增強現實技術在隧道運維中的應用

周哲峰 汪 洋

(上海巨一科技發展有限公司 上海 200051)

0 引 言

近年來，隨著我國交通基礎設施建設的大規模開展和設計，道路隧道工程在總量、單體長度上都有突飛猛進的發展。截至2016年底，中國既有運營公路隧道15 181座，總長達14 039.7公里，年均增長率高達10%以上，且有逐年增速加快的趨勢。然而，在道路隧道建設水平不斷提高、建設步伐不斷加快的同時，既有運營道路隧道的運維管理水平卻相對比較落后，運維管理體系中仍然存在許多薄弱環節。相比城市道路等其他交通基礎設施，既有運營道路隧道工程具有隱蔽性、封閉性、結構受力復雜等特點。面對規模逐漸擴大、服役時間逐漸增加的既有運營道路隧道，傳統的運維管理思想和技術已經無法適應，隧道的安全運行管理正面臨著巨大的挑戰。BIM技術及AR技術的發展為隧道運維管理帶來了變革的機遇。

1 研究背景

建筑信息模型(BIM)技術近年來愈發火熱，其是繼CAD(計算機輔助設計)技術后又一項重要的建筑業計算機應用技術。BIM技術在建筑全生命周期的應用大大提升了建設項目的協同效率和信息化集成程度，將給建筑業帶來顯著的經濟和社會效益。在道路隧道建設領域，以信息模型為基礎，BIM技術可以服務于隧道的全生命周期管理。在規劃期間，BIM技術提供的場地仿真、3D漫游等功能可以輔助規劃部門進行選址分析，估算項目的投資規模；在設計階段，BIM技術能夠提高各專業之間的協同工作能力，同時，基于BIM模型的碰撞檢測、算量統計等應用能夠很好地減少后期的工程變更，控制工程造價；在施工期，BIM技術能夠提升施工安全管理水平，縮短建設周期。然而，隨著越來越多的既有道路隧道投入運營，BIM技術更大的價值體現在運營階段。該階段的BIM模型集成了隧道勘察、設計、施工各階段的信息，為運營階段的隧道安全運行管理、精細化資產管理等提供了完整、可靠的數據保障；同時，基于隧道的BIM模型，安全管理部門可以實現緊急狀況(如火災、交通事故)時應急措施的模擬，如通風組織、人員疏散等。

美國國家標準技術研究院將BIM定義為以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型，以及對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達。而BIM又可稱為建筑信息建模，是指建筑信息模型的創建、應用和管理過程?？傮w上，BIM集成了工程項目全生命周期的各類幾何及非幾何數據，并以虛擬三維實體形式實現設計、施工、運維等各項應用功能。其中，BIM數據所包含的三維幾何信息是區別傳統CAD二維數據的一個顯著特征，利用BIM的幾何數據對工程項目進行三維可視化展示，并在此基礎上開發相關的設計、施工、運營協同管理系統，是目前BIM應用的主流方向和熱點。

如圖1、圖2所示，基于BIM的三維可視化技術，可以更直觀、清楚地表現工程全貌，為設計、施工、運維等管理工作帶來便利。

圖1 隧道三維模型

圖2 消防泵房三維模型

增強現實(AR) 無縫集成了真實世界信息和虛擬世界信息，通過實時影像、三維等技術，把原本在現實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息，以虛擬信息的形式投射到真實世界，以被人類感官直接捕獲，從而達到超越現實的感知體驗。增強現實技術在隧道運維領域的創新應用是將BIM三維模型、設施、設備等運維數據與當前真實隧道情景相結合，提供一種高度直觀、沉浸的展示方式，可有效地提高隧道運維管理水平。

2 AR在隧道運維中的應用

2.1 AR在隧道運維中的應用價值

增強現實技術利用真實場景信息和虛擬信息，可有效地輔助隧道現場運維作業，對現場作業內容進行分析、指導和決策，提高作業流程的規范性和工作效率。此外，增強現實技術還可以作為虛擬培訓的一種形式，提供虛實結合的情景化培訓環境，培養工作人員在BIM技術支持下的實際動手能力，有利于優化培訓效率和質量。因此，AR在隧道運維管理中的創新應用，將帶來一場新的管理變革。

2.2 AR開發相關技術

增強現實技術，使用視頻影像展現真實世界的信息，通過BIM將虛擬的信息同時顯示到真實世界中，兩種信息相互補充、疊加。增強現實技術包含了實時視頻顯示及控制、傳感器數據融合、三維建模、多媒體、實時跟蹤及注冊、場景融合等新技術與手段。目前，AR應用主要基于移動設備，如手機、平板電腦，利用移動設備的攝像頭采集真實環境信息，同時將本地或網絡上的虛擬信息通過特殊處理后疊加顯示，實現增強現實的效果。根據移動平臺的操作系統不同，主要有以下兩種技術實現方式。

ARKit：ARKit是一個移動端AR技術框架，用于在iOS上開發增強現實app。它提供了一系列API接口，可實現包括追蹤(Tracking)、世界追蹤(world tracking)、場景理解(Scene Understanding)、渲染(Rendering)等功能。

ARCore：ARCore是一個基于安卓上構建增強現實應用的技術框架，其使用運動跟蹤、環境理解和光估測技術將虛擬內容疊合到移動端攝像頭采集的現實世界中。其中，運動跟蹤技術用于定位移動端相對現實世界的位置；環境理解技術用于移動端檢測背景表面(如平整的地面或桌面)的大小和位置；光估測技術用于移動端估測真實世界當前的光照參數。

2.3 AR開發實施工作

AR在隧道運維的開發實施工作包括：

1) 建立虛擬場景。首先需要為AR項目建立準確的虛擬三維場景信息，即三維模型。三維場景信息必須足夠準確，這樣加載到真實環境中不會出現視覺偏差。而建筑信息模型中包括了精確的三維幾何信息，因此最有效的方法就是將建筑信息模型中三維模型轉換成AR所需要的模型數據。由于AR應用一般基于移動設備，設備的性能有限，而隧道的BIM模型專業多、體量大，需要對BIM模型進行輕量化操作，以保證良好的用戶體驗。

2) 設置AR定位信息。為了保證真實環境信息和虛擬信息疊加現實的一致性，需要獲取當前設備在三維場景中的準確位置。由于隧道環境無法接收GPS信號，無法實現精確的設備定位。因此，需要采用特殊的方式實現設備輔助定位。通過對隧道進行網格劃分，在不同的網格點上布設二維碼信息，在二維碼中記錄該點的精確位置信息。設備通過掃描二維碼可以實現精確定位。

3) 開發虛擬數據接口。為了更加有效地對現場維護工作的分析、指導和決策，希望能將更多的虛擬數據疊加到真實環境中。這些虛擬數據包括靜態數據和動態數據兩大類。其中，靜態數據如設施、設備的圖紙信息、使用手冊、運維作業指導書等，而動態數據包括設備的運行狀態、各種指標數據等。

4) 業務應用整合。最后，利用AR開發技術框架、虛擬場景信息、AR定位信息和虛擬數據接口，并結合隧道運維的具體業務進行應用系統的開發。

2.4 基于AR的隧道巡檢應用

巡檢員在現場巡檢時，在移動設備上打開基于AR的隧道巡檢應用，掃描需要巡檢設備的二維碼定位，應用將自動完成設備定位，并將對應的三維構件以及附近的場景加載出來，如圖3、圖4所示。應用自動將虛擬場景中的三維構件與攝像頭所拍攝真實環境下的設備進行疊加顯示。同時，根據設備維修作業指導書，顯示設備的檢修步驟，巡檢員只需根據提示信息逐步檢查，完成設備檢修即可。巡檢員在整個過程中，可以切換和對比真實場景和虛擬場景，還可以調閱相關靜態和動態數據，如設備圖紙和動態運行指標等。

圖3 設備定位和虛擬場景加載

圖4 隱蔽工程查看和動態數據顯示

3 結 語

本文創新性地將增強現實技術應用到隧道運維管理領域中，重點描述了增強現實開發技術標準、工作內容以及應用實例。增強現實技術利用真實場景信息和虛擬信息的融合，在提高隧道現場運維水平和優化培訓效果方面應用效果顯著。增強現實技術在隧道運維管理中的應用才剛剛起步，但相信這將會給隧道運維管理帶來一場新的變革。