BIM+MR技术在电力建设安全应急中的应用

程博文，杨秀芳

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

1 BIM与MR技术的概述

1.1 BIM技术概述

BIM(Building Information Modeling)技术是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过对建筑的数据化、信息化模型整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用，目前在市场上经常使用的BIM设计工具为欧特克的Revit和达索的CATIA[1-2]。

1.2 MR技术概述

混合现实技术(MR)全称为Mediated Reality，是由史蒂夫·曼恩(Steve Mann)提出，最早在20世纪80年代开始初步探索，是虚拟现实技术的进一步发展，由于软硬件的限制，混合现实技术在近几年才得到蓬勃发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感，技术的常见载体为智能眼镜。目前市场上的常用的智能眼镜是微软的Microsoft HoloLens MR头显，HoloLens具备内置电脑和电源，支持目光、手势、语音等人机交互[3-4]。

2 系统简介

2.1 开发背景

根据《电力企业应急能力建设评估规范》要求，电力建设企业应急能力建设应围绕预防与应急准备、监测与预警、应急处置与救援、事后恢复与重建四个方面开展。根据电力建设工程项目的施工特点、范围，制定应急预案，利用虚拟现实技术进行应急培训与演练[5]，能够达到改进和指导工程建设过程中的安全生产，达到减少人员伤亡和避免经济损失，增强企业应急能力建设的目的。

2.2 开发环境

系统开发在win7和win10环境下，开发工具采用Visual C++2017，开发语言为C++，开发将以ARToolKit工具包为基础，能够实现视频图像的采集、摄像机跟踪、标定等工作。将BIM模型转换为ARML格式，利用OpenARML开源代码调用ARML模型，通过标识识别计算获得各种转换矩阵，最后通过变换实现虚实的无缝结合，实现了BIM技术与MR技术的深度融合，能够实现对复杂危险工作的虚拟操作与培训，在实际操作时还能实现实时专家远程指导，协助操作人员解决突发问题，对BIM+MR技术在电力建设安全应急方面进行了深入的研究和探索应用。

2.3 开发内容

系统开发内容为四大模块，分别为：设备检修、运维巡检、设备使用教学、远程指导，系统界面见图1。

1)设备检修。

根据现场实际设备检修的流程进行建模与开发，并将检修过程精确定位到设备实体上，能够让使用者在现实操作中可以看到当前检修设备的虚拟的操作流程与提示，可以很大程度的提高检修效率，避免误操作。

2)运维巡检。

在实际运维巡检过程中，系统可以根据巡检人当前观察的设备提供该设备的信息及实时的监测数据并且可以手动调取以前的数据。

3)设备使用教学。

在使用MR安全应急管理系统时，开启设备使用教学模块后，操作人员头戴MR智能眼镜注视到的设备能够被系统自动识别，并弹出设备操作和运维检修的教学视频。

4)远程指导。

远程指导模块可以实现现场操作人员与场外专家的语音和视频连接，场外专家可以实时看到现场操作人员的视野，并可以为现场操作人员提供标注、语音和文件的指导。

3 BIM+MR技术的功能特点

3.1 精确定位

MR智能眼镜启动时会自动扫描周边环境，快速生成周边的三维环境模型，从而实现现实场景加电力设备识别物与三维环境模型加电力设备BIM模型的精确叠加，这种叠加能够在MR安全应急管理系统中实现电力设备BIM模型在现实场景中的精确定位。

3.2 数据传输

MR智能眼镜支持与PC端和移动端等设备间相互传输图像、音频、文件，也可以接收其他平台及云端的数据，并将文件和数据呈现在智能眼镜的屏幕中。

3.3 人机交互

使用者在使用MR智能眼镜时，智能眼镜可以迅速识别使用者的眼神、手势和声音，并且程序会快速反馈，使得操作者能够获得良好的互动体验。

3.4 三维数据精确

BIM模型及其信息能够导入MR安全应急管理系统，导入的模型保留了原本BIM软件中的结构树和信息，在MR安全应急管理系统中，结构树可以使操作者能够和模型上的局部部件进行互动并查看其中的信息。

4 BIM+MR技术的探索与运用

4.1 BIM+MR技术应用在电力设备检修

以开关柜的检修为例子，在MR安全应急管理系统中，将开关柜的BIM模型通过MR智能眼镜显示，并且与现实场景中的开关柜叠加，MR智能眼镜扫描开关柜，可直接显示开关柜内部结构、线路和电流流向，通过云端获取设备监测信息，在MR智能眼镜中显示开关柜内部设备实时运行状态，自动标记有故障的部件(见图2)，点击电子手册可以弹出相应部件拆装的教学视频，在现场操作检修时系统会通过虚线和虚拟手势等功能进行辅助，维修更换完部件后，获取到新的监测信息后系统提示检修成功。

4.2 BIM+MR技术应用在设备运维巡检

本模块以园区雨水监测装置的巡检为例，巡检人员头戴MR智能眼镜，在注视监测装置时，智能眼镜能够以当前视角中的物体为识别物，自动识别当前监测装置，并从云上获取监测数据，在MR安全应急管理系统中显示出监测数据表单，巡检人员可对监测数据浏览和交互(见图3)。

4.3 BIM+MR技术应用在远程指导

远程指导模块可以实现PC端、平板端、手机端与眼镜端的单点与多点互联，各端口可以获得其他终端摄像头的影像数据和音频数据，同时还支持文档，图片和视频文件的互相传输和浏览，还可以对其他终端的画面进行标注，标注的内容会实时投射到画面上。以PC端和眼镜连接为例，PC端可以实时看到眼镜端使用者当前视野，并可以与眼镜端进行语音交流，还可以在眼镜端的视野画面中进行标注(见图4)。

5 BIM+MR技术的优缺点

5.1 优点

1)识别精确。

MR智能眼镜对现实场景中的识别物(设备)扫描后可准确确定其型号和编号，并从云获取当前设备相应的数据，使操作者能够与设备的数据互动。

2)定位准确。

MR智能眼镜在扫描识别物时会对识别物及周边环境进行扫描自动建模，扫描出的模型与导入系统的BIM模型匹配，使得BIM模型呈现在真实世界的位置非常准确。

5.2 缺点

1)续航较差。

MR智能眼镜电池容量较小，在使用时电量消耗较快，在高性能使用时只能维持2.5 h，而且无法更换电池，致使单个设备不能支持长时间使用。

2)信息丢失。

在BIM模型导入系统后，由于MR智能眼镜系统的限制，继承原BIM模型的信息有所丢失，无法完整继承原本的信息。

3)硬件性能不强。

MR智能眼镜因为其自身硬件的限制，在实际使用中，如果环境中投射的BIM模型复杂或数量较多，会造成硬件发热或运行程序时卡顿。

6 结语

本项目开发采用MR技术(混合现实)与BIM技术结合，研究与探索了BIM+MR技术在电力建设安全应急的应用，探索了设备检修与运维巡检，虚拟培训教学与远程指导等方向，得出以下结论：

当前硬件性能还较差，MR智能眼镜在使用过程中会出现发热卡顿，眼镜的显示器面积较小，无法覆盖整个视野，佩戴后镜片容易起雾，造成用户体验感不够好，系统运行时对信号依赖很大，网速较慢的情况下传输画面会非常模糊，交互也会出现延迟，系统在导入BIM模型后对模型的渲染比较粗糙，光影不明显，视觉效果较差，但是在现场网络条件稳定良好的情况下该技术能够很好的辅助运维巡检和远程指导，所以在目前的硬件和网络条件下，运用BIM+MR技术开发的功能基本能够满足电力建设安全应急在运维巡检和远程指导时的需要。