邊 原，趙俊清，王冬明，劉 寅

（中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司 設(shè)計(jì)研究院，北京 100166）

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展，根據(jù)國(guó)家鐵路中長(zhǎng)期路網(wǎng)規(guī)劃，我國(guó)鐵路網(wǎng)規(guī)模在2025 年時(shí)要達(dá)到17.5 萬km，鐵路運(yùn)輸行業(yè)的巨大發(fā)展對(duì)運(yùn)維管理工作的要求變得更高。越來越多的信息化系統(tǒng)運(yùn)用到了鐵路的運(yùn)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(yùn)維為主，信息不互通，為了打通各個(gè)專業(yè)、各個(gè)系統(tǒng)間的“信息孤島”，轉(zhuǎn)變?yōu)榫?xì)化、高效化、標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)維管理模式[1]，在鐵路運(yùn)維管理中引入BIM 技術(shù)，建立鐵路BIM 綜合運(yùn)維管理體系是目前提升運(yùn)維管理水平和效率的有效手段。模型是BIM 技術(shù)在運(yùn)維中的核心信息化載體，而在實(shí)際情況中運(yùn)維工作人員并不能很好地使用BIM 建模軟件進(jìn)行設(shè)備設(shè)施模型的建立、修改和更新。如果不能實(shí)時(shí)同步更新現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和虛擬模型，將降低制定運(yùn)維決策的效率和準(zhǔn)確性。因此對(duì)于自動(dòng)化建模方法的研究就變得很迫切。

1 技術(shù)路線

1.1 鐵路BIM 綜合運(yùn)維管理系統(tǒng)

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

（1）將設(shè)計(jì)、施工、建設(shè)階段移交的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的模型及編碼體系轉(zhuǎn)換，以滿足運(yùn)維管理的數(shù)據(jù)應(yīng)用需求；

（2）對(duì)移交的靜態(tài)數(shù)據(jù)與接收的運(yùn)維期間各類動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、維護(hù)和管理，以數(shù)據(jù)服務(wù)的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布；

（3）既有工務(wù)、電務(wù)、供電、房建等專業(yè)運(yùn)維管理系統(tǒng)通過平臺(tái)提供的服務(wù)，獲取所需的設(shè)計(jì)、建設(shè)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(shí)現(xiàn)有運(yùn)維系統(tǒng)中的檢修、維修信息返回至平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)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(shè)備與手機(jī)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(wù)等[1]，如圖1 所示。

圖1 鐵路BIM 綜合運(yùn)維管理系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)在模型可視化的基礎(chǔ)上同時(shí)顯示設(shè)施設(shè)備的位置、規(guī)格、尺寸、維護(hù)時(shí)間、維護(hù)人員等信息，直觀體現(xiàn)鐵路各專業(yè)設(shè)施設(shè)備維修進(jìn)度與效果，為決策者、運(yùn)維人員提供更直觀的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)情況展示，在計(jì)劃安排、作業(yè)方案、作業(yè)組織、驗(yàn)收管理等方面能夠更好地幫助運(yùn)維人員開展運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作[1-3]。

1.2 三維重建技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)維的方法

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

圖2 基于三維重建技術(shù)的鐵路BIM 運(yùn)維模型維護(hù)

2 核心技術(shù)

2.1 三維掃描技術(shù)

目前，主流的三維掃描技術(shù)主要分為接觸式和非接觸式，根據(jù)鐵路BIM 運(yùn)維的使用場(chǎng)景，非接觸式的三維掃描技術(shù)由于其不需要接觸測(cè)量、測(cè)量速度快、效率高等特點(diǎn)，適用于實(shí)際運(yùn)維場(chǎng)景[5]。

非接觸式三維掃描設(shè)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(jī)等類別。從運(yùn)維成本、人員應(yīng)用是否便捷和重建精度等多方面原因考量，深度相機(jī)技術(shù)是目前比較適合鐵路BIM 運(yùn)維使用的三維掃描技術(shù)。

深度相機(jī)有雙目、結(jié)構(gòu)光、飛行時(shí)間測(cè)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(hào)，用算法計(jì)算出深度數(shù)據(jù)。深度相機(jī)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要通過算法進(jìn)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(zhǔn)的，其像素點(diǎn)之間具有一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（1）RGB

RGB 色彩模式是工業(yè)界的一種顏色標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）3 個(gè)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(lán)3 個(gè)通道的顏色，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幾乎包括了人類視力所能感知的所有顏色，是目前運(yùn)用最廣的顏色系統(tǒng)之一。

（2）Depth Map

在三維計(jì)算機(jī)圖形中，Depth Map 是包含與視點(diǎn)的場(chǎng)景對(duì)象的表面的距離有關(guān)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(gè)像素值是傳感器距離物體的實(shí)際距離。

2.3 三維重建技術(shù)

在計(jì)算機(jī)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(jī)交互生成的物體三維幾何模型一般使用具有數(shù)學(xué)表達(dá)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(fù)物體三維信息（形狀等）的數(shù)學(xué)過程和計(jì)算機(jī)技術(shù)。

三維重建（3D Reconstruction）是一種對(duì)三維物體建立適用于計(jì)算機(jī)表示和處理的數(shù)學(xué)模型的技術(shù)。是通過計(jì)算機(jī)對(duì)模型分析其三維物體性質(zhì)的基礎(chǔ)，也是在計(jì)算機(jī)中建立表達(dá)客觀世界的虛擬現(xiàn)實(shí)即實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)。包括數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理、點(diǎn)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(shí)時(shí)地建立三維模型。KinectFusion 算法首次實(shí)現(xiàn)了基于廉價(jià)消費(fèi)類相機(jī)的實(shí)時(shí)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(xiàng)目。其中，2017 年斯坦福大學(xué)提出的BundleFusion[8]算法，是目前基于RGB-D 相機(jī)進(jìn)行稠密三維重建效果較好的方法。

3 三維重建技術(shù)的應(yīng)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(shù)，數(shù)據(jù)便于儲(chǔ)存且兼容性很強(qiáng)[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(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，使用時(shí)能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)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(chǎng)所如設(shè)備機(jī)房、庫房、站廳等環(huán)境均可正常使用，比較適用于鐵路BIM 運(yùn)維日常使用，因此選擇StructureSensor 三維掃描儀為日常運(yùn)維使用的三維數(shù)據(jù)采集設(shè)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(shè)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(gè)坐標(biāo)系下面，就可以擬合出掃描的設(shè)施設(shè)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(yù)處理后，再通過重建算法計(jì)算，經(jīng)過配準(zhǔn)、分割、補(bǔ)全等技術(shù)處理，融合色彩信息后即可得到滿足日常運(yùn)維使用的三維重建的模型[9]。圖5 為經(jīng)過預(yù)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(jì)算后的三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)

圖6 為分割、補(bǔ)全后的三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

圖6 分割、補(bǔ)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(dǎo)入MeshLab軟件中查看并進(jìn)行尺寸測(cè)量，通過對(duì)比模型與現(xiàn)實(shí)尺寸數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)誤差基本控制在亞毫米級(jí)。

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(guān)系后得到的模型結(jié)果，如圖8 所示，基本與設(shè)施設(shè)備實(shí)際外型一致。滿足BIM 運(yùn)維模型的基本要求。

圖8 實(shí)驗(yàn)三維重建結(jié)果

4 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在近距離范圍內(nèi)使用三維掃描技術(shù)重建出來的模型精度可以達(dá)到亞毫米級(jí)，滿足有一定精度和效率地建立BIM 運(yùn)維模型的需求。將建立的模型實(shí)時(shí)導(dǎo)入鐵路BIM 綜合運(yùn)維管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)維護(hù)模型的需求，決策者可以依照與現(xiàn)實(shí)同步的模型及模型上掛接的各專業(yè)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)維決策，如圖9 所示。

圖9 實(shí)際消防設(shè)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(jìn)步的空間，掃描后的數(shù)據(jù)仍然需要進(jìn)行大量去噪、補(bǔ)全等技術(shù)處理后才可以正常使用。并且目前基于BIM 技術(shù)的鐵路運(yùn)維管理的應(yīng)用也尚在起步探索階段，還需要與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、5G 技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)一步整合，提升系統(tǒng)內(nèi)信息交換的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、高效性，才能更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生和智慧化運(yùn)維管理的目標(biāo)。