基于BIM+移動增強現(xiàn)實的高速鐵路工務(wù)智能維修技術(shù)研究

張 超，何越磊，路宏遙

(上海工程技術(shù)大學城市軌道交通學院，上海 201620)

引言

截至2020年底，我國高速鐵路運營里程超過3.79萬 km，形成了“四縱四橫”的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)格局。隨著我國高速鐵路的成網(wǎng)運營，充分發(fā)揮人工智能、云計算等技術(shù)優(yōu)勢，保證鐵路網(wǎng)絡(luò)的高速、長期安全運維，已經(jīng)成為鐵路運維的發(fā)展方向。我國高速鐵路目前實行“總公司-鐵路局-基層站段”三級運維管理模式，鐵路基層站段運維工作涉及機務(wù)、工務(wù)、電務(wù)和車輛等專業(yè)，是獨立的生產(chǎn)組織和管理單位[1]，各專業(yè)作業(yè)項目種類繁多，專業(yè)性強，其數(shù)字化、精密化需求日益提高。與此同時，我國鐵路傳統(tǒng)運維模式多以人工輔助機器進行，通過紙質(zhì)檔案記錄運維作業(yè)內(nèi)容，當出現(xiàn)復雜問題時，設(shè)施設(shè)備的故障履歷、巡檢記錄難以及時準確查找，導致維修難度大。因此，改善高速鐵路運維模式，為線路作業(yè)人員提供輔助工具來提升運維效率，已經(jīng)成為鐵路運維部門的重要課題。

目前，國內(nèi)針對高鐵智能運維等方面展開了研究與探索，如王同軍[2]提出了三維智能高速鐵路體系架構(gòu)模型，在智能運維方面提出涉及客運服務(wù)、運輸組織、養(yǎng)護維修3大領(lǐng)域，共5個方向的構(gòu)想。李思宇等[3]開發(fā)無砟軌道監(jiān)測數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)，利用云計算和數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)無砟軌道在役服役狀態(tài)的監(jiān)測管理。陳東生等[4]基于Android平臺研發(fā)鐵路工務(wù)智能移動端系統(tǒng)，能夠查看設(shè)備臺賬理事檢修數(shù)據(jù)，輔助記錄等功能，提高檢修作業(yè)工作效率。趙鐵柱等[5]研發(fā)了高速鐵路綜合維修工藝智能設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)維修設(shè)施布局方案的可視化。閆立忠[6]以青連鐵路四電工程為試點，基于達索平臺的鐵路四電過程BIM技術(shù)的應(yīng)用研究，具體分析BIM技術(shù)在鐵路建設(shè)協(xié)同設(shè)計、施工過程以及項目管理中的方法與應(yīng)用。萬偉明等[7]基于IS3進行二次開發(fā)，結(jié)合BIM最終形成鐵路車站改擴建工程資料管理系統(tǒng)，對鐵路運維過程中的資料進行智慧化管理。智能運維采用泛在感知、智能監(jiān)測、增強現(xiàn)實、智能視頻及智聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)[8]，這些研究有力地推動了現(xiàn)代科技與高速鐵路各專業(yè)的相互融合，對高鐵智能運維的統(tǒng)籌規(guī)劃與宏觀指導起到支撐作用。但同時需要注意的是，現(xiàn)有研究雖然在一定程度上降低了工人勞動量，提高了運維效率，但在便攜性、實用性等方面還存在較大的提升空間。

基于此，自行開發(fā)鐵路工務(wù)智能維修系統(tǒng)，將該系統(tǒng)引入BIM并建立三維模型，選取Unity作為移動應(yīng)用程序的開發(fā)平臺，充分利用移動增強現(xiàn)實技術(shù)在可視化、便攜性方面的優(yōu)勢，建立鐵路工務(wù)智能維修系統(tǒng)，通過移動終端輔助完成鐵路運維過程中的工務(wù)維修。

1 鐵路工務(wù)智能維修系統(tǒng)需求與結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)研發(fā)需求

高鐵列車速度快，在運行穩(wěn)定性方面要求極高，而高速道岔是高鐵線路的交叉點和薄弱環(huán)節(jié)，是影響行車平穩(wěn)性與安全性的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施[9]。保障高鐵的安全運行需鐵路工務(wù)部門做好高速道岔的養(yǎng)護維修工作。從檢修內(nèi)容上看，高速道岔檢修較為復雜，涉及到的構(gòu)件種類繁多，要求較為嚴格。從檢修形式上看，高速道岔檢修多以人工輔助機器進行檢測作業(yè)，通過道岔檢修簿記錄檢修情況，遇到復雜問題時設(shè)備故障履歷，巡檢歷史難以及時查閱。與此同時，由于隱蔽性工程難以直觀展現(xiàn)，在道岔檢修過程中常常被忽略。為較好滿足當前需求，提出鐵路工務(wù)智能維修系統(tǒng)輔助工務(wù)人員高效完成檢修作業(yè)。以高速道岔檢修作為研究對象，重點對18號道岔的檢修進行闡述。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

鐵路工務(wù)智能維修系統(tǒng)是自主開發(fā)的移動應(yīng)用操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)總體框架見圖1。

圖1 鐵路工務(wù)智能維修系統(tǒng)總體框架

功能層主要包括作業(yè)模擬、自由拆裝、信息服務(wù)三大功能模塊。作業(yè)模擬是最主要的功能，通過使用移動設(shè)備識別標識物激活該功能。使用該功能可以查看道岔檢修過程中的拆卸、安裝和工作原理等過程動畫演示，多維度分解復雜的施工流程。自由拆裝則是滿足不同零件更換的拆裝需求，點擊“自由拆裝”按鈕激活該功能。通過觸屏拖拽模型完成零件的自由拆解和組裝過程，模擬現(xiàn)場情況，輔助工務(wù)人員制定維修計劃。信息服務(wù)模塊主要用于查看故障履歷、巡檢記錄、作業(yè)指導等信息。

技術(shù)層主要包含三維建模和移動增強現(xiàn)實兩大技術(shù)模塊，為系統(tǒng)功能層提供技術(shù)支持。在三維建模方面引入BIM，從而建立信息化模型，移動增強現(xiàn)實技術(shù)是調(diào)用攝像機來捕獲高鐵線路的標識物信息，通過三維跟蹤注冊技術(shù)在現(xiàn)實環(huán)境中定位虛擬場景。

2 系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)

2.1 鐵路工務(wù)智能維修系統(tǒng)開發(fā)流程

高速道岔的檢修是整個運營維護過程中的重要環(huán)節(jié)，在遵循“預防為主，防治結(jié)合、嚴檢慎修”的基本原則上更要做到精確檢修、全面分析精細修理[10]。本系統(tǒng)結(jié)合鐵運〔2012〕83號《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》3.6.8條、5.5.4條，鐵總運〔2014〕170號《鐵路工務(wù)安全規(guī)則(試行)》以及鐵路工務(wù)段養(yǎng)護維修經(jīng)驗進行制定，技術(shù)路線見圖2。具體操作步驟如下。

圖2 技術(shù)路線

(1)以高鐵18號道岔作為主要研究對象，通過BIM建模軟件Revit建立信息化模型。添加構(gòu)件的基本屬性信息，最終建立面向高鐵工務(wù)線路檢修的關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備信息化模型庫。

(2)從BIM模型中導出FBX格式文件并載入Unity工程文件中，使用著色器、材質(zhì)球等工具渲染模型。

(3)采集現(xiàn)場圖像上傳至數(shù)據(jù)庫并制作數(shù)據(jù)集，在Unity中通過Vuforia SDK實現(xiàn)移動增強現(xiàn)實功能。同時，根據(jù)高速道岔檢修實際需求，定制個性化的人機交互功能。

(4)配置Android環(huán)境并發(fā)布移動端App，調(diào)試并運行程序。

2.2 BIM建模

高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復雜，例如18號道岔尖軌處零部件較多且多為隱蔽性構(gòu)件，這無疑給建模提出了更高要求。相比于其他建模技術(shù)，BIM建模的主要優(yōu)勢在于對三維模型的信息傳遞、管理與應(yīng)用，數(shù)字化模型不僅包含對象主體的幾何特性，同時包含了屬性、專業(yè)、狀態(tài)特性，將集成化的信息應(yīng)用于構(gòu)件的設(shè)計、施工，進而指導后期維護作業(yè)，最終形成一套完善的、有層次的信息模型庫[11-14]。下面以18號道岔尖軌處模型為例介紹幾何參數(shù)化建模的流程。

(1)資料準備。查找18號道岔相關(guān)CAD圖紙，分析尖軌處滑床板安裝所涉及的結(jié)構(gòu)部件，主要包括：鋼軌、彈性鐵墊板、軌下橡膠墊、滑床板、扣件系統(tǒng)等。

(2)創(chuàng)建構(gòu)件族。在空族文件中導入CAD圖紙并建立軸網(wǎng)和高程，通過軸網(wǎng)和高程控制生成三維模型。同時，將結(jié)構(gòu)部件的關(guān)鍵信息在族類型中添加為參數(shù)，這是幾何參數(shù)化建模的核心。族類型參數(shù)通過標識數(shù)據(jù)、模型屬性、常規(guī)等分組方式進行歸類管理。

(3)模型拼接與整合。按照高速鐵路的設(shè)計要求，建立不同構(gòu)件的三維模型并最終形成族庫，將族庫中的構(gòu)件族載入項目文件中完成模型拼接。同時編輯實例屬性，整合模型實例屬性信息，最終建立以參數(shù)為驅(qū)動的18號道岔尖軌處BIM模型，模型渲染效果見圖3。

圖3 滑床板BIM建模渲染

2.3 移動增強現(xiàn)實的實現(xiàn)

移動增強現(xiàn)實技術(shù)(Mobile Augemented Reality，MAR)在繼承了增強現(xiàn)實的虛實結(jié)合、實時交互、三維注冊三大特點，在保留沉浸式仿真的基礎(chǔ)上[15-16]，解決了增強現(xiàn)實硬件設(shè)備價格昂貴、便攜性差等方面的不足。本系統(tǒng)選擇運行穩(wěn)定高效的Vuforia SDK作為移動增強現(xiàn)實的開發(fā)工具。

(1)添加數(shù)據(jù)集

數(shù)據(jù)集的制作主要是通過Vuforia 提供的在線工具進行，在Target Manager和License Manager中分別完成識別圖的制作和密鑰的獲取，選取Add Datebase功能選項，在本地添加數(shù)據(jù)集文件，見圖4。Cloud和Device分別代表提供的云端服務(wù)數(shù)據(jù)庫和本地數(shù)據(jù)庫，由于高鐵道岔維修設(shè)備繁多，工作環(huán)境網(wǎng)絡(luò)受限等條件，本系統(tǒng)選擇本地發(fā)布，避免云端服務(wù)數(shù)據(jù)庫存在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩圆环€(wěn)定性、無法多目標識別等缺陷。此處的數(shù)據(jù)集命名為“switchplate”，最終通過Download Database 生成Unity package，并將本地文件導入Unity工程文件中。

圖4 添加數(shù)據(jù)集

(2)三維跟蹤注冊技術(shù)的實現(xiàn)

跟蹤注冊技術(shù)主要包括基于計算機視覺的跟蹤注冊技術(shù)和基于硬件傳感器的跟蹤注冊技術(shù)兩種類型，是移動增強現(xiàn)實技術(shù)三大關(guān)鍵技術(shù)之一。基于計算機視覺的跟蹤注冊技術(shù)對硬件處理器要求不高，具有良好的魯棒性，本系統(tǒng)選用其中的基于標識的識別方法。

導入vuforia SDK，在層級視圖Hierarchy中添加AR camera和Image Target。AR camera用來調(diào)用攝像頭進行高速鐵路工務(wù)維修標識物的圖像捕獲，從而獲取視頻流。在Image Target的檢視器中添加Image Target Behaviour腳本文件，設(shè)置Database和Image Target的參數(shù)信息，導入數(shù)據(jù)集，見圖5。Vuforia SDK可以追蹤一種特殊類型的基準標記，這種標記稱為幀標記即Frame Marker。存在于Vuforia SDK中的Frame Marker通過本地識別，無需大量訓練和標記，同時減小了移動終端的運算量。本系統(tǒng)調(diào)用攝像機從而獲取鐵路工務(wù)作業(yè)環(huán)境的視頻幀，通過三維跟蹤技術(shù)進行分析得到注冊信息，最終實現(xiàn)三維跟蹤注冊。在整個識別的過程中，攝像頭所捕捉到的對象為鐵路設(shè)備，其均為標準預制件，所以通過攝像頭捕獲的圖片與數(shù)據(jù)集中的內(nèi)容可進行快速匹配。

圖5 設(shè)置Image Target的Inspector面板

2.4 人機交互功能實現(xiàn)

高速鐵路尖軌處滑床板的更換步驟涉及到多部件多工種聯(lián)合作業(yè)，整體過程較為復雜[17]。在BIM建模和移動增強現(xiàn)實識別的基礎(chǔ)上，需對模型添加人機交互來提升該系統(tǒng)的實用性和沉浸感。

選用兼容性強大的unity平臺開發(fā)人機交互功能[18-19]。考慮到滑床板更換的操作流程較為復雜，涉及到的零件和步驟較多，需對每一步的拆卸和安裝動畫進行控制和文字說明，輔助工務(wù)人員完成滑床板的更換。對模型添加animation組件建立滑床板拆卸動畫，設(shè)置“下一步”虛擬按鈕對每一步的動畫進行控制，并添加相應(yīng)的文字說明。相應(yīng)的動畫控制邏輯見圖6。

圖6 動畫控制邏輯

圖6中State.time為當前動畫播放的狀態(tài)時間；keyTimes為動畫中設(shè)置的關(guān)鍵時間點；i為keyTimes的序列，判斷條件“State.time接近于keyTimes[i+1]”用計算機語言表示為“Mathf .Abs (State .time-keyTimes [i+1])<0.01f”。以滑床板拆卸過程為例，動畫總時長為14 s，keyTimes分別設(shè)置為0，2，4，7，9，11，14 s共7個關(guān)鍵時間點，即判斷條件中a=7。初始i值為1，播放第1段動畫，即0～2 s間的動畫，當State.time接近于2 s時，點擊“下一步”按鈕，此時i=2，然后播放第2段動畫，即2～4 s間的動畫。

道岔尖軌處的結(jié)構(gòu)較為復雜，更換不同零件的流程也各不相同，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備情況，通過觸屏拖拽、滑動等操作實現(xiàn)對滑床板模型相關(guān)零件的控制，輔助制定不同零件更換作業(yè)的方案，以彈性鐵墊板的控制為例，實現(xiàn)該過程的關(guān)鍵腳本如下。

if (MoveObject.name="彈性鐵墊板") {

if (V2.y > V1.y)

MoveObject.transform.Translate(new Vector3(0， 0.04f， 0));

if (V2.y < V1.y)

MoveObject.transform.Translate(new Vector3(0，-0.04f， 0));

if(Mathf.Abs(MoveObject.transform.position.z-24.177f) < 0.04f)

{

MoveObject.transform.position=new Vector3(-0.272f， 0.035f， 24.177f);

MoveObject.GetComponent().enabled=false;

}

}

3 系統(tǒng)測試與應(yīng)用

Vuforia和Unity所開發(fā)的內(nèi)容都支持在Android平臺發(fā)布，在前期已經(jīng)開發(fā)完成系統(tǒng)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過Android平臺發(fā)布[20-21]。

3.1 測試環(huán)境

當前以智能手機為代表的移動智能終端設(shè)備在性能表現(xiàn)上呈現(xiàn)跨越式發(fā)展，在CPU、攝像頭、定位系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)方面都有較大提升，本次測試所使用的移動設(shè)備配置參數(shù)見表1。

表1 移動設(shè)備參數(shù)

3.2 測試過程

該系統(tǒng)在高鐵現(xiàn)場進行使用，測試本系統(tǒng)的功能。本測試主要包括頁面測試和移動增強現(xiàn)實功能測試。頁面測試主要是各頁面按鈕的功能性測試，包括系統(tǒng)各功能模塊的轉(zhuǎn)換以及UI顯示效果。移動增強現(xiàn)實功能測試主要針對頁面初始化、增強現(xiàn)實識別功能、人機交互功能等方面。

3.3 測試結(jié)果

用戶打開App進入增強現(xiàn)實功能頁面，系統(tǒng)完成初始化設(shè)定(圖7)，頁面初始化測試完畢。

圖7 頁面初始化

該系統(tǒng)調(diào)用移動智能終端的攝像機，在工務(wù)作業(yè)現(xiàn)場進行掃描識別，屏幕顯示相應(yīng)設(shè)備的三維模型和UI功能按鈕(圖8)，移動增強現(xiàn)實識別功能和UI顯示測試完畢。

圖8 移動增強現(xiàn)實測試

用戶可通過虛擬按鈕完成人機交互，通過點擊“作業(yè)模擬”按鈕模擬滑床板更換的作業(yè)流程，見圖9。點擊“自由拆裝”按鈕，通過觸屏功能自由拆裝滑床板并查看構(gòu)件信息，見圖10。人機交互功能測試完畢。

圖9 人機交互測試1

圖10 人機交互測試2

完成現(xiàn)場設(shè)備識別后，點擊“信息服務(wù)”按鈕，查看相關(guān)設(shè)施設(shè)備的作業(yè)準備、故障履歷、巡檢記錄等內(nèi)容，在現(xiàn)場輔助制定養(yǎng)修方案，見圖11。信息服務(wù)功能測試完畢。

圖11 信息服務(wù)功能測試

現(xiàn)場測試效果表明，系統(tǒng)頁面測試和移動增強現(xiàn)實功能均已經(jīng)達到預期的效果。

相比于傳統(tǒng)檢測方法和其他輔助維修系統(tǒng)，使用本系統(tǒng)輔助維修在工作方法和效率上具有明顯的優(yōu)勢。在維修作業(yè)前，使用本系統(tǒng)可提前熟悉復雜施工過程和隱蔽工程維修流程，提高天窗時間的工作效率。同時，本系統(tǒng)以檢修場景為驅(qū)動，在維修過程中使用該系統(tǒng)識別現(xiàn)場的設(shè)施設(shè)備，直接提供相關(guān)零件的自由拆裝、作業(yè)模擬和信息服務(wù)功能，克服了其他系統(tǒng)龐大、內(nèi)容復雜、查找困難的弊端，真正實現(xiàn)了精準輔助維修。在維修作業(yè)完成后，將維修記錄上傳到該系統(tǒng)中，實現(xiàn)設(shè)施設(shè)備的全生命周期管理。

4 結(jié)語

為實現(xiàn)高速鐵路高質(zhì)量運維，緩解高鐵維修壓力，結(jié)合BIM+移動增強現(xiàn)實技術(shù)，提出鐵路工務(wù)智能維修方法，可實現(xiàn)作業(yè)模擬、自由拆裝和信息服務(wù)功能，主要結(jié)論如下。

(1)借助移動設(shè)備展示的增強現(xiàn)實效果，為工務(wù)人員真實地展現(xiàn)標準化的工務(wù)作業(yè)流程，在滑床板更換等隱蔽性工程的施工維護方面具有現(xiàn)實價值和指導意義。

(2)使用該系統(tǒng)能夠在現(xiàn)場查看故障履歷、巡檢記錄、作業(yè)準備等內(nèi)容，實現(xiàn)對現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的查詢和集成管理。通過自由拖拽相關(guān)構(gòu)件模型，輔助工務(wù)人員制定現(xiàn)場維護方案，提升了檢修作業(yè)的效率。

(3)以標準化的檢修場景為驅(qū)動，將多個獨立的功能集成在本系統(tǒng)中，通過移動終端提供輔助維修服務(wù)，攜帶方便靈活，有利于推動高速鐵路智能運維的進程。