楊 甲，喬燕飛

（河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050021）

內(nèi)陸河網(wǎng)通過水閘控制與外圍河流和海洋的水體交換，控制內(nèi)河水位在一個合理的范圍內(nèi)，保障人民生活安全和區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用，是非常值得研究的緊迫課題。以往河網(wǎng)上水閘的調(diào)度主要通過人為控制，這既依賴于相當(dāng)豐富的調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，也很不經(jīng)濟(jì)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)水閘的自動控制和智能調(diào)度是水利信息化建設(shè)的必然趨勢［1］。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立水情工情實(shí)時監(jiān)測、水閘智能調(diào)度和綜合自動化系統(tǒng)，以提高調(diào)度運(yùn)行響應(yīng)速度和能力，實(shí)現(xiàn)水利工程管理的調(diào)度智能化和決策科學(xué)化，充分發(fā)揮水利樞紐工程在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展中的作用［2］。

本文基于Bentley平臺的BIM解決方案，采用三維協(xié)同設(shè)計(jì)手段進(jìn)行水閘設(shè)計(jì)，將BIM設(shè)計(jì)成果導(dǎo)入Unreal Engine 4（以下簡稱UE4）引擎制作的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，使用Blueprints（藍(lán)圖）及C++語言進(jìn)行模型的控制與管理，從而實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中的水閘綜合自動化控制。利用先進(jìn)的BIM設(shè)計(jì)手段，結(jié)合高效的UE4引擎，改變以往三維仿真系統(tǒng)只能進(jìn)行水閘調(diào)度的模擬演示，利用可視化腳本系統(tǒng)Blueprints達(dá)到主要模型的控制，利用C++語言進(jìn)一步在Blueprints系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)設(shè)備的調(diào)度管理。

本系統(tǒng)主要意義在于將水閘調(diào)度管理與三維設(shè)計(jì)可視化結(jié)合，在三維可視化的環(huán)境中進(jìn)行水閘的實(shí)時調(diào)度管理，最終利用三維設(shè)計(jì)可視化成果實(shí)現(xiàn)三維調(diào)度可視化。其主要優(yōu)點(diǎn)與三維設(shè)計(jì)可視化相同：調(diào)度可視化后，可使調(diào)度溝通更加高效；調(diào)度管理信息更新更加及時；對調(diào)度數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化驗(yàn)證；調(diào)度成果的快速展示等［3］。

1 主要應(yīng)用技術(shù)簡介

BIM即Building Information Model（建筑信息模型），最早在20世紀(jì)70年代由美國的建筑與計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的研究者提出。其基本構(gòu)想是：將建筑工程的所有幾何模型、構(gòu)件與設(shè)備性能、施工、環(huán)境等信息和建筑工程項(xiàng)目全生命周期內(nèi)的所有信息整合到一個模型中，使得建筑工程從設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等全部過程的信息都得以統(tǒng)籌管理［4］。

Bentley平臺的BIM解決方案如圖1所示，以DGN為載體，在ProjectWise和MicroStation協(xié)同工作平臺上，分專業(yè)運(yùn)用AECOsim Building Designer、Geopak、OpenPlent、Navigator等進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)。通過多個專業(yè)軟件在同一個協(xié)同平臺上工作，建立同一個模型完成BIM模型的搭建工作。

圖1 Bentley平臺的BIM解決方案

游戲引擎是指一些已編寫好的可編輯電腦游戲系統(tǒng)或者一些交互式實(shí)時圖像應(yīng)用程序的核心組件。這些系統(tǒng)為游戲設(shè)計(jì)者提供各種編寫游戲所需的各種工具，其目的在于讓游戲設(shè)計(jì)者能容易和快速地做出游戲程式，而不用由零開始。游戲引擎包含以下系統(tǒng)：渲染引擎 （即 “渲染器”，含二維圖像引擎和三維圖像引擎）、物理引擎、碰撞檢測系統(tǒng)、音效、腳本引擎、電腦動畫、人工智能、網(wǎng)絡(luò)引擎以及場景管理。

虛幻引擎 （Unreal Engine）是在游戲業(yè)界廣泛使用的商業(yè)游戲引擎之一［5］，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前已發(fā)展到第四代即UE4，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。用BIM+UE4的組合制作水閘仿真系統(tǒng)，從而讓虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境控制、調(diào)度、管理水閘成為可能。

2 水閘BIM （Bentley平臺）解決方案介紹

河北省屬于典型資源型缺水省份，面對水資源嚴(yán)重短缺的狀況，提出建設(shè) “引黃入冀工程”、“引黃入冀補(bǔ)淀工程”兩條輸水線路。江河干渠位于河北省衡水市武邑縣縣城東南約6.3km，自東南向西北走向，總長16.7km。江河干渠溝通了河北省 “引黃入冀”和 “引黃入冀補(bǔ)淀”兩大輸水線路。吳沙閘位于江河干渠的渠首，是兩大輸水線路聯(lián)合調(diào)度的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。工程設(shè)計(jì)采用基于Bentley三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺和數(shù)字化設(shè)計(jì)手段完成。本工程設(shè)計(jì)由水工、建筑、地質(zhì)、金結(jié)、電氣等多個專業(yè)共同參與，過程中多專業(yè)協(xié)同配合，極大的縮短了項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期。

在吳沙閘三維協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，提出了基于Bentley平臺針對平原水閘類工程的解決方案。開發(fā)了一套參數(shù)化設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)了水閘的參數(shù)化建模、自動統(tǒng)計(jì)工程量等功能［6］。通過使用Bentley平臺的三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)及軟件的二次開發(fā)工作，結(jié)合吳沙閘重建工程BIM項(xiàng)目總結(jié)出的解決方案，實(shí)踐中取得了良好的效果，并在設(shè)計(jì)階段具有普遍適用性。

水閘BIM解決方案主要采用AglosGeo進(jìn)行三維地質(zhì)建模、MicroStation二次開發(fā)進(jìn)行水工專業(yè)建模及配筋、AECOsim Building Designer進(jìn)行建筑專業(yè)建模、OpenPlant進(jìn)行水機(jī)金結(jié)建模、Substation和AECOsim Building Designer進(jìn)行電氣專業(yè)建模。通過多專業(yè)協(xié)同，利用參數(shù)化建模的高效性，在吳沙閘重建工程建設(shè)過程中，實(shí)現(xiàn)了BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用于生產(chǎn)當(dāng)中。但不應(yīng)滿足于此，推動BIM設(shè)計(jì)向工程建設(shè)的全生命周期領(lǐng)域應(yīng)用，才能稱之為一套完整的解決方案。

利用BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)3D建模加時間管理的4D管理系統(tǒng)，也可實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度與成本造價的5D模擬。但這只是局限于項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段、工程建設(shè)階段。為實(shí)現(xiàn)將BIM技術(shù)應(yīng)用于項(xiàng)目的全生命周期，將BIM技術(shù)引入到項(xiàng)目的運(yùn)營和調(diào)度中，采用一種可以進(jìn)行交互的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，選取BIM技術(shù)結(jié)合UE4進(jìn)行開發(fā)。

3 UE4的水閘虛擬仿真環(huán)境搭建

前文提到虛擬仿真主要以可視化為主，應(yīng)用3Dmax、Maya等軟件建模制作效果圖及動畫，需要在3Dmax等軟件內(nèi)建立模型然后進(jìn)行渲染，工作效率低。隨著BIM技術(shù)的發(fā)展有些BIM軟件本身具有渲染功能，如 MicroStation、Revit等，利用BIM模型進(jìn)行處理用BIM軟件自帶的渲染功能進(jìn)行效果圖及動畫的制作，省去了建模這個過程，效率也有所提升，但模型處理及渲染效率也不高。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，基于GPU的實(shí)時渲染虛擬仿真軟件進(jìn)入市場，對工程虛擬仿真起到了極大的推動作用，目前市場上存在多款虛擬仿真軟件都可以很好的實(shí)現(xiàn)虛擬仿真效果，如：Lumion、LumenRT等，但具有功能局限性，功能單一，不支持二次開發(fā)。于是基于游戲引擎進(jìn)行虛擬仿真進(jìn)入的市場，目前主要有：Unreal Engine4、Unity3、cry engine3等。

本文主要介紹UE4，UE4是開源的，代碼是完全開放的，對于二次開發(fā)對接數(shù)據(jù)，提供極大的便捷性。制作前要了解BIM模型的整體架構(gòu)、圖層顯示、參考關(guān)系等情況，將模型從ProjectWise下載到本地，模型根據(jù)可視化的要求進(jìn)行分類整理減小模型體量，通過中間格式將吳沙閘重建工程BIM模型導(dǎo)入到UE4。在UE4內(nèi)設(shè)置全局光照等基本參數(shù)搭建好虛擬環(huán)境。UE4更加直觀更加真實(shí)，模型導(dǎo)入后不做處理效果也非常理想。如圖2所示。將BIM模型導(dǎo)入UE4后調(diào)用相關(guān)信息進(jìn)行對接，通過模型自帶的Element ID對接文件信息，使用Blueprints（藍(lán)圖）進(jìn)行模型的控制，通過C++語言調(diào)用外部監(jiān)測數(shù)據(jù)庫控制反饋到模型。

在UE4模型導(dǎo)入模型時應(yīng)注意模型貼圖UV及光照UV的展開工作，UV是定位2D紋理的坐標(biāo)點(diǎn)，UV直接與模型上的定位點(diǎn)相對應(yīng)。一般在BIM模型中都含有一套UV或貼圖信息，但不包含二套UV既光照UV。UE4把第一套UV同時作為了貼圖UV和光照UV，于是在進(jìn)行靜態(tài)光照計(jì)算時就會提示 “UV OVER LAPPING”即UV有重疊。通?？梢酝ㄟ^UE4中自動進(jìn)行UV創(chuàng)建也可通過第三方軟件進(jìn)行如3Dmax和Maya等創(chuàng)建第二套UV。模型UV的解決是整個模型導(dǎo)入到UE4中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，BIM模型與游戲模型不同點(diǎn)，主要體現(xiàn)在模型的信息含量與模型的體量上面，BIM模型上含有大量位置信息及屬性信息，游戲模型則含有大量的貼圖信息及光照信息，通過大量的貼圖信息減少位置及屬性信息后模型體量會大大降低便于圖形的瀏覽與查看。必要時也可以進(jìn)行貼圖烘焙，貼圖烘焙技術(shù)也叫Render To Textures，簡單地說就是一種把光照信息，渲染成貼圖的方式，而后把烘焙后的貼圖再貼回到場景中去的技術(shù)。光照信息變成了貼圖，不需要再占用資源。通過進(jìn)行UV處理和模型貼圖烘焙等方法將體量大、冗余多的BIM模型進(jìn)行輕量化處理便于可視化操作。

可從Epic Games的虛幻商城調(diào)取其他材質(zhì)、配景、植物等資源，對模型進(jìn)行優(yōu)化處理，對配景進(jìn)行添加。完成虛擬環(huán)境搭建后，使用Blueprints進(jìn)行基本部件的控制，Blueprints是特殊類型的資源，提供一種直觀的、基于節(jié)點(diǎn)的界面，以用于創(chuàng)建新類型的Actor及關(guān)卡腳本事件；提供了一種在虛幻編輯器中快速創(chuàng)建及迭代的可視化腳本工具，而且不需要書寫代碼。吳沙閘重建工程利用藍(lán)圖實(shí)現(xiàn)了閘門開啟、水位控制、門窗開關(guān)、燈光開關(guān)燈等基本控制。Blueprints界面如圖3所示。

制作完成后，可將這個項(xiàng)目進(jìn)行發(fā)布，UE4兼容目前基本上所有的主流硬件設(shè)備，可將項(xiàng)目發(fā)布于電腦端、平板端、手機(jī)端。項(xiàng)目可用在多種硬件設(shè)備進(jìn)行瀏覽查看。

圖2 UE4內(nèi)吳沙閘重建工程模型

圖3 Blueprints（藍(lán)圖）界面

4 水閘智能調(diào)度系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

利用UE4強(qiáng)大的擴(kuò)展功能，利用C++語言進(jìn)行調(diào)取外部數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，與原有數(shù)字化、符號化的管理調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行對接，從而實(shí)現(xiàn)水閘調(diào)度的可視化和三維仿真。實(shí)現(xiàn)了三維虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境情況一致，并結(jié)合視頻監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水閘虛擬現(xiàn)實(shí)調(diào)度系統(tǒng)的研發(fā)工作。水閘虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)字化交付系統(tǒng)V1.0的主界面如圖4所示。UE4支持包括 Android、Desktop（Win+Mac+Linux）、HTML5、 iOS、 Linux、 Mac、 PlayStation4、 Windows、xbox One等多個平臺，對于未來將模型進(jìn)一步精簡優(yōu)化在移動端進(jìn)行水閘控制提供了可能。并且支持VR／AR功能開發(fā)，虛擬現(xiàn)實(shí) （Virtual Reality）是綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種顯示及控制等接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成的，可交互的三維環(huán)境。增加現(xiàn)實(shí) （Augmented Reality）是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提高的信息增加用戶對現(xiàn)實(shí)世界感知的技術(shù)，并將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體、場景或系統(tǒng)提示信息疊加到真實(shí)場景中，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)的 “增強(qiáng)”［7］。目前 UE4支持虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備 Oculus Rift、Project Morpheus等。通過新技術(shù)的引入和強(qiáng)大的開發(fā)能力，水閘智能調(diào)度系統(tǒng)將不斷完善，將遠(yuǎn)程控制、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一個平臺內(nèi)，將其融合并用，實(shí)現(xiàn)水閘數(shù)字化、移動化、智能化的管理調(diào)度，最大程度的保證人民生活安全、促進(jìn)水利資源合理利用。

5 結(jié)語

采用BIM+UE4技術(shù)完成對水閘的三維模型搭建，通過傳感器將現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)傳遞到虛擬環(huán)境當(dāng)中，從而在虛擬環(huán)境中反映現(xiàn)實(shí)情況。根據(jù)環(huán)境狀況進(jìn)行決策，再利用虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)

環(huán)境的同步控制，實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中對現(xiàn)實(shí)水閘的調(diào)度管理。本文通過介紹BIM設(shè)計(jì)與UE4引擎，并將兩者結(jié)合應(yīng)用到水閘的調(diào)度管理當(dāng)中，其目的是拓展BIM設(shè)計(jì)產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，使BIM不僅應(yīng)用于設(shè)計(jì)，還面向設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營的全生命周期，并與水閘的運(yùn)營調(diào)度結(jié)合。不足之處在于整個系統(tǒng)開發(fā)周期較長，技術(shù)難度大，還存在許多不確定性，但隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM產(chǎn)品線將不斷延伸，使之發(fā)揮更大的作用，產(chǎn)生更大的價值。

圖4 水閘虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)字化交付系統(tǒng)V1.0的主界面

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