基于BIM和UE4的水閘虛擬現實調度系統

楊 甲，喬燕飛

（河北省水利水電第二勘測設計研究院，河北 石家莊 050021）

內陸河網通過水閘控制與外圍河流和海洋的水體交換，控制內河水位在一個合理的范圍內，保障人民生活安全和區域社會經濟發展具有重要作用，是非常值得研究的緊迫課題。以往河網上水閘的調度主要通過人為控制，這既依賴于相當豐富的調度經驗，也很不經濟。隨著社會經濟的發展，實現河網水閘的自動控制和智能調度是水利信息化建設的必然趨勢［1］。應用虛擬現實技術與物聯網技術建立水情工情實時監測、水閘智能調度和綜合自動化系統，以提高調度運行響應速度和能力，實現水利工程管理的調度智能化和決策科學化，充分發揮水利樞紐工程在國民經濟建設和社會發展中的作用［2］。

本文基于Bentley平臺的BIM解決方案，采用三維協同設計手段進行水閘設計，將BIM設計成果導入Unreal Engine 4（以下簡稱UE4）引擎制作的虛擬現實環境中，使用Blueprints（藍圖）及C++語言進行模型的控制與管理，從而實現在虛擬環境中的水閘綜合自動化控制。利用先進的BIM設計手段，結合高效的UE4引擎，改變以往三維仿真系統只能進行水閘調度的模擬演示，利用可視化腳本系統Blueprints達到主要模型的控制，利用C++語言進一步在Blueprints系統進行擴展實現設備的調度管理。

本系統主要意義在于將水閘調度管理與三維設計可視化結合，在三維可視化的環境中進行水閘的實時調度管理，最終利用三維設計可視化成果實現三維調度可視化。其主要優點與三維設計可視化相同：調度可視化后，可使調度溝通更加高效；調度管理信息更新更加及時；對調度數據進行可視化驗證；調度成果的快速展示等［3］。

1 主要應用技術簡介

BIM即Building Information Model（建筑信息模型），最早在20世紀70年代由美國的建筑與計算機領域的研究者提出。其基本構想是：將建筑工程的所有幾何模型、構件與設備性能、施工、環境等信息和建筑工程項目全生命周期內的所有信息整合到一個模型中，使得建筑工程從設計、施工、維護等全部過程的信息都得以統籌管理［4］。

Bentley平臺的BIM解決方案如圖1所示，以DGN為載體，在ProjectWise和MicroStation協同工作平臺上，分專業運用AECOsim Building Designer、Geopak、OpenPlent、Navigator等進行三維協同設計。通過多個專業軟件在同一個協同平臺上工作，建立同一個模型完成BIM模型的搭建工作。

圖1 Bentley平臺的BIM解決方案

游戲引擎是指一些已編寫好的可編輯電腦游戲系統或者一些交互式實時圖像應用程序的核心組件。這些系統為游戲設計者提供各種編寫游戲所需的各種工具，其目的在于讓游戲設計者能容易和快速地做出游戲程式，而不用由零開始。游戲引擎包含以下系統：渲染引擎 （即 “渲染器”，含二維圖像引擎和三維圖像引擎）、物理引擎、碰撞檢測系統、音效、腳本引擎、電腦動畫、人工智能、網絡引擎以及場景管理。

虛幻引擎 （Unreal Engine）是在游戲業界廣泛使用的商業游戲引擎之一［5］，隨著技術的發展，目前已發展到第四代即UE4，技術已經相當成熟。用BIM+UE4的組合制作水閘仿真系統，從而讓虛擬現實環境控制、調度、管理水閘成為可能。

2 水閘BIM （Bentley平臺）解決方案介紹

河北省屬于典型資源型缺水省份，面對水資源嚴重短缺的狀況，提出建設 “引黃入冀工程”、“引黃入冀補淀工程”兩條輸水線路。江河干渠位于河北省衡水市武邑縣縣城東南約6.3km，自東南向西北走向，總長16.7km。江河干渠溝通了河北省 “引黃入冀”和 “引黃入冀補淀”兩大輸水線路。吳沙閘位于江河干渠的渠首，是兩大輸水線路聯合調度的關鍵節點。工程設計采用基于Bentley三維協同設計平臺和數字化設計手段完成。本工程設計由水工、建筑、地質、金結、電氣等多個專業共同參與，過程中多專業協同配合，極大的縮短了項目設計周期。

在吳沙閘三維協同設計過程中，提出了基于Bentley平臺針對平原水閘類工程的解決方案。開發了一套參數化設計程序，實現了水閘的參數化建模、自動統計工程量等功能［6］。通過使用Bentley平臺的三維設計軟件進行多專業的協同設計及軟件的二次開發工作，結合吳沙閘重建工程BIM項目總結出的解決方案，實踐中取得了良好的效果，并在設計階段具有普遍適用性。

水閘BIM解決方案主要采用AglosGeo進行三維地質建模、MicroStation二次開發進行水工專業建模及配筋、AECOsim Building Designer進行建筑專業建模、OpenPlant進行水機金結建模、Substation和AECOsim Building Designer進行電氣專業建模。通過多專業協同，利用參數化建模的高效性，在吳沙閘重建工程建設過程中，實現了BIM設計應用于生產當中。但不應滿足于此，推動BIM設計向工程建設的全生命周期領域應用，才能稱之為一套完整的解決方案。

利用BIM技術能夠實現3D建模加時間管理的4D管理系統，也可實現施工進度與成本造價的5D模擬。但這只是局限于項目的規劃設計階段、工程建設階段。為實現將BIM技術應用于項目的全生命周期，將BIM技術引入到項目的運營和調度中，采用一種可以進行交互的虛擬現實系統，選取BIM技術結合UE4進行開發。

3 UE4的水閘虛擬仿真環境搭建

前文提到虛擬仿真主要以可視化為主，應用3Dmax、Maya等軟件建模制作效果圖及動畫，需要在3Dmax等軟件內建立模型然后進行渲染，工作效率低。隨著BIM技術的發展有些BIM軟件本身具有渲染功能，如 MicroStation、Revit等，利用BIM模型進行處理用BIM軟件自帶的渲染功能進行效果圖及動畫的制作，省去了建模這個過程，效率也有所提升，但模型處理及渲染效率也不高。但隨著技術的進步，基于GPU的實時渲染虛擬仿真軟件進入市場，對工程虛擬仿真起到了極大的推動作用，目前市場上存在多款虛擬仿真軟件都可以很好的實現虛擬仿真效果，如：Lumion、LumenRT等，但具有功能局限性，功能單一，不支持二次開發。于是基于游戲引擎進行虛擬仿真進入的市場，目前主要有：Unreal Engine4、Unity3、cry engine3等。

本文主要介紹UE4，UE4是開源的，代碼是完全開放的，對于二次開發對接數據，提供極大的便捷性。制作前要了解BIM模型的整體架構、圖層顯示、參考關系等情況，將模型從ProjectWise下載到本地，模型根據可視化的要求進行分類整理減小模型體量，通過中間格式將吳沙閘重建工程BIM模型導入到UE4。在UE4內設置全局光照等基本參數搭建好虛擬環境。UE4更加直觀更加真實，模型導入后不做處理效果也非常理想。如圖2所示。將BIM模型導入UE4后調用相關信息進行對接，通過模型自帶的Element ID對接文件信息，使用Blueprints（藍圖）進行模型的控制，通過C++語言調用外部監測數據庫控制反饋到模型。

在UE4模型導入模型時應注意模型貼圖UV及光照UV的展開工作，UV是定位2D紋理的坐標點，UV直接與模型上的定位點相對應。一般在BIM模型中都含有一套UV或貼圖信息，但不包含二套UV既光照UV。UE4把第一套UV同時作為了貼圖UV和光照UV，于是在進行靜態光照計算時就會提示 “UV OVER LAPPING”即UV有重疊。通常可以通過UE4中自動進行UV創建也可通過第三方軟件進行如3Dmax和Maya等創建第二套UV。模型UV的解決是整個模型導入到UE4中至關重要的環節，BIM模型與游戲模型不同點，主要體現在模型的信息含量與模型的體量上面，BIM模型上含有大量位置信息及屬性信息，游戲模型則含有大量的貼圖信息及光照信息，通過大量的貼圖信息減少位置及屬性信息后模型體量會大大降低便于圖形的瀏覽與查看。必要時也可以進行貼圖烘焙，貼圖烘焙技術也叫Render To Textures，簡單地說就是一種把光照信息，渲染成貼圖的方式，而后把烘焙后的貼圖再貼回到場景中去的技術。光照信息變成了貼圖，不需要再占用資源。通過進行UV處理和模型貼圖烘焙等方法將體量大、冗余多的BIM模型進行輕量化處理便于可視化操作。

可從Epic Games的虛幻商城調取其他材質、配景、植物等資源，對模型進行優化處理，對配景進行添加。完成虛擬環境搭建后，使用Blueprints進行基本部件的控制，Blueprints是特殊類型的資源，提供一種直觀的、基于節點的界面，以用于創建新類型的Actor及關卡腳本事件；提供了一種在虛幻編輯器中快速創建及迭代的可視化腳本工具，而且不需要書寫代碼。吳沙閘重建工程利用藍圖實現了閘門開啟、水位控制、門窗開關、燈光開關燈等基本控制。Blueprints界面如圖3所示。

制作完成后，可將這個項目進行發布，UE4兼容目前基本上所有的主流硬件設備，可將項目發布于電腦端、平板端、手機端。項目可用在多種硬件設備進行瀏覽查看。

圖2 UE4內吳沙閘重建工程模型

圖3 Blueprints（藍圖）界面

4 水閘智能調度系統功能實現

利用UE4強大的擴展功能，利用C++語言進行調取外部數據庫內容，與原有數字化、符號化的管理調度系統進行對接，從而實現水閘調度的可視化和三維仿真。實現了三維虛擬環境與現實環境情況一致，并結合視頻監控、物聯網技術等實現遠程水閘虛擬現實調度系統的研發工作。水閘虛擬現實數字化交付系統V1.0的主界面如圖4所示。UE4支持包括 Android、Desktop（Win+Mac+Linux）、HTML5、 iOS、 Linux、 Mac、 PlayStation4、 Windows、xbox One等多個平臺，對于未來將模型進一步精簡優化在移動端進行水閘控制提供了可能。并且支持VR／AR功能開發，虛擬現實 （Virtual Reality）是綜合利用計算機圖形系統和各種顯示及控制等接口設備，在計算機上生成的，可交互的三維環境。增加現實 （Augmented Reality）是通過計算機系統提高的信息增加用戶對現實世界感知的技術，并將計算機生成的虛擬物體、場景或系統提示信息疊加到真實場景中，從而實現對現實的 “增強”［7］。目前 UE4支持虛擬現實設備 Oculus Rift、Project Morpheus等。通過新技術的引入和強大的開發能力，水閘智能調度系統將不斷完善，將遠程控制、虛擬現實、增強現實、物聯網等技術有機結合在一個平臺內，將其融合并用，實現水閘數字化、移動化、智能化的管理調度，最大程度的保證人民生活安全、促進水利資源合理利用。

5 結語

采用BIM+UE4技術完成對水閘的三維模型搭建，通過傳感器將現實數據傳遞到虛擬環境當中，從而在虛擬環境中反映現實情況。根據環境狀況進行決策，再利用虛擬環境與現實

環境的同步控制，實現在虛擬環境中對現實水閘的調度管理。本文通過介紹BIM設計與UE4引擎，并將兩者結合應用到水閘的調度管理當中，其目的是拓展BIM設計產品應用領域，使BIM不僅應用于設計，還面向設計、建造、運營的全生命周期，并與水閘的運營調度結合。不足之處在于整個系統開發周期較長，技術難度大，還存在許多不確定性，但隨著BIM技術的不斷發展，BIM產品線將不斷延伸，使之發揮更大的作用，產生更大的價值。

圖4 水閘虛擬現實數字化交付系統V1.0的主界面

［1］顧正華.河網水閘智能調度輔助決策模型研究［J］.浙江大學學報（工學版），2006（05）：822-826.

［2］曾微波，王履華，吳長彬，等.基于虛擬現實與物聯網技術的水閘智能調度系統研究［J］.水利水電技術，2013（11）：120-123.

［3］宋明佳.水利水電行業三維協同設計中三維可視化的應用與研究［J］.水利規劃與設計，2013（12）：57-59.

［4］李敏.基于BIM技術的可視化水利工程設計仿真［J］.水利技術監督，2016（03）：13-16.

［5］高鳴.游戲引擎與制作技術簡介［J］.裝飾，2007（06）：30-33.

［6］孫斌.MicroStation二次開發的平原水閘參數化設計［J］.三峽大學學報，2016（05）：103-106.

［7］郭天太，王引童.虛擬現實技術與增強現實技術［J］.機械制造，2003（06）：7-9.