BIM＋AR＆三維掃描在軌道交通中的智慧運用

萬偉明， 何越磊， 連茜椰， 季 杰， 戚柳飛， 趙俊康

（上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院， 上海201620）

0 引 言

近年來，中國軌道交通得到快速的發(fā)展，截至2018 年底，中國的高鐵里程數(shù)已經(jīng)高達2.9 萬多公里，規(guī)模已是全球第一。 但在軌道交通的管理中還存在著信息化、智慧化程度不完善等問題。 然而在BIM、三維掃描和AR 等技術(shù)成熟的背景下，可以利用前沿技術(shù)與BIM 相結(jié)合，從而解決上述痛點。

在BIM 結(jié)合新興技術(shù)方面，國內(nèi)眾多學(xué)者對此進行了研究。 文獻［1］在高達530m 的天津周大福金融中心幕墻工程中利用BIM 建立模型，利用三維激光掃描技術(shù)，得到了建筑物的點云數(shù)據(jù)，再將二者結(jié)合起來，有效地提高了施工精確度，同時也節(jié)約了施工成本。 文獻［2］對BIM 技術(shù)在各個領(lǐng)域的運用進行了探究，主要包括視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、機械設(shè)備監(jiān)測、三維掃描技術(shù)、3D 打印、無人機、數(shù)控智能設(shè)備、大數(shù)據(jù)等多個新興技術(shù)領(lǐng)域。 BIM 與這些技術(shù)領(lǐng)域的結(jié)合可以讓建造變得更精準、智慧，最終可以實現(xiàn)智能建造。 文獻［3］在松江深坑酒店的項目中將BIM 和三維激光掃描技術(shù)合理結(jié)合，優(yōu)化了現(xiàn)場人員的工作方式，方便了施工人員的測量工作，同時也統(tǒng)一了數(shù)據(jù)的管理方式。 文獻［4］在建筑安全領(lǐng)域?qū)IM 和AR 技術(shù)結(jié)合應(yīng)用在一起，就建筑安全管理方面進行了實踐，可以幫助管理人員和施工人員更加直觀的辨識施工等環(huán)節(jié)的安全問題，從而提升整個建筑施工的安全管理水平。 這些研究給出了BIM 結(jié)合新技術(shù)在軌道交通智慧管理中的一些解決方案，對鐵路車站全生命周期中的管理具有十分重要的實踐價值。 需要注意的是，現(xiàn)有研究雖然在智慧化、精細化管理上都做了很多的探索，但針對全生命周期管理的可視化、智慧化方面還不完善，未將BIM 與三維掃描以及AR 技術(shù)綜合運用于軌道交通工程中，未實現(xiàn)多種方式的可視化展示，尚存在較大的改進和研究空間。

因此，本文基于BIM＋AR＆三維掃描技術(shù)在軌道交通全生命周期管理中的運用，以創(chuàng)新的管理手段，為實現(xiàn)軌道交通的信息化、智慧化管理奠定了基礎(chǔ)。

1 BIM 引入的必要性

1.1 關(guān)鍵技術(shù)簡介

1.1.1 BIM 技術(shù)

BIM（Building Information Modeling）是由喬治亞理工大學(xué)教授Charles Eastman 在1975 年提出的類似概念“A Computer－based Description Of A Building（基于計算機的建筑模型）”，這僅僅被稱是BIM 概念雛形。 現(xiàn)在的BIM 概念得益于建筑的發(fā)展要求，是廣大建筑者經(jīng)過不斷探索所產(chǎn)生的結(jié)果，即利用數(shù)字化建筑模型里面的信息對建筑物體在勘察、設(shè)計、施工和運維等階段，能提前進行建筑結(jié)構(gòu)的分析、模擬施工及優(yōu)化、管線的碰撞、建筑工程量的計量等，在此之中實現(xiàn)建筑施工細節(jié)的可視化展示、專業(yè)施工圖的一鍵導(dǎo)出、建筑各專業(yè)部門協(xié)同工作與信息資源共享，從而在建筑物全生命周期過程中實現(xiàn)了利用數(shù)字模型對項目進行管理。 之后在1982年，歐特克公司最先對BIM Revit 進行二次開發(fā)，使得樣板文件與二維圖等功能進一步得到增強和完善，因而進一步吸引大量用戶。 這種良性循環(huán)使得Revit 軟件進一步得到推廣，用戶越來越多，時至今日BIM 已被廣泛推廣運用于建筑、軌道交通等眾多行業(yè)中。

1.1.2 三維掃描技術(shù)

三維掃描是指集光、機、電和計算機技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要用于對物體空間外形和結(jié)構(gòu)及色彩進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。 其能夠?qū)嵨锏牧Ⅲw信息轉(zhuǎn)換為計算機數(shù)字信號，使實物數(shù)字化變得方便、快捷。 近些年來，三維掃描測量技術(shù)飛速發(fā)展，常見的三維掃描儀其類別主要分為手持式和支架式，三維掃描方式主要有全景和三維激光掃描兩種。 其中，全景掃描是通過運用數(shù)碼相機采集一系列的圖像序列，再經(jīng)過軟件匹配處理的步驟，最后拼接成完整的全景圖，三維激光掃描通過高速激光掃描測量獲取大面積被測對象的三維坐標數(shù)據(jù)，圖像精度高，采集效率高，滿足高精度、高分辨率的數(shù)字模型的獲取。

三維掃描只需進行現(xiàn)場掃描工作，對比偏差與測量、建模的工作可在后臺完成，大大減少現(xiàn)場測量時間和往返現(xiàn)場的次數(shù)；三維掃描可直接利用點云逆向建模技術(shù)，完成復(fù)雜部位的模型建立，極大提高了工程技術(shù)人員高效、精準建模工作。

1.1.3 AR 技術(shù)

AR（ Augmented Reality Technique）是在VR 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，這是一種基于攝像影像特定位置和角度并且能使用自定義三維圖像實時技術(shù)，通俗的講就是體驗者通過計算機提供的虛擬模型與真實世界進行無縫融合，使體驗更加真實，增強體驗者對現(xiàn)實世界的感知效果。 當前主流的AR 開發(fā)平臺有ARkit、ARcore、Vuforia 三種。

AR 技術(shù)的發(fā)展得益于VR 技術(shù)的發(fā)展，又通過計算機技術(shù)和設(shè)備的不斷升級和更新?lián)Q代，衍生出了AR 技術(shù)。 隨著計算機技術(shù)的不斷提高，計算機軟硬件不斷升級，現(xiàn)今AR 技術(shù)發(fā)展已經(jīng)能夠提供私人定制以外的更加個性化的體驗。 2018 年底工信部發(fā)布《關(guān)于加快推進虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》中提出到2020 年“建立比較健全的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)鏈”，到2025 年實現(xiàn)“我國虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)整體實力進入全球前列”的目標。 伴隨著被納入國家2025 發(fā)展規(guī)劃當中的契機，以及5G 技術(shù)的推進，AR、VR 等技術(shù)將迎來新一輪的爆發(fā)。 將BIM 技術(shù)結(jié)合AR 應(yīng)用于軌道交通中，能為行業(yè)賦能并帶來更大的發(fā)展。

1.2 BIM 與前沿技術(shù)結(jié)合的必要性

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，三維掃描技術(shù)和BIM 技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域得到了充分地運用，促進了軌道交通工程領(lǐng)域的發(fā)展。 在這兩種技術(shù)結(jié)合的情況下，軌道交通工程相關(guān)的數(shù)據(jù)采集工作更加準確、高效，為模型的構(gòu)建和仿真提供了更加可靠的依據(jù)。三維掃描憑借大面積、高分辨率的成像來實現(xiàn)對建筑全景、復(fù)雜節(jié)點的復(fù)制，并向建筑結(jié)構(gòu)分析提供所需三維點云數(shù)據(jù)，并可通過點云進行模型的快速、準確的建立。

基于BIM 與AR 技術(shù)相結(jié)合的軌道交通建筑管理模式的必要性可以從以下幾個方面來闡述：首先是基于BIM 模型管理。 在項目建設(shè)初期，設(shè)計人員通過BIM 技術(shù)的正向設(shè)計方法來繪出初期三維的建筑模型，模型整合各種數(shù)據(jù)和信息，設(shè)計人員再將三維模型交付至下階段的工作人員用以驗證模型的設(shè)計合理性，這樣可實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)和信息的共享并極大地降低后期施工、運維等其它過程中出現(xiàn)問題的概率，有效避免不必要的返工，節(jié)約成本和時間。從管理角度看，對BIM 技術(shù)的應(yīng)用普遍存在管理水平不足的問題。 該問題在于現(xiàn)有管理團隊未滿足相關(guān)BIM 技術(shù)要求，導(dǎo)致日常工作中花費額外的時間去補課，所以在BIM 應(yīng)用初期有些企業(yè)會對其產(chǎn)生消極甚至抵觸情緒。 隨著新技術(shù)的大力發(fā)展，此現(xiàn)象會逐漸改善。 利用BIM 與AR 技術(shù)融合，不僅能提升工程管理水平，并可促進應(yīng)用BIM 進行精細化管理。 手機平板等便攜式移動設(shè)備普及率的提高，為實現(xiàn)基于BIM＋AR 技術(shù)的手機APP 應(yīng)用的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。 BIM 與AR 技術(shù)的巧妙結(jié)合，使三維模型可以由電腦端轉(zhuǎn)至移動終端，并能實時查看并操作，這不僅激發(fā)了大眾對黑科技興趣，也極大地滿足了非專業(yè)人員對運維管理的需求。

2 BIM 與三維掃描技術(shù)結(jié)合的研究

2.1 點云掃描與處理

利用三維掃描技術(shù)，將軌道交通中的關(guān)鍵部位、復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)進行點云的掃描，通過對點云初步處理將點云網(wǎng)格化。 由于點云數(shù)據(jù)量非常大，無法直接進行應(yīng)用，因此需要進行優(yōu)化處理。 利用專業(yè)的三維掃描軟件將點云網(wǎng)格化輸出成FBX 的通用格式，并將該FBX 文件導(dǎo)入3D－MAX 中，利用軟件中的優(yōu)化工具進行三維網(wǎng)格的面數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后可大幅度減少數(shù)據(jù)量。 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 點云優(yōu)化對比表Tab.1 Point cloud optimization comparison table

2.2 三維模型的建立

首先需要將處理優(yōu)化后的點云數(shù)據(jù)的原始格式轉(zhuǎn)換成AUTODESK 軟件可以利用的DWG 文件（可以利用3D－max 進行文件格式的轉(zhuǎn)換）。

通過優(yōu)化可以將DWG 文件的數(shù)據(jù)量減少78.86%。 將DWG 導(dǎo)入Revit 中，在建模的過程中可以利用剖面框?qū)c云進行分割、裁剪，通過該方式對遮擋比較嚴重的地方進行正確建模。

根據(jù)構(gòu)件的整體輪廓選取特征點，通過拉伸、放樣、融合、空心剪切等方式進行點云的翻模。 通過特征點確定三維模型的精確輪廓，并根據(jù)模型的不同形狀選取相對應(yīng)的建模方式。 需要注意的是有些外觀輪廓，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要進一步的完善，可通過現(xiàn)場的視頻或者照片，以及實地測量，并結(jié)合設(shè)計圖紙，才能真實還原構(gòu)件的內(nèi)部信息，最終完成從點云到模型的翻模過程。 待全部構(gòu)件建模完成后，去掉點云數(shù)據(jù)。

圖1 優(yōu)化前構(gòu)件的三角網(wǎng)格Fig.1 Triangular mesh of components before optimization

圖2 優(yōu)化后構(gòu)件的三角網(wǎng)格Fig.2 Triangular mesh of components after optimization

圖3 優(yōu)化前后的DWG 文件大小對比Fig.3 DWG file size comparison before and after optimization

圖4 選取特征點繪制構(gòu)件輪廓Fig.4 Select feature points to draw component outlines

3 BIM 與AR 技術(shù)的研究和應(yīng)用

3.1 移動終端APP 的開發(fā)過程

將BIM 技術(shù)和AR 技術(shù)相結(jié)合開發(fā)移動終端APP，實質(zhì)上是將現(xiàn)實場景和虛擬場景進行相互交融，通過手機端的攝像頭進行場景判別以及位置追蹤，從而將虛擬的三維模型通過手機端的屏幕進行顯現(xiàn)。 其具體的開發(fā)流程包含兩步：

（1）通過三維掃描的點云建立相應(yīng)的BIM 模型，并添加相應(yīng)的屬性信息包含材質(zhì)、尺寸、型號等。在模型建立完成之后導(dǎo)成FBX 格式。

（2） 在Unity3D 軟件中導(dǎo)入Vuforia AR 插件，并將導(dǎo)出的FBX 格式文件導(dǎo)入到Unity3D 軟件中，

在軟件中通過腳本編寫與操作，使其生成對應(yīng)的移動終端APP 文件。 將文件安裝至手機端，通過手機的攝像頭掃描識別圖像，使虛擬的建筑信息模型顯示在手機中。

圖5 構(gòu)件現(xiàn)場拍攝圖Fig.5 Live shot of the component

圖6 根據(jù)三維掃描圖建立的構(gòu)件模型Fig.6 Component model based on 3D scan

圖7 AR 技術(shù)的工作原理Fig.7 AR technology working principle

在軟件中通過腳本編寫與操作，使其生成對應(yīng)的移動終端APP 文件。 將文件安裝至手機端，通過手機的攝像頭掃描識別圖像，使虛擬的建筑信息模型顯示在手機中。

3.2 應(yīng)用成果展示

通過Unity3D 開發(fā)的移動端APP 主要有三個功能：分別是三維場景漫游、施工及運維指導(dǎo)以及資料信息查看。

三維場景漫游是通過沉浸式的交互體驗場景的內(nèi)部構(gòu)造、位置布局等信息，可以以第一人稱視角對虛擬場景進行實時瀏覽，通過手機端的按鈕進行操作，來控制視角的不斷移動以及旋轉(zhuǎn)，在視角的切換過程中，讓用戶感覺身臨其境，從而增強體驗感。

在軌道交通的建造以及后期的維護過程中，會有許多復(fù)雜的拆裝操作，其技術(shù)難度相對較大，在實施過程中由于人員的技術(shù)水平參差不齊等原因?qū)ΜF(xiàn)場操作造成一定影響。 通過開發(fā)移動終端APP，在手機端可以通過點擊拆裝模擬模塊查看操作過程并進行虛擬操作，從而用于指導(dǎo)施工以及運維工作。

圖8 三維場景漫游Fig.8 Three－dimensional scene roaming

圖9 AR 拆裝模擬模塊Fig.9 AR disassembly simulation module

通過添加腳本信息，并將模型與信息進行關(guān)聯(lián)，利用移動端的手機APP 可以隨時隨地查看軌道交通三維建筑信息模型的維修信息，包括維修人員姓名、維修時間以及維修地點等。 這種信息管理方式使資料信息更加電子化、系統(tǒng)化，實現(xiàn)了模型化的信息管理辦法，使運維管理過程中的資料信息更加完備、準確、實時。

圖10 AR 信息展示模塊Fig.10 AR information display module

4 結(jié)束語

BIM、AR 和三維激光掃描技術(shù)在軌道交通上的合理結(jié)合運用，體現(xiàn)了信息化和數(shù)字化在軌道交通工程的重要應(yīng)用價值。 三維掃描技術(shù)的應(yīng)用使模型建立更加高效、精準、便捷。 同時AR 技術(shù)的結(jié)合運用，可以增加用戶和工程人員的體驗感、交互感。

本文以實現(xiàn)軌道交通標準化、智能化管理的宏觀把控和精益協(xié)調(diào)為目標，綜合運用各項技術(shù)，并深入開展應(yīng)用實踐，借助對軌道工程的施工建設(shè)、后期運維階段進行全方位的精準服務(wù)，實現(xiàn)了軌道交通復(fù)雜過程的虛擬預(yù)演、模塊化維修及信息管理等功能。 為軌道交通工程的全生命周期的智慧化管理帶來切實可行的方案，提升了軌道交通工程的管理水平，推進了軌道交通信息化、數(shù)字化的進程，在工程應(yīng)用中有著廣闊的前景。