BIM融合AR在鐵路四電中的應(yīng)用分析

王威 ，李明春 ，周春月

（1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2.佳訊飛鴻（北京）智能科技研究院 網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)研究所，北京 100044）

0 引言

BIM是建筑三維模型和信息的數(shù)字化表達(dá)技術(shù)，在建筑領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用改變了傳統(tǒng)二維圖紙作為標(biāo)準(zhǔn)的主要方式，極大提高了項目運行效率。鐵路四電是指電力、電氣化、信號和通信，由鐵路線眾多的供電系統(tǒng)與信號系統(tǒng)設(shè)備組成，是高鐵運行的中樞，保障高鐵調(diào)度運輸?shù)陌踩樌_展[1]。相比于傳統(tǒng)建筑，鐵路四電更加復(fù)雜，其規(guī)劃的部分光纖、電線、電纜設(shè)備和鋼管走向令人眼花繚亂，且存在工程師培訓(xùn)成本高，需要經(jīng)常進(jìn)行返工巡檢等不足。因此BIM在鐵路四電中并不能完全滿足工程需要，存在一定缺陷，例如不能與真實施工環(huán)境的場景融合、缺乏交互功能等問題，這就需要工程人員與錯綜復(fù)雜的現(xiàn)場進(jìn)行逐一比對并記錄，耗費大量精力。而增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）最突出的特點便是虛實融合與人機(jī)交互功能，彌補了BIM在鐵路四電領(lǐng)域中的不足問題，以AR作為展示技術(shù)，與作為展示內(nèi)容的BIM融合將逐漸成為鐵路四電領(lǐng)域的新方式。

1 BIM應(yīng)用于鐵路四電的關(guān)鍵性問題

BIM源于建筑行業(yè)，對于鐵路四電建設(shè)直接運用其基本組件也能進(jìn)行建模。建模完成后，建筑工人查詢BIM模型，通過立體三維透視圖可以查看每個構(gòu)件的多方位信息，降低了建設(shè)成本，又保證了安裝的可靠性，避免了可能產(chǎn)生的碰撞[2]。不同于傳統(tǒng)的CAD建模模型，BIM的核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為這個模型提供完整的、與實際情況對應(yīng)的建筑工程信息庫。該信息庫不僅包含描述建筑物構(gòu)件的幾何信息、屬性信息，還包含了如空間、運動行為的狀態(tài)信息[3]。

由于鐵路四電領(lǐng)域BIM建模本身的復(fù)雜性、涉及的專業(yè)領(lǐng)域交叉學(xué)科多，并不像傳統(tǒng)的樓宇建筑僅需一家設(shè)計公司就可以完成建模，它通常由多個不同行業(yè)的合作方共同完成，因此其建模本身就工作量巨大。此外，除了BIM獨立于真實現(xiàn)場、缺少人機(jī)交互功能、需要多人參與協(xié)同等問題外，與BIM應(yīng)用于傳統(tǒng)建筑領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵性難點一樣，格式轉(zhuǎn)換始終是面臨的第一個問題。市面上的BIM建模軟件種類繁多，它們可導(dǎo)出的格式有數(shù)十種，不同企業(yè)公司應(yīng)用選取的格式也不同，如IFC、DWG、DXF、GLTF、RVT、STP等，其中IFC格式已作為國際BIM行業(yè)數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)。這些不同格式之間通常難以兼容，且在格式轉(zhuǎn)化后再打開模型難免會造成細(xì)節(jié)丟失的問題，這對于以安全為第一要義的鐵路交通是致命性的。

輕量化問題也是BIM研究中的重大課題，整條線路鐵路四電領(lǐng)域的模型通常會極其龐大，隨著項目進(jìn)展，BIM模型數(shù)據(jù)部分不斷添加，所要展示的部分也不斷增加，終端設(shè)備快速精確查看BIM也更困難。在未做輕量化處理的情況下，模型的導(dǎo)入需要數(shù)分鐘乃至更久，且有明顯的延遲，這對于AR嚴(yán)格要求實時性來說也是非常嚴(yán)重的問題。BIM模型的輕量化問題可以通過幾何與渲染2個方面解決[4]：幾何描述可以通過優(yōu)化縮減三角面的最大個數(shù)或通過相似化算法進(jìn)行圖元合并描述，如保留1個正方體數(shù)據(jù)并做1個記錄待引用，對另一個正方體數(shù)據(jù)采取幾何空間坐標(biāo)與引用的方法來描述；渲染層面可通過減少圖元渲染數(shù)量，只保留可見的層面，也可以采取分批次渲染等方式來達(dá)到輕量化的目的。

2 融合AR技術(shù)的可行性

2.1 AR技術(shù)概述

AR是一種利用虛擬的三維信息來增強(qiáng)用戶對真實環(huán)境認(rèn)識的新手段，將由計算機(jī)生成的虛擬模型或者由信息系統(tǒng)產(chǎn)生的虛擬信息疊加到真實環(huán)境場景中的對應(yīng)位置上，從而增強(qiáng)人類對現(xiàn)實的理解，擴(kuò)大感知信息的范圍[5]。

2.2 AR技術(shù)的實現(xiàn)

AR實現(xiàn)的基本流程（見圖1）是攝像頭獲取環(huán)境信息，通過計算機(jī)視覺方法進(jìn)行視頻處理、目標(biāo)識別與跟蹤、場景感知等來加強(qiáng)對環(huán)境的理解，然后再利用計算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)知識，如模型生成、光照處理、虛實融合等進(jìn)行渲染，最后將合成好的視頻場景在終端設(shè)備進(jìn)行顯示和人機(jī)交互[6]。

圖1 AR基本流程

AR的關(guān)鍵特征概括為以下幾個方面：目標(biāo)識別技術(shù)、目標(biāo)跟蹤技術(shù)、三維注冊技術(shù)、虛實融合技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等[7]。目標(biāo)識別是AR實現(xiàn)的第一個步驟，通過識別其特征將目標(biāo)物從環(huán)境中區(qū)分出來；目標(biāo)跟蹤是識別后的后續(xù)操作，需要根據(jù)目標(biāo)的移動或者攝像頭的移動進(jìn)行動態(tài)跟蹤；三維注冊技術(shù)是指根據(jù)空間與平面三維坐標(biāo)映射變換保證虛擬模型能實時疊加在目標(biāo)物的正確位置上；虛實融合技術(shù)是在前3個技術(shù)完成的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮目標(biāo)距離大小變換、光照陰影等問題對其渲染的影響。人機(jī)交互功能是AR的重要應(yīng)用功能，負(fù)責(zé)信息交換的過程，通過輸入用戶的操作輸出相關(guān)的反應(yīng)操作。

2.3 AR技術(shù)用于鐵路四電的可行性分析

按照核心技術(shù)三維注冊的實現(xiàn)方式劃分，AR分為基于硬件傳感器、計算機(jī)視覺以及混合跟蹤3種方式[8]，其中混合跟蹤是結(jié)合前2種技術(shù)特點的實現(xiàn)方式。

基于硬件傳感器是指當(dāng)前移動端如手機(jī)、Pad內(nèi)置的多個傳感器如GPS、陀螺儀、加速計、磁力計等都能為用戶提供位置和方向信息，該實現(xiàn)方式利用這些數(shù)據(jù)獲取手機(jī)的位置信息，建立屏幕與世界坐標(biāo)系的關(guān)系，從而實現(xiàn)融合?；谟布鞲衅鞯腁R實現(xiàn)可用于戶外領(lǐng)域，通過GPS定位將施工建筑模型施放在正確位置，但是對硬件要求高，容易造成位置偏差與漂移等問題。

按照計算機(jī)視覺的方法分類，可分為基于人工標(biāo)識、基于自然特征、基于CAD模型、基于點云模型等方法。早期的AR實現(xiàn)對環(huán)境的理解是通過人為在環(huán)境中預(yù)置易識別的特征碼，待顯示的模型也基于人工標(biāo)識的相對位置進(jìn)行顯示，其缺點是在環(huán)境中添加不相干的元素顯得突兀，但在實際施工應(yīng)用效果上，該方法因具備識別快、穩(wěn)定、發(fā)展成熟、定位準(zhǔn)確、對硬件要求低等優(yōu)點可作為優(yōu)選方案。基于自然特征的方法是根據(jù)基于人工標(biāo)識的缺點提出的，將針對人工放置的特征碼變?yōu)樽匀粓鼍爸械膱D片進(jìn)行跟蹤注冊，該方法需要圖片與其他場景具有明顯的區(qū)分辨識度，因此該技術(shù)多用于以圖紙、說明書為目標(biāo)的模型展示?；贑AD模型、基于點云模型的方式不再局限于二維圖片的識別，而是分別面向物體識別和環(huán)境感知的方式，其多用于小場景下的使用，前者需要對目標(biāo)物體預(yù)先精細(xì)建模，后者需要昂貴的設(shè)備與技術(shù)成本。

因此，戶外場景施工整體可以結(jié)合基于GPS定位與基于人工識別標(biāo)識混合的方式，查看戶外項目整體運行進(jìn)度與施工管理；針對戶內(nèi)某一具體施工單元可以只使用基于人工標(biāo)識的方法，工程師掃描某一處特征碼顯現(xiàn)該處具體建筑信息、隱蔽工程等內(nèi)容；而針對圖紙、說明書等具有明顯區(qū)分度的可以采用基于自然特征的方式，每個圖紙、說明書都對應(yīng)一個模型進(jìn)行漫游展示。

3 BIM與AR融合的鐵路四電應(yīng)用

BIM是模型與信息的集合，以三維立體的方式呈現(xiàn)給工程師。AR技術(shù)虛實結(jié)合的特性拓寬了人們獲取世界信息的方式。兩者融合可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高項目全生命周期的建設(shè)效率。

3.1 設(shè)計展示階段

在建筑設(shè)計階段，設(shè)計師可以將建筑模型以一定比例縮放后通過AR方式進(jìn)行呈現(xiàn)，當(dāng)用戶使用移動端攝像頭對準(zhǔn)目標(biāo)識別物時顯示模型，且可以漫游瀏覽模型，通過人機(jī)交互操作觀察模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)施，并在點擊模型時顯示該材質(zhì)的各種屬性，包括原料、尺寸、質(zhì)量、造價等信息，使項目各方在項目初期對此有全方位的了解，極大提高中標(biāo)率，提升宣傳效果。

3.2 施工建設(shè)階段

在施工階段，戶外需要對移動設(shè)備進(jìn)行GPS粗略定位再輔以人工標(biāo)識精準(zhǔn)定位，將建筑模型按照1∶1的方式在施工現(xiàn)場場地精準(zhǔn)展現(xiàn)，項目管理人員可以隨時觀察項目進(jìn)度，而項目施工人員則可以進(jìn)行施工指導(dǎo)，如提供以下功能：

（1）虛擬標(biāo)記。通過AR顯示，工人可以對模型進(jìn)行標(biāo)記放線，如AR測距、測角等其他輔助性功能，此外可以對模型進(jìn)行文字注釋添加、參數(shù)編輯、模型材質(zhì)更改等機(jī)動化操作，這樣在施工時只需根據(jù)模型和標(biāo)記的說明來進(jìn)行，并且在現(xiàn)場施工時可以對出現(xiàn)的實際問題進(jìn)行模型虛擬標(biāo)記記錄，以提前準(zhǔn)備后續(xù)的維護(hù)審核階段，提高整體效率。

（2）安裝指導(dǎo)。鐵路四電實際建設(shè)過程極其復(fù)雜，通過將安裝指導(dǎo)模型或安裝語音、視頻等教學(xué)方式加載進(jìn)二維碼，工人通過掃描二維碼就可以在現(xiàn)場學(xué)習(xí)安裝指導(dǎo)教程，減少了工人培訓(xùn)成本，提高了正確率、降低了返工率，并且避免了后期將可能造成的錯誤放大。

（3）信號可視化。在鐵路四電中，信號鐵塔的作用尤其重要，其負(fù)責(zé)列車控制通信等一系列工作。將鐵塔信號信道及實時參數(shù)以可視化的方式建模并以AR方式顯現(xiàn)，能直觀地觀察鐵塔無線信道的波束走向與具體參數(shù)信息，這對于天線安全配置及保證通信可靠穩(wěn)定具有極大的作用。

3.3 運維管理階段

在項目運行后期需對工程進(jìn)行管理維護(hù)，AR與BIM的具體表現(xiàn)如下：

（1）項目整體驗收。在質(zhì)量驗收階段，通過模型與實體位置進(jìn)行匹配校驗，迅速發(fā)現(xiàn)實際建設(shè)工程和目標(biāo)效果的紀(jì)錄偏差，從而作出決策保證項目的安全可靠，節(jié)省驗收時間。

（2）室內(nèi)詳細(xì)檢查。鐵路四電工程有很多隱蔽工程，如電氣專業(yè)設(shè)備及線路、消防排水管道、復(fù)雜的通信線路等。通過AR使得該區(qū)域的具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化，如果出現(xiàn)實際施工與BIM模型不一致，可迅速判斷、對比查找出錯誤，避免發(fā)生碰撞等問題。

（3）AR物聯(lián)網(wǎng)可視化。在建筑模型中標(biāo)注每個傳感器的位置，并將傳感器數(shù)據(jù)可視化建模放置到模型中。工人通過AR觀察BIM模型中物聯(lián)網(wǎng)信息，可及時做出預(yù)警與應(yīng)急決策。

4 BIM與AR融合的技術(shù)實現(xiàn)

AR工具的開發(fā)包有多種，其中目前較為主流的SDK有高通公司的Vuforia、蘋果的ARKit、谷歌的ARCore，以及Github上開源的ARToolkit，國內(nèi)有如視+、easyAR、百度AR等。BIM建模軟件應(yīng)用最廣的如 Audodesk的Revit，以及Bently、Dassault、Rhino等，但這些應(yīng)用的側(cè)重點各不相同。

針對鐵路四電建模工作量巨大需要多方協(xié)同、格式轉(zhuǎn)換容易失真、輕量化難以處理等一系列問題，Uni?ty Reflect都進(jìn)行了良好的解決。Reflect是Revit與Unity深度合作產(chǎn)生的一款軟件，具備實時數(shù)據(jù)傳輸及多人協(xié)同共享功能，多個參與方可同步建筑模型并導(dǎo)入數(shù)據(jù)，極大壓縮了BIM開發(fā)的時間。此外，它還解決了BIM與AR融合中不同格式之間的無損轉(zhuǎn)化問題而且能以輕量化方式導(dǎo)入BIM模型，這樣可使開發(fā)者的重心完全放到功能應(yīng)用實現(xiàn)方面，不再為數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、輕量化、協(xié)同等問題而浪費精力。

針對人機(jī)交互及渲染功能，Unity 3D是完美的面向?qū)ο蟛僮髌脚_。它是3D內(nèi)容創(chuàng)作開發(fā)引擎，常用于制作3D游戲功能，但近些年開始逐漸應(yīng)用于工業(yè)、建筑領(lǐng)域等方向，其實時渲染功能強(qiáng)大且穩(wěn)定。針對鐵路四電復(fù)雜的部件，通過面向?qū)ο笠越M件化方式進(jìn)行操作，具有良好的UI界面，能夠以較低的成本開發(fā)人機(jī)交互功能，且支持跨平臺發(fā)布和多種設(shè)備，不需要在終端兼容性問題上考慮過多。

AR實現(xiàn)方面，Vuforia是非常成熟的引擎，支持標(biāo)識識別、圖像識別、多圖識別、物體識別、模型識別、地面識別等多個功能，且支持跨平臺操作如Android Studio等，而在Unity上針對三維交互等問題的開發(fā)也更加直觀方便[9]。以基于自然特征的識別方法為例，用戶將目標(biāo)識別圖導(dǎo)入Vuforia官方網(wǎng)站中的數(shù)據(jù)庫，Vuforia會自動處理圖像識別特征點，然后用戶將目標(biāo)識別圖以其官方格式下載導(dǎo)入至Unity中便可快速實現(xiàn)AR效果。其開發(fā)流程如下：

（1）在Unity中預(yù)先安裝Reflect插件與Vuforia Engine；

（2）使用Reflect插件將BIM模型導(dǎo)入Unity界面，在Vuforia官方網(wǎng)站中上傳自定義的目標(biāo)識別圖并將處理后的文件下載并導(dǎo)入至Unity；

（3）通過Vuforia Engine構(gòu)建AR世界和用戶界面，并以C#語言對模型組件添加腳本進(jìn)行控制達(dá)到人機(jī)交互效果；

（4）將完成后的項目通過內(nèi)置的SDK打包生成項目文件，發(fā)布于終端。

因此，Reflect解決了模型導(dǎo)入與協(xié)同工作的問題，Vuforia實現(xiàn)了AR的功能，Unity提供了操作的平臺與交互，Reflect+Unity+Vuforia對于鐵路四電領(lǐng)域的AR與BIM融合實現(xiàn)具有良好的效果。采用上述方案，實際開發(fā)效果見圖2。

圖2 Unity實現(xiàn)AR開發(fā)的效果圖

5 結(jié)束語

在鐵路四電領(lǐng)域，AR作為一種信息表示的新手段，彌補了傳統(tǒng)BIM模型應(yīng)用交互能力不足的問題。BIM融合AR的應(yīng)用方式，使得工程師從設(shè)計到施工再到運維管理都能擁有高效的體驗感，縮短了項目建設(shè)時間，保障了項目全生命周期的可靠運行，而以Unity為開發(fā)平臺的實現(xiàn)方案也能達(dá)到良好的預(yù)期效果。

未來BIM融合AR的發(fā)展必將隨著移動端性能提高和5G網(wǎng)絡(luò)普及而逐步走向成熟，這是一個長期演變的過程，會對整個鐵路四電領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響和改變。而關(guān)于BIM模型輕量化處理、AR室內(nèi)外的定位精度、多人協(xié)同管理等問題也將會是不小的挑戰(zhàn)。