李文華

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300308）

0 引言

BIM技術(shù)基于三維核心，能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間的建筑和設(shè)施展示，具有參數(shù)化和可視化的特點(diǎn)。將BIM技術(shù)應(yīng)用在鐵路，能有效提高施工效率，降低施工風(fēng)險，改善施工安全和質(zhì)量。近年來，國內(nèi)外越來越多的工程實(shí)踐證明，BIM在鐵路行業(yè)具有巨大的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

由于鐵路站房內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備系統(tǒng)種類繁多、人員密度較大，一旦發(fā)生意外，很容易帶來人員和財產(chǎn)損失，造成嚴(yán)重的社會不良影響。因此，有效的安全應(yīng)急是保障鐵路安全運(yùn)營的基本要求，鐵路站房安全應(yīng)急管理是其重點(diǎn)工作之一。目前傳統(tǒng)的防范方式是：配備各類報警系統(tǒng)并結(jié)合人員的定期應(yīng)急演練。但由于鐵路站房的特殊性，應(yīng)急演練會受到很多限制，如演練時間、頻率、人員和場地等。另外，一次應(yīng)急演練耗費(fèi)人力、物力等成本也較大[3]。因此，設(shè)計一套基于BIM技術(shù)的鐵路站房應(yīng)急演練平臺勢在必行。該平臺不僅能對站房應(yīng)急場景進(jìn)行三維仿真，還能對不同類型應(yīng)急定制不同預(yù)案，滿足相關(guān)人員的實(shí)際操作要求[4]；該平臺消除了傳統(tǒng)演練對人員、時間、場地、頻率、成本等方面的限制，對鐵路站房應(yīng)急管理具有重要現(xiàn)實(shí)意義，對BIM在鐵路行業(yè)的應(yīng)用具有參考價值。

1 應(yīng)用需求與功能設(shè)計

鐵路站房具有空間大、設(shè)備多、系統(tǒng)交錯復(fù)雜、人員密度大、安全等級高等特點(diǎn)，需要結(jié)合各級、各部門對站房安全應(yīng)急防范及管理的要求，依托BIM數(shù)據(jù)，研發(fā)基于BIM技術(shù)的鐵路站房應(yīng)急演練平臺[5]。平臺主要功能模塊包括：應(yīng)急觸發(fā)、報警、疏散指引、處置指導(dǎo)和總結(jié)評估。

1.1 應(yīng)急觸發(fā)

該模塊的主要功能是模擬緊急情況的發(fā)生。以火災(zāi)為例，需要模擬起火過程以及燃燒的火苗；以水管破裂為例，需要模擬裂開的水管及噴出的水流；以機(jī)械故障為例，需要模擬出現(xiàn)故障的機(jī)械模型。依此類推，所有應(yīng)急情況都需要創(chuàng)建故障模型，然后由管理員在平臺中對故障進(jìn)行設(shè)定，包括故障位置點(diǎn)及故障等級等。以火災(zāi)為例，首先需要在BIM三維場景中創(chuàng)建逼真的火模型，由于火屬于不規(guī)則物體，所以利用OSG中的粒子系統(tǒng)對其進(jìn)行仿真，通過粒子的不規(guī)則隨機(jī)運(yùn)動模擬火模型。然后由平臺管理員在演練開始前進(jìn)行設(shè)定，通過配置火模型參數(shù)（包括粒子位置、大小、速度、顏色、個數(shù)、重力效應(yīng)、風(fēng)向、生命周期等）確定火災(zāi)等級[6]。通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊確定起火點(diǎn)位置，平臺會隨著時間推移自動更改火模型的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)火情的動態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)模擬火災(zāi)現(xiàn)場。

1.2 報警

該模塊的功能是一旦發(fā)現(xiàn)應(yīng)急情況，平臺自動發(fā)起警報。在應(yīng)急演練平臺中，場景中一旦出現(xiàn)故障，會自動觸發(fā)報警事件，界面中會以聲音及文字的形式提醒學(xué)員撥打報警電話，并彈出相關(guān)安全負(fù)責(zé)人的聯(lián)系方式，便于緊急匯報[7]（見圖1）。

1.3 疏散指引

該模塊的主要功能是在發(fā)生緊急情況后，對安全通道及出口進(jìn)行高亮顯示，同時生成逃生路線指引標(biāo)識，便于疏散指引和快速逃生（見圖2）。其主要功能包括：在BIM三維場景中對安全出口進(jìn)行提示、在疏散通道上繪制指引標(biāo)識、界面文字提示以及逃生路線的設(shè)置。演練人員只需按照場景中標(biāo)識的路徑進(jìn)行漫游，直至逃出安全出口即可。在BIM三維場景中，通過繪制幾何體對疏散通道進(jìn)行顯示，根據(jù)故障點(diǎn)位置，通過方向箭頭對安全出口進(jìn)行高亮指引[8]。

圖1 發(fā)生火情后報警提示界面

圖2 逃生路線提示界面

1.4 處置指導(dǎo)

該模塊的主要功能是將故障區(qū)域的關(guān)鍵設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行高亮顯示，便于相關(guān)人員快速定位，及時采取相關(guān)措施避免更大損失。鐵路站房中出現(xiàn)緊急情況后，常用的關(guān)鍵系統(tǒng)包括電力系統(tǒng)和消防系統(tǒng)，其中電力系統(tǒng)中的斷電閥門較關(guān)鍵，一旦發(fā)現(xiàn)險情需要進(jìn)行高亮提示，便于相關(guān)人員快速切斷。消防系統(tǒng)中則將各類消防設(shè)備進(jìn)行高亮提示，便于人員快速拾取滅火。平臺通過鼠標(biāo)和鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從而實(shí)現(xiàn)在平臺中對設(shè)備進(jìn)行操作。

1.5 總結(jié)評估

該模塊的主要功能是對此次應(yīng)急演練進(jìn)行總結(jié)評估。需要演練人員對應(yīng)急演練進(jìn)行總結(jié)，并在平臺提交事故總結(jié)報告，包括故障時間、地點(diǎn)、等級、損失程度、原因等。演練完成后需要管理員對此次演練進(jìn)行評估，包括演練人員的反應(yīng)靈敏度、操作步驟、操作規(guī)范、操作熟練度等，并進(jìn)行評分。

2 平臺架構(gòu)

平臺整體架構(gòu)分為3層：（1）最底層是數(shù)據(jù)管理層，該層又分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層和抽象數(shù)據(jù)層?；A(chǔ)數(shù)據(jù)層包含基礎(chǔ)的BIM數(shù)據(jù)、文件等，采用Mysql數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲；抽象數(shù)據(jù)層是將原始的BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象，抽象出數(shù)據(jù)源→要素集→要素類→子類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，方便組織和管理。（2）接口層是提供數(shù)據(jù)層和功能層之間的通信接口，包括模型解析、通用庫、渲染、幾何處理、數(shù)據(jù)庫操作等接口，實(shí)現(xiàn)功能組件的抽象化，便于二次開發(fā)。（3）最頂層是應(yīng)用層，包括模型的讀取加載、顯示、場景交互、漫游、高亮等功能[9]。平臺架構(gòu)見圖3。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 BIM模型世界坐標(biāo)的獲取

如何獲取三維場景中某個點(diǎn)的位置，需要用到OSG坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)。BIM場景中最常用的坐標(biāo)是世界坐標(biāo)，任何模型的精確位置都可以通過世界坐標(biāo)來確定。實(shí)現(xiàn)方案是通過鼠標(biāo)與BIM場景中的模型求交，首先獲取其屏幕坐標(biāo)，然后利用OSG坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法將屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為世界坐標(biāo)，通過該世界坐標(biāo)就能精確定位相應(yīng)點(diǎn)的位置。例如在應(yīng)急觸發(fā)模塊中，在指定位置設(shè)置故障點(diǎn)，首先通過鼠標(biāo)獲取該位置的世界坐標(biāo)，然后調(diào)用添加故障模型的接口，即可實(shí)現(xiàn)在指定位置創(chuàng)建故障模型。世界坐標(biāo)獲取流程見圖4。

圖3 平臺架構(gòu)

3.2 三維場景中模型的識別與定位

三維場景中如何在眾多模型中定位指定的模型，例如從某站的消防系統(tǒng)中找到消防栓和滅火器，需要利用BIM數(shù)據(jù)中的模型識別與定位技術(shù)。三維場景中顯示BIM模型的原理是：通過解析數(shù)據(jù)庫中的信息表生成緩存的OSG文件，然后通過OSG讀取到場景并顯示。場景中的OSG文件以場景樹形式進(jìn)行組織，每個實(shí)體模型對應(yīng)1個葉子節(jié)點(diǎn)，通過遍歷該場景樹即可找到對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。模型識別與定位的實(shí)現(xiàn)方案是：首先通過訪問其模型信息獲取該模型的名稱，從而判斷該模型是何種類型的模型，然后再訪問該模型的屬性信息從而獲取該模型的唯一ID號，然后根據(jù)該ID號在場景中進(jìn)行遍歷，找到場景中對應(yīng)的模型節(jié)點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)對模型的識別和定位[10]。模型識別流程見圖5。

圖5 模型識別流程

圖4 世界坐標(biāo)獲取流程

3.3 場景特效

（1）高亮特效。利用OSG中的立方圖鏡面高光特效技術(shù)（osgFX::SpecularHighlights）實(shí)現(xiàn)高亮，該技術(shù)是在模型的片斷層級上應(yīng)用鏡面高光，采用了立方映射圖和反射紋理生成技術(shù)。由于立方映射圖可自動旋轉(zhuǎn)，因此觀察者無論從哪個方向和位置看，光照的效果都一樣。首先需要創(chuàng)建1個鏡面高光對象，然后設(shè)置其紋理單元，被設(shè)置的紋理單元將被用作立方圖紋理，然后設(shè)置光源數(shù)、鏡面光的顏色以及鏡面指數(shù)，最后將該高光對象添加到節(jié)點(diǎn)中[11]。場景中添加高亮后效果見圖6。

（2）虛化特效。采用OSG中的設(shè)置紋理技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛化特效，紋理模式采用osg::Blend混合模式。首先創(chuàng)建1個渲染狀態(tài)并打開混合模式，然后創(chuàng)建融合函數(shù)osg::BlendFunc，設(shè)置融合參數(shù)、融合顏色osg::BlendColor以及虛化度，最后將該渲染狀態(tài)應(yīng)用于相應(yīng)節(jié)點(diǎn)[11]。場景添加虛化效果見圖7。

圖6 場景添加高亮效果圖

圖7 場景添加虛化效果圖

4 結(jié)束語

根據(jù)鐵路站房在安全應(yīng)急管理方面的需求，闡述基于BIM的鐵路站房應(yīng)急演練平臺設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)研究三維場景中世界坐標(biāo)獲取、模型識別與定位以及場景特效等關(guān)鍵技術(shù)，并提出解決方案。該平臺也可應(yīng)用于鐵路站房應(yīng)急演練培訓(xùn)中，不受時間、人員和場地的限制，能有效提高員工的應(yīng)急處理能力，提升鐵路應(yīng)急管理水平。后期還可將該平臺與其他安全監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，提升鐵路綜合自動化管理水平。