京張高鐵地下站隧智能展示技術的探索與實踐

沈 智，李 飛，劉紅良，趙博洋

（1. 京張城際鐵路有限公司，北京 102199；2. 北京經緯信息技術有限公司，北京 100081；3. 中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

北京—張家口高速鐵路（簡稱：京張高鐵）是2022年北京冬奧會的重要交通基礎設施，為北京、延慶、張家口三地賽區(qū)提供一流的高品質、高安全、高科技含量的冬奧交通服務，也為周邊百姓出行提供了便利[1-2]。京張高鐵地下站隧—八達嶺長城站是一個大跨度洞群地下暗挖車站，主體建筑面積近4萬 m2，具有跨度大、洞室多、埋深大等特點[3-4]。隨著虛擬現(xiàn)實（VR，Virtual Reality）和增強現(xiàn)實（AR，Augmented Reality）技術的興起，傳統(tǒng)行業(yè)被賦予了新的發(fā)展勢能[5-6]，如何更好地利用建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）、地理信息系統(tǒng) （GIS，Geographic Information System），以及VR、AR等可視化技術在鐵路建設中開展虛擬建造、可視化交底、沉浸式虛擬漫游等方面應用[7-8]，為高鐵運營和控制提供支撐，為旅客提供豐富的虛擬交互體驗等方面仍需深入研究。

本文通過構建京張高鐵地下站隧信息模型，并對站內流動性設施設備進行三維重建，結合VR技術構建與現(xiàn)場實景環(huán)境一致的虛擬場景，為旅客提供智能展示及虛擬體驗服務；針對站內綜合維修服務需求，對候車空間進行基于AR隱蔽工程展示的初步探索，為站內綜合維修人員檢修管道、線纜等隱蔽工程起到重要的支撐作用。

1 京張高鐵地下站隧信息模型構建

為了實現(xiàn)京張高鐵地下站隧—八達嶺長城站的智能展示，需要構建地下站隧信息模型，為虛擬場景的建立奠定基礎。本文將地下站隧主體模型和站內流動性設施設備模型相結合，共同構建完整、全面的地下站隧信息模型。

1.1 地下站隧主體模型構建

地下站隧主體模型主要指主體工程BIM。本文通過多專業(yè)信息模型基礎業(yè)務參數(shù)一致性表達方法，完成八達嶺地下站隧主體專業(yè)BIM的構建。模型構建流程如圖1所示。

圖1 信息模型構建流程

1.1.1 地下站隧信息模型一致性表達

目前鐵路行業(yè)針對信息模型建設和應用出臺了一系列相關標準，本文主要研究基于信息交付手冊（IDM，Information Delivery Manual）協(xié)同和數(shù)據(jù)模板的模型一致性表達技術，從而實現(xiàn)了地下站隧專業(yè)間信息模型的數(shù)據(jù)無縫交換。

（1）基于IDM協(xié)同技術的一致性信息傳遞

IDM定義了建設項目生命周期某一階段、某一專業(yè)需要從整體BIM中獲取和提交信息的規(guī)則，以及階段和階段之間、專業(yè)和專業(yè)之間的信息交換需求[9]，其核心是流程圖和交換需求。針對京張高鐵地下站隧主體工程模型構建要求，基于IDM定義了地下站隧軌道、四電、隧道等專業(yè)間的信息交換節(jié)點，使專業(yè)信息模型間可進行信息交互，針對多專業(yè)協(xié)同設計流程，建立協(xié)同設計體系，為協(xié)同設計平臺的構建奠定基礎。

（2）基于數(shù)據(jù)模板的模型一致性表達

數(shù)據(jù)模板主要用于描述構造對象信息所需的概念和關系，通過提供一個標準化的數(shù)據(jù)結構來描述工程對象的特征，使業(yè)務語義能夠通過模型構件的全生命周期進行無縫的信息交換。具體為：采用模板化的標準組織方式對地下站隧進行數(shù)據(jù)結構定義，通過在數(shù)據(jù)字典中創(chuàng)建工業(yè)基礎類（IFC，Industry Foundation Classes）和數(shù)據(jù)模板相關概念之間的關系規(guī)則作為鏈接機制，將站隧模型業(yè)務語義數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)模板鏈接到IFC信息模型數(shù)據(jù)存儲標準，實現(xiàn)數(shù)據(jù)模板與IFC的鏈接。主要從以下幾個方面定義并建立數(shù)據(jù)模板。

①工程管理基礎類數(shù)據(jù)模板

工程管理基礎類包含對象之間的關聯(lián)關系、父子從屬關系定義，并通過數(shù)據(jù)模板實現(xiàn)了構件之間的約束關系。

②工程對象基礎類數(shù)據(jù)模板

主要描述面向對象的工程基本信息組成結構。以鐵路隧道專業(yè)組件為例，模板包含路隧專業(yè)設計參數(shù)、幾何特征、非幾何信息等屬性，通過自定義映射國際字典框架（IFD，International Framework for Dictionaries）編碼和 IFC 編碼，可實現(xiàn)對具體工程對象的描述識別。

③工程實體類數(shù)據(jù)模板

以隧道專業(yè)工程對象為例：模板文件中包含斷面、洞身、洞門等基本屬性參數(shù)，同時具備屬性管理功能。模板采用可擴展標記語言（XML，Extensible Markup Languag）數(shù)據(jù)格式，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的快速交換與共享。

1.1.2 地下站隧BIM創(chuàng)建

基于上述信息模型一致性表達方法，建立協(xié)同設計平臺，創(chuàng)建地下站隧BIM。協(xié)同設計平臺基于統(tǒng)一標準環(huán)境，通過集中管理設計資源和設計流程，從計劃管理、人員權限及組織機構建設、設計文件命名及版本控制等標準化管理方面開展設計校審及會簽流程控制，實現(xiàn)設計成果全要素數(shù)字化移交。

由構件庫提供參數(shù)化驅動及人工輔助建模手段，通過在協(xié)同設計平臺開展屬性創(chuàng)建及屬性管理，并在構件庫的基礎上進行專業(yè)化建模。在進行專業(yè)建模時，通過專業(yè)裝配和區(qū)域裝配，形成總裝模型圖。專業(yè)建模完成后提交模型成果，并開展模型碰撞檢查及非幾何屬性信息檢查，檢查無誤后進行模型發(fā)布，可實現(xiàn)模型信息查詢及遠程瀏覽訪問等。

基于協(xié)同設計平臺，通過地質模型讀取、工點和單元庫設計、專業(yè)設計元素結構化封裝等操作過程，實現(xiàn)對京張高鐵地下站隧的無砟軌道、接觸網、軌旁設備、安全門、車站關鍵設施等BIM創(chuàng)建，如圖2所示。

圖2 京張高鐵地下站隧BIM

在此基礎上，對現(xiàn)場隧道開展三維激光掃描，如圖3所示。將三維點云數(shù)據(jù)與設計模型進行比對，根據(jù)偏差原因對BIM進行修改，生成與現(xiàn)場實際空間位置一致的竣工模型，為后續(xù)VR虛擬場景的建立奠定基礎。

圖3 八達嶺隧道掃描成果數(shù)據(jù)

1.2 站內流動性設施設備模型構建

本文基于攝像頭視頻流獲取站內設備的固定點位視像信息，對八達嶺長城站站內旅客服務設備、消防設備等流動性設施設備進行數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)集訓練，利用YOLO（You Only Look Once）技術實現(xiàn)在視頻數(shù)據(jù)內識別、分辨出需要檢測的特定流動性設備設施[10]，并基于Bundle Fusion技術實現(xiàn)站內流動性設施的重建。

1.2.1 站內流動性設施設備圖像識別

基于站內固定點位攝像頭對候車空間座椅、消防設備等流動性設施進行圖像數(shù)據(jù)采集，對采集的圖像數(shù)據(jù)進行分類標識與訓練，具體步驟如下。

（1）建立站內特定設備目標檢測模型。針對想要更新的設備或物體，通過篩選攝像頭對其拍攝的圖片，得到與其相關的影像數(shù)據(jù)；對所有采集到的圖片進行標注，用矩形框出目標物體，便于數(shù)據(jù)訓練使用。

（2）對檢測數(shù)據(jù)進行訓練。在數(shù)據(jù)訓練時對loss值進行觀察，當avg loss在多個迭代中沒有出現(xiàn)下降時停止訓練。

（3）模型檢測識別?；谟柧殧?shù)據(jù)構建具有細粒度語義類別標簽的三維模型數(shù)據(jù)集，為了捕獲細粒度類別之間的細微差別，基于圖像識別和特征表示學習方法建立細粒度三維模型識別深度網絡模型，以便捕獲三維模型多視圖中的細粒度局部區(qū)域信息；利用層次化的注意力機制聚合不同語義層級信息，生成具有細粒度區(qū)分的三維模型特征表示，實現(xiàn)基于固定點位攝像頭的的模型識別。

1.2.2 站內流動性設施設備三維重建

三維重建是指從三維點云出發(fā)，重建出三維網格，本文設計了“掃描數(shù)據(jù)+場景語義分割+三維點云場景分割+三維重建與紋理貼圖”的技術方法，實現(xiàn)對站內流動性設施設備的三維重建。

（1）掃描數(shù)據(jù)

利用便攜式激光雷達與終端成像一體化設備采集八達嶺長城站候車室內部分設備的三維點云和影像數(shù)據(jù)。

（2）場景語義分割

構建基于真實掃描場景點云的分割數(shù)據(jù)集，主要分為2個步驟，如圖4所示。

圖4 三維場景語義分割

（3） 三維點云場景分割

場景分割算法的基本框架為基于編碼解碼的U形神經網絡，網絡先通過降采樣單元不斷降低點云的分辨率，提取從局部到全局的多層次表征，通過上采樣單元不斷提升點云的分辨率，以得到最終的逐點表征，每一個采樣單元后接一個基于Transformer的表征單元。

（4）三維重建與紋理貼圖

在三維模型重建方面，通過基于全局隱函數(shù)的三維重建補全方法進行三維模型的補全[11]。先使用完整三維模型素材庫訓練三維重建網絡，再凍結三維重建主干網絡，優(yōu)化匹配殘缺三維模型，以重建與殘缺三維模型相似的完整三維模型。

在紋理映射方面，通過采集現(xiàn)場紋理貼圖，增加紋理清晰度，減少紋理貼圖間的縫隙；通過獲取紋理坐標，將貼圖與重建模型進行融合，構建與實景一致的流動性設施設備模型。

對八達嶺長城站內充電寶樁、滅火器、垃圾箱等眾多流動性設施進行三維重建及補全后的模型如圖5所示。

圖5 流動性設施三維重建模型

2 VR虛擬場景創(chuàng)建與智能展示

①使用設備獲取掃描點云，并對其附著顏色信息；

②采用人工加算法的半自動方式為場景點云構建標簽，手動設置包圍框，提取包圍框內點云并進行去噪，對提取的實體點云打標。

2.1 虛擬場景創(chuàng)建

利用多項感官、感知交互技術實現(xiàn)基于UE4的VR展示功能，對八達嶺長城站站外空間及檢票、候車、進出通道、地下站臺等站內空間的虛擬場景進行創(chuàng)建，實現(xiàn)對八達嶺長城站內外一體的立面直觀展示。結合VR設備，可為旅客出行提供智能展示服務及沉浸式出行體驗。

八達嶺長城站裝飾模型由3D Max軟件分解，導出FBX格式。對于面數(shù)太多的模型，可導入3D Max按同等尺寸重新建模，重建后的模型分別歸類到5個區(qū)域中，再將這5個區(qū)域的模型拆分成373個組塊，具體實現(xiàn)過程如下。

（1）模型格式轉換：將全部模型數(shù)據(jù)導入3D Max進行格式轉換。

（2）模型處理：在373個組塊中，每個組塊由10～30個模型單體組成，將格式轉換后的數(shù)據(jù)進行加工處理（含破面處理、重面處理、法線反轉處理等），以適配UE4引擎。

（3）UE4貼圖處理：將展好UV和分配好材質ID的模型，導入到UE4中進行材質制作，將現(xiàn)場采集的材質與模型進行融合貼圖處理，共計制作4 800余項材質和貼圖。

（4）場景烘焙：將制作好材質的模型放入場景中，加入燈光和環(huán)境光進行場景烘焙測試，構建與實景一致的虛擬仿真場景。部分場景模型如圖6所示。

圖6 站內空間場景模型

2.2 VR智能展示

在VR虛擬場景的基礎上，融入車站周邊特色，為旅客直觀呈現(xiàn)八達嶺長城站的建設特色、功能空間分布及八達嶺歷史文化。具體功能點包括八達嶺介紹、空間功能介紹、乘車進出站流程等，同時結合VR虛擬設備，進一步提高對旅客出行的服務能力。

（1）八達嶺介紹：以BIM+GIS三維場景為依托，通過語音方式介紹八達嶺站周邊詹天佑紀念館、長城博物館、八達嶺長城、青龍橋車站、人字形鐵路等多項歷史文化特色，便于旅客更直觀地了解該站。

（2）功能空間介紹：對八達嶺長城站候車室、進出站通道及地下站臺等功能區(qū)域進行標記顯示，精細化展示各功能空間區(qū)域，能夠通過區(qū)域標識進行虛擬導航線路指引。

（3）路線模擬：結合VR虛擬場景，模擬進站及出站完整的流程線路，方便旅客提前熟悉八達嶺乘車環(huán)境。

（4）VR體驗：在八達嶺長城站設置VR體驗設備，供旅客進行地下站隧仿真環(huán)境的漫游體驗，為旅客出行提供虛擬體驗服務。

3 AR應用探索

基于1.2.1節(jié)中提出的圖像識別方法，對八達嶺長城站站內候車廳內的“四面墻”進行精準識別，將分解后的管道、布線等裝飾模型進行精準匹配，實現(xiàn)每面墻后裝飾模型的直觀呈現(xiàn)，便于站內檢修工作人員通過移動設備查看墻面后的電纜走線位置，提高站內人員檢修能力。基于AR的隱蔽工程展示方法如下。

（1）模型拆分：將站內裝飾模型按照不同的墻面進行模型構件的拆分。

（2）面向站內墻面特征的精準識別：將地下站候車室內的四面墻壁按照“Q1”～“Q4”號進行命名，建立唯一身份標識；根據(jù)站內墻壁分布位置的細節(jié)特征，基于圖像特征識別算法，判定具體的墻面“身份”。

（3）虛擬呈現(xiàn)：識別具體的墻面“身份”后，將分解后的模型與墻體編號進行匹配，結合AR應用技術，將BIM虛擬呈現(xiàn)到墻體之上，實現(xiàn)基于AR視覺的隱蔽工程展現(xiàn)。

基于以上方法，初步實現(xiàn)隱蔽工程模型與實景環(huán)境的可視化融合展現(xiàn)，為后續(xù)檢修人員掌握隱蔽工程的檢修位置及環(huán)境提供支撐。

4 結束語

本文從京張高鐵地下站隧信息模型的構建出發(fā)，面向運營管理期旅客出行智能展示服務及站內檢修服務需求，以同一底層BIM數(shù)據(jù)的流轉為支撐，基于圖像識別與三維重建技術實現(xiàn)站內流動設施設備模型的快速迭代更新，建立與實景環(huán)境一致的虛擬體驗場景，為“一站一景”的智能展示創(chuàng)造條件。后續(xù)將進一步開展基于AR的隱蔽工程應用研究，將BIM融入實景墻體中，以“開洞門”的形式對隱蔽工程進行呈現(xiàn)，同時將候車室竣工圖紙與隱蔽工程BIM從空間位置進行映射匹配，逐步建立站內空間可視化檢修機制，以期提升綜合維修管理效率與準確率，為運營期智慧車站的深化發(fā)展奠定基礎。