关键参数方法

4.1.1支柱BIM模型倾斜角度

读取支柱BIM模型斜率数据，用Pillarslope_62符号表示，支柱BIM模型倾向轨道侧为负，倾向田野侧为正。

支柱BIM模型倾斜角度为：arctan(Pillarslope_62/1000)

4.1.2轨道BIM模型倾斜角度

读取外轨BIM模型超高数据，用Orailhigh_22表示。

轨道BIM模型倾斜角度β的值为：β＝arcsin(Orailhigh_22/(1435+73.0))

4.2腕臂类型

读取腕臂类型信息，决定采用哪种腕臂类型的零部件BIM模型进行组合，同时决定选用那些算法。

4.3定位线夹和定位器BIM模型的坐标(DWB14零件和DWB15零件)

定位线夹和定位器BIM模型为整体模型，找到了定位线夹BIM模型的坐标，并知道了定位器BIM模型的型号后就知道采用哪种定位器的BIM模型，并驱动到定位线夹坐标处。

(1)计算接触线底面的横坐标x_w1，即W点的横坐标。

首先读取定位器的类型和定位器长度数据，根据这个数据来选择BIM模型库中的定位器BIM模型，然后读取接触线高度的数据，其次读取拉出值的数据，最后读取定位形式。

当为曲内和直线形式时：x_w1＝H_j*sin(β)+a*cos(β)；

当为曲外形式时：x_w1＝H_j*sin(β)-a*cos(β)；

(2)计算接触线BIM模型底面的垂向坐标Z_W1,即W点的Z坐标。

当为曲内和直线形式时:Z_W1＝H_j*cos(β)-a*sin(β)+0.5*Orailhigh_22；

当为曲外形式时：Z_W1＝H_j*cos(β)+a*sin(β)+0.5*Orailhigh_22；

定位线夹BIM模型的坐标即为接触线BIM模型底面的坐标。

(3)定位器BIM模型的旋转角度

读取定位器BIM模型与水平面BIM模型的角度数据，用DWB13angle_92表示，此值有正负。当定位器的BIM模型默认角度为0时，定位器BIM模型的旋转角度即为DWB13angle_92。

(4)定位器BIM模型上Z点的坐标(定位器BIM模型头圆孔的圆心)计算如下：

Z点的X坐标：W(X)-w₉；

Z点的Y坐标：0；

Z点的Z坐标：W(Z)+h₇；

Z点为定位器BIM模型头圆孔的圆心，是比接触线BIM模型底面在Z轴方向高h₇值的点。

(5)以定位器BIM模型头圆孔的圆心坐标为原点，对定位器BIM模型旋转定位器与水平面BIM模型的角度，得到定位器BIM模型的坐标。

式中，H_j为接触线BIM模型高度，a为拉出值，β为轨道BIM模型倾斜角度，Orailhigh_22为外轨BIM模型超高数据，W(X)为接触线BIM模型底面的横坐标，W(Z)为接触线BIM模型底面的垂向坐标，w₉为接触线BIM模型底面与定位器BIM模型头圆孔圆心的横向距离，h₇为接触线BIM模型底面与定位器BIM模型头圆孔圆心的垂向距离。

4.4平腕臂与水平面BIM模型的角度

读取平腕臂与水平面BIM模型的角度数据，用DWB03angle_89表示，当平腕臂BIM模型抬头时为正，低头时为负。

4.5支柱BIM模型坐标(名称为JCW05)

(1)读取支柱信息，决定采用哪种支柱BIM模型。高铁常用的支柱为H型钢柱、等径圆支柱、隧道吊柱等类型。H型钢柱主要的型号包括GH240、GH260、GH280、GH300、HT240，其具体表示方法、外形尺寸、参数意义参考《通化(2008)1301《客运专线铁路接触网H型钢柱》标准。因此模型库中这几种型号的BIM模型都要有。等径圆支柱BIM模型为直径为350mm的圆柱形支柱。

(2)首先读取基础类型，并选取相应的BIM模型；然后读出基础状态，当为0时表示不封装，当为1时表示封装，如图10、图11所示；最后读出地线状态，当为0时表示基础不封装时，当为1时表示基础封装。

(3)读取侧面限界信息，以及支柱安装基础底面比低轨面平面低的距离信息。

支柱基础、地脚螺栓、地线等作为一个一级BIM模型。当基础封装时，其坐标零点位置为支柱BIM模型中心沿面向钢轨侧表面向下与支柱基础底面的交点位置；当基础不封装时，其坐标零点位置为支柱BIM模型中心沿面向钢轨侧表面向下与支柱BIM模型底面的交点位置；其坐标零点位置在场景中的三维坐标为(MVK_21，0，-PRLD_61)。

再读取支柱BIM模型斜率，那么支柱BIM模型的旋转角度为反正切函数(arctan(PISL_62/1000)/3.1415926)×180，其为正时支柱BIM模型往远离线路侧旋转，为负时支柱BIM模型往线路侧旋转。

式中，MVK_21为侧面限界，PRLD_61为支柱安装基础底面比低轨面平面低的距离，PISL_62为支柱BIM模型斜率。

4.6上腕臂底座BIM模型坐标(DWB01)

(1)上腕臂底座BIM模型的零点坐标位置为如图4中标定的C点(腕臂底座与支柱BIM模型接触的中间点)。

(2)读取上腕臂底座BIM模型的安装高度。

(3)上腕臂底座BIM模型坐标为：

X轴值：MVK_21+(PISL_62/1000×MHB_7)

Y轴值：0

Z轴值：MHB_7

旋转角度为支柱BIM模型倾斜角度。式中，MVK_21为侧面限界，PISL_62为支柱BIM模型斜率，MHB_7为上腕臂底座BIM模型的安装高度。

零点是指每个零部件BIM模型的原点坐标，即每个零部件BIM模型都有一个(0，0，0)坐标，以后所有对这个零部件BIM模型的移动、旋转都是以这个零点为基础。

4.7上腕臂棒式绝缘子BIM模型坐标(DWB02)

(1)上腕臂底座棒式绝缘子BIM模型零点坐标位置为如图4中标定的E点(腕臂底座与棒式绝缘子BIM模型连接中心点)。

(2)读取腕臂底座BIM模型的类型，由这个值决定选用哪种腕臂底座的BIM模型，同时读取腕臂底座BIM模型的宽度值，即t的值。

(3)上腕臂棒式绝缘子BIM模型零点坐标为：

X轴值：MVK_21+(PISL_62/1000×MHB_7)-t×COS((arctan(PISL_62/1000))

Y轴值：0

Z轴值：MHB_7+t×SIN((arctan(PISL_62/1000))

旋转角度为平腕臂与水平面BIM模型的夹角DWB03angle_89。式中，MVK_21为侧面限界，PISL_62为支柱BIM模型斜率，MHB_7为上腕臂底座BIM模型的安装高度，t腕臂底座BIM模型的宽度。

4.8平腕臂BIM模型的坐标(DWB03)

(1)平腕臂BIM模型的零点坐标位置为图4中的G点(即平腕臂BIM模型的端头的中心点位置)，平腕臂BIM模型的三维模型为1mm宽，直径为70mm的空心圆柱形。

(2)读取平腕臂管BIM模型的长度信息；

(3)平腕臂BIM模型零点坐标为：

X轴值：E(X)-b+c

Y轴值：0

Z轴值：E(Z)+(b-c)*sin(DWB03angle_89)

式中，E(X)为上腕臂棒式绝缘子BIM模型的横坐标，E(Z)为上腕臂棒式绝缘子BIM模型的垂向坐标，DWB03angle_89为平腕臂BIM模型与水平面BIM模型的夹角，b为平腕臂棒式绝缘子BIM模型左侧孔中心距右端头的距离，c为平腕臂BIM模型插到棒式绝缘子BIM模型中的长度，把平腕臂BIM模型驱动到指定坐标点后，再放大沿长DWB03lenght_12倍，DWB03lenght_12为平腕臂管BIM模型的长度。

4.9平腕臂上套管单耳BIM模型坐标(DWB07)

(1)读取套管单耳BIM模型距平腕臂BIM模型口的距离，即平腕臂管BIM模型的长度。

(2)平腕臂上套管单耳BIM模型的零点坐标位置为图4中的I点。

(3)平腕臂上套管单耳BIM模型零点坐标为：

X轴值：

E(X)-((b-c)+DWB07distance_15)*cos(DWB03angle_89)-g*sin(DWB03angle_89)

Y轴值：0

Z轴值：

E(Z)-((b-c)+DWB07distance_15)*sin(DWB03angle_89)-g*cos(DWB03angle_89)

式中，E(X)为上腕臂棒式绝缘子BIM模型的横坐标，E(Z)为上腕臂棒式绝缘子BIM模型的垂向坐标，DWB03angle_89为平腕臂BIM模型与水平面的夹角，b为平腕臂棒式绝缘子BIM模型左侧孔中心距右端头的距离，c为平腕臂BIM模型插到棒式绝缘子BIM模型中的长度，g为套管单耳BIM模型的高度，DWB07distance_15为棒式绝缘子BIM模型右侧端口到套管单耳BIM模型左侧的距离，DWB03angle_89为平腕臂BIM模型与水平面的夹角。

4.10套管座BIM模型坐标(DWB05)

(1)套管座BIM模型的零点坐标位置为图4中的J点。

(2)读取套管座BIM模型距平腕臂BIM模型口的距离信息。

(3)套管座BIM模型零点坐标为：

X轴值：

G(X)-(DWB05distance_18+w₆)*cos(DWB03angle_89)-h₃*sin(DWB03angle_89)

Y轴值：0

Z轴值

G(Z)-(DWB05distance_18+w₆)*sin(DWB03angle_89)-h₃*cos(DWB03angle_89)

式中，G(X)为平腕臂BIM模型的横坐标，G(Z)为平腕臂BIM模型的垂向坐标，DWB05distance_18为套管座BIM模型距平腕臂BIM模型口的距离，DWB03angle_89为套管座BIM模型上部份的旋转角度，w₆为套管座BIM模型宽度的一半，h₃为套管座BIM模型高度的一半。

4.11承力索座BIM模型坐标(DWB06)

(1)承力索座BIM模型的零点坐标位置为图4中的K点。

(2)读取承力索座BIM模型距平腕臂口的距离信息。

(3)承力索座BIM模型零点坐标为：

X轴值：G(X)-(DWB06distance_21+w₁)*cos(DWB03angle_89)

Y轴值：0

Z轴值：G(Z)-(DWB06distance_21+w₁)*sin(DWB03angle_89)

(4)承力索座BIM模型下端挂钩的中心点(T点)坐标为：

X轴值：K(X)-h₂*sin(DWB03angle_89)

Y轴值：0

Z轴值：K(Z)-h₂*cos(DWB03angle_89)

式中，G(X)为平腕臂BIM模型的横坐标，G(Z)为平腕臂BIM模型的垂向坐标，DWB06distance_21为承力索座BIM模型距平腕臂BIM模型口的距离，DWB03angle_89为套管座BIM模型上部份的旋转角度，w₁为承力索座BIM模型宽度的一半，K(X)为承力索座BIM模型的横坐标，K(Z)为承力索座BIM模型的垂向坐标，h₂为承力索座BIM模型中心距承力索座BIM模型与防风拉线BIM模型接触点的距离。

4.12平腕臂管帽BIM模型坐标(DWB09)

(1)平腕臂管帽BIM模型的零点坐标位置为图4中的L点。

(2)平腕臂管帽BIM模型零点坐标为：

X轴值：G(X)-DWB03lenght_12*cos(DWB03angle_89)

Y轴值：0

Z轴值：G(Z)-DWB03lenght_12*sin(DWB03angle_89)

式中，G(X)为平腕臂BIM模型的横坐标，G(Z)为平腕臂BIM模型的垂向坐标，DWB03lenght_12为平腕臂管BIM模型的长度，DWB03angle_89为平腕臂BIM模型与水平面的夹角。

4.13下腕臂底座BIM模型坐标(DWB01A)

(1)下腕臂底座BIM模型零点坐标位置为图4中的D点。

(2)读取上下腕臂底座BIM模型安装距离信息。

(3)下腕臂底座BIM模型零点坐标为：

X轴值：MVK_21+(PISL_62/1000×(MHB_7-XDWB01height_26))

Y轴值：0

Z轴值：MHB_7-XDWB01height_26*cos(arctan(Pillarslope_62/1000))

式中，MVK_21为侧面限界，PISL_62为支柱BIM模型斜率，MHB_7为上腕臂底座BIM模型的安装高度，XDWB01height_26为上下腕臂底座BIM模型安装距离，Pillarslope_62为支柱BIM模型斜率。

4.14下腕臂棒式绝缘子BIM模型坐标(DWB01A)

(1)下腕臂棒式绝缘子BIM模型零点坐标位置为如图4中标定的F点。

(2)下腕臂棒式绝缘子BIM模型零点坐标为：

X轴值：

MVK_21+(PISL_62/1000×(MHB_7-XDWB01height_26))-t×COS((arctan(PISL_62/1000)

Y轴值：0

Z轴值：

(MHB_7-XDWB01height_26*cos(arctan(Pillarslope_62/1000)))+t×SIN((arctan(PISL_62/100

式中，MVK_21为侧面限界，PISL_62为支柱BIM模型斜率，MHB_7为上腕臂BIM模型底座的安装高度，XDWB01height_26为上下腕臂底座BIM模型安装距离，Pillarslope_62为支柱BIM模型斜率，t为腕臂底座BIM模型的宽度。

4.15斜腕臂BIM模型坐标(DWB04)

(1)斜腕臂BIM模型零点坐标位置为如图4中标定的H点。

(2)斜腕臂BIM模型零点坐标为：

X轴值：F(X)-(b-c)*cos(DWB04angle_90)

Y轴值：0

Z轴值：F(Z)-(b-c)*sin(DWB04angle_90)

式中，F(X)为斜腕臂上棒式绝缘子BIM模型零点的横坐标，F(Z)为斜腕臂上棒式绝缘子BIM模型零点的垂向坐标，b为平腕臂棒式绝缘子BIM模型左侧孔中心距右端头的距离，即平腕臂棒式绝缘子BIM模型的长度；C为平腕臂BIM模型插到棒式绝缘子BIM模型中的长度，DWB04angle_90为斜腕臂BIM模型的旋转角度。

4.16定位环BIM模型坐标(DWB10)

(1)读取定位环BIM模型距斜腕臂BIM模型口的距离信息。

(2)定位环BIM模型零点坐标位置为如图4中标定的Q点。

(3)定位环BIM模型零点坐标为：

X轴值：

H(X)-(DWB10distance_34+h)*cos(DWB04angle_90)-f*cos(DWB04angle_90)

Y轴值：0

Z轴值：

H(Z)+(DWB10distance_34+h)*sin(DWB04angle_90)-f*sin(DWB04angle_90)

式中，H(X)为斜腕臂BIM模型零点的横坐标，H(Z)为斜腕臂BIM模型零点的垂向坐标，DWB10distance_34为定位环BIM模型距斜腕臂BIM模型口的距离，DWB04angle_90为定位环BIM模型的旋转角度，f为定位环BIM模型中心至定位管BIM模型安装孔中心的距离，定位环BIM模型的高度值，h为定位环BIM模型中心至侧面边缘的距离，定位环BIM模型的宽度值。

4.17斜腕臂下套管单耳BIM模型坐标(DWB07，25A号零部件)

(1)读取下套管单耳BIM模型距斜腕臂BIM模型口的距离信息。

(2)下套管单耳BIM模型零点坐标位置为如图4中标定的P点。

(3)下套管BIM模型零点坐标为：

X轴值：

H(X)-(DWB25Adistance_37+d)*cos(DWB04angle_90)+g*sin(DWB04angle_90)

Y轴值：0

Z轴值：

H(Z)-(DWB25Adistance_37+d)*sin(DWB04angle_90)+g*cos(DWB04angle_90)

式中，H(X)为斜腕臂BIM模型零点的横坐标，H(Z)为斜腕臂BIM模型零点的垂向坐标，DWB25Adistance_37为下套管单耳BIM模型距斜腕臂BIM模型口的距离，DWB04angle_90为斜腕臂BIM模型的旋转角度，d为套管单耳BIM模型的宽度，g为套管单耳BIM模型的高度。

4.18定位管BIM模型的坐标(DWB11)

(1)旋转双耳BIM模型零点坐标位置为如图4中标定的Q点。

(2)定位管BIM模型零点坐标为：

X轴值：Q(X)-k*cos(DWB19angle_91)

Y轴值：0

Z轴值：Q(Z)+k*sin(k*cos(DWB19angle_91))

式中，Q(X)为旋转双耳BIM模型的X轴值，Q(Z)为旋转双耳BIM模型的Z轴值，DWB19angle_91为定位管BIM模型上旋转双耳BIM模型的旋转角度，k为定位环BIM模型安装孔中心至定位管BIM模型端头的距离。

4.19定位支座BIM模型的坐标(DWB12)

(1)定位支座BIM模型零点坐标位置为如图4中标定的R点。

(2)定位支座BIM模型零点坐标为：

X轴值：Y(X)-(DWB12distance_60+I)*cos(DWB19angle_91)

Y轴值：0

Z轴值：Y(Z)+(DWB12distance_60+I)*sin(DWB19angle_91)

式中，Y(X)为定位管BIM模型端头的横坐标，Y(Z)为定位管BIM模型端头的垂向坐标，DWB12distance_60为定位支座BIM模型距定位管BIM模型端头的距离，DWB19angle_91为定位支座BIM模型的旋转角度，I为定位支座BIM模型的宽度。

4.20吊线定位钩BIM模型的坐标(DWB21)

(1)吊线定位钩BIM模型的零点坐标位置为如图4中标定的S点。

(2)吊线定位钩BIM模型零点坐标为：

X轴值：Y(X)-(DWB21distance_65+h₅)*cos(DWB19angle_91)

Y轴值：0

Z轴值：Y(Z)+(DWB21distance_65+h₅)*sin(DWB19angle_91)

(3)吊线定位钩BIM模型上的X点的坐标：

X轴值：S(X)+W₈*sin(DWB19angle_91)

Y轴值：0

Z轴值：S(Z)+W₈*cos(DWB19angle_91)

式中，Y(X)为定位管BIM模型端头的横坐标，Y(Z)为定位管BIM模型端头的垂向坐标，S(X)为吊线定位钩BIM模型零点的横坐标，S(Z)为吊线定位钩BIM模型零点的垂向坐标，DWB21distance_65为吊线定位钩BIM模型距定位管BIM模型端头口距离，DWB19angle_91为吊线定位钩BIM模型的旋转角度，h₅为吊线定位钩BIM模型的宽度，W₈为吊线定位钩BIM模型的高度。

4.21防风拉线定位环BIM模型

的坐标(DWB23)

(1)防风拉线定位环BIM模型的零点坐标位置为如图4中标定的U点。

(2)防风拉线定位环BIM模型零点坐标为：

X轴值：Y(X)-(DWB23distance_73+W₁₀)*cos(DWB19angle_91)

Y轴值：0

Z轴值：Y(Z)+(DWB23distance_73+W₁₀)*sin(DWB19angle_91)

式中，Y(X)为定位管BIM模型端头的横坐标，Y(Z)为定位管BIM模型端头的垂向坐标，DWB23distance_73为防风拉线定位环BIM模型距定位管BIM模型端口的距离，DWB19angle_91防风拉线定位环BIM模型的旋转角度，W₁₀为防风拉线定位环BIM模型的宽度。

4.22定位管吊线的长度及旋转角度(DWB20)

由上述的计算过程可知，N点和T点的坐标均已知道，连接N点和T点即为管位管吊线。

4.24防风拉线的长度及旋转角度(DWB20)

由上述的计算过程可知，Z点和U点的坐标均已知道，连接Z点和U点即为防风拉线的位置，实际上安装的防风拉线长度为连接两点后的长度再加100mm。

五、在每个零部件BIM模型的坐标计算基础上，生成三维腕臂支撑装置BIM模型

在每个零部件BIM模型的坐标计算基础上，在Unity3d引擎中，通过对父物体、子物体的世界坐标系、屏幕坐标系和视口坐标系进行相互转换，动态设置每个BIM模型的三维坐标值，从而利用引擎自带的坐标驱动系统将每个零部件BIM模型驱动到相应空间位置，同时根据空间坐标系去计算部分零部件旋转角度以及缩放长度，最终生成三维腕臂支撑装置BIM模型。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.驱动BIM模型生成千公里级高铁接触网三维孪生系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立高铁接触网零部件的BIM模型；

利用生成的两个系统，建立高铁接触网三维数字孪生系统；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立高铁接触网零部件的BIM模型，包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S11步骤包括以下步骤：

S1104、对三维模型进行贴图，并进行纹理修整；

S1105、导出文件存储。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S11步骤包括以下步骤：

S1111、运用建模软件，创建标准的BIM模型库；

S1112、运用工程图纸数据，手动创建三维模型UV以及贴图；

S1113、对零部件的物理特性进行还原；

S1114、导出文件存储。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述生成高铁接触网腕臂支撑装置的三维数字孪生系统，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述生成高铁接触网接触悬挂的三维数字孪生系统，包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述建立千公里级带状高铁接触网三维数字孪生系统，包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述建立千公里级带状高铁接触网三维数字孪生系统步骤中，以观察摄像机为起点的前5-10跨采用BIM精模、后5-30跨采用BIM简模，形成视线范围内全为精细化模型，视线远方为简化模型的三维虚拟场景。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述建立千公里级带状高铁接触网三维数字孪生系统步骤中，随着巡视观察人员的移动，在其视线前方逐步生成一杆一跨接触网三维数字孪生设备，精模和简模实时更替，视线后方逐步销毁视线外的接触网三维虚拟设备，新生成的三维数字孪生设备和已生成的三维数字孪生设备间进行无缝实时连接，通过巡视观察人员的移动，最终实现全线接触网的三维数字孪生。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述建立高铁接触网一杆一档三维数字孪生信息管理系统，包括以下步骤：