沈 智，李 飛，劉紅良，趙博洋

（1. 京張城際鐵路有限公司，北京 102199；2. 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；3. 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055）

北京—張家口高速鐵路（簡稱：京張高鐵）是2022年北京冬奧會(huì)的重要交通基礎(chǔ)設(shè)施，為北京、延慶、張家口三地賽區(qū)提供一流的高品質(zhì)、高安全、高科技含量的冬奧交通服務(wù)，也為周邊百姓出行提供了便利[1-2]。京張高鐵地下站隧—八達(dá)嶺長城站是一個(gè)大跨度洞群地下暗挖車站，主體建筑面積近4萬 m2，具有跨度大、洞室多、埋深大等特點(diǎn)[3-4]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（VR，Virtual Reality）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR，Augmented Reality）技術(shù)的興起，傳統(tǒng)行業(yè)被賦予了新的發(fā)展勢(shì)能[5-6]，如何更好地利用建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）、地理信息系統(tǒng) （GIS，Geographic Information System），以及VR、AR等可視化技術(shù)在鐵路建設(shè)中開展虛擬建造、可視化交底、沉浸式虛擬漫游等方面應(yīng)用[7-8]，為高鐵運(yùn)營和控制提供支撐，為旅客提供豐富的虛擬交互體驗(yàn)等方面仍需深入研究。

本文通過構(gòu)建京張高鐵地下站隧信息模型，并對(duì)站內(nèi)流動(dòng)性設(shè)施設(shè)備進(jìn)行三維重建，結(jié)合VR技術(shù)構(gòu)建與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景環(huán)境一致的虛擬場(chǎng)景，為旅客提供智能展示及虛擬體驗(yàn)服務(wù)；針對(duì)站內(nèi)綜合維修服務(wù)需求，對(duì)候車空間進(jìn)行基于AR隱蔽工程展示的初步探索，為站內(nèi)綜合維修人員檢修管道、線纜等隱蔽工程起到重要的支撐作用。

1 京張高鐵地下站隧信息模型構(gòu)建

為了實(shí)現(xiàn)京張高鐵地下站隧—八達(dá)嶺長城站的智能展示，需要構(gòu)建地下站隧信息模型，為虛擬場(chǎng)景的建立奠定基礎(chǔ)。本文將地下站隧主體模型和站內(nèi)流動(dòng)性設(shè)施設(shè)備模型相結(jié)合，共同構(gòu)建完整、全面的地下站隧信息模型。

1.1 地下站隧主體模型構(gòu)建

地下站隧主體模型主要指主體工程BIM。本文通過多專業(yè)信息模型基礎(chǔ)業(yè)務(wù)參數(shù)一致性表達(dá)方法，完成八達(dá)嶺地下站隧主體專業(yè)BIM的構(gòu)建。模型構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 信息模型構(gòu)建流程

1.1.1 地下站隧信息模型一致性表達(dá)

目前鐵路行業(yè)針對(duì)信息模型建設(shè)和應(yīng)用出臺(tái)了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本文主要研究基于信息交付手冊(cè)（IDM，Information Delivery Manual）協(xié)同和數(shù)據(jù)模板的模型一致性表達(dá)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了地下站隧專業(yè)間信息模型的數(shù)據(jù)無縫交換。

（1）基于IDM協(xié)同技術(shù)的一致性信息傳遞

IDM定義了建設(shè)項(xiàng)目生命周期某一階段、某一專業(yè)需要從整體BIM中獲取和提交信息的規(guī)則，以及階段和階段之間、專業(yè)和專業(yè)之間的信息交換需求[9]，其核心是流程圖和交換需求。針對(duì)京張高鐵地下站隧主體工程模型構(gòu)建要求，基于IDM定義了地下站隧軌道、四電、隧道等專業(yè)間的信息交換節(jié)點(diǎn)，使專業(yè)信息模型間可進(jìn)行信息交互，針對(duì)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)流程，建立協(xié)同設(shè)計(jì)體系，為協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

（2）基于數(shù)據(jù)模板的模型一致性表達(dá)

數(shù)據(jù)模板主要用于描述構(gòu)造對(duì)象信息所需的概念和關(guān)系，通過提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述工程對(duì)象的特征，使業(yè)務(wù)語義能夠通過模型構(gòu)件的全生命周期進(jìn)行無縫的信息交換。具體為：采用模板化的標(biāo)準(zhǔn)組織方式對(duì)地下站隧進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，通過在數(shù)據(jù)字典中創(chuàng)建工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC，Industry Foundation Classes）和數(shù)據(jù)模板相關(guān)概念之間的關(guān)系規(guī)則作為鏈接機(jī)制，將站隧模型業(yè)務(wù)語義數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)模板鏈接到IFC信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模板與IFC的鏈接。主要從以下幾個(gè)方面定義并建立數(shù)據(jù)模板。

①工程管理基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)模板

工程管理基礎(chǔ)類包含對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系、父子從屬關(guān)系定義，并通過數(shù)據(jù)模板實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件之間的約束關(guān)系。

②工程對(duì)象基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)模板

主要描述面向?qū)ο蟮墓こ袒拘畔⒔M成結(jié)構(gòu)。以鐵路隧道專業(yè)組件為例，模板包含路隧專業(yè)設(shè)計(jì)參數(shù)、幾何特征、非幾何信息等屬性，通過自定義映射國際字典框架（IFD，International Framework for Dictionaries）編碼和 IFC 編碼，可實(shí)現(xiàn)對(duì)具體工程對(duì)象的描述識(shí)別。

③工程實(shí)體類數(shù)據(jù)模板

以隧道專業(yè)工程對(duì)象為例：模板文件中包含斷面、洞身、洞門等基本屬性參數(shù)，同時(shí)具備屬性管理功能。模板采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML，Extensible Markup Languag）數(shù)據(jù)格式，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的快速交換與共享。

1.1.2 地下站隧BIM創(chuàng)建

基于上述信息模型一致性表達(dá)方法，建立協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，創(chuàng)建地下站隧BIM。協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，通過集中管理設(shè)計(jì)資源和設(shè)計(jì)流程，從計(jì)劃管理、人員權(quán)限及組織機(jī)構(gòu)建設(shè)、設(shè)計(jì)文件命名及版本控制等標(biāo)準(zhǔn)化管理方面開展設(shè)計(jì)校審及會(huì)簽流程控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成果全要素?cái)?shù)字化移交。

由構(gòu)件庫提供參數(shù)化驅(qū)動(dòng)及人工輔助建模手段，通過在協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)開展屬性創(chuàng)建及屬性管理，并在構(gòu)件庫的基礎(chǔ)上進(jìn)行專業(yè)化建模。在進(jìn)行專業(yè)建模時(shí)，通過專業(yè)裝配和區(qū)域裝配，形成總裝模型圖。專業(yè)建模完成后提交模型成果，并開展模型碰撞檢查及非幾何屬性信息檢查，檢查無誤后進(jìn)行模型發(fā)布，可實(shí)現(xiàn)模型信息查詢及遠(yuǎn)程瀏覽訪問等。

基于協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過地質(zhì)模型讀取、工點(diǎn)和單元庫設(shè)計(jì)、專業(yè)設(shè)計(jì)元素結(jié)構(gòu)化封裝等操作過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)京張高鐵地下站隧的無砟軌道、接觸網(wǎng)、軌旁設(shè)備、安全門、車站關(guān)鍵設(shè)施等BIM創(chuàng)建，如圖2所示。

圖2 京張高鐵地下站隧BIM

在此基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)隧道開展三維激光掃描，如圖3所示。將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)偏差原因?qū)IM進(jìn)行修改，生成與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際空間位置一致的竣工模型，為后續(xù)VR虛擬場(chǎng)景的建立奠定基礎(chǔ)。

圖3 八達(dá)嶺隧道掃描成果數(shù)據(jù)

1.2 站內(nèi)流動(dòng)性設(shè)施設(shè)備模型構(gòu)建

本文基于攝像頭視頻流獲取站內(nèi)設(shè)備的固定點(diǎn)位視像信息，對(duì)八達(dá)嶺長城站站內(nèi)旅客服務(wù)設(shè)備、消防設(shè)備等流動(dòng)性設(shè)施設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)集訓(xùn)練，利用YOLO（You Only Look Once）技術(shù)實(shí)現(xiàn)在視頻數(shù)據(jù)內(nèi)識(shí)別、分辨出需要檢測(cè)的特定流動(dòng)性設(shè)備設(shè)施[10]，并基于Bundle Fusion技術(shù)實(shí)現(xiàn)站內(nèi)流動(dòng)性設(shè)施的重建。

1.2.1 站內(nèi)流動(dòng)性設(shè)施設(shè)備圖像識(shí)別

基于站內(nèi)固定點(diǎn)位攝像頭對(duì)候車空間座椅、消防設(shè)備等流動(dòng)性設(shè)施進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分類標(biāo)識(shí)與訓(xùn)練，具體步驟如下。

（1）建立站內(nèi)特定設(shè)備目標(biāo)檢測(cè)模型。針對(duì)想要更新的設(shè)備或物體，通過篩選攝像頭對(duì)其拍攝的圖片，得到與其相關(guān)的影像數(shù)據(jù)；對(duì)所有采集到的圖片進(jìn)行標(biāo)注，用矩形框出目標(biāo)物體，便于數(shù)據(jù)訓(xùn)練使用。

（2）對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。在數(shù)據(jù)訓(xùn)練時(shí)對(duì)loss值進(jìn)行觀察，當(dāng)avg loss在多個(gè)迭代中沒有出現(xiàn)下降時(shí)停止訓(xùn)練。

（3）模型檢測(cè)識(shí)別?；谟?xùn)練數(shù)據(jù)構(gòu)建具有細(xì)粒度語義類別標(biāo)簽的三維模型數(shù)據(jù)集，為了捕獲細(xì)粒度類別之間的細(xì)微差別，基于圖像識(shí)別和特征表示學(xué)習(xí)方法建立細(xì)粒度三維模型識(shí)別深度網(wǎng)絡(luò)模型，以便捕獲三維模型多視圖中的細(xì)粒度局部區(qū)域信息；利用層次化的注意力機(jī)制聚合不同語義層級(jí)信息，生成具有細(xì)粒度區(qū)分的三維模型特征表示，實(shí)現(xiàn)基于固定點(diǎn)位攝像頭的的模型識(shí)別。

1.2.2 站內(nèi)流動(dòng)性設(shè)施設(shè)備三維重建

三維重建是指從三維點(diǎn)云出發(fā)，重建出三維網(wǎng)格，本文設(shè)計(jì)了“掃描數(shù)據(jù)+場(chǎng)景語義分割+三維點(diǎn)云場(chǎng)景分割+三維重建與紋理貼圖”的技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)流動(dòng)性設(shè)施設(shè)備的三維重建。

（1）掃描數(shù)據(jù)

利用便攜式激光雷達(dá)與終端成像一體化設(shè)備采集八達(dá)嶺長城站候車室內(nèi)部分設(shè)備的三維點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)。

（2）場(chǎng)景語義分割

構(gòu)建基于真實(shí)掃描場(chǎng)景點(diǎn)云的分割數(shù)據(jù)集，主要分為2個(gè)步驟，如圖4所示。

圖4 三維場(chǎng)景語義分割

（3） 三維點(diǎn)云場(chǎng)景分割

場(chǎng)景分割算法的基本框架為基于編碼解碼的U形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)先通過降采樣單元不斷降低點(diǎn)云的分辨率，提取從局部到全局的多層次表征，通過上采樣單元不斷提升點(diǎn)云的分辨率，以得到最終的逐點(diǎn)表征，每一個(gè)采樣單元后接一個(gè)基于Transformer的表征單元。

（4）三維重建與紋理貼圖

在三維模型重建方面，通過基于全局隱函數(shù)的三維重建補(bǔ)全方法進(jìn)行三維模型的補(bǔ)全[11]。先使用完整三維模型素材庫訓(xùn)練三維重建網(wǎng)絡(luò)，再凍結(jié)三維重建主干網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化匹配殘缺三維模型，以重建與殘缺三維模型相似的完整三維模型。

在紋理映射方面，通過采集現(xiàn)場(chǎng)紋理貼圖，增加紋理清晰度，減少紋理貼圖間的縫隙；通過獲取紋理坐標(biāo)，將貼圖與重建模型進(jìn)行融合，構(gòu)建與實(shí)景一致的流動(dòng)性設(shè)施設(shè)備模型。

對(duì)八達(dá)嶺長城站內(nèi)充電寶樁、滅火器、垃圾箱等眾多流動(dòng)性設(shè)施進(jìn)行三維重建及補(bǔ)全后的模型如圖5所示。

圖5 流動(dòng)性設(shè)施三維重建模型

2 VR虛擬場(chǎng)景創(chuàng)建與智能展示

①使用設(shè)備獲取掃描點(diǎn)云，并對(duì)其附著顏色信息；

②采用人工加算法的半自動(dòng)方式為場(chǎng)景點(diǎn)云構(gòu)建標(biāo)簽，手動(dòng)設(shè)置包圍框，提取包圍框內(nèi)點(diǎn)云并進(jìn)行去噪，對(duì)提取的實(shí)體點(diǎn)云打標(biāo)。

2.1 虛擬場(chǎng)景創(chuàng)建

利用多項(xiàng)感官、感知交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于UE4的VR展示功能，對(duì)八達(dá)嶺長城站站外空間及檢票、候車、進(jìn)出通道、地下站臺(tái)等站內(nèi)空間的虛擬場(chǎng)景進(jìn)行創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)對(duì)八達(dá)嶺長城站內(nèi)外一體的立面直觀展示。結(jié)合VR設(shè)備，可為旅客出行提供智能展示服務(wù)及沉浸式出行體驗(yàn)。

八達(dá)嶺長城站裝飾模型由3D Max軟件分解，導(dǎo)出FBX格式。對(duì)于面數(shù)太多的模型，可導(dǎo)入3D Max按同等尺寸重新建模，重建后的模型分別歸類到5個(gè)區(qū)域中，再將這5個(gè)區(qū)域的模型拆分成373個(gè)組塊，具體實(shí)現(xiàn)過程如下。

（1）模型格式轉(zhuǎn)換：將全部模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D Max進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

（2）模型處理：在373個(gè)組塊中，每個(gè)組塊由10～30個(gè)模型單體組成，將格式轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理（含破面處理、重面處理、法線反轉(zhuǎn)處理等），以適配UE4引擎。

（3）UE4貼圖處理：將展好UV和分配好材質(zhì)ID的模型，導(dǎo)入到UE4中進(jìn)行材質(zhì)制作，將現(xiàn)場(chǎng)采集的材質(zhì)與模型進(jìn)行融合貼圖處理，共計(jì)制作4 800余項(xiàng)材質(zhì)和貼圖。

（4）場(chǎng)景烘焙：將制作好材質(zhì)的模型放入場(chǎng)景中，加入燈光和環(huán)境光進(jìn)行場(chǎng)景烘焙測(cè)試，構(gòu)建與實(shí)景一致的虛擬仿真場(chǎng)景。部分場(chǎng)景模型如圖6所示。

圖6 站內(nèi)空間場(chǎng)景模型

2.2 VR智能展示

在VR虛擬場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，融入車站周邊特色，為旅客直觀呈現(xiàn)八達(dá)嶺長城站的建設(shè)特色、功能空間分布及八達(dá)嶺歷史文化。具體功能點(diǎn)包括八達(dá)嶺介紹、空間功能介紹、乘車進(jìn)出站流程等，同時(shí)結(jié)合VR虛擬設(shè)備，進(jìn)一步提高對(duì)旅客出行的服務(wù)能力。

（1）八達(dá)嶺介紹：以BIM+GIS三維場(chǎng)景為依托，通過語音方式介紹八達(dá)嶺站周邊詹天佑紀(jì)念館、長城博物館、八達(dá)嶺長城、青龍橋車站、人字形鐵路等多項(xiàng)歷史文化特色，便于旅客更直觀地了解該站。

（2）功能空間介紹：對(duì)八達(dá)嶺長城站候車室、進(jìn)出站通道及地下站臺(tái)等功能區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記顯示，精細(xì)化展示各功能空間區(qū)域，能夠通過區(qū)域標(biāo)識(shí)進(jìn)行虛擬導(dǎo)航線路指引。

（3）路線模擬：結(jié)合VR虛擬場(chǎng)景，模擬進(jìn)站及出站完整的流程線路，方便旅客提前熟悉八達(dá)嶺乘車環(huán)境。

（4）VR體驗(yàn)：在八達(dá)嶺長城站設(shè)置VR體驗(yàn)設(shè)備，供旅客進(jìn)行地下站隧仿真環(huán)境的漫游體驗(yàn)，為旅客出行提供虛擬體驗(yàn)服務(wù)。

3 AR應(yīng)用探索

基于1.2.1節(jié)中提出的圖像識(shí)別方法，對(duì)八達(dá)嶺長城站站內(nèi)候車廳內(nèi)的“四面墻”進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，將分解后的管道、布線等裝飾模型進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，實(shí)現(xiàn)每面墻后裝飾模型的直觀呈現(xiàn)，便于站內(nèi)檢修工作人員通過移動(dòng)設(shè)備查看墻面后的電纜走線位置，提高站內(nèi)人員檢修能力?；贏R的隱蔽工程展示方法如下。

（1）模型拆分：將站內(nèi)裝飾模型按照不同的墻面進(jìn)行模型構(gòu)件的拆分。

（2）面向站內(nèi)墻面特征的精準(zhǔn)識(shí)別：將地下站候車室內(nèi)的四面墻壁按照“Q1”～“Q4”號(hào)進(jìn)行命名，建立唯一身份標(biāo)識(shí)；根據(jù)站內(nèi)墻壁分布位置的細(xì)節(jié)特征，基于圖像特征識(shí)別算法，判定具體的墻面“身份”。

（3）虛擬呈現(xiàn)：識(shí)別具體的墻面“身份”后，將分解后的模型與墻體編號(hào)進(jìn)行匹配，結(jié)合AR應(yīng)用技術(shù)，將BIM虛擬呈現(xiàn)到墻體之上，實(shí)現(xiàn)基于AR視覺的隱蔽工程展現(xiàn)。

基于以上方法，初步實(shí)現(xiàn)隱蔽工程模型與實(shí)景環(huán)境的可視化融合展現(xiàn)，為后續(xù)檢修人員掌握隱蔽工程的檢修位置及環(huán)境提供支撐。

4 結(jié)束語

本文從京張高鐵地下站隧信息模型的構(gòu)建出發(fā)，面向運(yùn)營管理期旅客出行智能展示服務(wù)及站內(nèi)檢修服務(wù)需求，以同一底層BIM數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)為支撐，基于圖像識(shí)別與三維重建技術(shù)實(shí)現(xiàn)站內(nèi)流動(dòng)設(shè)施設(shè)備模型的快速迭代更新，建立與實(shí)景環(huán)境一致的虛擬體驗(yàn)場(chǎng)景，為“一站一景”的智能展示創(chuàng)造條件。后續(xù)將進(jìn)一步開展基于AR的隱蔽工程應(yīng)用研究，將BIM融入實(shí)景墻體中，以“開洞門”的形式對(duì)隱蔽工程進(jìn)行呈現(xiàn)，同時(shí)將候車室竣工圖紙與隱蔽工程BIM從空間位置進(jìn)行映射匹配，逐步建立站內(nèi)空間可視化檢修機(jī)制，以期提升綜合維修管理效率與準(zhǔn)確率，為運(yùn)營期智慧車站的深化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。