王威 ，李明春 ，周春月

（1.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044；2.佳訊飛鴻（北京）智能科技研究院 網絡與業(yè)務研究所，北京 100044）

0 引言

BIM是建筑三維模型和信息的數字化表達技術，在建筑領域的大規(guī)模應用改變了傳統(tǒng)二維圖紙作為標準的主要方式，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)設備組成，是高鐵運行的中樞，保障高鐵調度運輸的安全順利開展[1]。相比于傳統(tǒng)建筑，鐵路四電更加復雜，其規(guī)劃的部分光纖、電線、電纜設備和鋼管走向令人眼花繚亂，且存在工程師培訓成本高，需要經常進行返工巡檢等不足。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雜的現場進行逐一比對并記錄，耗費大量精力。而增強現實（Augmented Reality，AR）最突出的特點便是虛實融合與人機交互功能，彌補了BIM在鐵路四電領域中的不足問題，以AR作為展示技術，與作為展示內容的BIM融合將逐漸成為鐵路四電領域的新方式。

1 BIM應用于鐵路四電的關鍵性問題

BIM源于建筑行業(yè)，對于鐵路四電建設直接運用其基本組件也能進行建模。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件的多方位信息，降低了建設成本，又保證了安裝的可靠性，避免了可能產生的碰撞[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，利用數字化技術，為這個模型提供完整的、與實際情況對應的建筑工程信息庫。該信息庫不僅包含描述建筑物構件的幾何信息、屬性信息，還包含了如空間、運動行為的狀態(tài)信息[3]。

由于鐵路四電領域BIM建模本身的復雜性、涉及的專業(yè)領域交叉學科多，并不像傳統(tǒng)的樓宇建筑僅需一家設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獨立于真實現場、缺少人機交互功能、需要多人參與協同等問題外，與BIM應用于傳統(tǒng)建筑領域面臨的關鍵性難點一樣，格式轉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，它們可導出的格式有數十種，不同企業(yè)公司應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)數據格式標準。這些不同格式之間通常難以兼容，且在格式轉化后再打開模型難免會造成細節(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域的模型通常會極其龐大，隨著項目進展，BIM模型數據部分不斷添加，所要展示的部分也不斷增加，終端設備快速精確查看BIM也更困難。在未做輕量化處理的情況下，模型的導入需要數分鐘乃至更久，且有明顯的延遲，這對于AR嚴格要求實時性來說也是非常嚴重的問題。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或通過相似化算法進行圖元合并描述，如保留1個正方體數據并做1個記錄待引用，對另一個正方體數據采取幾何空間坐標與引用的方法來描述；渲染層面可通過減少圖元渲染數量，只保留可見的層面，也可以采取分批次渲染等方式來達到輕量化的目的。

2 融合AR技術的可行性

2.1 AR技術概述

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

2.2 AR技術的實現

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

圖1 AR基本流程

AR的關鍵特征概括為以下幾個方面：目標識別技術、目標跟蹤技術、三維注冊技術、虛實融合技術、人機交互技術等[7]。目標識別是AR實現的第一個步驟，通過識別其特征將目標物從環(huán)境中區(qū)分出來；目標跟蹤是識別后的后續(xù)操作，需要根據目標的移動或者攝像頭的移動進行動態(tài)跟蹤；三維注冊技術是指根據空間與平面三維坐標映射變換保證虛擬模型能實時疊加在目標物的正確位置上；虛實融合技術是在前3個技術完成的基礎上，進一步考慮目標距離大小變換、光照陰影等問題對其渲染的影響。人機交互功能是AR的重要應用功能，負責信息交換的過程，通過輸入用戶的操作輸出相關的反應操作。

2.3 AR技術用于鐵路四電的可行性分析

按照核心技術三維注冊的實現方式劃分，AR分為基于硬件傳感器、計算機視覺以及混合跟蹤3種方式[8]，其中混合跟蹤是結合前2種技術特點的實現方式。

基于硬件傳感器是指當前移動端如手機、Pad內置的多個傳感器如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，該實現方式利用這些數據獲取手機的位置信息，建立屏幕與世界坐標系的關系，從而實現融合?；谟布鞲衅鞯腁R實現可用于戶外領域，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。

按照計算機視覺的方法分類，可分為基于人工標識、基于自然特征、基于CAD模型、基于點云模型等方法。早期的AR實現對環(huán)境的理解是通過人為在環(huán)境中預置易識別的特征碼，待顯示的模型也基于人工標識的相對位置進行顯示，其缺點是在環(huán)境中添加不相干的元素顯得突兀，但在實際施工應用效果上，該方法因具備識別快、穩(wěn)定、發(fā)展成熟、定位準確、對硬件要求低等優(yōu)點可作為優(yōu)選方案?；谧匀惶卣鞯姆椒ㄊ歉鶕谌斯俗R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，因此該技術多用于以圖紙、說明書為目標的模型展示。基于CAD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，前者需要對目標物體預先精細建模，后者需要昂貴的設備與技術成本。

因此，戶外場景施工整體可以結合基于GPS定位與基于人工識別標識混合的方式，查看戶外項目整體運行進度與施工管理；針對戶內某一具體施工單元可以只使用基于人工標識的方法，工程師掃描某一處特征碼顯現該處具體建筑信息、隱蔽工程等內容；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、說明書都對應一個模型進行漫游展示。

3 BIM與AR融合的鐵路四電應用

BIM是模型與信息的集合，以三維立體的方式呈現給工程師。AR技術虛實結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效率。

3.1 設計展示階段

在建筑設計階段，設計師可以將建筑模型以一定比例縮放后通過AR方式進行呈現，當用戶使用移動端攝像頭對準目標識別物時顯示模型，且可以漫游瀏覽模型，通過人機交互操作觀察模型的內部結構設施，并在點擊模型時顯示該材質的各種屬性，包括原料、尺寸、質量、造價等信息，使項目各方在項目初期對此有全方位的了解，極大提高中標率，提升宣傳效果。

3.2 施工建設階段

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

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

（2）安裝指導。鐵路四電實際建設過程極其復雜，通過將安裝指導模型或安裝語音、視頻等教學方式加載進二維碼，工人通過掃描二維碼就可以在現場學習安裝指導教程，減少了工人培訓成本，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，其負責列車控制通信等一系列工作。將鐵塔信號信道及實時參數以可視化的方式建模并以AR方式顯現，能直觀地觀察鐵塔無線信道的波束走向與具體參數信息，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行管理維護，AR與BIM的具體表現如下：

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

（2）室內詳細檢查。鐵路四電工程有很多隱蔽工程，如電氣專業(yè)設備及線路、消防排水管道、復雜的通信線路等。通過AR使得該區(qū)域的具體內部結構可視化，如果出現實際施工與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物聯網可視化。在建筑模型中標注每個傳感器的位置，并將傳感器數據可視化建模放置到模型中。工人通過AR觀察BIM模型中物聯網信息，可及時做出預警與應急決策。

4 BIM與AR融合的技術實現

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，國內有如視+、easyAR、百度AR等。BIM建模軟件應用最廣的如 Audodesk的Revit，以及Bently、Dassault、Rhino等，但這些應用的側重點各不相同。

針對鐵路四電建模工作量巨大需要多方協同、格式轉換容易失真、輕量化難以處理等一系列問題，Uni?ty Reflect都進行了良好的解決。Reflect是Revit與Unity深度合作產生的一款軟件，具備實時數據傳輸及多人協同共享功能，多個參與方可同步建筑模型并導入數據，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化問題而且能以輕量化方式導入BIM模型，這樣可使開發(fā)者的重心完全放到功能應用實現方面，不再為數據格式轉換、輕量化、協同等問題而浪費精力。

針對人機交互及渲染功能，Unity 3D是完美的面向對象操作平臺。它是3D內容創(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用于工業(yè)、建筑領域等方向，其實時渲染功能強大且穩(wěn)定。針對鐵路四電復雜的部件，通過面向對象以組件化方式進行操作，具有良好的UI界面，能夠以較低的成本開發(fā)人機交互功能，且支持跨平臺發(fā)布和多種設備，不需要在終端兼容性問題上考慮過多。

AR實現方面，Vuforia是非常成熟的引擎，支持標識識別、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，用戶將目標識別圖導入Vuforia官方網站中的數據庫，Vuforia會自動處理圖像識別特征點，然后用戶將目標識別圖以其官方格式下載導入至Unity中便可快速實現AR效果。其開發(fā)流程如下：

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

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

（3）通過Vuforia Engine構建AR世界和用戶界面，并以C#語言對模型組件添加腳本進行控制達到人機交互效果；

（4）將完成后的項目通過內置的SDK打包生成項目文件，發(fā)布于終端。

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

圖2 Unity實現AR開發(fā)的效果圖

5 結束語

在鐵路四電領域，AR作為一種信息表示的新手段，彌補了傳統(tǒng)BIM模型應用交互能力不足的問題。BIM融合AR的應用方式，使得工程師從設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)平臺的實現方案也能達到良好的預期效果。

未來BIM融合AR的發(fā)展必將隨著移動端性能提高和5G網絡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域產生深刻的影響和改變。而關于BIM模型輕量化處理、AR室內外的定位精度、多人協同管理等問題也將會是不小的挑戰(zhàn)。