露天礦“BIM+VR”平臺搭建技術(shù)

楊 旭

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)，又稱靈境技術(shù)，通過計算機圖形構(gòu)成的三維數(shù)字模型，產(chǎn)生一種逼真的“虛擬環(huán)境”，從而用戶在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于真實露天礦區(qū)的感覺，用戶可以根據(jù)需要變換視角、觀察礦區(qū)不同時間段內(nèi)的動態(tài)變化過程[1]。隨著計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，VR 技術(shù)已經(jīng)倍受各行各業(yè)的關(guān)注，越來越多的行業(yè)正嘗試將VR 應(yīng)用到本行業(yè)中來[2]。

傳統(tǒng)的礦山設(shè)計、地質(zhì)、測繪人員等習(xí)慣于信息的二維表示，如平面圖、俯視圖、等值線圖等[3]。設(shè)計人員在設(shè)計圖紙的，要在腦海中構(gòu)建三維模型關(guān)系，這往往會使一些重要的設(shè)計信息被忽略，從而導(dǎo)致設(shè)計不能指導(dǎo)現(xiàn)場實際施工。為此，基于精細(xì)化模型，研究采－運－排－復(fù)工程的精細(xì)時空演化過程、時間標(biāo)定及信息同步自動創(chuàng)建的實現(xiàn)途徑，實現(xiàn)虛擬開采[4-5]。露天礦“BIM＋VR”平臺可使設(shè)計人員在設(shè)計采、運、排、復(fù)時空關(guān)系上，利用三維模型虛擬現(xiàn)場作業(yè)場景；使設(shè)計者身臨其境，檢查設(shè)計各環(huán)節(jié)中存在的問題，對于不滿意的地方能及時做出修改調(diào)整。

1 BIM＋VR 平臺

1.1 技術(shù)路線

通過BIM 平臺，將露天礦項目模型與VR 系統(tǒng)結(jié)合，研究“BIM＋VR”技術(shù)在設(shè)計方案模擬、優(yōu)化、施工圖設(shè)計、審查、交底、安全教育、事故模擬等方面的應(yīng)用。

Lumen RT 作為VR 渲染引擎，支持地形、場景、河流、樹木、人物、附屬建筑、設(shè)施、車輛、天氣、季節(jié)、時間、燈光、太陽方位等自定義，也可添加LOGO及注釋，同時可以針對設(shè)計模型進(jìn)行材質(zhì)分配、制作效果圖、漫游動畫等。

Unity 3D 作為VR 交互引擎，包含模型、材質(zhì)、動畫等多種模型信息，為避免設(shè)計模型到VR 模型轉(zhuǎn)換過程中丟失大量信息，基于JSON 的數(shù)據(jù)接口調(diào)用技術(shù)，開發(fā)Web Service 接口，實現(xiàn)設(shè)計模型到VR模型的轉(zhuǎn)換。設(shè)計模型與VR 模型轉(zhuǎn)換線路如圖1。

圖1 設(shè)計模型與VR 模型轉(zhuǎn)換路線

BIM 模型作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，Unity 3D 作為VR 引擎，VR 眼鏡或其它VR 設(shè)備作為終端，通過腳本定義實現(xiàn)交互動作的設(shè)計，搭建完整的VR 系統(tǒng)。

1.2 BIM 源模型處理

要將BIM 與VR 結(jié)合起來，往往需要先基于已有的BIM 模型，進(jìn)行模型的基礎(chǔ)格式轉(zhuǎn)換、提取，進(jìn)行一定程度的幾何形體輕量化和效果處理，摒棄BIM 模型冗余屬性及信息，處理后的模型具有外觀形體和必要的屬性信息，以此作為VR 體驗后續(xù)開發(fā)的模型，進(jìn)行外觀效果的優(yōu)化。無論對于哪種模型處理形式，對BIM 源模型的處理操作都是基礎(chǔ)與重點，直接影響后續(xù)VR 體驗的效果。

1）材質(zhì)。所有的規(guī)范BIM 模型都是單個信息構(gòu)件的集合，每個構(gòu)件以及構(gòu)件的分解單元都含有與現(xiàn)實相符的材質(zhì)屬性，而幾乎所有的三維效果或?qū)崟r展示平臺對外部模型的識別讀取都是以材質(zhì)名稱為基礎(chǔ)。因此為保證可編輯性，須保證BIM 源模型中每個構(gòu)件與現(xiàn)實材質(zhì)名稱一一對應(yīng)，不同材質(zhì)構(gòu)件的材質(zhì)參數(shù)名稱不可混淆，也不可用系統(tǒng)默認(rèn)材質(zhì)參數(shù)，現(xiàn)實中為相同材質(zhì)的構(gòu)件盡量用同一種材質(zhì)名稱。

2）模型面數(shù)。由于所有的三維效果軟件及VR 處理平臺運行速率與處理效率受模型面數(shù)的影響非常大，故BIM 源模型在滿足項目需求的前提下盡量優(yōu)化降低曲面構(gòu)件的數(shù)量。另外基于第三方專業(yè)插件進(jìn)行BIM 源模型導(dǎo)出時，在不影響外觀效果和屬性的前提下盡量選擇對垂直物體進(jìn)行自動優(yōu)化。

3）模型傳遞。基于不同的平臺以及具體工作形式，BIM 與VR 的結(jié)合應(yīng)用常需要利用第三方格式模型的傳遞與讀取，常見的第三方中間格式有IFC、FBX、DAE、OBJ 等等。中間格式模型的生成方式有多種，有用BIM 源模型建模軟件自帶的格式導(dǎo)出，還有用第三方外部插件進(jìn)行導(dǎo)出，其中會有眾多導(dǎo)出選項，導(dǎo)出的格式效果較好。

2 BIM＋VR 露天礦工程展示

1）設(shè)計方案審查優(yōu)化。設(shè)計前期，與業(yè)主需要溝通交流方案的可行性，BIM＋VR 技術(shù)可以讓業(yè)主身臨其境的體驗每種方案的優(yōu)缺點，從而確定最優(yōu)方案，更快速的做出決策。方案設(shè)計完成后，將模型導(dǎo)入Lumen RT 中，進(jìn)行地形的契合，模擬項目所在地的實時氣候、時間等。某露天礦輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)布置方案采用BIM＋VR 技術(shù)的展示流程，采用Lumen RT 引擎渲染，佩戴VR 眼鏡漫游?；贐IM＋VR 技術(shù)建立的實景模型如圖2。

圖2 基于BIM＋VR 技術(shù)建立的實景模型

2）施工圖設(shè)計碰撞檢查。BIM 模型與VR 設(shè)備連接，不僅可以體驗BIM 模型的空間與外在展示效果，更可直接選擇與讀取源BIM 模型中構(gòu)件的屬性，如尺寸、材質(zhì)、功能、wbs 劃分等原始BIM 信息，利用BIM＋VR 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計二次檢查碰撞。利用VR 技術(shù)進(jìn)行碰撞檢查如圖3，記錄檢查碰撞結(jié)果再由各專業(yè)負(fù)責(zé)人員確認(rèn)。

圖3 利用VR 技術(shù)進(jìn)行碰撞檢查

3）安全教育模擬展示。在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，用戶獲得沉浸感，置身于虛擬世界并與之交互。有效的虛擬現(xiàn)實體驗會讓用戶身臨其境，并專注于虛擬環(huán)境中存在對象[6]。BIM 模型作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，根據(jù)施工和安全教育的不同需求，采用Unity 3D 或其他軟件作為VR 引擎，定制VR 場景，VR 眼鏡或其它VR 設(shè)備作為終端，通過腳本定義實現(xiàn)交互動作的設(shè)計，即可搭建完整的VR 系統(tǒng)。

3 安全教育體驗

1）應(yīng)用場景。通過模擬實際場景和虛擬作業(yè)環(huán)境等方式，結(jié)合人體互感、VR、AR、全息、云服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)科技，打造全新的數(shù)字化安全教育模擬。其建設(shè)理念為模塊化教育設(shè)備、場景化學(xué)習(xí)內(nèi)容、數(shù)字化培訓(xùn)管理、創(chuàng)新式科技應(yīng)用。

2）核心功能。其核心功能有：①模塊化教育設(shè)備：2 套標(biāo)準(zhǔn)展館，40 余種教育設(shè)備可自由組合；②場景化學(xué)習(xí)內(nèi)容：VR 虛擬場景＋實體模擬化作業(yè)，更加貼切工人工作環(huán)境；③數(shù)字化培訓(xùn)管理：記錄參加培訓(xùn)工人信息，可與勞務(wù)實名制對接，實現(xiàn)教育數(shù)據(jù)價值最大化；④創(chuàng)新式科技應(yīng)用：AR、VR、5G、全息、智能安全教育機器人等先進(jìn)技術(shù)及產(chǎn)品應(yīng)用，教育效果成倍提升。

3）VR 安全教育。利用基于煤炭企業(yè)虛擬系統(tǒng)的各種三維可視化功能，以及其自身的各種虛擬操作如交互功能，并配以一定的聲、光效果，給人一種身臨其境的感覺[7]。用戶在使用VR 安全教育培訓(xùn)系統(tǒng)的時候，可以根據(jù)自己的時間、地點去選擇自己要培訓(xùn)的項目或內(nèi)容。而不是像傳統(tǒng)安全培訓(xùn)一樣必須在固定的時間、地點去進(jìn)行培訓(xùn)。VR 安全培訓(xùn)采用實景化的操作，會使學(xué)員對產(chǎn)品、道具等有直觀的印象，而不是像傳統(tǒng)的安全培訓(xùn)一樣，需要依靠循環(huán)記憶才能達(dá)到培訓(xùn)的效果。通過VR 安全培訓(xùn)提高員工對于危險的回避和應(yīng)對意識，提升員工的應(yīng)急響應(yīng)能力；VR 技術(shù)通過多維度、更立體的方式為受眾展示各種場景，使學(xué)員真切感知危險狀況的突發(fā)性，同時提升自身的應(yīng)對能力，有安全意識才能夠更好的回避風(fēng)險以及解決風(fēng)險。虛擬體驗區(qū)比實體體驗區(qū)更能展現(xiàn)更多的體驗場景，例如難于搭建的場景、危險性很高的場景等。同時VR 場景更加真實完整，體驗感更強，安全教育效果更加明顯[8]。

4 結(jié)語

介紹了露天礦“BIM＋VR”平臺技術(shù)，露天礦“BIM＋VR”技術(shù)在智能化礦山中的應(yīng)用主要集中在工程設(shè)計的碰撞檢查、露天礦山生產(chǎn)過程中動態(tài)模擬以及安全教育培訓(xùn)。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬出真實作業(yè)場景，并可實現(xiàn)實時交互，對提高礦山生產(chǎn)技術(shù)水平，加強安全防范意識具有重要的積極意義。