AR技術(shù)在黃金峽水利樞紐建設(shè)管理中的應(yīng)用

陳璽 蘇巖 燕軍樂

摘 要：基于Unity平臺，利用Vuforia和ARCore等開發(fā)工具及3DMax及Maya等三維模型搭建技術(shù)，開發(fā)黃金峽水利樞紐AR軟件，實(shí)現(xiàn)了AR水利樞紐展示、水利樞紐全景展示及VR廠房游覽三大功能。經(jīng)測試，軟件性能和功能等方面均符合設(shè)計(jì)要求。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）有效應(yīng)用于黃金峽水利樞紐的建設(shè)與管理中，提高了水利樞紐管理、設(shè)計(jì)、施工的科學(xué)性與高效性，提升了工程的智能化建設(shè)水平。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù);虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);智能化建設(shè);軟件;黃金峽水利樞紐

中圖分類號：TV731 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.030

Abstract： The AR software of Huangjinxia HydroJunction was developed on Unity engine by using the Vuforia SDK， ARCore SDK and 3D model building technology such as 3DMax and Maya. The software implemented three major functions， which was AR hydro junction display， hydro junction panoramic display and VR hydropower plant tour. After testing， the software performance and functions can meet the design requirements. Using augmented reality technology （AR） and virtual reality technology （VR） in the construction and management of the Huangjinxia HydroJunction can improve the scientific and efficient management， design and construction of the water conservancy project and enhanced the intelligent construction level.

Key words： augmented reality technology; virtual reality technology; intelligent construction; software; Huangjinxia HydroJunction

近年來，隨著我國大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展與革新，我國水利工程智能化建設(shè)與管理也發(fā)展起來[1-2]。AR技術(shù)（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)）特有的沉浸式角度可使用戶置身于虛擬的水工建筑物之中，并可在現(xiàn)實(shí)場景下疊加完建后的場景。將AR技術(shù)運(yùn)用在水利工程中，能夠提升參建各方對水利樞紐的整體把握及空間布局理解，提高工程建設(shè)管理、設(shè)計(jì)、施工等工作的科學(xué)性與高效性，并起到及時糾偏的作用[3]。

三維世界一般可以分為真實(shí)世界、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的世界、增強(qiáng)虛擬的世界和虛擬世界4個部分。AR技術(shù)是VR技術(shù)（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）的延伸，在現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，增加一部分虛擬的信息，將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息融合，在屏幕上實(shí)現(xiàn)虛擬世界和真實(shí)世界的互動，帶給體驗(yàn)者超越現(xiàn)實(shí)的感受[4]。VR技術(shù)及AR技術(shù)已經(jīng)較為廣泛地應(yīng)用在了傳媒、教育、醫(yī)療、軍事、航空、航天等領(lǐng)域[5]。水利工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體量巨大、周邊環(huán)境復(fù)雜多變、邊界條件難以控制、網(wǎng)絡(luò)通信條件較差等特點(diǎn)，使得AR技術(shù)的應(yīng)用受限，VR技術(shù)僅在工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、建筑物模擬仿真及工程量計(jì)算、防洪預(yù)警等方面有少量運(yùn)用[6-9]。筆者基于Unity平臺，利用Vuforia和ARCore等開發(fā)工具開發(fā)了黃金峽水利樞紐AR軟件，將VR及AR技術(shù)有效應(yīng)用于工程建設(shè)與管理中，提高了管理、設(shè)計(jì)、施工的科學(xué)性與高效性，提升了工程的智能化建設(shè)水平。

1 工程概況

黃金峽水利樞紐位于漢江干流上游峽谷段，陜西南部漢中盆地以東的洋縣境內(nèi)，為引漢濟(jì)渭工程的第一水源，總庫容2.21億m3，調(diào)節(jié)庫容0.98億m3。由擋水建筑物、泄水建筑物、泵站電站建筑物、通航建筑物和過魚建筑物等組成[10-12]。

擋水建筑物采用碾壓混凝土重力壩，最大壩高63 m，壩軸線總長349 m，共分16個壩段。從左至右依次為左岸非溢流壩段、泵站壩段、導(dǎo)墻壩段、底孔壩段、縱向圍堰壩段、表孔壩段、右岸非溢流壩段。

泄水建筑物采用表、底孔結(jié)合，以表孔為主的布置方式。表孔共5孔，孔口尺寸14 m×25 m（寬×高），堰頂采用WES實(shí)用堰面曲線;設(shè)置一個底孔，孔口尺寸8.0 m×12.5 m（寬×高）。表、底孔運(yùn)行均以弧門控制，另設(shè)事故檢修平板門。

泵站電站采用河床式泵站+壩后式電站布置在左側(cè)河床，泵站、電站順流向前后布置，電站布置于泵站下游。泵站安裝7臺1.8萬kW立式水泵機(jī)組，總裝機(jī)功率為12.6萬kW;電站安裝3臺4.5萬kW水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為13.5萬kW。

通航建筑物初步設(shè)計(jì)為垂直升船機(jī)，與右岸第5號溢流表孔結(jié)合布置，暫緩修建;過魚建筑物為魚道形式，布置在左岸邊坡上，全長約1 970 m。

2 黃金峽水利樞紐AR軟件開發(fā)

黃金峽水利樞紐AR軟件開發(fā)時，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場實(shí)際情況，通過3DMax及Maya對虛擬場景進(jìn)行三維建模、渲染并制作部分特效;在Unity3D平臺進(jìn)行虛擬場景渲染及交互設(shè)計(jì);利用Vuforia和ARCore開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)根據(jù)標(biāo)識物的位置顯示對應(yīng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場景、疊加虛擬信息、音頻講解、視頻播放等人機(jī)虛擬交互功能。其總體框架如圖1所示。

2.1 3DMax及Maya技術(shù)

3DMax全稱為3D Studio Max，是Discreet公司開發(fā)的（后與Autodesk公司合并）基于PC系統(tǒng)的三維模型建立、動畫設(shè)計(jì)及效果渲染軟件，廣泛用于游戲、影視、機(jī)械、建筑等領(lǐng)域。3DMax是一種多邊形對象建模方式，建模方式靈活，操作界面友好，可以創(chuàng)建大型三維模型，且模型修改簡便;軟件對系統(tǒng)配置要求不高，兼容性強(qiáng)，可通過其他插件實(shí)現(xiàn)更多功能，也可與高級渲染器進(jìn)行連接，提升模型及動畫效果，因此它成為建筑、水利及相關(guān)行業(yè)最為常用的建模及動畫制作工具之一[13]。

Maya是Autodesk公司出品的三維動畫軟件，集成了Alias、Wavefront 最先進(jìn)的動畫及數(shù)字效果技術(shù)。相比于3DMax，Maya的基礎(chǔ)層次更高、功能更加強(qiáng)大、動畫效果更加細(xì)膩、真實(shí)且使用更加靈活，但其插件及模板較少，更多參數(shù)需要自己設(shè)定，因此使用起來稍顯復(fù)雜。在國內(nèi)，Maya較多用于電影特效、3D游戲、廣告宣傳、網(wǎng)頁制作等方面[14]。

3DMax及Maya技術(shù)均可輸出Unity支持的模型格式，且具有場景逼真、特效優(yōu)異等特點(diǎn)，因此選用這兩個軟件對黃金峽水利樞紐大壩、魚道、電站、泵站進(jìn)行建模、貼圖及制作部分動畫、特效。

2.2 Unity3D技術(shù)

Unity3D是由丹麥Unity Technologies公司開發(fā)的專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)引擎，是一個可創(chuàng)建三維游戲視頻、建筑可視化、實(shí)時三維動畫等交互內(nèi)容的綜合型開發(fā)平臺。其具有跨平臺性良好、開發(fā)環(huán)境簡單易學(xué)、資源導(dǎo)入便捷、兼容眾多軟件開發(fā)工具包（SDK）、綜合剪輯和圖像處理功能強(qiáng)大等優(yōu)勢，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)研究及三維游戲開發(fā)等領(lǐng)域。

Unity3D的編輯器可在Windows、Linux及Mac OS X系統(tǒng)下運(yùn)行，可發(fā)布產(chǎn)品至Window、Linux、Mac OS X、IOS、Android、Web browsers、Play Station3、Xbox One、Xbox360、Windows Phone等多種主流平臺;支持的編程語言主要為C#及Java等[15-16]。選用Unity3D平臺作為黃金峽水利樞紐AR軟件的開發(fā)平臺，配合Vuforia及ARCore等軟件開發(fā)工具包（SDK），完成軟件功能的開發(fā)，并發(fā)布在Android平臺，開發(fā)過程中使用的編程語言為C#。

2.3 Vuforia及ARCore技術(shù)

Vuforia是高通子公司針對移動設(shè)備AR應(yīng)用的軟件開發(fā)工具包（SDK），2015年被物聯(lián)網(wǎng)軟件開發(fā)商PTC收購，因其優(yōu)異的性能和開源免費(fèi)使用，成為最受歡迎的AR應(yīng)用軟件開發(fā)工具包之一。Vuforia提供的主要模塊有Application Code（應(yīng)用程序代碼）、Cloud Databases（云數(shù)據(jù)庫）、Device Databases（設(shè)備數(shù)據(jù)庫）、Camera（攝像機(jī)）、Image Converter（圖像轉(zhuǎn)換器）、Tracker（追蹤器）、Video background renderer（視頻背景渲染器）、Word Targets（文本目標(biāo)）、User Defined Targets（用戶自定義目標(biāo)）[17-18]。

ARCore是谷歌推出的用于搭建增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序的免費(fèi)軟件開發(fā)工具包（SDK），主要用于Android平臺AR應(yīng)用軟件開發(fā)。因其優(yōu)秀的光源感知能力、環(huán)境感知能力、動作捕捉能力、區(qū)域?qū)W習(xí)功能而受到越來越多開發(fā)者的歡迎[19-20]。

黃金峽水利樞紐AR軟件開發(fā)時，選擇了Vuforia及ARCore兩種主流軟件開發(fā)工具包（SDK），來實(shí)現(xiàn)標(biāo)識物特征點(diǎn)捕捉跟蹤、虛擬模型與視頻真實(shí)場景融合、根據(jù)環(huán)境光實(shí)時改變虛擬模型明暗陰影自適應(yīng)、虛擬信息疊加（包括動畫、音頻、文字等）、漫游導(dǎo)覽等功能。

3 黃金峽水利樞紐AR軟件測試

在軟件開發(fā)完成后，為盡可能檢測和排除子系統(tǒng)（或系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)或相應(yīng)程序結(jié)構(gòu)上的錯誤，使所有的系統(tǒng)單元配合合適，整體的性能和功能完整，保證每個單元能正確地實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的功能，需對軟件進(jìn)行功能測試、用戶界面（UI）測試、性能測試、回歸測試和安裝測試五個方面測試，選擇測試設(shè)備為某國產(chǎn)手機(jī)旗艦機(jī)型。

在設(shè)備進(jìn)行黃金峽水利樞紐AR軟件安裝，運(yùn)行各模塊30 min，記錄30 min內(nèi)軟件運(yùn)行情況，并通過ADBTool調(diào)試工具、UnityProfile工具和安卓系統(tǒng)自帶性能查看功能，記錄設(shè)備各方面參數(shù)。

測試結(jié)果顯示：軟件安裝、切換及各模塊功能均可正常使用;各窗口風(fēng)格（包括顏色、字體、提示信息、圖標(biāo)等）與需求保持一致，滿足用戶界面的友好性、易操作性，符合用戶操作習(xí)慣;軟件運(yùn)行之后，在功能初始化階段，機(jī)器會在短時間內(nèi)CPU占用率上升，當(dāng)初始化完成后CPU占用率下降，保持在55%左右，運(yùn)行平穩(wěn)，不會出現(xiàn)卡頓的情況;內(nèi)存占用一直控制在1 GB以內(nèi)，滿足測試要求。

4 黃金峽水利樞紐AR軟件操作及成果

黃金峽AR軟件主要提供了AR水利樞紐展示、水利樞紐全景展示及VR廠房游覽三大模塊。其中：AR水利樞紐展示模塊運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR），將黃金峽水利樞紐竣工后的虛擬場景疊加到現(xiàn)實(shí)場景中，在移動設(shè)備對準(zhǔn)大壩施工場景時，會在左右邊坡間展示出大壩竣工效果，并可模擬船只通過升船機(jī)從下游到上游的整個過程，以及大壩表孔和底孔泄洪過程;水利樞紐全景展示及VR廠房游覽模塊運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR），通過移動設(shè)備將用戶置身于虛擬場景中，用戶可在程序預(yù)設(shè)的路徑下游覽水利樞紐廠房內(nèi)全部結(jié)構(gòu)，也可控制角色在虛擬場景中自由移動，進(jìn)而體驗(yàn)水利樞紐廠房的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，觀察虛擬設(shè)備安裝及運(yùn)行情況。具體軟件功能如圖3所示。

（1）AR水利樞紐展示。在實(shí)現(xiàn)AR水利樞紐展示時，用戶首先需在系統(tǒng)預(yù)設(shè)的5個最佳觀察點(diǎn)選擇自己所處位置，以保證識別出的大壩模型與左右岸邊坡結(jié)構(gòu)完全吻合，確保觀察效果;之后使用手機(jī)后置相機(jī)對準(zhǔn)指定場景即可顯示虛擬大壩;用戶可通過手機(jī)上放大、縮小的操作，調(diào)整場景大小，同時可利用軟件右側(cè)按鈕實(shí)現(xiàn)表孔泄洪演示、底孔泄洪演示和通航演示功能。

（2）水利樞紐全景展示。在實(shí)現(xiàn)水利樞紐全景展示時，首先應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的6種情況對天氣進(jìn)行設(shè)置，之后便會進(jìn)入水利樞紐展示頁面，用戶可以利用單手指觸摸屏幕來旋轉(zhuǎn)場景及雙手指觸摸來拉近、推遠(yuǎn)場景，并可通過右側(cè)功能按鈕實(shí)現(xiàn)通航展示、泄洪展示及魚道展示功能，操作頁面見圖4。

（3）VR廠房游覽。進(jìn)入VR廠房游覽時，軟件將處于半透明巡游展示狀態(tài)，并出現(xiàn)全廠房演示、泵站演示、電站演示三種模式供用戶選擇，操作頁面如圖5所示。當(dāng)用戶選擇全廠房演示時，軟件將根據(jù)預(yù)設(shè)路徑對泵站及電站各部位進(jìn)行展示及講解;在講解到重要部位時，將對該部位進(jìn)行放大加亮展示，并顯示其主要參數(shù)。當(dāng)用戶選擇泵站演示時，頁面將進(jìn)入泵站內(nèi)部，并出現(xiàn)手動游覽及自動游覽兩種選擇，自動游覽模式下用戶將跟隨系統(tǒng)預(yù)設(shè)路線對泵站內(nèi)部進(jìn)行游覽，手動模式下用戶可根據(jù)左下角控制器瀏覽廠房的任意部分。與泵站演示類似，電站演示也提供了自動游覽及手動游覽兩種模式供用戶選擇。

5 結(jié) 語

黃金峽水利樞紐AR軟件的開發(fā)，以Unity3D平臺為基礎(chǔ)，借助3DMax、Maya、Vuforia、ARCore等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)AR水利樞紐展示、水利樞紐全景展示及VR廠房游覽三大功能，對完建后的重力壩、泵站、電站建筑物、升船機(jī)、魚道等建筑物進(jìn)行直觀展示，使用戶可置身其中了解各結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)構(gòu)造及運(yùn)行機(jī)制。此外，有效地對設(shè)計(jì)及施工起到了糾偏作用，提高了管理、設(shè)計(jì)、施工的科學(xué)性與高效性，也為水利樞紐的科普教育及參觀打下基礎(chǔ)，提升了工程的智能化水平。

現(xiàn)階段軟件的開發(fā)偏向于施工完建狀態(tài)，缺乏施工過程中相關(guān)信息及內(nèi)容，對水利工程建設(shè)全生命周期的幫助作用還較為有限。后續(xù)引漢濟(jì)渭工程將以物聯(lián)網(wǎng)為紐帶，融合BIM、GIS、5G通信、區(qū)塊鏈等技術(shù)應(yīng)用于建設(shè)和運(yùn)行全過程，搭建建管平臺，整合施工過程中地理、地質(zhì)、施工工序、現(xiàn)場檢測、質(zhì)量檢測及安全、進(jìn)度、成本等信息，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)和運(yùn)行的全生命周期管理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 水利部參事咨詢委員會.智慧水利現(xiàn)狀分析及建設(shè)初步設(shè)想[J].中國水利，2018（5）：1-4.

[2] 蔡陽.智慧水利建設(shè)現(xiàn)狀分析與發(fā)展思考[J].水利信息化，2018（4）：1-6.

[3] 蔣昊良，史玉龍，潘自林.BIM+VR技術(shù)在CCS電站廠房設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].人民黃河，2019，41（2）：115-118.

[4] 杜長亮.BIM和AR技術(shù)結(jié)合在施工現(xiàn)場的應(yīng)用研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2014：5-8.

[5] 胡攀輝.基于BIM與AR的施工現(xiàn)場應(yīng)用模塊集成研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2015：15-19.

[6] 付翔，王芳，黎長發(fā).基于VR技術(shù)的大壩裂縫仿真系統(tǒng)研究[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2017（29）：3-4.

[7] 胡瑞鵬，祁勉，黃少華.VR-GIS技術(shù)在水利工程“視算一體化”系統(tǒng)研制中的應(yīng)用[J].湖北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，31（3）：248-251.

[8] 張曌.基于VR技術(shù)的水利水文可視化防洪預(yù)警系統(tǒng)的研究[J].福建電腦，2008（11）：113，116.

[9] 趙海泉，潘琦.基于VR和物聯(lián)網(wǎng)的水利自動化監(jiān)控系統(tǒng)[J].科技展望，2016，26（35）：10.

[10] 毛擁政.黃金峽水利樞紐總布置研究[J].陜西水利，2014（2）：53-55.

[11] 鄭湘文，毛擁政，黨力.黃金峽水利樞紐泵站、電站聯(lián)合布置方案研究[J].人民黃河，2018，40（11）：115-118.

[12] 張鵬利，朱世洪，萬繼偉，等.黃金峽水利樞紐高水頭過魚建筑物設(shè)計(jì)[J].水利水電技術(shù)，2017，48（8）：44-48.

[13] 彭文博.基于AutoCAD和3DMAX的數(shù)字焦作三維景觀建模研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2016：9-15.

[14] 黎金.Maya軟件下的水利工程三維效果：評《小型水利工程》[J].人民黃河，2019，41（7）：165.

[15] 褚晶瑩.基于UNITY3D技術(shù)的VR展臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長春：吉林大學(xué)，2016：11.

[16] 曾微波，王衛(wèi)平，王本林，等.水利工程集成管理框架研究[J].人民黃河，2018，40（11）：135-139.

[17] 徐敏，童強(qiáng).一種基于Unity3D+Vuforia的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互App的開發(fā)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版），2016（12）：71-75.

[18] 郭曉敏，申閆春.基于Unity/Vuforia的AR導(dǎo)覽系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2019，36（8）：165-169.

[19] 周玲，陳強(qiáng).城市地下管網(wǎng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2020，56（1）：251-256.

[20] 徐廣超，秦丹陽.基于PDR輔助的視覺室內(nèi)定位算法的研究[J].移動通信，2019，43（8）：25-30.

【責(zé)任編輯 張華巖】