BIM+AR多用戶交互協(xié)作技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用研究

何 鑫

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)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(guān)參數(shù)及數(shù)據(jù)整合到三維模型中，應(yīng)用于公路工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和共享，滿足相關(guān)工程技術(shù)人員協(xié)同工作的需要，能夠快速響應(yīng)工程信息并控制工程流程，對(duì)整個(gè)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality），是一種近些年興起的新技術(shù)，它可以將虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行有效的融合，通過計(jì)算機(jī)科學(xué)對(duì)相關(guān)虛擬信息進(jìn)行仿真并疊加于現(xiàn)實(shí)世界中，在同一畫面中同時(shí)存在實(shí)時(shí)疊加的虛擬物體和現(xiàn)實(shí)空間，體驗(yàn)者通過視覺、觸覺、聽覺、味覺等感官感知相應(yīng)的信息，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。

目前，BIM技術(shù)在公路工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)階段得到了不斷發(fā)展，對(duì)BIM三維模型的交互要求也變得越來越高。與此同時(shí)，新硬件和計(jì)算機(jī)視覺增強(qiáng)算法的快速發(fā)展也使得AR技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，這使得BIM和AR相融合的技術(shù)成為可能。因此可以提出一種方案，將BIM技術(shù)與AR技術(shù)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(shù)的研究現(xiàn)狀

隨著BIM技術(shù)在公路工程領(lǐng)域的廣泛推廣和應(yīng)用，僅僅通過BIM技術(shù)來完成整個(gè)工程的協(xié)作已經(jīng)無法滿足當(dāng)前項(xiàng)目的需要，多專業(yè)技術(shù)的融合逐漸被提出。隨著AR技術(shù)的興起，BIM+AR技術(shù)的融合也受到越來越多人的關(guān)注。然而從目前來看，BIM+AR技術(shù)的融合更多是在單個(gè)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(jìn)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(guān)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(yáng)等人提出了將BIM技術(shù)和AR技術(shù)相結(jié)合，實(shí)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(xì)節(jié)信息的效果，從而實(shí)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(shù)和AR技術(shù)相結(jié)合形成智慧圖紙，實(shí)現(xiàn)了二維圖紙的三維可視化，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及樣板實(shí)景的便攜化，以及現(xiàn)場(chǎng)施工無圖紙化效果[2]。高展望等人提出了將BIM+AR技術(shù)應(yīng)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(shù)實(shí)訓(xùn)、裝配式可視化施工、建造信息集成及復(fù)用、全生命周期運(yùn)行維護(hù)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(dǎo)入平板電腦，用戶可以通過定位當(dāng)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(shù)從設(shè)計(jì)階段應(yīng)用到施工階段，這非常適合于施工階段的預(yù)設(shè)任務(wù)。用戶可以在AR環(huán)境中查看已完成的設(shè)計(jì)階段BIM模型及相關(guān)數(shù)據(jù)，以協(xié)助現(xiàn)場(chǎng)施工[5]。

基于以上分析，需要研究一個(gè)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(tái)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)應(yīng)答、交互協(xié)作等功能，并通過AR技術(shù)的直觀展示為用戶提供有效的、有價(jià)值的BIM信息。該平臺(tái)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(shù)的界面在BIM環(huán)境中共享數(shù)據(jù)。

2 BIM+AR技術(shù)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(guān)研究主要解決了在有限單個(gè)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(duì)多個(gè)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(gè)允許不同地理空間的用戶通過使用本地化AR設(shè)備，對(duì)云視覺和信息數(shù)據(jù)集進(jìn)行交互的工具。

需要解決的問題主要有以下幾點(diǎn)：

a）通過AR進(jìn)行實(shí)時(shí)多用戶交互。公路工程行業(yè)目前越來越需要多個(gè)參與者通過BIM技術(shù)參與工程設(shè)計(jì)，當(dāng)前大部分的AR設(shè)備都集中在獨(dú)立的應(yīng)用程序上，因此，通過AR進(jìn)行實(shí)時(shí)多用戶交互具有很重要的意義。

b）實(shí)時(shí)雙向同步信息傳輸。實(shí)時(shí)雙向同步信息傳輸能夠豐富和完善BIM流程，滿足相關(guān)使用者信息同步傳輸?shù)男枰Ｄ壳巴ㄟ^AR進(jìn)行實(shí)時(shí)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(xiàng)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行地理定位的能力是BIM技術(shù)的一個(gè)基本方面，但是這種能力尚未出現(xiàn)在BIM+AR領(lǐng)域中。

d）通過移動(dòng)設(shè)備將BIM模型數(shù)據(jù)集成到AR中。移動(dòng)設(shè)備目前已經(jīng)在公路工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(dòng)設(shè)備中。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，BIM+AR技術(shù)平臺(tái)的底層框架如圖1所示。客戶端-服務(wù)器方法將允許多個(gè)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(kù)將多個(gè)用戶的設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)其中，并通過服務(wù)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(shù)平臺(tái)底層框架

3 BIM+AR技術(shù)的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

為保證系統(tǒng)部署過程的靈活性、可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，BIM+AR平臺(tái)采用分層、模塊化的開發(fā)方式。在不影響現(xiàn)有平臺(tái)穩(wěn)定性的前提下，該平臺(tái)可根據(jù)相關(guān)需求的優(yōu)先級(jí)對(duì)功能范圍進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整或擴(kuò)展，以滿足實(shí)際工程的需要。同時(shí)，為保證對(duì)第三方系統(tǒng)的兼容性，該平臺(tái)建立了相關(guān)的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，防止后續(xù)其他系統(tǒng)接入時(shí)產(chǎn)生無法兼容的情況。

該平臺(tái)的目標(biāo)是為用戶提供可視化、可交互的AR體驗(yàn)和向BIM模型數(shù)據(jù)添加信息的能力。應(yīng)用程序的所有代碼都采用C#語(yǔ)言編寫，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。該平臺(tái)具有清晰的用戶數(shù)據(jù)視圖（例如AR應(yīng)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(dú)表示并以不同的方式呈現(xiàn)給用戶。MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和管理了用戶在該平臺(tái)會(huì)話期間添加的所有數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息單獨(dú)存儲(chǔ)在云服務(wù)器的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，視圖主要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)AR應(yīng)用程序。

BIM+AR平臺(tái)的一大亮點(diǎn)是能夠創(chuàng)建多用戶會(huì)話的協(xié)作功能。此功能允許多組用戶同時(shí)處理數(shù)據(jù)，會(huì)話允許用戶連接數(shù)據(jù)庫(kù)上的一組特定信息。當(dāng)用戶在任意應(yīng)用程序上登錄同一會(huì)話時(shí)，添加的任何數(shù)據(jù)信息都將在用戶之間同步傳輸。會(huì)話基于Web的跨平臺(tái)特性，將網(wǎng)絡(luò)特有的終端之間的D2D通信和移動(dòng)邊緣計(jì)算等基礎(chǔ)架構(gòu)應(yīng)用到多終端遠(yuǎn)程協(xié)作計(jì)算中，實(shí)現(xiàn)了一種基于跨平臺(tái)的多用戶遠(yuǎn)程交互協(xié)作計(jì)算服務(wù)模式，解決面向異構(gòu)AR終端的應(yīng)用跨平臺(tái)提供問題。

4 BIM+AR技術(shù)的應(yīng)用

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

面對(duì)現(xiàn)有大部分AR應(yīng)用需要額外的專用設(shè)備或者基于特定App的難以跨平臺(tái)提供的技術(shù)難題，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工人員難以將工程設(shè)計(jì)圖紙快速與BIM模型實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)；該平臺(tái)利用網(wǎng)頁(yè)超鏈接機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了基于Web網(wǎng)頁(yè)、微信公眾號(hào)等體驗(yàn)AR的應(yīng)用功能，使AR服務(wù)脫離于專門的物理設(shè)備和App，這種新模式依托移動(dòng)Web技術(shù)，具有更好的用戶體驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 識(shí)別圖紙展示BIM三維模型

此外，該平臺(tái)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(biāo)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(dú)立使用相同的標(biāo)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(tái)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(biāo)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(yǔ)

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

本文提出了一種將BIM+AR技術(shù)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(tái)中，用戶通過掃描圖紙信息來與AR同步交互。在AR會(huì)話期間，用戶可以將模型對(duì)應(yīng)的屬性信息動(dòng)態(tài)添加到AR環(huán)境中并存儲(chǔ)于在線數(shù)據(jù)庫(kù)，任何用戶都可以立即訪問該數(shù)據(jù)庫(kù)。

本文研究的問題側(cè)重于提供一種有效且有價(jià)值的方法用于支持公路工程領(lǐng)域相關(guān)設(shè)計(jì)施工人員進(jìn)行實(shí)時(shí)、交互式的協(xié)作，通過特定的實(shí)時(shí)反饋機(jī)制及獨(dú)特的AR技術(shù)可視化展示，為用戶提供良好的體驗(yàn)，該方法是提升公路工程品質(zhì)和綜合競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段，具有較為廣闊的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值。