三維重建技術在鐵路BIM運維管理中的應用研究

邊 原，趙俊清，王冬明，劉 寅

（中鐵電氣化局集團有限公司 設計研究院，北京 100166）

隨著我國鐵路建設的迅速發(fā)展，根據(jù)國家鐵路中長期路網(wǎng)規(guī)劃，我國鐵路網(wǎng)規(guī)模在2025 年時要達到17.5 萬km，鐵路運輸行業(yè)的巨大發(fā)展對運維管理工作的要求變得更高。越來越多的信息化系統(tǒng)運用到了鐵路的運維管理工作中，但是，現(xiàn)行的管理方法較為傳統(tǒng)，大多數(shù)系統(tǒng)仍以單一專業(yè)自行運維為主，信息不互通，為了打通各個專業(yè)、各個系統(tǒng)間的“信息孤島”，轉(zhuǎn)變?yōu)榫毣?、高效化、標準化的運維管理模式[1]，在鐵路運維管理中引入BIM 技術，建立鐵路BIM 綜合運維管理體系是目前提升運維管理水平和效率的有效手段。模型是BIM 技術在運維中的核心信息化載體，而在實際情況中運維工作人員并不能很好地使用BIM 建模軟件進行設備設施模型的建立、修改和更新。如果不能實時同步更新現(xiàn)場設備和虛擬模型，將降低制定運維決策的效率和準確性。因此對于自動化建模方法的研究就變得很迫切。

1 技術路線

1.1 鐵路BIM 綜合運維管理系統(tǒng)

鐵路BIM 綜合運維管理系統(tǒng)是以BIM、GIS 等技術作為支持，利用BIM 三維可視化引擎，等比例顯示實際車輛、橋隧、軌道、站房等建筑設施設備的仿真模型的信息化系統(tǒng)。

（1）將設計、施工、建設階段移交的數(shù)據(jù)進行必要的模型及編碼體系轉(zhuǎn)換，以滿足運維管理的數(shù)據(jù)應用需求；

（2）對移交的靜態(tài)數(shù)據(jù)與接收的運維期間各類動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲、維護和管理，以數(shù)據(jù)服務的形式進行數(shù)據(jù)發(fā)布；

（3）既有工務、電務、供電、房建等專業(yè)運維管理系統(tǒng)通過平臺提供的服務，獲取所需的設計、建設階段的數(shù)據(jù)信息，以便豐富和完善既有系統(tǒng)的功能，同時現(xiàn)有運維系統(tǒng)中的檢修、維修信息返回至平臺，實現(xiàn)基礎設施全生命周期數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一管理；

（4）以PC 端、便攜設備與手機端等形式，為用戶提供可視化的、三維形式的數(shù)據(jù)資料展示服務等[1]，如圖1 所示。

圖1 鐵路BIM 綜合運維管理系統(tǒng)架構

系統(tǒng)在模型可視化的基礎上同時顯示設施設備的位置、規(guī)格、尺寸、維護時間、維護人員等信息，直觀體現(xiàn)鐵路各專業(yè)設施設備維修進度與效果，為決策者、運維人員提供更直觀的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場情況展示，在計劃安排、作業(yè)方案、作業(yè)組織、驗收管理等方面能夠更好地幫助運維人員開展運營維護工作[1-3]。

1.2 三維重建技術應用于運維的方法

利用三維掃描技術完成點云、深度圖像等數(shù)據(jù)采集作業(yè)后進行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)進行三維重建，將重建后的模型導入鐵路BIM 綜合運維管理系統(tǒng)，添加有關的設備信息和維護信息后正常運維使用，如圖2 所示[4]。

圖2 基于三維重建技術的鐵路BIM 運維模型維護

2 核心技術

2.1 三維掃描技術

目前，主流的三維掃描技術主要分為接觸式和非接觸式，根據(jù)鐵路BIM 運維的使用場景，非接觸式的三維掃描技術由于其不需要接觸測量、測量速度快、效率高等特點，適用于實際運維場景[5]。

非接觸式三維掃描設備根據(jù)原理又分為激光掃描儀、照相式掃描儀、CT 斷層式掃描儀、深度相機等類別。從運維成本、人員應用是否便捷和重建精度等多方面原因考量，深度相機技術是目前比較適合鐵路BIM 運維使用的三維掃描技術。

深度相機有雙目、結(jié)構光、飛行時間測距法（TOF）[6]等不同種類。發(fā)射紅外線、光脈沖等，接收物體表面反射的信號，用算法計算出深度數(shù)據(jù)。深度相機得到的點云數(shù)據(jù)，需要通過算法進行建模。

2.2 RGB-D

RGB-D 圖像是兩幅圖像，RGB 三通道彩色圖像和深度圖（Depth Map）。

通常RGB 圖像和DepthMap 是配準的，其像素點之間具有一對一的對應關系。

（1）RGB

RGB 色彩模式是工業(yè)界的一種顏色標準，通過對紅（R）、綠（G）、藍（B）3 個顏色通道的變化及它們相互之間的疊加得到各種顏色，RGB 代表紅、綠、藍3 個通道的顏色，這個標準幾乎包括了人類視力所能感知的所有顏色，是目前運用最廣的顏色系統(tǒng)之一。

（2）Depth Map

在三維計算機圖形中，Depth Map 是包含與視點的場景對象的表面的距離有關的信息的圖像或圖像通道。其中，Depth Map 類似于灰度圖像，只是它的每個像素值是傳感器距離物體的實際距離。

2.3 三維重建技術

在計算機內(nèi)生成物體三維表示主要有2 類方法。

（1）使用幾何建模軟件通過人機交互生成的物體三維幾何模型一般使用具有數(shù)學表達式的曲線曲面表示幾何形狀，如：3D Max、Maya 等軟件；

（2）通過掃描等方式獲取物體的幾何形狀，該類方法為三維重建，是一種利用二維投影恢復物體三維信息（形狀等）的數(shù)學過程和計算機技術。

三維重建（3D Reconstruction）是一種對三維物體建立適用于計算機表示和處理的數(shù)學模型的技術。是通過計算機對模型分析其三維物體性質(zhì)的基礎，也是在計算機中建立表達客觀世界的虛擬現(xiàn)實即實現(xiàn)數(shù)字孿生的關鍵技術。包括數(shù)據(jù)獲取、預處理、點云拼接和特征分析等步驟。其中，Newcombe 等人在2011 年提出的KinectFusion[7]算法，可在不需要RGB 彩色圖像而只用深度圖的情況下就能實時地建立三維模型。KinectFusion 算法首次實現(xiàn)了基于廉價消費類相機的實時剛體重建。

KinectFusion 之后，陸續(xù)出現(xiàn)了ElasticFusion，Kintinuous，ElasticReconstruction，DynamicFusion，InfiniTAM，BundleFusion 等非常優(yōu)秀的算法項目。其中，2017 年斯坦福大學提出的BundleFusion[8]算法，是目前基于RGB-D 相機進行稠密三維重建效果較好的方法。

3 三維重建技術的應用

3.1 三維數(shù)據(jù)采集終端介紹

StructureSensor 三維掃描儀體積小，便于攜帶，采用深度攝像頭的掃描技術，數(shù)據(jù)便于儲存且兼容性很強[5]，大多數(shù)三維瀏覽器可直接打開掃描后得到的數(shù)據(jù)，配合平板電腦使用即可進行三維數(shù)據(jù)采集，使用時能夠通過無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)線的纏繞和干擾，在大多數(shù)場所如設備機房、庫房、站廳等環(huán)境均可正常使用，比較適用于鐵路BIM 運維日常使用，因此選擇StructureSensor 三維掃描儀為日常運維使用的三維數(shù)據(jù)采集設備，如圖3 所示。

3.2 數(shù)據(jù)處理和三維重建

如圖4 所示，通過三維數(shù)據(jù)采集設備可收集到帶RGB 參數(shù)的三維數(shù)據(jù)。將得到的深度數(shù)據(jù)、顏色數(shù)據(jù)、軌跡數(shù)據(jù)逐幀匹配，全部轉(zhuǎn)換到同一個坐標系下面，就可以擬合出掃描的設施設備三維數(shù)據(jù)，這些三維數(shù)據(jù)需要經(jīng)過濾波、去燥等預處理后，再通過重建算法計算，經(jīng)過配準、分割、補全等技術處理，融合色彩信息后即可得到滿足日常運維使用的三維重建的模型[9]。圖5 為經(jīng)過預處理后的三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

圖4 三維重建流程

圖5 數(shù)據(jù)計算后的三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)

圖6 為分割、補全后的三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

圖6 分割、補全后的三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)

圖7 為數(shù)據(jù)融合后的三維模型，導入MeshLab軟件中查看并進行尺寸測量，通過對比模型與現(xiàn)實尺寸數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)誤差基本控制在亞毫米級。

圖7 數(shù)據(jù)融合后的三維模型

將色彩信息和三維模型建立起映射關系后得到的模型結(jié)果，如圖8 所示，基本與設施設備實際外型一致。滿足BIM 運維模型的基本要求。

圖8 實驗三維重建結(jié)果

4 結(jié)束語

通過實驗發(fā)現(xiàn)在近距離范圍內(nèi)使用三維掃描技術重建出來的模型精度可以達到亞毫米級，滿足有一定精度和效率地建立BIM 運維模型的需求。將建立的模型實時導入鐵路BIM 綜合運維管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)動態(tài)維護模型的需求，決策者可以依照與現(xiàn)實同步的模型及模型上掛接的各專業(yè)信息數(shù)據(jù)進行運維決策，如圖9 所示。

圖9 實際消防設備三維重建模型

目前來看，在手持掃描獲取的數(shù)據(jù)精度上仍然有進步的空間，掃描后的數(shù)據(jù)仍然需要進行大量去噪、補全等技術處理后才可以正常使用。并且目前基于BIM 技術的鐵路運維管理的應用也尚在起步探索階段，還需要與物聯(lián)網(wǎng)、云計算、5G 技術等先進技術進一步整合，提升系統(tǒng)內(nèi)信息交換的準確性、實時性、高效性，才能更好地實現(xiàn)數(shù)字孿生和智慧化運維管理的目標。