基于数字孪生的AR实景技术研究与应用

2022-09-02中航安贞浙江信息科技有限公司方磊张露露王立幼

中国建设信息化 2022年15期

文｜中航安贞（浙江）信息科技有限公司方磊张露露王立幼

1 前言

2020年3月31日，习近平总书记在杭州城市大脑运营指挥中心考察时指出：让城市更聪明一些、更智慧一些，是推动城市治理体系和治理能力现代化的必由之路，前景广阔。在智慧城市建设的大背景下，各行各业都在积极探索研究如何充分利用各种高新技术手段，为智慧城市建设提供新的助力。近年关注度越来越高的数字孪生技术，已经成为新型智慧城市建设的重要研究方向之一。

当前，虽然对数字孪生的理解和定义还尚未完全形成共识，但是物理实体、虚拟模型、数据、连接、服务是数字孪生的核心要素[1]，这一点基本得到大多数人的认同。基于数字孪生的AR 实景技术的研究正是围绕数字孪生的核心要素展开，结合三维GIS、视频监控、BIM、物联网等高新技术，模拟现实世界构建一个虚拟的数字化三维实景空间，图形化展示城市的空间地理信息和实时现状，并建立物理实体与虚拟模型之间的映射关系，关联集成实体对象的各类属性信息和传感监测信息，搭建信息集成、分析和共享平台，为城市及行业管理者提供全面真实的感知要素，并通过实时动态的交互方式，实现智能化管理和服务。

2 AR 实景技术特点

基于数字孪生的AR 实景技术具有四大特点。

一是宏观与微观相结合。根据实际应用需要可精准构建多维多尺度的三维实景数据。大场景粗精度模型可以用于展示较大范围区域内的整体情况，如城市范围内的地理环境、植被、建筑物、道路和公共设施分布等；精细的BIM 数据可以用于展示建筑物内部的空间结构信息，还可通过BIM 剖切功能查看建筑物内部的各类隐蔽空间，如吊顶、管道等。实景监控图像则可以用于展示现实世界的真实情况，补充三维模型所缺失的动态现状和细节信息。

二是虚拟与现实相结合。三维模型是模拟物理实体建造的虚拟模型，实景监控图像反应的则是现场的真实情况。实景监控图像可帮助管理者快速获取现场的实时动态情况，但是单纯的平面化图像传递的信息很有限。虚拟的三维场景模型作为背景数据则能补充周边环境、方位、距离、位置等信息。此外，还可在三维场景中添加点线面矢量要素、图标和标签等，给画面中的一些特殊位置、特殊建筑物添加描述信息。虚拟与现实相结合的展现方式可帮助管理者更准确的解读监控图像中的异常信息。

三是图像分析与空间分析相结合。单纯基于二维图像的分析技术，在实际应用中经常无法完全满足管理的需要，例如需要分析人员、车辆等目标对象的运动轨迹，再如发生突发事件需要指挥疏散或者制定救援路线，这些情况下仅依靠二维的图像分析明显无法满足需求的。利用三维场景模型与监控图像的空间匹配融合，监控图像中任意对象都可快速获取其空间位置，将锁定的目标对象带入三维空间进行再分析，并将分析结果在三维场景中立体化展示出来，实现图像要素全面的可查、可测、可控[4]。

四是模型展示与信息承载相结合。AR实景技术所构建的三维实景空间既是可视化的展示数据，同时也是一个信息集成平台，例如设备模型，既可以直接展示设备外观和安装位置，还可以关联设备属性、运行状态、资产登记等业务信息。三维实景空间将成为信息承载的容器，集成城市管理所需要的各类信息和数据，进而提供统一的信息管理和查询服务，实现信息的协同共享[5]。

3 AR 实景技术框架

基于数字孪生的AR 实景技术首先需要构建多维多尺度的数字模型场景，并实现多种数据的精准匹配融合，建立与真实世界一一对应的虚拟世界。数字模型场景一般包括基础地理信息数据、三维场景模型、BIM 模型、实景监控图像等。

其次完成物理实体的全要素信息与虚拟模型的关联映射，使模型“活起来”。物理实体的全要素信息通常包括自然属性、社会属性、资产归属、行业业务、传感监测等信息。

最后通过可视化交互平台，实现对真实世界的动态监管和实时反馈，为不同领域、不同层次的用户提供能够满足其业务应用需求的服务。

图1 AR 实景技术框架图

4 AR 实景技术应用案例

基于数字孪生的AR 实景技术融合三维GIS、物联网、时空大数据和云计算等新一代的信息技术，构建三维实景空间作为信息承载与共享的基础底座，支持集成城市管理相关的海量信息数据，具有开放性和通用性的特点，可以为不同的用户提供各类不同的服务应用。以下将介绍AR 实景技术在安防、消防、高速和园区行业管理中的实际应用。

4.1 智慧安防

智慧安防管理平台以基础地理信息和三维模型数据为基础，集成警力部署、视频监控、警情管理、卡口管理、停车场管理、人脸管理和安检监测等安防业务信息，充分整合汇聚安保工作所涉及的人地事物，形成对城市各个角落的全面感知和实时监控，进一步通过对监测数据的挖掘分析提前预测可能存在的安全隐患问题，实现智能化监测预警。

以现代化安防离不开视频监控系统为例，传统的视频监控系统存在画面独立看不全，视角分散不直观，画面位置不明确，视角信息难获取等缺陷。利用AR 三维实景技术构建的“全视界”三维实景空间，可帮助管理者全面掌握监控点位的位置、方位、高度和监控范围等信息，快速定位并查看相应的监控画面。利用图像分析技术识别监控画面中的安全隐患和危险目标，结合三维空间分析功能可以对目标对象的位置和轨迹进行聚焦和跟踪，管理者还可同时查看周边的环境、交通、警力部署等信息，快速合理的进行任务下达和警力资源调度。

4.2 智慧消防

现代建筑体积越来越庞大、内部结构越来越复杂，传统被动式的消防管理模式已经难以满足现代消防管理的需求。AR 实景技术利用物联网作为消防系统的“感知神经”；利用BIM 数字化模拟真实再现消防系统的空间布局和逻辑关系，提供建筑物以及消防设备的空间、位置、时间成本、材料、厂商等信息；利用三维实景空间的可视化功能实现模型和监测数据的图属互查，并可动态模拟展示不同类型的应急预案。

基于AR 实景技术搭建的智慧消防管理平台中，所有物联网终端传感器都有与之对应的模型构件，建立设备和模型构件之间的关联映射后，IoT 数据即可依托BIM实现三维可视化的查询和管理，而BIM 也不再只是静态的三维模型，能够与真实监测数据实时联动。通过建筑物、消防设备、消防业务信息的集成管理和三维可视化交互查询，构建一个信息交换和共享的协同运作系统，帮助管理者实现更高效的日常运维和更科学的应急指挥管理。

4.3 智慧高速

我国高速公路正从高速增长阶段向高质量发展阶段转变，智慧高速的目标是实现高速公路建设-运营-养护全生命周期的智能化管控。

基于数字孪生的AR 实景技术可集成高精地图、BIM、三维实景和基础地理信息数据，同时接入专题业务系统、运营系统和物联网终端实时监测数据。通过多源数据的融合，面向实际业务定制运营管理、AR 视频监控、车辆监测和跟踪、道路养护管理和应急管控等专业应用，实现高速公路运营管理与应急处置的精细化、智能化、自动化和标准化[2]。

4.4 智慧园区

随着产业园区的升级转型，现阶段智慧园区的管理目标是提升园区物业服务、提高园区运营能力、为业主提供安全有序和干净整洁的园区环境、满足业主企业的高品质诉求。

通过AR 实景三维管理平台，接入园区内的建筑、设施、设备、环境、安全等相关信息，实时监控园区内设备、人员、车辆等是否处于正常状态，当出现偏离正常状态的监测信息时自动触发预警提示。还可对历史监控数据进行深度分析，为园区管理、维护、维修和经营计划的制定或调整提供参考依据。通过信息的共联共享提前预判可能出现的不和谐因素，帮助维护园区秩序和环境。最终提高物业服务管理质量，提升园区经营管理能力，加速园区发展[3]。