增强现实技术在隧道运维中的应用

2018-12-13周哲峰

计算机应用与软件 2018年12期

周哲峰汪洋

(上海巨一科技发展有限公司上海 200051)

0 引言

近年来，随着我国交通基础设施建设的大规模开展和设计，道路隧道工程在总量、单体长度上都有突飞猛进的发展。截至2016年底，中国既有运营公路隧道15 181座，总长达14 039.7公里，年均增长率高达10%以上，且有逐年增速加快的趋势。然而，在道路隧道建设水平不断提高、建设步伐不断加快的同时，既有运营道路隧道的运维管理水平却相对比较落后，运维管理体系中仍然存在许多薄弱环节。相比城市道路等其他交通基础设施，既有运营道路隧道工程具有隐蔽性、封闭性、结构受力复杂等特点。面对规模逐渐扩大、服役时间逐渐增加的既有运营道路隧道，传统的运维管理思想和技术已经无法适应，隧道的安全运行管理正面临着巨大的挑战。BIM技术及AR技术的发展为隧道运维管理带来了变革的机遇。

1 研究背景

建筑信息模型(BIM)技术近年来愈发火热，其是继CAD(计算机辅助设计)技术后又一项重要的建筑业计算机应用技术。BIM技术在建筑全生命周期的应用大大提升了建设项目的协同效率和信息化集成程度，将给建筑业带来显著的经济和社会效益。在道路隧道建设领域，以信息模型为基础，BIM技术可以服务于隧道的全生命周期管理。在规划期间，BIM技术提供的场地仿真、3D漫游等功能可以辅助规划部门进行选址分析，估算项目的投资规模；在设计阶段，BIM技术能够提高各专业之间的协同工作能力，同时，基于BIM模型的碰撞检测、算量统计等应用能够很好地减少后期的工程变更，控制工程造价；在施工期，BIM技术能够提升施工安全管理水平，缩短建设周期。然而，随着越来越多的既有道路隧道投入运营，BIM技术更大的价值体现在运营阶段。该阶段的BIM模型集成了隧道勘察、设计、施工各阶段的信息，为运营阶段的隧道安全运行管理、精细化资产管理等提供了完整、可靠的数据保障；同时，基于隧道的BIM模型，安全管理部门可以实现紧急状况(如火灾、交通事故)时应急措施的模拟，如通风组织、人员疏散等。

美国国家标准技术研究院将BIM定义为以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，以及对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。而BIM又可称为建筑信息建模，是指建筑信息模型的创建、应用和管理过程。总体上，BIM集成了工程项目全生命周期的各类几何及非几何数据，并以虚拟三维实体形式实现设计、施工、运维等各项应用功能。其中，BIM数据所包含的三维几何信息是区别传统CAD二维数据的一个显著特征，利用BIM的几何数据对工程项目进行三维可视化展示，并在此基础上开发相关的设计、施工、运营协同管理系统，是目前BIM应用的主流方向和热点。

如图1、图2所示，基于BIM的三维可视化技术，可以更直观、清楚地表现工程全貌，为设计、施工、运维等管理工作带来便利。

图1 隧道三维模型

图2 消防泵房三维模型

增强现实(AR) 无缝集成了真实世界信息和虚拟世界信息，通过实时影像、三维等技术，把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息，以虚拟信息的形式投射到真实世界，以被人类感官直接捕获，从而达到超越现实的感知体验。增强现实技术在隧道运维领域的创新应用是将BIM三维模型、设施、设备等运维数据与当前真实隧道情景相结合，提供一种高度直观、沉浸的展示方式，可有效地提高隧道运维管理水平。

2 AR在隧道运维中的应用

2.1 AR在隧道运维中的应用价值

增强现实技术利用真实场景信息和虚拟信息，可有效地辅助隧道现场运维作业，对现场作业内容进行分析、指导和决策，提高作业流程的规范性和工作效率。此外，增强现实技术还可以作为虚拟培训的一种形式，提供虚实结合的情景化培训环境，培养工作人员在BIM技术支持下的实际动手能力，有利于优化培训效率和质量。因此，AR在隧道运维管理中的创新应用，将带来一场新的管理变革。

2.2 AR开发相关技术

增强现实技术，使用视频影像展现真实世界的信息，通过BIM将虚拟的信息同时显示到真实世界中，两种信息相互补充、叠加。增强现实技术包含了实时视频显示及控制、传感器数据融合、三维建模、多媒体、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与手段。目前，AR应用主要基于移动设备，如手机、平板电脑，利用移动设备的摄像头采集真实环境信息，同时将本地或网络上的虚拟信息通过特殊处理后叠加显示，实现增强现实的效果。根据移动平台的操作系统不同，主要有以下两种技术实现方式。

ARKit：ARKit是一个移动端AR技术框架，用于在iOS上开发增强现实app。它提供了一系列API接口，可实现包括追踪(Tracking)、世界追踪(world tracking)、场景理解(Scene Understanding)、渲染(Rendering)等功能。

ARCore：ARCore是一个基于安卓上构建增强现实应用的技术框架，其使用运动跟踪、环境理解和光估测技术将虚拟内容叠合到移动端摄像头采集的现实世界中。其中，运动跟踪技术用于定位移动端相对现实世界的位置；环境理解技术用于移动端检测背景表面(如平整的地面或桌面)的大小和位置；光估测技术用于移动端估测真实世界当前的光照参数。

2.3 AR开发实施工作

AR在隧道运维的开发实施工作包括：

1) 建立虚拟场景。首先需要为AR项目建立准确的虚拟三维场景信息，即三维模型。三维场景信息必须足够准确，这样加载到真实环境中不会出现视觉偏差。而建筑信息模型中包括了精确的三维几何信息，因此最有效的方法就是将建筑信息模型中三维模型转换成AR所需要的模型数据。由于AR应用一般基于移动设备，设备的性能有限，而隧道的BIM模型专业多、体量大，需要对BIM模型进行轻量化操作，以保证良好的用户体验。

2) 设置AR定位信息。为了保证真实环境信息和虚拟信息叠加现实的一致性，需要获取当前设备在三维场景中的准确位置。由于隧道环境无法接收GPS信号，无法实现精确的设备定位。因此，需要采用特殊的方式实现设备辅助定位。通过对隧道进行网格划分，在不同的网格点上布设二维码信息，在二维码中记录该点的精确位置信息。设备通过扫描二维码可以实现精确定位。

3) 开发虚拟数据接口。为了更加有效地对现场维护工作的分析、指导和决策，希望能将更多的虚拟数据叠加到真实环境中。这些虚拟数据包括静态数据和动态数据两大类。其中，静态数据如设施、设备的图纸信息、使用手册、运维作业指导书等，而动态数据包括设备的运行状态、各种指标数据等。

4) 业务应用整合。最后，利用AR开发技术框架、虚拟场景信息、AR定位信息和虚拟数据接口，并结合隧道运维的具体业务进行应用系统的开发。

2.4 基于AR的隧道巡检应用

巡检员在现场巡检时，在移动设备上打开基于AR的隧道巡检应用，扫描需要巡检设备的二维码定位，应用将自动完成设备定位，并将对应的三维构件以及附近的场景加载出来，如图3、图4所示。应用自动将虚拟场景中的三维构件与摄像头所拍摄真实环境下的设备进行叠加显示。同时，根据设备维修作业指导书，显示设备的检修步骤，巡检员只需根据提示信息逐步检查，完成设备检修即可。巡检员在整个过程中，可以切换和对比真实场景和虚拟场景，还可以调阅相关静态和动态数据，如设备图纸和动态运行指标等。