露天矿“BIM+VR”平台搭建技术

2022-04-16杨旭

露天采矿技术 2022年2期

杨旭

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110015）

虚拟现实（Virtual Reality）技术，又称灵境技术，通过计算机图形构成的三维数字模型，产生一种逼真的“虚拟环境”，从而用户在视觉上产生一种沉浸于真实露天矿区的感觉，用户可以根据需要变换视角、观察矿区不同时间段内的动态变化过程[1]。随着计算机及网络技术的迅猛发展，VR 技术已经倍受各行各业的关注，越来越多的行业正尝试将VR 应用到本行业中来[2]。

传统的矿山设计、地质、测绘人员等习惯于信息的二维表示，如平面图、俯视图、等值线图等[3]。设计人员在设计图纸的，要在脑海中构建三维模型关系，这往往会使一些重要的设计信息被忽略，从而导致设计不能指导现场实际施工。为此，基于精细化模型，研究采－运－排－复工程的精细时空演化过程、时间标定及信息同步自动创建的实现途径，实现虚拟开采[4-5]。露天矿“BIM＋VR”平台可使设计人员在设计采、运、排、复时空关系上，利用三维模型虚拟现场作业场景；使设计者身临其境，检查设计各环节中存在的问题，对于不满意的地方能及时做出修改调整。

1 BIM＋VR 平台

1.1 技术路线

通过BIM 平台，将露天矿项目模型与VR 系统结合，研究“BIM＋VR”技术在设计方案模拟、优化、施工图设计、审查、交底、安全教育、事故模拟等方面的应用。

Lumen RT 作为VR 渲染引擎，支持地形、场景、河流、树木、人物、附属建筑、设施、车辆、天气、季节、时间、灯光、太阳方位等自定义，也可添加LOGO及注释，同时可以针对设计模型进行材质分配、制作效果图、漫游动画等。

Unity 3D 作为VR 交互引擎，包含模型、材质、动画等多种模型信息，为避免设计模型到VR 模型转换过程中丢失大量信息，基于JSON 的数据接口调用技术，开发Web Service 接口，实现设计模型到VR模型的转换。设计模型与VR 模型转换线路如图1。

图1 设计模型与VR 模型转换路线

BIM 模型作为数据基础，Unity 3D 作为VR 引擎，VR 眼镜或其它VR 设备作为终端，通过脚本定义实现交互动作的设计，搭建完整的VR 系统。

1.2 BIM 源模型处理

要将BIM 与VR 结合起来，往往需要先基于已有的BIM 模型，进行模型的基础格式转换、提取，进行一定程度的几何形体轻量化和效果处理，摒弃BIM 模型冗余属性及信息，处理后的模型具有外观形体和必要的属性信息，以此作为VR 体验后续开发的模型，进行外观效果的优化。无论对于哪种模型处理形式，对BIM 源模型的处理操作都是基础与重点，直接影响后续VR 体验的效果。

1）材质。所有的规范BIM 模型都是单个信息构件的集合，每个构件以及构件的分解单元都含有与现实相符的材质属性，而几乎所有的三维效果或实时展示平台对外部模型的识别读取都是以材质名称为基础。因此为保证可编辑性，须保证BIM 源模型中每个构件与现实材质名称一一对应，不同材质构件的材质参数名称不可混淆，也不可用系统默认材质参数，现实中为相同材质的构件尽量用同一种材质名称。

2）模型面数。由于所有的三维效果软件及VR 处理平台运行速率与处理效率受模型面数的影响非常大，故BIM 源模型在满足项目需求的前提下尽量优化降低曲面构件的数量。另外基于第三方专业插件进行BIM 源模型导出时，在不影响外观效果和属性的前提下尽量选择对垂直物体进行自动优化。

3）模型传递。基于不同的平台以及具体工作形式，BIM 与VR 的结合应用常需要利用第三方格式模型的传递与读取，常见的第三方中间格式有IFC、FBX、DAE、OBJ 等等。中间格式模型的生成方式有多种，有用BIM 源模型建模软件自带的格式导出，还有用第三方外部插件进行导出，其中会有众多导出选项，导出的格式效果较好。

2 BIM＋VR 露天矿工程展示

1）设计方案审查优化。设计前期，与业主需要沟通交流方案的可行性，BIM＋VR 技术可以让业主身临其境的体验每种方案的优缺点，从而确定最优方案，更快速的做出决策。方案设计完成后，将模型导入Lumen RT 中，进行地形的契合，模拟项目所在地的实时气候、时间等。某露天矿轮斗连续工艺系统布置方案采用BIM＋VR 技术的展示流程，采用Lumen RT 引擎渲染，佩戴VR 眼镜漫游。基于BIM＋VR 技术建立的实景模型如图2。

图2 基于BIM＋VR 技术建立的实景模型

2）施工图设计碰撞检查。BIM 模型与VR 设备连接，不仅可以体验BIM 模型的空间与外在展示效果，更可直接选择与读取源BIM 模型中构件的属性，如尺寸、材质、功能、wbs 划分等原始BIM 信息，利用BIM＋VR 技术进行设计二次检查碰撞。利用VR 技术进行碰撞检查如图3，记录检查碰撞结果再由各专业负责人员确认。

图3 利用VR 技术进行碰撞检查

3）安全教育模拟展示。在虚拟现实环境中，用户获得沉浸感，置身于虚拟世界并与之交互。有效的虚拟现实体验会让用户身临其境，并专注于虚拟环境中存在对象[6]。BIM 模型作为数据基础，根据施工和安全教育的不同需求，采用Unity 3D 或其他软件作为VR 引擎，定制VR 场景，VR 眼镜或其它VR 设备作为终端，通过脚本定义实现交互动作的设计，即可搭建完整的VR 系统。

3 安全教育体验

1）应用场景。通过模拟实际场景和虚拟作业环境等方式，结合人体互感、VR、AR、全息、云服务、物联网等先进科技，打造全新的数字化安全教育模拟。其建设理念为模块化教育设备、场景化学习内容、数字化培训管理、创新式科技应用。

2）核心功能。其核心功能有：①模块化教育设备：2 套标准展馆，40 余种教育设备可自由组合；②场景化学习内容：VR 虚拟场景＋实体模拟化作业，更加贴切工人工作环境；③数字化培训管理：记录参加培训工人信息，可与劳务实名制对接，实现教育数据价值最大化；④创新式科技应用：AR、VR、5G、全息、智能安全教育机器人等先进技术及产品应用，教育效果成倍提升。

3）VR 安全教育。利用基于煤炭企业虚拟系统的各种三维可视化功能，以及其自身的各种虚拟操作如交互功能，并配以一定的声、光效果，给人一种身临其境的感觉[7]。用户在使用VR 安全教育培训系统的时候，可以根据自己的时间、地点去选择自己要培训的项目或内容。而不是像传统安全培训一样必须在固定的时间、地点去进行培训。VR 安全培训采用实景化的操作，会使学员对产品、道具等有直观的印象，而不是像传统的安全培训一样，需要依靠循环记忆才能达到培训的效果。通过VR 安全培训提高员工对于危险的回避和应对意识，提升员工的应急响应能力；VR 技术通过多维度、更立体的方式为受众展示各种场景，使学员真切感知危险状况的突发性，同时提升自身的应对能力，有安全意识才能够更好的回避风险以及解决风险。虚拟体验区比实体体验区更能展现更多的体验场景，例如难于搭建的场景、危险性很高的场景等。同时VR 场景更加真实完整，体验感更强，安全教育效果更加明显[8]。