BIM+AR技術(shù)在高鐵無砟軌道監(jiān)測中的應(yīng)用研究

曹志強(qiáng),何越磊,路宏遙,趙彥旭

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,上海 201620； 2.中鐵二十一局集團(tuán)有限公司,蘭州 730070)

引言

目前，雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)總體服役狀況良好，然而在復(fù)雜氣候條件與列車荷載共同作用下，無砟道床的性能劣化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)預(yù)期[1]，道床板逐漸出現(xiàn)裂縫、上拱等結(jié)構(gòu)傷損，這些病害會破壞軌道結(jié)構(gòu)的整體性，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取適當(dāng)?shù)恼未胧?，將會影響軌道結(jié)構(gòu)耐久性，且下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致軌道幾何形位發(fā)生改變，最終危及行車安全[2-4]。道床板服役狀態(tài)監(jiān)測是保障高速鐵路結(jié)構(gòu)安全可控和列車長期安全運(yùn)營的重要技術(shù)手段，利用不同類型的傳感器對道床板服役關(guān)鍵參數(shù)實(shí)施不間斷監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)異常，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)道床板傷損，為養(yǎng)護(hù)維修提供決策依據(jù)[5]?，F(xiàn)有監(jiān)測信息主要通過平面圖紙和表格的方式呈現(xiàn)，基本滿足監(jiān)測信息表達(dá)和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析需求，但在效率和直觀性上有所欠缺。

建筑信息模型(BIM，Building Information Modeling)技術(shù)具有數(shù)字化程度高、可視化效果好、模擬功能強(qiáng)等特點(diǎn)，可將不同的工程信息集成到參數(shù)化模型中，解決了工程項(xiàng)目從勘測設(shè)計(jì)到建設(shè)運(yùn)維中信息閉塞、效率低下等問題[6-8]。BIM在軌道工程領(lǐng)域中的應(yīng)用日趨成熟，應(yīng)用方向集中在正向設(shè)計(jì)、施工模擬、工程算量等[9]，但在無砟軌道監(jiān)測方面的應(yīng)用研究還比較少。作為一個(gè)有效的可視化工具，BIM可為高鐵無砟道床監(jiān)測提供一個(gè)良好的三維表達(dá)環(huán)境，更加直觀地呈現(xiàn)監(jiān)測信息[10]。

為此，將BIM和AR技術(shù)與雙塊式無砟軌道監(jiān)測相結(jié)合，開發(fā)了道床板監(jiān)測傳感器參數(shù)和布點(diǎn)信息AR查詢終端，利用Dynamo進(jìn)行參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)批量處理，將模型與實(shí)測數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)道床板變形三維可視化，使管理人員能夠直觀地觀察道床板的空間狀態(tài)，為無砟道床監(jiān)測提供了高效的信息管理方法，也為道床板傷損變形相關(guān)理論研究提供參考。

1 工程背景與建模

1.1 工程背景

蘭新高鐵采用雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)，其大部分地段處于溫差大、風(fēng)沙大、日照強(qiáng)、干旱缺水等惡劣自然氣候條件下，全線極端最低氣溫-20～-43 ℃，均處嚴(yán)寒地區(qū)，最大年氣溫差在烏魯木齊地區(qū)達(dá)到82 ℃。受環(huán)境因素影響，混凝土縱向收縮及溫度變形大，導(dǎo)致道床板極易開裂[11-14]。本監(jiān)測項(xiàng)目位于甘肅省張掖市，經(jīng)過前期調(diào)研，總結(jié)出該地區(qū)雙塊式無砟軌道主要結(jié)構(gòu)病害：道床板伸縮嵌縫膠離縫、道床板裂紋、封閉層上拱等。針對上述病害制定監(jiān)測方案，關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)包括：道床板內(nèi)部溫度和應(yīng)變、板端位移、板角傾角等。

1.2 三維模型搭建

BIM模型可直觀地展現(xiàn)雙塊式無砟軌道的尺寸、形狀等幾何信息以及材料、性能等非幾何信息，是傳遞各種監(jiān)測設(shè)備參數(shù)及布設(shè)信息的載體。采用Revit軟件搭建數(shù)字化模型。

1.2.1 雙塊式無砟軌道模型

無砟軌道結(jié)構(gòu)中涉及的重復(fù)構(gòu)件數(shù)量眾多，Revit作為一個(gè)精細(xì)且高效的BIM軟件，通過建立雙塊式無砟軌道基本結(jié)構(gòu)模型族庫，建模時(shí)直接調(diào)取使用，大大提高了模型搭建效率。族庫中包括鋼軌族、承軌臺扣件一體化族、道床板和支承層族。圖1為族庫和搭建完成的整體模型。

圖1 雙塊式無砟軌道族庫和模型

1.2.2 監(jiān)測設(shè)備模型

根據(jù)監(jiān)測設(shè)備的實(shí)物尺寸信息建立傳感器BIM模型，分別用于采集道床板內(nèi)部溫度和應(yīng)變、板角傾角、板端位移數(shù)據(jù)并傳輸至云端，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測設(shè)備模型

1.2.3 其他構(gòu)件模型

其他構(gòu)件包括各傳感器保護(hù)工裝、配電箱、電纜線等，其作用是輔助監(jiān)測設(shè)備的安裝和運(yùn)行。

2 監(jiān)測信息查詢與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)

2.1 AR監(jiān)測信息查詢

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Augemented Reality，AR)是一種能夠?qū)⑻摂M世界信息與真實(shí)世界信息疊加顯示，以增強(qiáng)真實(shí)世界表現(xiàn)力的新興技術(shù)，擁有沉浸式仿真體驗(yàn)的效果，目前已在工程領(lǐng)域有初步應(yīng)用[15-17]。基于Unity3D平臺，采用PTC的虛實(shí)融合工具包Vuforia，開發(fā)了道床板監(jiān)測布點(diǎn)信息與傳感器參數(shù)信息AR查詢終端。在移動(dòng)設(shè)備上，通過該終端掃描現(xiàn)場圖像和監(jiān)測設(shè)備，可將搭建的模型疊加顯示到真實(shí)環(huán)境中，有效提高監(jiān)測信息查詢的直觀性和便利性，圖3為終端開發(fā)的技術(shù)路線。

圖3 終端開發(fā)技術(shù)路線

該終端具有圖像識別和三維目標(biāo)識別功能，以測點(diǎn)位置處的現(xiàn)場照片作為圖片識別對象，開發(fā)了監(jiān)測布點(diǎn)信息AR查看功能，以傳感器為三維目標(biāo)識別對象，開發(fā)了監(jiān)測設(shè)備參數(shù)信息查詢功能。具體開發(fā)流程如下。

(1)新建Unity3D工程，導(dǎo)入Vuforia開發(fā)包，在層級中添加AR Camera(攝像頭)、Image Target(待識別的圖像)和Object Target(待識別的三維目標(biāo))。在Vuforia官網(wǎng)中生成圖像與三維目標(biāo)數(shù)據(jù)集文件，并下載導(dǎo)入至Unity3D工程，在Database屬性欄里選擇該數(shù)據(jù)集文件。

(2)將搭建好的BIM模型轉(zhuǎn)換為FBX格式并導(dǎo)入工程中，為不同構(gòu)件模型賦予材質(zhì)信息，根據(jù)應(yīng)用設(shè)計(jì)，將模型布置在待識別圖像的合適位置，并按照實(shí)際安裝方式為傳感器模型添加動(dòng)畫效果。

(3)在項(xiàng)目文件中編寫旋轉(zhuǎn)、縮放等人機(jī)交互腳本，添加到模型組件。

(4)獲取程序運(yùn)行所需的Lincense Key并添加到Vuforia布局中，測試運(yùn)行后，選擇需打包的場景，以.apk的格式發(fā)布至移動(dòng)端。

2.2 數(shù)據(jù)批處理與模型聯(lián)動(dòng)

道床板服役狀態(tài)監(jiān)測具有監(jiān)測時(shí)間長、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)[18]，傳統(tǒng)監(jiān)測方案在面對大量數(shù)據(jù)時(shí)缺乏高效的批量處理手段，在數(shù)據(jù)分析方面難以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和對象的直觀對應(yīng)，造成監(jiān)測信息難以充分理解和利用。為此，以板端傾角監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，借助參數(shù)化設(shè)計(jì)插件Dynamo，將監(jiān)測數(shù)據(jù)代入BIM環(huán)境中。Dynamo是一個(gè)基于Revit的可視化編程平臺，擁有自己獨(dú)特的編程語言，通過基于節(jié)點(diǎn)的編譯接口實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算，可在3D空間中生成模型和處理數(shù)據(jù)[19]，數(shù)據(jù)與模型聯(lián)動(dòng)流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)與模型聯(lián)動(dòng)流程

水平雙軸傾角傳感器安裝工況如圖5所示，安裝位置位于道床板板角處，可同時(shí)監(jiān)測板端俯仰角和翻轉(zhuǎn)角的變化情況。雙塊式道床板關(guān)于板中縱向和徑向軸線均為對稱結(jié)構(gòu)，在用實(shí)測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)時(shí)，采用對稱的方式模擬道床板變形情況，即板端傾角變化呈對稱分布。取24 h監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，將俯仰角和翻轉(zhuǎn)角的平均值作為初始水平狀態(tài)。

圖5 傾角傳感器安裝工況

2.2.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與處理

以板端俯仰角監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，說明通過Dynamo導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)和批量處理的過程。圖6為數(shù)據(jù)導(dǎo)入和處理的節(jié)點(diǎn)圖，利用Data. Import Excel節(jié)點(diǎn)讀取Excel中的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為Dynamo中的數(shù)據(jù)，按列提取所需數(shù)據(jù)并保存在列表List中；批量計(jì)算俯仰角平均值，將所有數(shù)據(jù)作去均值處理；然后，根據(jù)道床板模型參數(shù)需求，將提取的數(shù)據(jù)作放大處理，以獲得更加顯著的模型動(dòng)態(tài)變化效果。

圖6 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與處理節(jié)點(diǎn)

2.2.2 道床板模型與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)

為判斷結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)，進(jìn)一步分析道床板變形特征，動(dòng)態(tài)展示道床板位移和變形情況，需將處理好的監(jiān)測數(shù)據(jù)與道床板模型相關(guān)聯(lián)，而Revit建模本身存在局限性，無法創(chuàng)建動(dòng)態(tài)的異形圖元。針對這一問題，Dynamo提供了解決方案：通過可視化編程，創(chuàng)建輕量化的道床板模型，在模型上預(yù)留參數(shù)接口，將批量處理的數(shù)據(jù)與模型參數(shù)接口對接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型的動(dòng)態(tài)結(jié)合。圖7為在實(shí)測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)下的道床板模型空間狀態(tài)。

圖7 道床板與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

該模型以放樣掃掠的方式創(chuàng)建，首先，建立空間坐標(biāo)系，輸入閉合輪廓與掃掠路徑的控制點(diǎn)；然后，用直線和圓弧連接控制點(diǎn)形成閉合輪廓，利用樣條曲線擬合放樣路徑，通過Solid.BySweep節(jié)點(diǎn)將閉合輪廓沿著該路徑進(jìn)行掃掠；最終形成輕量化的道床板模型。圓弧中心控制點(diǎn)和樣條曲線端部控制點(diǎn)的z軸坐標(biāo)值由傾角傳感器實(shí)測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

3 功能應(yīng)用

3.1 AR監(jiān)測信息查看功能

蘭新高鐵道床板監(jiān)測點(diǎn)位于元山隧道口的路基段和橋梁段，兩個(gè)測點(diǎn)傳感器布置形式基本相同。以路基段為例，溫度和應(yīng)變傳感器布置在道床板中部距板表面260 mm深度范圍內(nèi)，位移傳感器布置在道床板端部接縫位置，傾角傳感器布置在板角處。

3.1.1 監(jiān)測布點(diǎn)信息查詢

如圖8所示，用戶通過移動(dòng)設(shè)備打開此終端，自動(dòng)調(diào)用設(shè)備攝像頭，將現(xiàn)場圖像置于攝像頭取景框內(nèi)，通過手機(jī)屏幕查看道床板、監(jiān)測裝置等設(shè)施的三維模型以及傳感器安裝的動(dòng)畫演示，與現(xiàn)場布點(diǎn)和安裝情況一致。通過點(diǎn)擊、滑動(dòng)屏幕等人機(jī)交互方式，可實(shí)現(xiàn)AR模型旋轉(zhuǎn)和縮放功能，方便對現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備布設(shè)和安裝的細(xì)節(jié)作進(jìn)一步查看。

圖8 AR監(jiān)測布點(diǎn)信息查詢

3.1.2 監(jiān)測設(shè)備參數(shù)信息查詢

將現(xiàn)場所安裝的監(jiān)測傳感器作為三維識別目標(biāo)，從不同角度掃描監(jiān)測設(shè)備均能將傳感器的信息模型呈現(xiàn)在設(shè)備屏幕中，用戶通過UI交互按鈕可方便地查看該監(jiān)測設(shè)備的參數(shù)信息，圖9為傾角傳感器的識別測試效果。

圖9 AR傳感器參數(shù)信息查詢

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)三維查看功能

本監(jiān)測項(xiàng)目所使用傾角傳感器的測量精度為±0.01°，監(jiān)測頻率為1次/5 min，傾角計(jì)對道床板監(jiān)測的空間坐標(biāo)系原則規(guī)定如下：水平徑向?yàn)閤向，線路中心軸線方向?yàn)閥向，豎直向下方向?yàn)閦向[20]；俯仰角為沿x軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值，俯角為正，仰角為負(fù)；翻轉(zhuǎn)角為沿y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。

圖10為2021年4月16日全天整點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)，從圖10可以看出，俯仰角繞x軸循環(huán)變化規(guī)律為：由仰角到俯角再到仰角，翻轉(zhuǎn)角變化規(guī)律同理，因此，道床板呈現(xiàn)從板端翹曲狀態(tài)到板中上拱狀態(tài)的變化趨勢，傾角變化峰值出現(xiàn)在4：00和16：00附近，且每天變化趨勢基本相同。

圖10 道床板板端俯仰角和翻轉(zhuǎn)角變化情況

當(dāng)日正溫度梯度幅值為91.9 ℃/m，出現(xiàn)在16：00附近，正溫度梯度變化幅度較大；負(fù)溫度梯度幅值為-34.6 ℃/m，出現(xiàn)在00：00，且負(fù)溫度梯度在00：00至07：00時(shí)間段內(nèi)變化幅度不大；在8：00和20：00附近，溫度梯度趨于0，可見道床板端部傾角的變化與其內(nèi)部溫度梯度存在高度相關(guān)性。

將實(shí)測數(shù)據(jù)輸入至Dynamo中，分別取當(dāng)日傾角計(jì)俯仰角平均值-0.58°和翻轉(zhuǎn)角平均值-0.56°作為初始水平狀態(tài)，模擬道床板空間形態(tài)變化，如圖11所示，聯(lián)動(dòng)狀態(tài)下的道床板輕量化模型與實(shí)際變形情況一致。

圖11 監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型聯(lián)動(dòng)

將實(shí)測參數(shù)關(guān)聯(lián)輕量化的道床板模型，能夠動(dòng)態(tài)地反映道床板在實(shí)際空間中隨時(shí)間產(chǎn)生的形態(tài)變化情況，一方面大大提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的直觀性，有助于分析道床板位移和變形特征，另一方面結(jié)合溫度、應(yīng)力等監(jiān)測數(shù)據(jù)，可為道床板結(jié)構(gòu)傷損狀態(tài)的判斷和研究提供可靠的驗(yàn)證對象。

4 結(jié)語

在蘭新高鐵雙塊式道床板監(jiān)測項(xiàng)目中，總結(jié)雙塊式道床板在服役過程中出現(xiàn)的病害，對道床板主要服役狀態(tài)參數(shù)實(shí)施監(jiān)測。針對傳統(tǒng)健康監(jiān)測在監(jiān)測信息管理、數(shù)據(jù)可視化等方面存在的不足，對BIM+AR技術(shù)在道床板監(jiān)測信息管理中的應(yīng)用進(jìn)行研究，基于Revit平臺，搭建了雙塊式無砟軌道數(shù)字化模型，研究結(jié)論如下。

(1)利用Unity開發(fā)監(jiān)測信息AR查詢終端，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息從二維平面到三維空間的拓展，通過人機(jī)交互的方式能夠快速查詢監(jiān)測設(shè)備參數(shù)和布點(diǎn)信息，擺脫了傳統(tǒng)監(jiān)測信息文本化管理的束縛。

(2)研究利用Dynamo創(chuàng)建輕量化道床板模型，并通過預(yù)留接口關(guān)聯(lián)控制參數(shù)，解決了Revit無法創(chuàng)建動(dòng)態(tài)異形圖元的問題，實(shí)現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。

(3)將監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM模型相結(jié)合，以動(dòng)態(tài)方式觀測道床板服役關(guān)鍵參數(shù)，不僅能夠直觀地展示道床板服役狀態(tài)，且有助于判斷各參數(shù)間的相關(guān)性，以便進(jìn)一步分析道床板損傷特征。