BIM+AR多用戶交互協(xié)作技術在公路工程中的應用研究

何 鑫

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

所謂BIM即建筑信息模型（Building Information Modeling），是將公路工程各相關參數(shù)及數(shù)據(jù)整合到三維模型中，應用于公路工程的設計、施工、運營維護等階段的數(shù)字化工具。該工具可以在工程全生命周期內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳遞和共享，滿足相關工程技術人員協(xié)同工作的需要，能夠快速響應工程信息并控制工程流程，對整個公路工程生產(chǎn)效率的提高、成本的節(jié)約、工期的管控具有重要意義。

而AR即增強現(xiàn)實技術（Augmented Reality），是一種近些年興起的新技術，它可以將虛擬世界和現(xiàn)實世界進行有效的融合，通過計算機科學對相關虛擬信息進行仿真并疊加于現(xiàn)實世界中，在同一畫面中同時存在實時疊加的虛擬物體和現(xiàn)實空間，體驗者通過視覺、觸覺、聽覺、味覺等感官感知相應的信息，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗。

目前，BIM技術在公路工程的設計、施工和運營階段得到了不斷發(fā)展，對BIM三維模型的交互要求也變得越來越高。與此同時，新硬件和計算機視覺增強算法的快速發(fā)展也使得AR技術得到了長足的進步，這使得BIM和AR相融合的技術成為可能。因此可以提出一種方案，將BIM技術與AR技術相結(jié)合，從而滿足公路工程各階段的BIM模型的可視化展示和數(shù)據(jù)交互的需要。

1 BIM+AR技術的研究現(xiàn)狀

隨著BIM技術在公路工程領域的廣泛推廣和應用，僅僅通過BIM技術來完成整個工程的協(xié)作已經(jīng)無法滿足當前項目的需要，多專業(yè)技術的融合逐漸被提出。隨著AR技術的興起，BIM+AR技術的融合也受到越來越多人的關注。然而從目前來看，BIM+AR技術的融合更多是在單個環(huán)境中可視化AR模擬的解決方案，而在數(shù)字工作空間中進行協(xié)作的能力有限，使用基于AR環(huán)境來支持不同地理位置的多用戶協(xié)作很少受到關注，因而還缺乏圍繞多用戶通過AR界面共享信息的協(xié)作能力研究。

劉陽等人提出了將BIM技術和AR技術相結(jié)合，實現(xiàn)了在平面圖紙上浮現(xiàn)出直觀的立體效果模型并且能夠顯示細節(jié)信息的效果，從而實現(xiàn)了建筑模型三維立體化[1]。常紅賓等人提出了將BIM技術和AR技術相結(jié)合形成智慧圖紙，實現(xiàn)了二維圖紙的三維可視化，標準規(guī)范及樣板實景的便攜化，以及現(xiàn)場施工無圖紙化效果[2]。高展望等人提出了將BIM+AR技術應用于裝配式建筑中，解決了裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化工人的技術實訓、裝配式可視化施工、建造信息集成及復用、全生命周期運行維護等多方面的問題[3]。G.Williams等人提出了一種在AR的環(huán)境中顯示BIM模型的方法，通過將模型導入平板電腦，用戶可以通過定位當前位置并使用平板電腦在正確的位置顯示BIM模型[4]。S.Tang等人提出了將AR技術從設計階段應用到施工階段，這非常適合于施工階段的預設任務。用戶可以在AR環(huán)境中查看已完成的設計階段BIM模型及相關數(shù)據(jù)，以協(xié)助現(xiàn)場施工[5]。

基于以上分析，需要研究一個集成BIM二維和三維數(shù)據(jù)的多用戶協(xié)作的AR軟件平臺，以實現(xiàn)實時應答、交互協(xié)作等功能，并通過AR技術的直觀展示為用戶提供有效的、有價值的BIM信息。該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)不同地理位置用戶的同步交互，并通過基于AR技術的界面在BIM環(huán)境中共享數(shù)據(jù)。

2 BIM+AR技術的研究方法

從BIM的角度來看，除了需要通過AR環(huán)境共享模型的視覺方面外，還需要共享更多信息并協(xié)作更新BIM中的“I”元素。BIM+AR之前的相關研究主要解決了在有限單個環(huán)境中可視化AR模擬協(xié)作能力的解決方案，該方案主要專注于用戶在同一物理空間中的交互模式及AR協(xié)作情況，缺乏對多個用戶在不同地理空間中AR同步交互及信息共享的能力。因而需要開發(fā)出一個允許不同地理空間的用戶通過使用本地化AR設備，對云視覺和信息數(shù)據(jù)集進行交互的工具。

需要解決的問題主要有以下幾點：

a）通過AR進行實時多用戶交互。公路工程行業(yè)目前越來越需要多個參與者通過BIM技術參與工程設計，當前大部分的AR設備都集中在獨立的應用程序上，因此，通過AR進行實時多用戶交互具有很重要的意義。

b）實時雙向同步信息傳輸。實時雙向同步信息傳輸能夠豐富和完善BIM流程，滿足相關使用者信息同步傳輸?shù)男枰?。目前通過AR進行實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髁坑邢蕖?/p>

c）二維和三維數(shù)據(jù)添加和空間定位。眾所周知，在一項公路工程全生命周期的所有階段都需要利用空間數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進行地理定位的能力是BIM技術的一個基本方面，但是這種能力尚未出現(xiàn)在BIM+AR領域中。

d）通過移動設備將BIM模型數(shù)據(jù)集成到AR中。移動設備目前已經(jīng)在公路工程領域得到了廣泛的應用，然而BIM模型數(shù)據(jù)主要在PC端顯示，還需要將其集成到移動設備中。

為了實現(xiàn)上述目標，BIM+AR技術平臺的底層框架如圖1所示?？蛻舳?服務器方法將允許多個用戶以同步方式處理相同的數(shù)據(jù)集，通過在線信息數(shù)據(jù)庫將多個用戶的設計模型數(shù)據(jù)存儲其中，并通過服務器端控制特定位置的二維和三維BIM模型數(shù)據(jù)。

圖1 BIM+AR技術平臺底層框架

3 BIM+AR技術的平臺實現(xiàn)

為保證系統(tǒng)部署過程的靈活性、可擴展性和穩(wěn)定性，BIM+AR平臺采用分層、模塊化的開發(fā)方式。在不影響現(xiàn)有平臺穩(wěn)定性的前提下，該平臺可根據(jù)相關需求的優(yōu)先級對功能范圍進行相應的調(diào)整或擴展，以滿足實際工程的需要。同時，為保證對第三方系統(tǒng)的兼容性，該平臺建立了相關的數(shù)據(jù)接口標準，防止后續(xù)其他系統(tǒng)接入時產(chǎn)生無法兼容的情況。

該平臺的目標是為用戶提供可視化、可交互的AR體驗和向BIM模型數(shù)據(jù)添加信息的能力。應用程序的所有代碼都采用C#語言編寫，關系型數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫。該平臺具有清晰的用戶數(shù)據(jù)視圖（例如AR應用程序）和清晰的數(shù)據(jù)集（例如BIM三維模型、二維圖紙和用戶注釋），軟件架構(gòu)采用了模型、視圖、控制器即MVC的開發(fā)模式。MVC開發(fā)模式意味著可以隔離數(shù)據(jù)單獨表示并以不同的方式呈現(xiàn)給用戶。MySQL數(shù)據(jù)庫存儲和管理了用戶在該平臺會話期間添加的所有數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息單獨存儲在云服務器的MySQL數(shù)據(jù)庫中，視圖主要實現(xiàn)移動AR應用程序。

BIM+AR平臺的一大亮點是能夠創(chuàng)建多用戶會話的協(xié)作功能。此功能允許多組用戶同時處理數(shù)據(jù)，會話允許用戶連接數(shù)據(jù)庫上的一組特定信息。當用戶在任意應用程序上登錄同一會話時，添加的任何數(shù)據(jù)信息都將在用戶之間同步傳輸。會話基于Web的跨平臺特性，將網(wǎng)絡特有的終端之間的D2D通信和移動邊緣計算等基礎架構(gòu)應用到多終端遠程協(xié)作計算中，實現(xiàn)了一種基于跨平臺的多用戶遠程交互協(xié)作計算服務模式，解決面向異構(gòu)AR終端的應用跨平臺提供問題。

4 BIM+AR技術的應用

BIM+AR平臺提供了基于圖紙掃描生成BIM模型的能力，此項功能不受特定平臺和環(huán)境的約束，數(shù)據(jù)源的靈活性使平臺能夠在許多技術受限的環(huán)境中工作。此外，基于標記的AR允許多個數(shù)據(jù)輕松與單個模型相關聯(lián)，并且更容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，以適應公路工程BIM數(shù)據(jù)交互的需要。

面對現(xiàn)有大部分AR應用需要額外的專用設備或者基于特定App的難以跨平臺提供的技術難題，導致現(xiàn)場施工人員難以將工程設計圖紙快速與BIM模型實現(xiàn)對應；該平臺利用網(wǎng)頁超鏈接機制，實現(xiàn)了基于Web網(wǎng)頁、微信公眾號等體驗AR的應用功能，使AR服務脫離于專門的物理設備和App，這種新模式依托移動Web技術，具有更好的用戶體驗，如圖2所示。

圖2 識別圖紙展示BIM三維模型

此外，該平臺整合了許多功能來支持用戶之間的協(xié)作。例如，可以通過多種方式操作BIM三維模型，包括在不影響標記本身的情況下更改模型數(shù)據(jù)的位置、旋轉(zhuǎn)和比例的能力。此功能允許多人獨立使用相同的標記來查看模型數(shù)據(jù)，要更改他們的模型視圖，用戶只需在屏幕上平移、旋轉(zhuǎn)和縮放模型即可，用戶還可以將BIM模型鎖定到屏幕上。平臺還內(nèi)置了讓用戶可以添加不同顏色的注釋框、文字說明等標記功能，如圖3所示。

圖3 多用戶AR協(xié)作及模型交互

5 結(jié)語

目前BIM技術在公路工程領域中的應用越來越廣泛，AR技術的應用也越來越普遍。AR技術是當前行業(yè)的一個研究熱點，研究范圍從調(diào)查更多協(xié)作方法到使用AR增強三維數(shù)據(jù)的可視化表達等方面，但對于多用戶協(xié)作及三維數(shù)據(jù)同步交互，AR技術的研究則相對較少。

本文提出了一種將BIM+AR技術相結(jié)合用于多用戶協(xié)作及數(shù)據(jù)共享的研究方法。該研究通過將二維和三維數(shù)據(jù)整合到AR平臺中，用戶通過掃描圖紙信息來與AR同步交互。在AR會話期間，用戶可以將模型對應的屬性信息動態(tài)添加到AR環(huán)境中并存儲于在線數(shù)據(jù)庫，任何用戶都可以立即訪問該數(shù)據(jù)庫。

本文研究的問題側(cè)重于提供一種有效且有價值的方法用于支持公路工程領域相關設計施工人員進行實時、交互式的協(xié)作，通過特定的實時反饋機制及獨特的AR技術可視化展示，為用戶提供良好的體驗，該方法是提升公路工程品質(zhì)和綜合競爭力的有效手段，具有較為廣闊的應用前景和研究價值。