基于Unity3D的水庫大壩巡視檢查培訓系統(tǒng)

葛從兵，陳 劍，嚴吉皞

(南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

水庫大壩是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要基礎設施，在發(fā)揮效益的同時，也存在一定的風險，一旦失事，后果不堪設想。通過布設監(jiān)測設施進行日常觀測，可以反映大壩安全性態(tài)。但監(jiān)測設施僅能監(jiān)測到點，不能全面覆蓋水庫大壩，存在漏檢和盲區(qū)[1]，僅有少部分安全隱患是由監(jiān)測設施發(fā)現(xiàn)的，大部分是由水庫管理人員、附近居民和游客發(fā)現(xiàn)的。因此，相關規(guī)范[2-3]明確規(guī)定水庫大壩巡視檢查是大壩安全監(jiān)測的重要組成部分。對于沒有監(jiān)測設施或監(jiān)測設施損壞的大部分中小型水庫，水庫大壩巡視檢查對保障水庫大壩安全運行尤為重要。但近年來發(fā)生的水庫安全事件，都是附近居民最先發(fā)現(xiàn)，而非水庫管理人員在日常巡視檢查中發(fā)現(xiàn)，這說明一些水庫大壩巡視檢查工作未達到要求，存在工作不規(guī)范、能力不足等問題。所以，開展水庫大壩巡視檢查培訓十分必要。

我國現(xiàn)有水庫大壩98 000多座，水庫大壩管理人員多，傳統(tǒng)培訓方式覆蓋面窄、成本高、時間長。鑒于此，本文研究嚴肅游戲[4]，應用BIM[5]、三維建模[6]和3D引擎[7]等技術，研發(fā)基于Unity3D[8-10]的水庫大壩巡視檢查培訓系統(tǒng)；通過互聯(lián)網(wǎng)，對水庫大壩管理人員進行培訓和考核，提高水庫大壩巡視檢查水平。

1 系統(tǒng)架構與功能

嚴肅游戲是以應用為目的，以知識傳遞、專業(yè)訓練和模擬為主要內(nèi)容的游戲，已經(jīng)廣泛應用于培訓、教育、科研、軍事、醫(yī)學、工業(yè)等領域，與水庫大壩巡視檢查網(wǎng)絡培訓需求相切合。借鑒嚴肅游戲理念，水庫大壩巡視檢查培訓系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、模型層和應用層組成，系統(tǒng)架構見圖1。數(shù)據(jù)層存儲用戶、巡視檢查知識、訓練方案、考核方案和考核成績等資料，為應用層提供數(shù)據(jù)儲備。模型層包括基礎環(huán)境、大壩BIM模型、巡檢點模型和缺陷模型等，為應用層提供模型支撐?；A環(huán)境采用Unity3D構建，大壩BIM模型采用BIM軟件根據(jù)大壩平面分布圖和大壩橫斷面分布圖建立，巡檢點模型和缺陷模型采用三維建模軟件根據(jù)巡檢點照片和缺陷照片建立。模型層通過集成和融合這些模型，仿真水庫樞紐場景。應用層基于數(shù)據(jù)層和模型層，應用Unity3D圖形用戶界面（UGUI）顯示巡視檢查知識，采用腳本（Script）控制第一人稱控制器（RigidBodyFPSController）視角，實現(xiàn)巡視檢查訓練、巡視檢查考核及系統(tǒng)管理。

圖1 系統(tǒng)架構Fig. 1 System architecture

水庫大壩巡視檢查培訓系統(tǒng)功能有巡視檢查知識、巡視檢查訓練、巡視檢查考核和系統(tǒng)管理。巡視檢查知識顯示不同類型巡視檢查的頻次要求、人員要求、主要方法和主要設備，以及巡視檢查部位和可能存在的缺陷類型。巡視檢查訓練以第一人稱控制器視角自動行進，遍歷所有巡檢點和缺陷，到達巡檢點時，顯示巡檢點及其類型、樁號和壩軸距；到達缺陷附近處時，顯示缺陷及其類型、樁號和壩軸距。巡視檢查考核隨機設置缺陷出現(xiàn)與否；當巡檢員行進至RFID[11]或GNSS[12]類型巡檢點，給出到位提醒；提供記錄視窗供巡檢員隨時記錄到達的巡檢點和發(fā)現(xiàn)的缺陷；根據(jù)巡檢員到達巡檢點和發(fā)現(xiàn)缺陷的情況，進行考核評分。系統(tǒng)管理對用戶和參數(shù)進行管理。

2 系統(tǒng)研發(fā)關鍵技術

2.1 大壩BIM建模

三維建模可以采用BIM建模，也可以采用三維軟件建模。BIM建模比三維軟件建模精度高，信息量大，但真實感和美觀不如三維軟件建模。本文對大壩采用BIM建模，對巡檢點和缺陷采用三維軟件建模。大壩建?？梢詮?開始，本文利用已有AutoCAD圖建模，可減少建模工作量。

（1）分布圖導入。在BIM軟件立面視圖中，建立基巖面、馬道、壩頂?shù)葮烁?；在基巖面視圖中，導入AutoCAD格式的大壩平面分布圖；在有大壩橫斷面分布圖的位置創(chuàng)建剖面視圖，導入相應的AutoCAD格式的大壩橫斷面分布圖（圖2）。

圖2 大壩結(jié)構Fig. 2 Dam structure

（2）體量模型建立。采用BIM軟件的內(nèi)建體量功能，為大壩的土層、心墻、反濾層、排水棱體、上游護坡、下游護坡等建立體量模型。在各個大壩橫斷面分布圖的剖面視圖中，應用繪線或繪矩形工具，重新繪制各個大壩橫斷面分布圖上相應部分的封閉輪廓線；在三維視圖或分析模型視圖中，選擇所有大壩橫斷面分布圖上的封閉輪廓線，應用創(chuàng)建實心形狀功能，建立體量模型。

（3）地形表面創(chuàng)建。在場地視圖中，導入AutoCAD格式的大壩平面分布圖，應用通過導入創(chuàng)建表面功能，選擇大壩平面分布圖上等高線，創(chuàng)建兩岸山坡地形表面。

大壩BIM模型見圖3。

圖3 大壩BIM模型Fig. 3 Dam BIM model

2.2 巡檢點和缺陷的三維建模

巡檢點包括普通巡檢點、二維碼巡檢點、RFID巡檢點和GNSS巡檢點等，缺陷種類較多，包括裂縫、沉陷、隆起、滲水、管涌和流土等。巡檢點和缺陷模型采用三維建模軟件創(chuàng)建。

在三維建模軟件中，首先創(chuàng)建標準基本體，一般為長方體，利用轉(zhuǎn)換功能，將其轉(zhuǎn)為可編輯多邊形。然后進行基本體修改，在修改視窗中，選擇可編輯多邊形的頂點、邊、邊界、多邊形、元素，應用擴展欄中工具對長方體整體或局部進行修改，獲得所需形狀。最后進行材質(zhì)添加，在三維建模軟件中，打開材質(zhì)編輯器新增材質(zhì)，將新材質(zhì)的漫反射通道設為位圖，選擇渲染貼圖，再將新材質(zhì)指定給修改后的長方體。

2.3 水庫樞紐場景仿真

2.3.1 基礎環(huán)境創(chuàng)建 在Unity3D中，應用New Scene功能，創(chuàng)建基礎場景，包含攝像機和方向光；應用Terrain功能創(chuàng)建地形，Paint Height功能調(diào)整各處高程，Add Terrain Texture功能繪制紋理，Add Tree功能添加樹，Add Grass Texture功能添加草皮；將水預制件添加至場景，調(diào)整其大小和位置，形成水庫水體；將方向光的Shadow Type設為Hard Shadows，為方向光添加陰影；在Lighting視窗中，將Skybox Material設為Sunny1 Skybox，為場景添加天空盒，在Other Settings中選中Fog，為場景添加霧效。

2.3.2 大壩BIM模型集成 在BIM軟件中，將大壩BIM模型導出為fbx格式文件；在Unity3D中，采用文件復制方式導入fbx格式文件，形成大壩預制體；將大壩預制體添加場景，通過移動、旋轉(zhuǎn)、縮放，將大壩模型部署在兩個山體之間，如大壩與兩端山體銜接不好，應用Paint Height功能調(diào)整山體范圍和高度。

2.3.3 巡檢點和缺陷模型融合 在三維模型軟件中，將巡檢點和缺陷模型導出為fbx格式文件；在Unity3D中，采用文件復制方式導入fbx格式文件，形成巡檢點預制體和缺陷預制體；將巡檢點預制體和缺陷預制體添加至場景，通過移動、旋轉(zhuǎn)、縮放，將巡檢點和缺陷部署至大壩表面，使巡檢點和缺陷與大壩融為一體。

2.3.4 角色控制 將第一人稱控制器預制體添加至場景，巡檢員以第一人稱控制器視角對大壩進行巡視檢查；由于第一人稱控制器自帶攝像機，刪除場景中原攝像機；依次為壩頂、防浪墻、馬道、上游護坡、下游護坡和兩側(cè)山體創(chuàng)建立方體，通過移動、旋轉(zhuǎn)、縮放使立方體與上述對象表面完全吻合；全選所有立方體，在Inspector視窗選中Box Collider，不選Mesh Renderer，使這些立方體阻擋第一人稱控制器穿透大壩表面，且不在場景中渲染。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

水庫大壩巡視檢查培訓系統(tǒng)運行在x86服務器上，要求CPU主頻2.0 GHz以上，內(nèi)存4 GB以上，硬盤500 GB以上，操作系統(tǒng)Windows Server 2008以上，數(shù)據(jù)庫MySQL 5.7以上，中間件Tomcat 8.0以上?？蛻舳艘笫褂弥髁鳛g覽器。

3.1 巡視檢查知識

巡視檢查知識功能采用文本（Text）控件顯示巡檢頻次、巡檢人員、巡檢方法、巡檢設備。巡視檢查內(nèi)容較多，將其轉(zhuǎn)換為圖片，在滾動視圖（Scroll View）里顯示，可以上下滾動。

3.2 巡視檢查訓練

（1）導航。設置導航點，構建覆蓋巡檢點和缺陷部位的導航路徑，使巡檢員按順序自動到達巡檢點，查看缺陷部位。為保證視角水平，避免上下抖動，每個導航點設置兩個目標對象：目標點和視角點。目標點在行進的道路上，是巡檢員要到達的地點；視角點在目標點上方1.5 m處，是巡檢員視角方向點。巡檢員走向下一個導航點時，首先用transform.LookAt（視角點）方法使巡檢員朝向?qū)Ш近c，然后用transform.position =Vector3.MoveTowards (transform.position, new Vector3 (目標點三維坐標), speed * Time.deltaTime)語句向?qū)Ш近c逐步行進。

（2）巡檢點和缺陷提示。巡檢員行進至導航點，通過Vector3.Distance(巡檢點位置, transform.position) ＜3查找距導航點3 m內(nèi)的巡檢點，Vector3.Distance(缺陷位置, transform.position) ＜ 15查找距導航點15 m內(nèi)的缺陷，并顯示符合條件的巡檢點或缺陷的信息。

（3）訓練流程。巡檢員，即第一人稱控制器按照導航點順序在大壩上自動行進；到達導航點，搜尋附近巡視點和缺陷；將視角轉(zhuǎn)向巡視點或缺陷，顯示相關信息，等待巡檢員確認后繼續(xù)。

3.3 巡視檢查考核

（1）缺陷設置。每次考核，顯示不同的缺陷，以便檢查巡檢員發(fā)現(xiàn)缺陷的能力。缺陷顯示與否，采用隨機函數(shù)確定。在[0,100]之間生成一個小于50的條件數(shù)，盡可能保證顯示50%以上的缺陷；針對每一個缺陷，在[0,100]之間生成一個隨機數(shù)，隨機數(shù)大于條件數(shù)，則顯示該缺陷。

（2）到位提醒。巡檢儀能夠近距離感應RFID巡檢點，而GNSS巡檢點不可見，需巡檢儀根據(jù)定位信息確定是否到位。因此，巡視檢查考核時，系統(tǒng)模擬巡檢儀，對RFID巡檢點和GNSS巡檢點進行到位提醒。巡檢員行進過程中，系統(tǒng)采用Vector3.Distance(巡檢點位置, transform.position)方法持續(xù)計算RFID巡檢點和GNSS巡檢點與巡檢員之間距離。當距離小于3 m時，顯示巡檢點到位。

（3）記錄。考核時，當巡檢員人員認為到達巡檢點或發(fā)現(xiàn)缺陷，可以單擊“巡檢點到位”或“缺陷記錄”進行記錄。巡檢點到位，可選擇巡檢點類型，但樁號和壩軸距不能修改，以保證真實地記錄巡檢員實際到達位置。缺陷記錄，可選擇缺陷類型，樁號和壩軸距可以根據(jù)估算填寫，為了保證位置準確，巡檢員盡可能靠近缺陷部位。

（4）評分。根據(jù)巡檢點和缺陷記錄計算考核成績。比較類型、樁號和壩軸距等信息，確定記錄中巡檢點和缺陷是否為系統(tǒng)設置的巡檢點和缺陷。如是，將按比例得分；否則，按比例扣分，以防巡檢員任意填寫。

4 結(jié) 語

依據(jù)水庫大壩巡視檢查要求，建立存儲用戶、巡視檢查知識、訓練方案、考核方案和考核成績等內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫。應用BIM軟件，根據(jù)大壩平面分布圖和大壩橫斷面分布圖建立大壩BIM模型；應用三維建模軟件，根據(jù)巡檢點照片和缺陷照片建立巡檢點模型和缺陷模型；應用Unity3D，集成和融合大壩BIM模型、巡檢點模型和缺陷模型，仿真水庫樞紐場景。在數(shù)據(jù)庫和模型基礎上，應用UGUI和腳本研發(fā)基于Unity3D的水庫大壩巡視檢查培訓系統(tǒng)。水庫大壩巡視檢查培訓系統(tǒng)能夠向用戶傳授巡視檢查知識，對用戶進行巡視檢查訓練和考核。水庫大壩巡視檢查培訓系統(tǒng)是一個突破時空限制的水庫大壩巡視檢查訓練和考核網(wǎng)絡平臺，具有覆蓋面廣、培訓成本低、培訓時間短等特點，水庫管理人員可隨時隨地訪問該系統(tǒng)，接受巡視檢查訓練和考核，提高水庫大壩巡視檢查水平。