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Norconsult

基础设施领域创新者使用 VR 游戏模拟来简化北欧隧道设计

未来智造

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图片由 LimbForge 提供

虚拟环境可以在施工之前识别实际设计问题

在基础设施项目中,每一步都很重要:预算、进度、范围和最重要的 — 风险。建筑、工程和设计咨询公司 Norconsult 在挪威卑尔根设计新的铁路隧道时,通过在重大但繁琐的设计要求 — 铁路信号系统上应用先进技术,使重大风险得以缓解。为防止由于标志和信号不足发生代价高昂的施工延误,Norconsult 在基础设施设计中使用三维建模和 VR 游戏化技术,帮助预测潜在的设计问题。创建的交互式游戏环境设定了新的标准,简化了设计评估、验证、优化和批准。

大型组织中孕育出了新兴企业的精神

Norconsult 的来源可以追溯到 1929 年,它是挪威最大的多领域的技术咨询公司。它将专业知识应用于机场、公共活动场所、油田、公路、医院、堤坝、桥梁、铁路和隧道等项目的设计和建设中,这些只是其名下 20,000 个项目的一部分。

Norconsult 的总部位于挪威首都奥斯陆附近的桑维卡,在全球 88 个办公地点拥有近 3,300 名员工。尽管它庞大的规模是一种资产,但也可以是一个缺点:组织越大、机动性越弱。为了像一个更加紧凑更加灵活的企业一样行事,Norconsult 组建了一个内部团队,名为“前沿小组”。“我们由 30 到 40 名最具创新思维的员工组成,他们推动技术发展,使我们的工作实践更有效率地开展、为客户提供更好的产品,”前沿小组的成员 Thomas Angeltveit 解释道,其为一名土木工程师和 BIM 协调员,负责在 Norconsult 蓬勃发展的运输实践中推进三维建模和技术的使用。“我们正尝试通过始终使用最新技术来竭力成为最佳顾问。”

Thomas Angeltveit,Norconsult 铁路团队的 BIM 协调员自 2015 年开始参与乌尔瑞肯隧道项目。图片由 Norconsult AS 提供。

打通经济命脉

挪威奥斯陆和卑尔根之间的铁路也称为 Bergensbanen 或卑尔根铁路,绵延 500 公里(约 310 英里),穿过景色壮美的北欧地形。但它并不仅仅是欧洲风景最优美的一条铁路线,它还连接着挪威最大的两座城市,是一条经济命脉。让列车快速、轻松和安全地通过非常重要。

线路的最后一个路段位于阿纳和卑尔根之间,通过乌尔瑞肯隧道。该隧道位于乌尔瑞肯山下,长 7.8 公里(4.8 英里)。该隧道建于 1964 年,是欧洲北部交通最繁忙的单轨隧道,近年来,它已成为最严重的一个瓶颈。“现有隧道的容量不足以驱动足够的列车”以满足客运和货运交通需求,Angeltveit 解释说。2010 年,Norconsult 开始与挪威国有铁路管理局 Bane NOR 洽谈修建与原先隧道平行的另一条乌尔瑞肯隧道的项目,旨在将隧道运力扩充一倍。

该项目预计于 2022 年完工,对承建商而言是巨大的挑战,因为其必须在乌尔瑞肯山中凿通一条新的隧道,并且同时升级现有的隧道和关联的火车站,而这些工作均需在不中断当前铁路交通的条件下完成。

卑尔根铁路终点站卑尔根车站的渲染图。图片由 Norconsult AS/Bane NOR/Baezeni 提供。

最先考虑铁路安全性

为了建造一条新的乌尔瑞肯隧道,同时不中断旧隧道的运营,也不中断铁路服务,Bane NOR 需要使用一台 1,800 吨的盾构机 (TBM) 耗时 18 个月来开凿构成乌尔瑞肯山的坚硬岩石。这是在挪威首次使用 TBM 来开凿铁路隧道,之前通常使用传统的爆破。将需要 18 个月来开凿构成乌尔瑞肯山的坚硬岩石。

如此的大型基础设施项目不仅面临着技术挑战,还存在管理难题。在铁路项目,其中一个最重要的障碍是使标志和信号系统获得监管批准,因为这对于铁路安全至关重要。“在铁路项目中,最难获得批准的就是信号系统。”Angeltveit 表示。“这是因为它是铁路的核心。它操控着一切。如果列车操作员没看到信号,开得过远或没有停车,它将关闭整个铁路系统。”

盾构机于 2017 年 8 月 29 日凿通了乌尔瑞肯山。图片由沃伦 Warren Eversley/Bane NOR/Norconsult AS 提供。

游戏化系统

为了解决乌尔瑞肯隧道项目复杂的设计和施工挑战,Norconsult 使用建筑信息建模 (BIM) 帮助公司更高效地跨领域协调。“BIM 是我们的项目成功的关键因素,因为我们现在开发新技术的速度非常快。”Angeltveit 说道。隧道项目和车站升级的 BIM 模型使用 AutoCADCivil 3DRevit,以及 Navisworks 与施工团队合作。

解决信号系统面临的管理挑战需要不同的方法。很难获取必要批准的原因在于,信号系统在安装数年之后,列车操作员才能对其进行测试。因此,出错很常见。Angeltveit 在想:如果列车操作员能够早一点测试信号,是不是更容易获得批准?

为了得到答案,他构思了将 BIM 模型与虚拟现实结合在一起,创建一个游戏环境,允许列车操作员在未来修建的轨道上“驾驶”。“我们在所有领域都有模型,这与交付给承包商的一样,并且我们将这些模型放入游戏引擎。”Angeltveit 解释说。团队使用 3ds Max 使三维模型动画化并使用现实世界数据的激光扫描对其进行扩充,例如列车座舱的布局(使用 ReCap)(英文)。

  • 沉浸式 VR 游戏允许列车操作员在使用现实列车三维激光扫描创建的模拟座舱中“驾驶”通过乌尔瑞肯隧道。

  • 用户在线路上驾驶,使用轨道路基上的米数标记来判断与最近的信号柱之间的距离,并在过程中发现信号存在哪些问题。

  • 列车操作员建议移动隧道内的某些信号柱以扩大视野,像这样在施工前做出修改可以节省大量成本。

  • 虚拟环境还显示隧道中的装置和设备,进行应急模拟,支持操作和维护培训。

  • “无人机模式”提供了已升级的阿纳车站的“鸟瞰”视图,该车站位于乌尔瑞肯隧道入口处。

图片由 Norconsult AS/Bane NOR/Baezeni 提供

潜力无限

在游戏模拟体验过程中,列车操作员在土木工程师的监控下在虚拟列车轨道上驾驶,后者使用驾驶表现来评估标志与信号装置的放置。虚拟环境让人有“身临其境”的感觉,Angeltveit 解释说:“这对要为尚未建造的东西获取批准而言是一个巨大的有利之处。” 工程师通过迭代设计过程改良和优化信号系统。“与列车操作员一同工作让我们更好地了解他们的想法,”他继续说道。“我们能够受益于他们在现实中驾驶列车的经验。”

Bane NOR 还将游戏模拟用作对紧急响应人员的可视辅助,从中获得额外的益处。在游戏模拟过程中使用“无人机模式”可从无人驾驶飞行器的视角巡览项目,工作人员可以熟悉疏散路线或模拟应急场景。类似的沉浸式环境能够帮助项目团队预见操作和维护需求,帮助他们设计建筑和基础设施,并为最终用户实施优化。“这里有许多机遇有待发掘。”Angeltveit 说道。

视频由 Norconsult AS/Bane NOR/Baezeni 提供(2 分 18 秒)

更好、更安全的隧道,前所未有

隧道的建造正在向着 2022 的完工日期推进,于 2017 年 8 月达到一个里程碑,即 TBM 完成对乌尔瑞肯山的凿通作业。新的双轨铁路完工后,将能够在阿纳和卑尔根之间运输更多乘客和货物,而且运输速度更快,发车间隔时间更短。

同时,BIM、VR 和游戏化技术的结合已为 Norconsult 带来了成果,它获得了Autodesk 2017 AEC 卓越奖(英文)基础设施类中的第三名。据 Angeltveit 表示,VR 游戏体验的好处包括精简了监管审查程序,比标准审批时间缩短了几年;加强了利益相关者的认可,因为游戏模拟使非技术专业人员也可以看懂项目规划;最后,降低了成本,因为问题可以在建设开始之前就得到解决,而不是事后才解决。

也许最强大的优点是隧道本身,多亏有了游戏模拟,隧道在施工人员离场后将始终以最佳性能运行。“最终,我们能够协助交付前所未有的更好、更安全的隧道和车站。”Angeltveit 表示。

阿纳车站升级项目正在施工中。列车从现有隧道中驶出,左侧为新隧道。图片由 Ingvild Eikeland/Bane NOR/Norconsult AS 提供。

信号系统为了将来的基础设施设计作出改变

基于 VR 游戏化技术在乌尔瑞肯隧道项目中的成功应用,Norconsult 将该技术定为一项标准操作程序,用于其所有铁路项目以支持信号系统设计和审批。公司还在探索其他使用案例。例如,在城市轻轨项目中,Norconsult 使用 VR 游戏体验来获取列车操作员的反馈意见,从而优化自行车和应急车辆用交通车道的设计。同时,客户使用沉浸式环境向高级管理层和社区利益相关者做演示,从而通过 VR 可视化技术的帮助更容易更积极地获得他们至关重要的支持和认可。

长期来看不难发现,VR 游戏化技术能够引领我们进入主动设计的新时代,而不是停留在被动设计上。“对于我们而言,这改变了游戏规则。”Angeltveit 总结道。“利用我们的 BIM 提供交互式虚拟现实体验为传统保守的行业带来了真正的变革。”

卑尔根铁路信号系统布局的 VR 渲染图。图片由 Norconsult AS/Bane NOR/Baezeni 提供。

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