增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在隧道運(yùn)維中的應(yīng)用

周哲峰 汪 洋

(上海巨一科技發(fā)展有限公司 上海 200051)

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大規(guī)模開展和設(shè)計(jì)，道路隧道工程在總量、單體長(zhǎng)度上都有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。截至2016年底，中國(guó)既有運(yùn)營(yíng)公路隧道15 181座，總長(zhǎng)達(dá)14 039.7公里，年均增長(zhǎng)率高達(dá)10%以上，且有逐年增速加快的趨勢(shì)。然而，在道路隧道建設(shè)水平不斷提高、建設(shè)步伐不斷加快的同時(shí)，既有運(yùn)營(yíng)道路隧道的運(yùn)維管理水平卻相對(duì)比較落后，運(yùn)維管理體系中仍然存在許多薄弱環(huán)節(jié)。相比城市道路等其他交通基礎(chǔ)設(shè)施，既有運(yùn)營(yíng)道路隧道工程具有隱蔽性、封閉性、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜等特點(diǎn)。面對(duì)規(guī)模逐漸擴(kuò)大、服役時(shí)間逐漸增加的既有運(yùn)營(yíng)道路隧道，傳統(tǒng)的運(yùn)維管理思想和技術(shù)已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)，隧道的安全運(yùn)行管理正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。BIM技術(shù)及AR技術(shù)的發(fā)展為隧道運(yùn)維管理帶來(lái)了變革的機(jī)遇。

1 研究背景

建筑信息模型(BIM)技術(shù)近年來(lái)愈發(fā)火熱，其是繼CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))技術(shù)后又一項(xiàng)重要的建筑業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。BIM技術(shù)在建筑全生命周期的應(yīng)用大大提升了建設(shè)項(xiàng)目的協(xié)同效率和信息化集成程度，將給建筑業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在道路隧道建設(shè)領(lǐng)域，以信息模型為基礎(chǔ)，BIM技術(shù)可以服務(wù)于隧道的全生命周期管理。在規(guī)劃期間，BIM技術(shù)提供的場(chǎng)地仿真、3D漫游等功能可以輔助規(guī)劃部門進(jìn)行選址分析，估算項(xiàng)目的投資規(guī)模；在設(shè)計(jì)階段，BIM技術(shù)能夠提高各專業(yè)之間的協(xié)同工作能力，同時(shí)，基于BIM模型的碰撞檢測(cè)、算量統(tǒng)計(jì)等應(yīng)用能夠很好地減少后期的工程變更，控制工程造價(jià)；在施工期，BIM技術(shù)能夠提升施工安全管理水平，縮短建設(shè)周期。然而，隨著越來(lái)越多的既有道路隧道投入運(yùn)營(yíng)，BIM技術(shù)更大的價(jià)值體現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)階段。該階段的BIM模型集成了隧道勘察、設(shè)計(jì)、施工各階段的信息，為運(yùn)營(yíng)階段的隧道安全運(yùn)行管理、精細(xì)化資產(chǎn)管理等提供了完整、可靠的數(shù)據(jù)保障；同時(shí)，基于隧道的BIM模型，安全管理部門可以實(shí)現(xiàn)緊急狀況(如火災(zāi)、交通事故)時(shí)應(yīng)急措施的模擬，如通風(fēng)組織、人員疏散等。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院將BIM定義為以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，以及對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)施實(shí)體與功能特性的數(shù)字化表達(dá)。而BIM又可稱為建筑信息建模，是指建筑信息模型的創(chuàng)建、應(yīng)用和管理過(guò)程?？傮w上，BIM集成了工程項(xiàng)目全生命周期的各類幾何及非幾何數(shù)據(jù)，并以虛擬三維實(shí)體形式實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等各項(xiàng)應(yīng)用功能。其中，BIM數(shù)據(jù)所包含的三維幾何信息是區(qū)別傳統(tǒng)CAD二維數(shù)據(jù)的一個(gè)顯著特征，利用BIM的幾何數(shù)據(jù)對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行三維可視化展示，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)相關(guān)的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)協(xié)同管理系統(tǒng)，是目前BIM應(yīng)用的主流方向和熱點(diǎn)。

如圖1、圖2所示，基于BIM的三維可視化技術(shù)，可以更直觀、清楚地表現(xiàn)工程全貌，為設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等管理工作帶來(lái)便利。

圖1 隧道三維模型

圖2 消防泵房三維模型

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR) 無(wú)縫集成了真實(shí)世界信息和虛擬世界信息，通過(guò)實(shí)時(shí)影像、三維等技術(shù)，把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息，以虛擬信息的形式投射到真實(shí)世界，以被人類感官直接捕獲，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感知體驗(yàn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在隧道運(yùn)維領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用是將BIM三維模型、設(shè)施、設(shè)備等運(yùn)維數(shù)據(jù)與當(dāng)前真實(shí)隧道情景相結(jié)合，提供一種高度直觀、沉浸的展示方式，可有效地提高隧道運(yùn)維管理水平。

2 AR在隧道運(yùn)維中的應(yīng)用

2.1 AR在隧道運(yùn)維中的應(yīng)用價(jià)值

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用真實(shí)場(chǎng)景信息和虛擬信息，可有效地輔助隧道現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維作業(yè)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行分析、指導(dǎo)和決策，提高作業(yè)流程的規(guī)范性和工作效率。此外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以作為虛擬培訓(xùn)的一種形式，提供虛實(shí)結(jié)合的情景化培訓(xùn)環(huán)境，培養(yǎng)工作人員在BIM技術(shù)支持下的實(shí)際動(dòng)手能力，有利于優(yōu)化培訓(xùn)效率和質(zhì)量。因此，AR在隧道運(yùn)維管理中的創(chuàng)新應(yīng)用，將帶來(lái)一場(chǎng)新的管理變革。

2.2 AR開發(fā)相關(guān)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使用視頻影像展現(xiàn)真實(shí)世界的信息，通過(guò)BIM將虛擬的信息同時(shí)顯示到真實(shí)世界中，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)包含了實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、傳感器數(shù)據(jù)融合、三維建模、多媒體、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、場(chǎng)景融合等新技術(shù)與手段。目前，AR應(yīng)用主要基于移動(dòng)設(shè)備，如手機(jī)、平板電腦，利用移動(dòng)設(shè)備的攝像頭采集真實(shí)環(huán)境信息，同時(shí)將本地或網(wǎng)絡(luò)上的虛擬信息通過(guò)特殊處理后疊加顯示，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。根據(jù)移動(dòng)平臺(tái)的操作系統(tǒng)不同，主要有以下兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。

ARKit：ARKit是一個(gè)移動(dòng)端AR技術(shù)框架，用于在iOS上開發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)app。它提供了一系列API接口，可實(shí)現(xiàn)包括追蹤(Tracking)、世界追蹤(world tracking)、場(chǎng)景理解(Scene Understanding)、渲染(Rendering)等功能。

ARCore：ARCore是一個(gè)基于安卓上構(gòu)建增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的技術(shù)框架，其使用運(yùn)動(dòng)跟蹤、環(huán)境理解和光估測(cè)技術(shù)將虛擬內(nèi)容疊合到移動(dòng)端攝像頭采集的現(xiàn)實(shí)世界中。其中，運(yùn)動(dòng)跟蹤技術(shù)用于定位移動(dòng)端相對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的位置；環(huán)境理解技術(shù)用于移動(dòng)端檢測(cè)背景表面(如平整的地面或桌面)的大小和位置；光估測(cè)技術(shù)用于移動(dòng)端估測(cè)真實(shí)世界當(dāng)前的光照參數(shù)。

2.3 AR開發(fā)實(shí)施工作

AR在隧道運(yùn)維的開發(fā)實(shí)施工作包括：

1) 建立虛擬場(chǎng)景。首先需要為AR項(xiàng)目建立準(zhǔn)確的虛擬三維場(chǎng)景信息，即三維模型。三維場(chǎng)景信息必須足夠準(zhǔn)確，這樣加載到真實(shí)環(huán)境中不會(huì)出現(xiàn)視覺(jué)偏差。而建筑信息模型中包括了精確的三維幾何信息，因此最有效的方法就是將建筑信息模型中三維模型轉(zhuǎn)換成AR所需要的模型數(shù)據(jù)。由于AR應(yīng)用一般基于移動(dòng)設(shè)備，設(shè)備的性能有限，而隧道的BIM模型專業(yè)多、體量大，需要對(duì)BIM模型進(jìn)行輕量化操作，以保證良好的用戶體驗(yàn)。

2) 設(shè)置AR定位信息。為了保證真實(shí)環(huán)境信息和虛擬信息疊加現(xiàn)實(shí)的一致性，需要獲取當(dāng)前設(shè)備在三維場(chǎng)景中的準(zhǔn)確位置。由于隧道環(huán)境無(wú)法接收GPS信號(hào)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的設(shè)備定位。因此，需要采用特殊的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備輔助定位。通過(guò)對(duì)隧道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在不同的網(wǎng)格點(diǎn)上布設(shè)二維碼信息，在二維碼中記錄該點(diǎn)的精確位置信息。設(shè)備通過(guò)掃描二維碼可以實(shí)現(xiàn)精確定位。

3) 開發(fā)虛擬數(shù)據(jù)接口。為了更加有效地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作的分析、指導(dǎo)和決策，希望能將更多的虛擬數(shù)據(jù)疊加到真實(shí)環(huán)境中。這些虛擬數(shù)據(jù)包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)兩大類。其中，靜態(tài)數(shù)據(jù)如設(shè)施、設(shè)備的圖紙信息、使用手冊(cè)、運(yùn)維作業(yè)指導(dǎo)書等，而動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、各種指標(biāo)數(shù)據(jù)等。

4) 業(yè)務(wù)應(yīng)用整合。最后，利用AR開發(fā)技術(shù)框架、虛擬場(chǎng)景信息、AR定位信息和虛擬數(shù)據(jù)接口，并結(jié)合隧道運(yùn)維的具體業(yè)務(wù)進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

2.4 基于AR的隧道巡檢應(yīng)用

巡檢員在現(xiàn)場(chǎng)巡檢時(shí)，在移動(dòng)設(shè)備上打開基于AR的隧道巡檢應(yīng)用，掃描需要巡檢設(shè)備的二維碼定位，應(yīng)用將自動(dòng)完成設(shè)備定位，并將對(duì)應(yīng)的三維構(gòu)件以及附近的場(chǎng)景加載出來(lái)，如圖3、圖4所示。應(yīng)用自動(dòng)將虛擬場(chǎng)景中的三維構(gòu)件與攝像頭所拍攝真實(shí)環(huán)境下的設(shè)備進(jìn)行疊加顯示。同時(shí)，根據(jù)設(shè)備維修作業(yè)指導(dǎo)書，顯示設(shè)備的檢修步驟，巡檢員只需根據(jù)提示信息逐步檢查，完成設(shè)備檢修即可。巡檢員在整個(gè)過(guò)程中，可以切換和對(duì)比真實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景，還可以調(diào)閱相關(guān)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如設(shè)備圖紙和動(dòng)態(tài)運(yùn)行指標(biāo)等。

圖3 設(shè)備定位和虛擬場(chǎng)景加載

圖4 隱蔽工程查看和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示

3 結(jié) 語(yǔ)

本文創(chuàng)新性地將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到隧道運(yùn)維管理領(lǐng)域中，重點(diǎn)描述了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工作內(nèi)容以及應(yīng)用實(shí)例。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用真實(shí)場(chǎng)景信息和虛擬信息的融合，在提高隧道現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維水平和優(yōu)化培訓(xùn)效果方面應(yīng)用效果顯著。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在隧道運(yùn)維管理中的應(yīng)用才剛剛起步，但相信這將會(huì)給隧道運(yùn)維管理帶來(lái)一場(chǎng)新的變革。