劉占省，白文燕，杜修力

(1.北京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124；2.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

0 引 言

隨著建筑行業(yè)的興起和建筑數(shù)量的增多，現(xiàn)有建筑的改造、加固、修復(fù)等建設(shè)活動成為建設(shè)部門關(guān)注的重點(diǎn)之一[1-2]。與此同時(shí)，研究的重點(diǎn)從早期的設(shè)計(jì)施工轉(zhuǎn)移到建筑的維護(hù)、翻新、解構(gòu)等方面[3]。震后損傷建筑作為現(xiàn)有建筑中的分支，其加固工作與災(zāi)區(qū)人民的安全和日常生活緊密相關(guān)[4]。對于震損建筑而言，加固進(jìn)程中所需信息種類繁多、數(shù)量龐大，尤其是原有建筑的圖紙模型等數(shù)據(jù)對加固至關(guān)重要[5]，設(shè)計(jì)人員與施工人員、辦公室經(jīng)理與現(xiàn)場工人以及遠(yuǎn)程專家與現(xiàn)場人員之間存在一定的信息壁壘，難以及時(shí)溝通交流。如何實(shí)現(xiàn)信息流的循環(huán)，自動地將信息從設(shè)計(jì)階段轉(zhuǎn)移到施工階段，從虛擬空間轉(zhuǎn)移到物理空間，是當(dāng)下要解決的主要問題之一。為了提高虛擬空間與物理空間之間的信息透明度，利用數(shù)字孿生和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)彌補(bǔ)信息傳輸過程中的差距[6]。

隨著“工業(yè)4.0”時(shí)代的到來，新一代信息技術(shù)正與傳統(tǒng)生產(chǎn)管理方式形成互助交融之勢，也催生新一輪的科研、技術(shù)、生產(chǎn)管理方式的創(chuàng)新革命。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并逐漸被用于建筑行業(yè)。數(shù)字孿生是一種能夠?qū)崿F(xiàn)物理空間和虛擬空間實(shí)時(shí)連接和動態(tài)映射的有效方法[7-8]。數(shù)字孿生的概念首先來自航空航天領(lǐng)域，應(yīng)用于飛行器的維護(hù)和質(zhì)量監(jiān)測[9]。之后，不同領(lǐng)域的研究人員也相繼提出了數(shù)字孿生的相關(guān)定義，例如控制車輛壽命、資源管理以及產(chǎn)品周期管理等[10]。目前，美國航空航天局(NASA)給出了最常用的數(shù)字孿生的定義：數(shù)字孿生是一種集成的多維度、多物理量、多學(xué)科的仿真模擬系統(tǒng)，它通過傳感器等實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和虛擬模型的鏡像映射[11]。陶飛等[12]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，提出數(shù)字孿生系統(tǒng)包括物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、孿生數(shù)據(jù)、相關(guān)服務(wù)以及各部分之間的連接五部分。

目前數(shù)字孿生的應(yīng)用范圍已經(jīng)不局限于航天航空和制造業(yè)，它體現(xiàn)出的信息傳輸優(yōu)勢使得它逐漸應(yīng)用到建筑行業(yè)的各領(lǐng)域中[13]。將數(shù)字孿生應(yīng)用于建造的全過程中，可以解決傳統(tǒng)建造業(yè)中信息化程度較低等問題，從而推動智能建造的發(fā)展[14]。具體來說，在設(shè)計(jì)階段可以利用CAD和BIM快速搭建數(shù)字孿生模型[15]。在施工領(lǐng)域，利用數(shù)字孿生判別和評估預(yù)應(yīng)力拉索張拉過程中的力學(xué)參數(shù)敏感性和安全性能，可以有效提高施工效率[16-17]。此外，數(shù)字孿生還可以與人工智能方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)建筑物的智能運(yùn)維，例如利用Dijkstra算法對數(shù)字孿生模型中的人員進(jìn)行疏散路徑規(guī)劃[18]，通過支持向量機(jī)(SVM)算法對孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練得到評估模型，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)等級[19]。

盡管數(shù)字孿生可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的有效傳遞，但隨著信息數(shù)量和種類的增多，它難以用直觀的方式向用戶展示傳遞的信息[20]，可視化方式還停留在傳統(tǒng)的看板系統(tǒng)和2D顯示器[21]，難以全面直觀地表達(dá)海量的孿生數(shù)據(jù)?；旌犀F(xiàn)實(shí)(Mixed Reality,MR)可以彌補(bǔ)數(shù)字孿生在多維展示方面的缺陷，并且可以將多種類信息融合到虛擬模型中。

1994年，Milgram等[22]給出了混合現(xiàn)實(shí)的明確概念，它被定義為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,AR)和增強(qiáng)虛擬(Augmented Virtuality,AV)的組合，即實(shí)現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的同時(shí)呈現(xiàn)。

近年來，MR在建筑行業(yè)的實(shí)用價(jià)值開始逐步體現(xiàn)出來，隨著計(jì)算機(jī)和建造技術(shù)的快速發(fā)展，允許用戶關(guān)聯(lián)交互建造過程中的信息并實(shí)現(xiàn)可視化成為趨勢[23]。MR通過將真實(shí)世界和虛擬空間融合來創(chuàng)建新的視覺環(huán)境。在新的可視化環(huán)境中，物理和數(shù)字對象共存并實(shí)時(shí)交互[24]。MR的這種特性可以有效縮短許多建造任務(wù)的時(shí)間，提高效率，例如設(shè)計(jì)審查、建筑優(yōu)化、建設(shè)管理、安全管理、設(shè)施維護(hù)和建筑運(yùn)營等[25]。

在設(shè)計(jì)階段，MR可以提供替代媒介，使用戶能夠以面對面或者遠(yuǎn)程的方式共享相同的工作和通信空間[26]。此外，還可以幫助新手獲取專業(yè)知識，以解決當(dāng)前建筑業(yè)存在的技能差距[27]。在建設(shè)過程中，用戶可以利用MR在建筑物內(nèi)部導(dǎo)航漫游，然后通過實(shí)時(shí)比較對構(gòu)件進(jìn)行檢查[28]。將MR用于電氣管道建設(shè)，還可以提高生產(chǎn)效率，減少了解設(shè)計(jì)所需的時(shí)間，降低裝配誤差[24]。在運(yùn)維階段，用戶可以通過MR自動分析捕捉到的構(gòu)件損傷，并實(shí)時(shí)顯示其維度信息以及條件狀態(tài)[29]；還可以實(shí)現(xiàn)在設(shè)備維護(hù)過程中，現(xiàn)場工作人員和辦公室經(jīng)理之間的遠(yuǎn)程協(xié)作和視覺溝通[30]。

雖然MR在建筑行業(yè)中的新建工程領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，但是在現(xiàn)有建筑的修復(fù)方面，尤其是震后建筑的加固領(lǐng)域，還缺乏較為系統(tǒng)的研究。因此，本研究提出了一種基于數(shù)字孿生的混合現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)損傷加固系統(tǒng)(Digital Twin-based Mixed Reality Damage Reinforcement System，DTMR-DRS)，將混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)相融合，加強(qiáng)數(shù)字孿生系統(tǒng)中的人機(jī)交互，從而進(jìn)一步提高施工效率。

1 方法概述

借鑒數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展理念，提出適用于MR的震損建筑加固指導(dǎo)方法，如圖1所示。該框架主要包括虛擬環(huán)境、物理環(huán)境以及兩者之間的交互：

圖1 融合數(shù)字孿生與混合現(xiàn)實(shí)的震損建筑加固指導(dǎo)方法

(1)在虛擬環(huán)境中為加固做準(zhǔn)備工作。首先采集來自物理加固空間中的建筑損壞信息，如損傷部位、損傷程度等數(shù)據(jù)，提供加固工程的基本數(shù)據(jù)；然后完成MR虛擬加固開發(fā)環(huán)境和損傷建筑模型的搭建，通過虛擬加固指導(dǎo)流程設(shè)計(jì)形成損傷構(gòu)件加固指導(dǎo)流程片段并與損傷編碼進(jìn)行匹配；最后調(diào)度和分配加固任務(wù)給施工人員。

(2)在物理環(huán)境中完成加固任務(wù)?，F(xiàn)場人員根據(jù)分配任務(wù)匹配相應(yīng)的損傷加固方案，融合物理加固環(huán)境感知模型將虛擬加固指導(dǎo)解決方案注冊到物理加固場景中，結(jié)合人機(jī)交互方式，依據(jù)所佩戴的MR眼鏡提供的指導(dǎo)解決方案進(jìn)行損傷加固操作；加固完成后，提前安裝好的傳感器會對結(jié)構(gòu)的裂縫形成、變形形態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并同步映射到數(shù)字模型中，為加固后建筑的使用安全提供保障。

(3)孿生數(shù)據(jù)庫用于融合、更新、檢索與加固有關(guān)的數(shù)據(jù)；MR設(shè)備則是虛擬環(huán)境與物理環(huán)境的交互渠道，可以將虛擬指導(dǎo)工具融合到施工現(xiàn)場。

為了構(gòu)建DTMR-DRS，需要集成各種類型的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行處理，該過程包括3個(gè)階段：①數(shù)字孿生模型搭建階段，包括4個(gè)運(yùn)行空間、各空間中的操作以及孿生數(shù)據(jù)；②數(shù)據(jù)處理階段，包括對工程基本信息、BIM模型、加固方法以及反饋數(shù)據(jù)的收集和管理；③信息交互階段，利用MR將處理后的數(shù)據(jù)與物理對象進(jìn)行交互。

1.1 數(shù)字孿生模型搭建

震損建筑加固過程的數(shù)字孿生模型如圖2所示，包含4個(gè)空間：物理空間(Physical Space，P)、虛擬空間(Virtual Space，V)、管理空間(Management Space，M)以及加固空間(Reinforcement Space，R)。一次加固進(jìn)程主要由各空間中的操作(Operations，O)和產(chǎn)生的信息即孿生數(shù)據(jù)(Data，D)組成。

圖2 數(shù)字孿生模型

在物理空間中，加固準(zhǔn)備進(jìn)程中的各項(xiàng)措施(OP)取決于工程的基本信息(DP)，包括抗震設(shè)防烈度、建筑結(jié)構(gòu)、加固要求等。加固準(zhǔn)備措施OP包括搭建物理模型(Build)、收集工程相關(guān)信息(Collect)以及安裝傳感器(Arrange the Sensor)。

OP={BP，CP，aP}

(1)

依據(jù)物理空間中的準(zhǔn)備措施，在虛擬空間中開展相應(yīng)的施工前準(zhǔn)備工作，這一關(guān)聯(lián)模型APV(OP)為

APV(OP)=OV={BV，CV，aV}

(2)

在虛擬空間中構(gòu)建的模型需要上傳到管理空間，由管理人員進(jìn)行統(tǒng)籌分配，關(guān)聯(lián)模型AVM(OV)為

AVM(OV)=OM={BM，CM，aM}

(3)

進(jìn)行模型分類時(shí)，需要依據(jù)數(shù)字模型中集成的建筑結(jié)構(gòu)信息，關(guān)聯(lián)模型ADB(DV)為

(4)

(5)

在加固空間中，施工人員通過頭戴式設(shè)備將指導(dǎo)加固指南與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的實(shí)體對齊，對損傷構(gòu)件進(jìn)行加固。

(6)

(7)

1.2 數(shù)據(jù)管理

數(shù)字孿生模型的各操作空間都會產(chǎn)生或傳遞大量的數(shù)據(jù)，需要對這些孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。搭建數(shù)據(jù)庫，共包括4個(gè)數(shù)據(jù)庫：損傷數(shù)據(jù)庫、數(shù)字模型數(shù)據(jù)庫、加固指南數(shù)據(jù)庫、反饋數(shù)據(jù)庫，如圖3所示。在數(shù)據(jù)處理階段，首先需要對建筑的相關(guān)信息進(jìn)行收集，其中最主要的是結(jié)構(gòu)受損情況，并將收集到的信息存儲在損傷數(shù)據(jù)庫中，這一任務(wù)是在物理空間中完成的。然后，依據(jù)采集到的信息在數(shù)字模型數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建并保存建筑的虛擬模型。在虛擬MR開發(fā)環(huán)境中制作加固指南并分配給用戶。施工人員依據(jù)分配的任務(wù)在指南指導(dǎo)下進(jìn)行加固，加固完成后繼續(xù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到反饋數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)的處理流程如下：

圖3 數(shù)據(jù)管理流程

(4)對施工現(xiàn)場進(jìn)行區(qū)域劃分，并對每一區(qū)域進(jìn)行編號，依據(jù)該區(qū)域損傷情況和鑒定結(jié)果分配DM和施工人員。管理人員會給同一施工任務(wù)的施工人員分配相同的賬號，以確保工人在加固時(shí)可以登錄并查看指南。

(5)施工人員按照分配的賬號登錄后，即可使用MR設(shè)備查看DM并在指南的指導(dǎo)下完成任務(wù)。

(6)加固完成后，傳感器會繼續(xù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)在使用過程中的數(shù)據(jù)DR，并存儲在反饋數(shù)據(jù)庫中，包括結(jié)構(gòu)使用時(shí)長、內(nèi)力變化、變形情況等。這些數(shù)據(jù)將同步映射到數(shù)字模型中，以保證結(jié)構(gòu)的正常使用。

1.3 信息交互

為實(shí)現(xiàn)物理空間與虛擬空間之間的雙向映射與虛擬仿真，既需要完成對損傷構(gòu)件虛擬加固指導(dǎo)過程的仿真，也需要完成物理環(huán)境與虛擬環(huán)境之間的信息交互。本節(jié)從DTMR-DRS的信息交互出發(fā)，實(shí)現(xiàn)物理空間的實(shí)體構(gòu)件狀態(tài)參數(shù)對虛擬加固空間的加固指導(dǎo)過程的雙向映射，借助于HoloLens，開發(fā)適用于MR的人機(jī)交互機(jī)制。

為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和虛實(shí)融合，首先需要獲取當(dāng)前圖像對應(yīng)的注冊信息，然后將由計(jì)算機(jī)生成的虛擬對象根據(jù)注冊信息進(jìn)行投影變換，再將投影變換后的結(jié)果疊加到真實(shí)場景上，從而達(dá)成與真實(shí)物體的位置在透視關(guān)系上的一致性，這也是三維虛擬注冊的主要任務(wù)[32]。

基于人工標(biāo)志的三維注冊技術(shù)發(fā)展非常成熟，該技術(shù)常通過在物理空間場景中放置一些較為特殊且易于辨識的圖像標(biāo)志，并通過攝像機(jī)來識別跟蹤標(biāo)志點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對物理場景中標(biāo)志點(diǎn)的快速識別[33]。QR二維碼作為一種常用的人工標(biāo)志，具有較高的辨識度，同時(shí)還可處理圖形旋轉(zhuǎn)變化點(diǎn)對不同行的信息自動識別。因此本研究選取二維碼作為人工標(biāo)志。

DTMR-DRS中MR系統(tǒng)基于二維碼的跟蹤注冊原理如圖4所示。在系統(tǒng)初始化階段，將特定的二維碼標(biāo)記放置于物理空間中，HoloLens會主動掃描物理空間中的施工環(huán)境來獲取可見特征，從而創(chuàng)建周圍環(huán)境的地圖。通過對齊標(biāo)記與定位點(diǎn)檢測獲取二維碼圖像。對采集的每一幀圖像，首先轉(zhuǎn)換為灰度圖像，再進(jìn)行二值化處理，然后將其與識別出的特定標(biāo)志進(jìn)行比較識別，從而判定攝像機(jī)的位置和姿態(tài)。經(jīng)過坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換來校準(zhǔn)虛擬對象的位置，最終將虛擬構(gòu)件從數(shù)字模型數(shù)據(jù)庫中提取出來，載入真實(shí)加固空間中的建筑坐標(biāo)系統(tǒng)中，其中，三維注冊的關(guān)鍵在于各坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換。

圖4 基于二維碼的MR系統(tǒng)跟蹤注冊原理

DTMR-DRS中MR設(shè)備的成像模型為基于二維碼的針孔成像模型。針孔成像模型是一種線性的攝像機(jī)成像模型，如圖5所示，它涉及4種坐標(biāo)系：世界坐標(biāo)系Ow-xwywzw，以HoloLens攝像機(jī)的光心為坐標(biāo)原點(diǎn)Oc建立的攝像機(jī)坐標(biāo)系Oc-xcyczc，以攝像機(jī)的成像平面與攝像機(jī)主光軸的交點(diǎn)O1為原點(diǎn)建立的圖像物理坐標(biāo)系O1-xy，以像素為單位且坐標(biāo)原點(diǎn)O位于圖像的左上角的圖像像素坐標(biāo)系O-uv。

圖5 針孔成像模型

厘清針孔成像原理涉及到的各個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系很重要，以下為頂點(diǎn)空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過程。

世界坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系可以進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，其公式為

(8)

(9)

式中：R為旋轉(zhuǎn)矩陣；T為平移矩陣；M為攝像機(jī)外部參數(shù)矩陣，它與攝像機(jī)相對于世界坐標(biāo)系的位置有關(guān)。

依據(jù)針孔成像原理和相似三角形原理，可以得出攝像機(jī)坐標(biāo)系與圖像物理坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換公式為

(10)

(11)

式中：f為攝像機(jī)的焦距。

圖像物理坐標(biāo)系與圖像像素坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換體現(xiàn)為度量單位從mm轉(zhuǎn)換為像素和坐標(biāo)原點(diǎn)的移動。物理坐標(biāo)系O1-xy與像素坐標(biāo)系O-xy的轉(zhuǎn)換公式為

(12)

(13)

式中：(u0，v0)為圖像物理坐標(biāo)系的原點(diǎn)在圖像像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；dx、dy為攝像機(jī)圖像的每個(gè)像素在x軸與y軸方向上的物理尺寸。

由公式(8)、(11)、(13)可得虛擬空間中三維模型上某頂點(diǎn)映射到MR設(shè)備光學(xué)鏡片上的像素值參數(shù)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，即

(14)

式中：s為比例因子；P為攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，默認(rèn)為已知，由ax、ay、u0、v0決定；ax=f/dx，為u軸上的縮放因子；ay=f/dy，為v軸上的縮放因子。

綜上可知，DTMR-DRS借助HoloLens對人工標(biāo)志進(jìn)行捕捉掃描，通過多坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換得到虛擬模型的位置，實(shí)現(xiàn)虛擬模型基于該位姿信息的渲染顯示，完成DTMR-DRS中基于二維碼的三維注冊虛實(shí)融合。

2 案例分析

2.1 實(shí)用性測試

為了評估所提出的DTMR-DRS的實(shí)用性和效率，通過一個(gè)測試場景進(jìn)行可用性測試。為了評估本方法的廣泛適用性，有必要選擇一個(gè)對加固施工沒有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的群體。因此，本研究采用立意抽樣法招募參與者，包括20名研究生，他們目前的研究方向均與抗震加固無關(guān)，且他們都沒有加固施工相關(guān)的工作經(jīng)驗(yàn)。每個(gè)參與者被隨機(jī)分配使用2D紙質(zhì)版(PAPER，對照組)或者DTMR-DRS模塊(試驗(yàn)組)執(zhí)行相同的加固任務(wù)。

本測試的主要任務(wù)是使用灌膠法加固裂縫。DTMR-DRS可以幫助測試人員定位施工位置，也可利用圖像或視頻來解釋施工過程，從而幫助參與人員完成復(fù)雜步驟。在整個(gè)測試過程中，DTMR-DRS模塊參與人員可全程佩戴HoloLens眼鏡，以便隨時(shí)查看施工步驟。DTMR-DRS使用界面如圖6所示。

圖6 DTMR-DRS使用界面

具體試驗(yàn)步驟如下：

(1)介紹。向參與者介紹試驗(yàn)的流程，解釋試驗(yàn)的要求，并簡單介紹要承擔(dān)的加固任務(wù)。對2個(gè)試驗(yàn)組的工具、文件、應(yīng)用程序以及HoloLens眼鏡進(jìn)行了描述和演示。

(2)熟悉工具和文件。所有參與者都有機(jī)會花時(shí)間熟悉所提供的試驗(yàn)介質(zhì)工具和文件。對使用PAPER的參與者提供圖文版施工步驟詳解；對使用DTMR-DRS模塊的參與者進(jìn)行HoLolens設(shè)備的使用培訓(xùn)。

(3)試驗(yàn)過程。一旦熟悉了設(shè)備和文檔，參與者就可以開始任務(wù)。參與者可以根據(jù)各自媒介提供的指導(dǎo)信息進(jìn)行加固。參與者必須單獨(dú)完成試驗(yàn)。研究人員觀察每個(gè)人的表現(xiàn)，并記錄他們完成每項(xiàng)任務(wù)的時(shí)間以及每個(gè)人在測試過程中遇到的技術(shù)或操作問題。

(4)試驗(yàn)后問卷。在完成任務(wù)后，參與者被要求完成調(diào)查問卷，以獲取他們在使用試驗(yàn)中提供的設(shè)備和人機(jī)交互方面的經(jīng)驗(yàn)和意見。

根據(jù)記錄的時(shí)間和問卷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析：①DTMR-DRS的有效性，包括參與人員完成指定任務(wù)的準(zhǔn)確性和完整性;②施工效率，即參與人員完成任務(wù)所需時(shí)間;③參與人員的滿意度，即測試過程中人員對系統(tǒng)使用的舒適度和可接受程度。

(15)

式中：j為任務(wù)步驟編號；Ej為步驟j發(fā)生的錯(cuò)誤數(shù)；R為參與測試人數(shù)。

由表1可以看出，在節(jié)約時(shí)間方面，DTMR-DRS相較于PAPER似乎并不占優(yōu)勢，使用DTMR-DRS的試驗(yàn)者完成步驟1、3、7、8消耗的平均時(shí)間更長。不少參與人員表示盡管之前參與了設(shè)備使用培訓(xùn)，但是加固過程中還是會因?yàn)閷oloLens設(shè)備不熟悉、操作不熟練導(dǎo)致前期指導(dǎo)過程耗時(shí)較長，從而使得整體加固時(shí)間加長。在提高施工效率方面，DTMR-DRS比PAPER有明顯的優(yōu)勢，除步驟8的平均錯(cuò)誤率略高外，其他步驟的錯(cuò)誤率均不高于PAPER。因此，DTMR-DRS可以提高完成指定任務(wù)的準(zhǔn)確性和完整性。

表1 完成每個(gè)步驟的時(shí)間平均值和平均錯(cuò)誤率

2.2 有效性測試

調(diào)查問卷的目的是確定影響指導(dǎo)過程和加固質(zhì)量的因素以及2種方法協(xié)助完成試驗(yàn)任務(wù)的能力。2組調(diào)查問卷相同，包含對人機(jī)交互質(zhì)量的主觀測量。為了測試參與人員對MR技術(shù)和加固流程的了解程度，問卷中的問題與性別、施工經(jīng)驗(yàn)和對MR的熟悉程度有關(guān)。此外，為了評估DTMR-DRS的有效性，需要參與人員對列表中的施工影響因素的重要性和滿意度進(jìn)行打分。最后，參與人員可以提出關(guān)于加固任務(wù)或DTMR-DRS有關(guān)的任何意見或問題。

本研究總結(jié)了加固施工過程中較為重要的幾個(gè)因素[30]并讓參與者對每個(gè)因素的重要性和滿意度進(jìn)行打分：①設(shè)備易用性；②施工效率；③信息準(zhǔn)確性；④團(tuán)隊(duì)協(xié)作；⑤方法易學(xué)性。圖7為參與者對2個(gè)系統(tǒng)的滿意度統(tǒng)計(jì)，得分越接近1，即雷達(dá)圖越靠近內(nèi)圈，滿意度越高。可以看出，2個(gè)模塊在團(tuán)隊(duì)協(xié)作方面的表現(xiàn)相當(dāng)，而在其他4個(gè)方面，DTMR-DRS體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，參與者的滿意度打分集中在1～2分，相較于PAPER得分更接近于1，可見參與人員對DTMR-DRS的滿意度普遍高于PAPER模塊。圖8為參與者對2個(gè)系統(tǒng)的滿意度與重要性匹配關(guān)系，2個(gè)雷達(dá)線圈越貼近，匹配度越高?？梢钥闯?，DTMR-DRS在各因素體現(xiàn)出的匹配度都很高，PAPER僅在“施工效率”方面有很高的匹配度?？傮w來看，相較于PAPER、DTMR-DRS擁有更高的匹配度，更能滿足參與人員對施工過程中的各項(xiàng)要求。

圖7 參與人員滿意度

圖8 參與人員重要性與滿意度匹配關(guān)系

表2總結(jié)了參與人員在測試期間對其使用模塊的評價(jià)，其中也包括他們認(rèn)為可以改善DTMR-DRS的建議?？梢钥闯?，DTMR-DRS可以為無經(jīng)驗(yàn)者提供自主學(xué)習(xí)的機(jī)會，文字-語音-視頻-模型的展示也使得施工指導(dǎo)更為立體全面。相較于PAPER的文字說明，HoloLens在戶外的續(xù)航能力較低，也會出現(xiàn)視頻播放卡頓或者模型無法加載的情況。一些參與者提到，他們感覺頭戴式設(shè)備過于笨重，不適合在整個(gè)施工任務(wù)中佩戴。

表2 參與人員評價(jià)

(16)

式中：N為任務(wù)總數(shù)；R為參與人員數(shù)量；nij為用戶j執(zhí)行任務(wù)i的結(jié)果，如果任務(wù)完成且沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤，nij=1，否則nij=0。

然后計(jì)算統(tǒng)計(jì)誤差σE，即

(17)

最后計(jì)算DTMR-DRS的總體有效性E，即

(18)

圖9給出了使用DTMR-DRS的有效性，成功完成任務(wù)參與者的百分比以深色顯示，未成功的以淺色顯示。結(jié)果表明，整體有效性E=91.07%，統(tǒng)計(jì)誤差σE=±10.8。表3為有效性范圍，可以看出DTMR-DRS的有效性優(yōu)秀，具有較高的可信度。

表3 有效性范圍

圖9 DTMR-DRS的有效性

3 結(jié) 語

(1)與使用紙質(zhì)文檔相比，DTMR-DRS在幫助施工人員提高施工效率、降低返工率上具有顯著的優(yōu)勢。據(jù)觀察，數(shù)字孿生模型更易于理解，提高了復(fù)雜施工工序的施工速度，并減少了施工過程中的錯(cuò)誤數(shù)量。

(2)在滿意度調(diào)查方面，調(diào)查問卷的結(jié)果顯示DTMR-DRS更能滿足施工人員在設(shè)備使用、施工效率、信息準(zhǔn)確性、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、方法易學(xué)性幾個(gè)方面的需求。參與者表示DTMR-DRS可以清晰地展示模型和影像，并指導(dǎo)其進(jìn)行正確的操作?？梢妼τ谡饟p建筑加固任務(wù)，DTMR-DRS比紙質(zhì)文件更易于傳遞施工信息。

(3)本研究通過試驗(yàn)測試證明了開發(fā)的DTMR-DRS的潛在價(jià)值，為相關(guān)知識體系的研究做出了貢獻(xiàn)。然而由于研究方法和試驗(yàn)測試的客觀受限，本研究結(jié)果存在一定的局限性。例如，參與人員評價(jià)和滿意度的打分具有一定的主觀性，因此，需要對更多的來自不同背景的參與者進(jìn)行進(jìn)一步研究，以便更好地研究系統(tǒng)有效性與專業(yè)背景之間的關(guān)系，從而得出更廣泛的結(jié)論。未來的研究將側(cè)重于確定施工任務(wù)的屬性，以使該方法帶來的利益最大化，從而使未來的研究人員和從業(yè)者能夠?qū)ζ溥M(jìn)行戰(zhàn)略規(guī)劃。