宁亚芸

（上海东航工程管理有限公司）

1 引言

随着信息技术的不断发展和污水处理公司改革的不断深入，企业管理方式正在向创新管理和信息管理逐步转变，因此，信息化建设成为污水处理公司优化组织结构、降低经营成本、提升客户满意度、提高管理水平、保障运营安全的必经之路。以“动态感知、智慧决策、精细管理”为理念，通过构建感知和网络、仿真与模拟、预警与决策三大核心能力，实现感知精准化、信息可视化、管理精细化、决策科学化、应急快速化。针对当前的理念和目标，首先引入数字孪生技术，实现虚拟场景与现实场景的叠加。数字孪生技术最初由美国的Grieves 教授提出[1]，为物理对象建立对应的数字模型，该模型可以通过接收来自物理对象的数据而实时演化，从而与物理对象在全生命周期保持一致。基于数字孪生，我们可以进行分析、预测、诊断、训练等，并将仿真结果反馈给物理对象，从而对物理对象进行优化和决策。Unity3D作为被广泛使用的实时3D创作平台，拥有很大的开发者群体，并且在多个领域被应用。使用Unity能对模型数据、传感器数据或点云数据进行实时传输和渲染，在添加物理特性和行为逻辑后，不仅可以将简单、抽象的模型和数据处理为照片级的实时渲染效果，还可以在多个平台以AR/VR/MR 的形式进行交互，实现真正意义上的数字孪生。目前，使用Unity实现数字孪生，传统的方式是数据服务跟Unity之间通信实现，借助IoT 物联网技术获取PLC 数据并以JSON的格式实时上传，Unity通过HTTP或者Socket方式从服务端实时获取数据。最终在手持端呈现的就是硬件监测设备的实时数据查看或历史曲线查看，便于业务人员分析判断。近年来，虚拟现实、增强现实和混合现实技术的发展为特种环境下设备设施的运维巡检提供了新的解决思路[2][3]。

2 AR巡检运维系统的建设

2.1 系统建设目标

智慧水务作为智慧城市建设的重要组成部分，是体现城市管理智能化水平的重要标志之一，关系到城市运行优化资源配置、政府职能提升、公共服务完善等各项任务。基于现实业务场景的需求，通过多项技术的融合，我们搭建了AR 巡检运维系统，实现物理环境和虚拟环境之间的数据交互[4]。

AR 日常巡检系统搭建主要以Unity3D 这个广泛使用的3D 游戏引擎和Unity3D 的ARFoundation库作为基础开发平台。通过物联网技术实现硬件监测数据的实时感知；BIM+GIS 技术实现模型搭建和轻量化处理，模型的位置信息确定；GPS技术实现现场人员在较大范围巡检过程中的实时定位；AR增强现实技术实现模型与现实场景的交互。运维人员在现场巡检中或发生故障时，能够及时对地下隐蔽体的情况进行查看，并快速做出响应。

本系统的建设目标：利用云计算、物联网、大数据、智能化、移动互联等技术打造AR巡检运维系统，搜集全市范围内的排水数据，采用水平衡思想对全市进行区域划分，通过增设管网智能感知设备，结合信息系统数据分析，明确各区域范围内水量平衡关系，并分析各区排水管网运行情况，实现精细化管理。

系统建设内容、工作主要有以下内容。

①BIM模型数据轻量化处理。将系统中的BIM模型进行轻量化处理，转换为适合移动设备加载的数据格式。

②开发基于AR 的移动巡检系统，主要包括：实时监测，通过手持终端可查询各类实时监测数据并根据报警配置实现及时的监测报警通知；移动应用系统将和现有监测系统数据进行对接，主要监测降雨量、水量、水质、液位、智能井盖、泵站、污水厂、管网运行状态等数据，当监测数据超过报警预设值时，将推送手持端告警消息，各类监测数据可通过手持端查询展示。

BIM模型加载及展示：以移动BIM+GIS技术为支撑，系统需包含属性查询，支持管道投影与地下遮罩功能。实现各种排水相关设施，如液位计、流量计、雨量监测计、智能井盖、排水管线、管线附属物、泵站以及污水处理厂等BIM模型三维空间分布及可视化查询。

二维码布点辅助定位：系统需采用二维码定位等技术达到现实环境与虚拟模型的匹配，实现污水设施设备巡检过程中的现场位置与BIM模型空间位置的精确匹配定位。

巡检运维管理：系统需结合BIM 及AR 技术与全市污水管网智慧平台中排水移动应用系统进行联动，达到现实环境与虚拟模型高度匹配的三维可视化巡检维修效果，提高污水设施设备巡检质量及效率。

2.2 系统应用模式

巡检人员使用移动终端（建议iPad）开展现场巡检运维工作过程（见图1），主要流程如下：①打开应用并登录系统；②系统可通过GPS、二维码扫描等定位技术获取当前位置信息，并辅以手工矫正技术实现真实世界空间与模型空间融合；③在增强现实的状态下（也可切换到VR、遮罩等其他模式）查看设施设备的运行状态，完成巡检信息的采集和运维工作。

图1 系统应用模式

3 关键技术路线

3.1 AR实现技术

2017 年，Apple 公司与Google 公司相继推出了各自的AR 开发SDK 工具包ARKit 和ARCore，分别对应iOS 平台与Android 平台的AR 开发。ARKit 和ARCore分别服务于各自己的系统平台，这意味着软件产商要开发一套移动AR 应用就必须有适用iOS的版本和适用Android的版本，这无疑增加了开发时间与成本。在这种情况下，Unity 构建了一个AR 开发平台：ARFoundation。这个平台架构于ARKit 和ARCore 之上，其目的就是利用Unity 的跨平台能力构建一种与平台无关的AR开发环境。

在本系统中，选择ARFoundation 作为AR 实现技术，实现系统的可扩展性。

1）世界跟踪（Tracking）

指AR 设备确定其在物理世界中的相对位置和方向的能力。

2）可跟踪（Trackable）

可以被AR 设备检测和/或跟踪的真实特征，例如，特征点、平面、人脸、人形等。

3）特征点（Feature Point）

AR 设备使用摄像机和图像分析跟踪世界上用于构建环境地图的特定点，例如，木纹表面的结。特征点云包含了被观察到的3D 点和视觉特异点的集合，通常还附有检测时的时间戳。

4）Session空间（Session space）

相对于AR session初始化时的坐标系，例如，会话空间（0，0，0）是指创建AR 会话的位置。AR 设备跟踪的坐标信息都是处在Session 空间中，因此，在使用时，需要将其从Session空间转换到其他空间。

5）用户交互（User interaction）

ARFoundation利用命中测试获取对应于手机屏幕的(x，y)坐标（通过点按或应用支持的任何其他交互提供），并将一条射线投影到摄像头的视野中，返回这条射线贯穿的任何平面或特征点以及交叉位置在现实世界空间中的姿态。

6）增强图像（Augumented Image）

使用增强图像（图像检测）可以构建能够响应特定2D图像（如产品包装或电影海报）的AR应用。

3.2 模型匹配矫正技术

为了保证真实世界与BIM 模型的完美融合，需要实现真实世界坐标系和模型坐标系的匹配。系统提供基于GPS 定位、二维码扫描、手工匹配的三种方式。

1）GPS 定位：通过移动设备的GPS 定位信息得到经纬度信息，并通过投影变换得到模型空间的坐标位置。该方式适用于空旷场地等GPS信号优良的场景。

2）二维码扫描：对一些典型设备印制并粘贴二维码，通过扫描二维码识别当前设备，进一步得到当前模型空间的坐标位置。该方式适用于泵站等封闭场所。

3）手工匹配：通过比对真实场景与模型的差异，并通过手工微调的方式进行匹配和矫正，是GPS 定位及二维码扫描方式的有效补充。

3.3 模型加载技术

本系统将承载污水泵站、污水管道、地埋式泵站、窨井等设施设备BIM模型。原始模型精度高，体量大，全部加载到移动设备中，易造成系统卡顿甚至崩溃。为了保证使用效果，系统将采用模型轻量化结合分块分区动态加载技术。

1）BIM模型轻量化

在保证模型展示效果的前提下，利用减面技术对模型的顶点和面数进行优化。针对圆柱形管线，可采用正多面柱体（16或32面）进行近似，并通过法向量插值算法保证显示效果。

2）分块动态加载

将所有模型根据地理位置进行分块划分。使用时，根据当前位置计算临近分块，并实现动态加载分块模型。

4 系统功能测验

AR 巡检运维系统主要是针对日常巡检的辅助办公，通过智能感知、资产查询、隐蔽体仿真模拟、GPS实时定位、二维码扫描、GIS地图导航、巡检工单及时填报等模块完成系统功能的测验，系统功能架构详情（见图2）。

图2 系统功能架构

1）GIS地图导航

现场运维人员携带手持端设备到巡检现场，打开系统，进入GIS地图导航模式，进行位置信息获取或选择进入场景的方式，同时也可以查看地下管线的二维分布情况和实时感知位置的部署。

2）二维码布点定位

通过GIS地图页面可以选择二维码布点定位进入场景，我们选择在泵站位置进行二维码布点，选择二维码布点的作用就是可以快速协助我们定位到具体的空间位置，通过微调即可进行场景使用。

3）GPS定位

通过GIS 地图页面选择GPS 定位或者实时定位，适用于大范围巡检使用，可以快速查看所在或所选位置下的管网分布情况。

4）智能感知

对于现场布设的各类硬件监测设备，既可以满足在GIS 地图上查看分布和监测内容，以及报警内容，也可以在物理场景进行查看。

5）资产查询

点击对应的构件，即可查询到相应的附件信息。

6）隐蔽体仿真模拟

通过功能键操作，可以满足地下管网的仿真模拟，对于现场施工人员，不用携带纸质图纸，即可查看地下管线分布，以及资产信息查看。

7）巡检工单及时填报

在巡检过程中，如果发现故障，即可进行工单填报，派单给相应负责人进行处理，同时还可以进行工单定位，方便巡检人员能迅速到达事故发生位置。

5 测验效果评价

AR 运维巡检系统主要是针对现场运维人员的工作进行辅助巡检，现场运维人员不仅能够通过系统完成在线化办公的巡检任务、故障工单的填报等任务的闭环，也可以随时在手持端查看相关现场环境在虚拟场景里的资产信息和隐蔽体的仿真模拟，以及智能感知查看，降低现场施工的成本，提高了现场运维人员的工作效率。

6 结语

本文主要针对日常巡检人员工作内容的结构化处理进行指导，提出了数字孪生AR运维巡检系统总体模型，采用BIM-Unity3D系统开发，实现了现场运维的指导过程，解决了现场运维人员日常巡检工作的繁琐，提高了对隐蔽体的实时掌控、智能硬件设备的实时感知、突发情况的快速解决等能力，有效降低了不必要的损失。在GPS 实时定位方面，由于遮挡物的存在，使厘米级的定位还存在一定的问题，导致人员在现场察看地下管网之前需要进行多次校准微调工作，后续会继续对GPS实时定位进行研究，争取早日解决当下的问题。