BIM融合AR在铁路四电中的应用分析

王威 ，李明春 ，周春月

（1.北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044；2.佳讯飞鸿（北京）智能科技研究院 网络与业务研究所，北京 100044）

0 引言

BIM是建筑三维模型和信息的数字化表达技术，在建筑领域的大规模应用改变了传统二维图纸作为标准的主要方式，极大提高了项目运行效率。铁路四电是指电力、电气化、信号和通信，由铁路线众多的供电系统与信号系统设备组成，是高铁运行的中枢，保障高铁调度运输的安全顺利开展[1]。相比于传统建筑，铁路四电更加复杂，其规划的部分光纤、电线、电缆设备和钢管走向令人眼花缭乱，且存在工程师培训成本高，需要经常进行返工巡检等不足。因此BIM在铁路四电中并不能完全满足工程需要，存在一定缺陷，例如不能与真实施工环境的场景融合、缺乏交互功能等问题，这就需要工程人员与错综复杂的现场进行逐一比对并记录，耗费大量精力。而增强现实（Augmented Reality，AR）最突出的特点便是虚实融合与人机交互功能，弥补了BIM在铁路四电领域中的不足问题，以AR作为展示技术，与作为展示内容的BIM融合将逐渐成为铁路四电领域的新方式。

1 BIM应用于铁路四电的关键性问题

BIM源于建筑行业，对于铁路四电建设直接运用其基本组件也能进行建模。建模完成后，建筑工人查询BIM模型，通过立体三维透视图可以查看每个构件的多方位信息，降低了建设成本，又保证了安装的可靠性，避免了可能产生的碰撞[2]。不同于传统的CAD建模模型，BIM的核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况对应的建筑工程信息库。该信息库不仅包含描述建筑物构件的几何信息、属性信息，还包含了如空间、运动行为的状态信息[3]。

由于铁路四电领域BIM建模本身的复杂性、涉及的专业领域交叉学科多，并不像传统的楼宇建筑仅需一家设计公司就可以完成建模，它通常由多个不同行业的合作方共同完成，因此其建模本身就工作量巨大。此外，除了BIM独立于真实现场、缺少人机交互功能、需要多人参与协同等问题外，与BIM应用于传统建筑领域面临的关键性难点一样，格式转换始终是面临的第一个问题。市面上的BIM建模软件种类繁多，它们可导出的格式有数十种，不同企业公司应用选取的格式也不同，如IFC、DWG、DXF、GLTF、RVT、STP等，其中IFC格式已作为国际BIM行业数据格式标准。这些不同格式之间通常难以兼容，且在格式转化后再打开模型难免会造成细节丢失的问题，这对于以安全为第一要义的铁路交通是致命性的。

轻量化问题也是BIM研究中的重大课题，整条线路铁路四电领域的模型通常会极其庞大，随着项目进展，BIM模型数据部分不断添加，所要展示的部分也不断增加，终端设备快速精确查看BIM也更困难。在未做轻量化处理的情况下，模型的导入需要数分钟乃至更久，且有明显的延迟，这对于AR严格要求实时性来说也是非常严重的问题。BIM模型的轻量化问题可以通过几何与渲染2个方面解决[4]：几何描述可以通过优化缩减三角面的最大个数或通过相似化算法进行图元合并描述，如保留1个正方体数据并做1个记录待引用，对另一个正方体数据采取几何空间坐标与引用的方法来描述；渲染层面可通过减少图元渲染数量，只保留可见的层面，也可以采取分批次渲染等方式来达到轻量化的目的。

2 融合AR技术的可行性

2.1 AR技术概述

AR是一种利用虚拟的三维信息来增强用户对真实环境认识的新手段，将由计算机生成的虚拟模型或者由信息系统产生的虚拟信息叠加到真实环境场景中的对应位置上，从而增强人类对现实的理解，扩大感知信息的范围[5]。

2.2 AR技术的实现

AR实现的基本流程（见图1）是摄像头获取环境信息，通过计算机视觉方法进行视频处理、目标识别与跟踪、场景感知等来加强对环境的理解，然后再利用计算机图形学的相关知识，如模型生成、光照处理、虚实融合等进行渲染，最后将合成好的视频场景在终端设备进行显示和人机交互[6]。

图1 AR基本流程

AR的关键特征概括为以下几个方面：目标识别技术、目标跟踪技术、三维注册技术、虚实融合技术、人机交互技术等[7]。目标识别是AR实现的第一个步骤，通过识别其特征将目标物从环境中区分出来；目标跟踪是识别后的后续操作，需要根据目标的移动或者摄像头的移动进行动态跟踪；三维注册技术是指根据空间与平面三维坐标映射变换保证虚拟模型能实时叠加在目标物的正确位置上；虚实融合技术是在前3个技术完成的基础上，进一步考虑目标距离大小变换、光照阴影等问题对其渲染的影响。人机交互功能是AR的重要应用功能，负责信息交换的过程，通过输入用户的操作输出相关的反应操作。

2.3 AR技术用于铁路四电的可行性分析

按照核心技术三维注册的实现方式划分，AR分为基于硬件传感器、计算机视觉以及混合跟踪3种方式[8]，其中混合跟踪是结合前2种技术特点的实现方式。

基于硬件传感器是指当前移动端如手机、Pad内置的多个传感器如GPS、陀螺仪、加速计、磁力计等都能为用户提供位置和方向信息，该实现方式利用这些数据获取手机的位置信息，建立屏幕与世界坐标系的关系，从而实现融合。基于硬件传感器的AR实现可用于户外领域，通过GPS定位将施工建筑模型施放在正确位置，但是对硬件要求高，容易造成位置偏差与漂移等问题。

按照计算机视觉的方法分类，可分为基于人工标识、基于自然特征、基于CAD模型、基于点云模型等方法。早期的AR实现对环境的理解是通过人为在环境中预置易识别的特征码，待显示的模型也基于人工标识的相对位置进行显示，其缺点是在环境中添加不相干的元素显得突兀，但在实际施工应用效果上，该方法因具备识别快、稳定、发展成熟、定位准确、对硬件要求低等优点可作为优选方案。基于自然特征的方法是根据基于人工标识的缺点提出的，将针对人工放置的特征码变为自然场景中的图片进行跟踪注册，该方法需要图片与其他场景具有明显的区分辨识度，因此该技术多用于以图纸、说明书为目标的模型展示。基于CAD模型、基于点云模型的方式不再局限于二维图片的识别，而是分别面向物体识别和环境感知的方式，其多用于小场景下的使用，前者需要对目标物体预先精细建模，后者需要昂贵的设备与技术成本。

因此，户外场景施工整体可以结合基于GPS定位与基于人工识别标识混合的方式，查看户外项目整体运行进度与施工管理；针对户内某一具体施工单元可以只使用基于人工标识的方法，工程师扫描某一处特征码显现该处具体建筑信息、隐蔽工程等内容；而针对图纸、说明书等具有明显区分度的可以采用基于自然特征的方式，每个图纸、说明书都对应一个模型进行漫游展示。

3 BIM与AR融合的铁路四电应用

BIM是模型与信息的集合，以三维立体的方式呈现给工程师。AR技术虚实结合的特性拓宽了人们获取世界信息的方式。两者融合可以充分发挥各自的优势，提高项目全生命周期的建设效率。

3.1 设计展示阶段

在建筑设计阶段，设计师可以将建筑模型以一定比例缩放后通过AR方式进行呈现，当用户使用移动端摄像头对准目标识别物时显示模型，且可以漫游浏览模型，通过人机交互操作观察模型的内部结构设施，并在点击模型时显示该材质的各种属性，包括原料、尺寸、质量、造价等信息，使项目各方在项目初期对此有全方位的了解，极大提高中标率，提升宣传效果。

3.2 施工建设阶段

在施工阶段，户外需要对移动设备进行GPS粗略定位再辅以人工标识精准定位，将建筑模型按照1∶1的方式在施工现场场地精准展现，项目管理人员可以随时观察项目进度，而项目施工人员则可以进行施工指导，如提供以下功能：

（1）虚拟标记。通过AR显示，工人可以对模型进行标记放线，如AR测距、测角等其他辅助性功能，此外可以对模型进行文字注释添加、参数编辑、模型材质更改等机动化操作，这样在施工时只需根据模型和标记的说明来进行，并且在现场施工时可以对出现的实际问题进行模型虚拟标记记录，以提前准备后续的维护审核阶段，提高整体效率。

（2）安装指导。铁路四电实际建设过程极其复杂，通过将安装指导模型或安装语音、视频等教学方式加载进二维码，工人通过扫描二维码就可以在现场学习安装指导教程，减少了工人培训成本，提高了正确率、降低了返工率，并且避免了后期将可能造成的错误放大。

（3）信号可视化。在铁路四电中，信号铁塔的作用尤其重要，其负责列车控制通信等一系列工作。将铁塔信号信道及实时参数以可视化的方式建模并以AR方式显现，能直观地观察铁塔无线信道的波束走向与具体参数信息，这对于天线安全配置及保证通信可靠稳定具有极大的作用。

3.3 运维管理阶段

在项目运行后期需对工程进行管理维护，AR与BIM的具体表现如下：

（1）项目整体验收。在质量验收阶段，通过模型与实体位置进行匹配校验，迅速发现实际建设工程和目标效果的纪录偏差，从而作出决策保证项目的安全可靠，节省验收时间。

（2）室内详细检查。铁路四电工程有很多隐蔽工程，如电气专业设备及线路、消防排水管道、复杂的通信线路等。通过AR使得该区域的具体内部结构可视化，如果出现实际施工与BIM模型不一致，可迅速判断、对比查找出错误，避免发生碰撞等问题。

（3）AR物联网可视化。在建筑模型中标注每个传感器的位置，并将传感器数据可视化建模放置到模型中。工人通过AR观察BIM模型中物联网信息，可及时做出预警与应急决策。

4 BIM与AR融合的技术实现

AR工具的开发包有多种，其中目前较为主流的SDK有高通公司的Vuforia、苹果的ARKit、谷歌的ARCore，以及Github上开源的ARToolkit，国内有如视+、easyAR、百度AR等。BIM建模软件应用最广的如 Audodesk的Revit，以及Bently、Dassault、Rhino等，但这些应用的侧重点各不相同。

针对铁路四电建模工作量巨大需要多方协同、格式转换容易失真、轻量化难以处理等一系列问题，Uni⁃ty Reflect都进行了良好的解决。Reflect是Revit与Unity深度合作产生的一款软件，具备实时数据传输及多人协同共享功能，多个参与方可同步建筑模型并导入数据，极大压缩了BIM开发的时间。此外，它还解决了BIM与AR融合中不同格式之间的无损转化问题而且能以轻量化方式导入BIM模型，这样可使开发者的重心完全放到功能应用实现方面，不再为数据格式转换、轻量化、协同等问题而浪费精力。

针对人机交互及渲染功能，Unity 3D是完美的面向对象操作平台。它是3D内容创作开发引擎，常用于制作3D游戏功能，但近些年开始逐渐应用于工业、建筑领域等方向，其实时渲染功能强大且稳定。针对铁路四电复杂的部件，通过面向对象以组件化方式进行操作，具有良好的UI界面，能够以较低的成本开发人机交互功能，且支持跨平台发布和多种设备，不需要在终端兼容性问题上考虑过多。

AR实现方面，Vuforia是非常成熟的引擎，支持标识识别、图像识别、多图识别、物体识别、模型识别、地面识别等多个功能，且支持跨平台操作如Android Studio等，而在Unity上针对三维交互等问题的开发也更加直观方便[9]。以基于自然特征的识别方法为例，用户将目标识别图导入Vuforia官方网站中的数据库，Vuforia会自动处理图像识别特征点，然后用户将目标识别图以其官方格式下载导入至Unity中便可快速实现AR效果。其开发流程如下：

（1）在Unity中预先安装Reflect插件与Vuforia Engine；

（2）使用Reflect插件将BIM模型导入Unity界面，在Vuforia官方网站中上传自定义的目标识别图并将处理后的文件下载并导入至Unity；

（3）通过Vuforia Engine构建AR世界和用户界面，并以C#语言对模型组件添加脚本进行控制达到人机交互效果；

（4）将完成后的项目通过内置的SDK打包生成项目文件，发布于终端。

因此，Reflect解决了模型导入与协同工作的问题，Vuforia实现了AR的功能，Unity提供了操作的平台与交互，Reflect+Unity+Vuforia对于铁路四电领域的AR与BIM融合实现具有良好的效果。采用上述方案，实际开发效果见图2。

图2 Unity实现AR开发的效果图

5 结束语

在铁路四电领域，AR作为一种信息表示的新手段，弥补了传统BIM模型应用交互能力不足的问题。BIM融合AR的应用方式，使得工程师从设计到施工再到运维管理都能拥有高效的体验感，缩短了项目建设时间，保障了项目全生命周期的可靠运行，而以Unity为开发平台的实现方案也能达到良好的预期效果。

未来BIM融合AR的发展必将随着移动端性能提高和5G网络普及而逐步走向成熟，这是一个长期演变的过程，会对整个铁路四电领域产生深刻的影响和改变。而关于BIM模型轻量化处理、AR室内外的定位精度、多人协同管理等问题也将会是不小的挑战。