AR技術在黃金峽水利樞紐建設管理中的應用

陳璽 蘇巖 燕軍樂

摘 要：基于Unity平臺，利用Vuforia和ARCore等開發工具及3DMax及Maya等三維模型搭建技術，開發黃金峽水利樞紐AR軟件，實現了AR水利樞紐展示、水利樞紐全景展示及VR廠房游覽三大功能。經測試，軟件性能和功能等方面均符合設計要求。將增強現實技術（AR）和虛擬現實技術（VR）有效應用于黃金峽水利樞紐的建設與管理中，提高了水利樞紐管理、設計、施工的科學性與高效性，提升了工程的智能化建設水平。

關鍵詞：增強現實技術;虛擬現實技術;智能化建設;軟件;黃金峽水利樞紐

中圖分類號：TV731 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.030

Abstract： The AR software of Huangjinxia HydroJunction was developed on Unity engine by using the Vuforia SDK， ARCore SDK and 3D model building technology such as 3DMax and Maya. The software implemented three major functions， which was AR hydro junction display， hydro junction panoramic display and VR hydropower plant tour. After testing， the software performance and functions can meet the design requirements. Using augmented reality technology （AR） and virtual reality technology （VR） in the construction and management of the Huangjinxia HydroJunction can improve the scientific and efficient management， design and construction of the water conservancy project and enhanced the intelligent construction level.

Key words： augmented reality technology; virtual reality technology; intelligent construction; software; Huangjinxia HydroJunction

近年來，隨著我國大數據、云計算、移動互聯網、物聯網等新一代信息技術的發展與革新，我國水利工程智能化建設與管理也發展起來[1-2]。AR技術（增強現實技術）特有的沉浸式角度可使用戶置身于虛擬的水工建筑物之中，并可在現實場景下疊加完建后的場景。將AR技術運用在水利工程中，能夠提升參建各方對水利樞紐的整體把握及空間布局理解，提高工程建設管理、設計、施工等工作的科學性與高效性，并起到及時糾偏的作用[3]。

三維世界一般可以分為真實世界、增強現實的世界、增強虛擬的世界和虛擬世界4個部分。AR技術是VR技術（虛擬現實技術）的延伸，在現實的基礎上，增加一部分虛擬的信息，將真實世界信息和虛擬世界信息融合，在屏幕上實現虛擬世界和真實世界的互動，帶給體驗者超越現實的感受[4]。VR技術及AR技術已經較為廣泛地應用在了傳媒、教育、醫療、軍事、航空、航天等領域[5]。水利工程結構復雜、體量巨大、周邊環境復雜多變、邊界條件難以控制、網絡通信條件較差等特點，使得AR技術的應用受限，VR技術僅在工程規劃設計、建筑物模擬仿真及工程量計算、防洪預警等方面有少量運用[6-9]。筆者基于Unity平臺，利用Vuforia和ARCore等開發工具開發了黃金峽水利樞紐AR軟件，將VR及AR技術有效應用于工程建設與管理中，提高了管理、設計、施工的科學性與高效性，提升了工程的智能化建設水平。

1 工程概況

黃金峽水利樞紐位于漢江干流上游峽谷段，陜西南部漢中盆地以東的洋縣境內，為引漢濟渭工程的第一水源，總庫容2.21億m3，調節庫容0.98億m3。由擋水建筑物、泄水建筑物、泵站電站建筑物、通航建筑物和過魚建筑物等組成[10-12]。

擋水建筑物采用碾壓混凝土重力壩，最大壩高63 m，壩軸線總長349 m，共分16個壩段。從左至右依次為左岸非溢流壩段、泵站壩段、導墻壩段、底孔壩段、縱向圍堰壩段、表孔壩段、右岸非溢流壩段。

泄水建筑物采用表、底孔結合，以表孔為主的布置方式。表孔共5孔，孔口尺寸14 m×25 m（寬×高），堰頂采用WES實用堰面曲線;設置一個底孔，孔口尺寸8.0 m×12.5 m（寬×高）。表、底孔運行均以弧門控制，另設事故檢修平板門。

泵站電站采用河床式泵站+壩后式電站布置在左側河床，泵站、電站順流向前后布置，電站布置于泵站下游。泵站安裝7臺1.8萬kW立式水泵機組，總裝機功率為12.6萬kW;電站安裝3臺4.5萬kW水輪發電機組，總裝機容量為13.5萬kW。

通航建筑物初步設計為垂直升船機，與右岸第5號溢流表孔結合布置，暫緩修建;過魚建筑物為魚道形式，布置在左岸邊坡上，全長約1 970 m。

2 黃金峽水利樞紐AR軟件開發

黃金峽水利樞紐AR軟件開發時，根據相關設計圖紙及現場實際情況，通過3DMax及Maya對虛擬場景進行三維建模、渲染并制作部分特效;在Unity3D平臺進行虛擬場景渲染及交互設計;利用Vuforia和ARCore開發工具，實現根據標識物的位置顯示對應增強現實場景、疊加虛擬信息、音頻講解、視頻播放等人機虛擬交互功能。其總體框架如圖1所示。

2.1 3DMax及Maya技術

3DMax全稱為3D Studio Max，是Discreet公司開發的（后與Autodesk公司合并）基于PC系統的三維模型建立、動畫設計及效果渲染軟件，廣泛用于游戲、影視、機械、建筑等領域。3DMax是一種多邊形對象建模方式，建模方式靈活，操作界面友好，可以創建大型三維模型，且模型修改簡便;軟件對系統配置要求不高，兼容性強，可通過其他插件實現更多功能，也可與高級渲染器進行連接，提升模型及動畫效果，因此它成為建筑、水利及相關行業最為常用的建模及動畫制作工具之一[13]。

Maya是Autodesk公司出品的三維動畫軟件，集成了Alias、Wavefront 最先進的動畫及數字效果技術。相比于3DMax，Maya的基礎層次更高、功能更加強大、動畫效果更加細膩、真實且使用更加靈活，但其插件及模板較少，更多參數需要自己設定，因此使用起來稍顯復雜。在國內，Maya較多用于電影特效、3D游戲、廣告宣傳、網頁制作等方面[14]。

3DMax及Maya技術均可輸出Unity支持的模型格式，且具有場景逼真、特效優異等特點，因此選用這兩個軟件對黃金峽水利樞紐大壩、魚道、電站、泵站進行建模、貼圖及制作部分動畫、特效。

2.2 Unity3D技術

Unity3D是由丹麥Unity Technologies公司開發的專業虛擬現實引擎，是一個可創建三維游戲視頻、建筑可視化、實時三維動畫等交互內容的綜合型開發平臺。其具有跨平臺性良好、開發環境簡單易學、資源導入便捷、兼容眾多軟件開發工具包（SDK）、綜合剪輯和圖像處理功能強大等優勢，現被廣泛應用于虛擬現實研究及三維游戲開發等領域。

Unity3D的編輯器可在Windows、Linux及Mac OS X系統下運行，可發布產品至Window、Linux、Mac OS X、IOS、Android、Web browsers、Play Station3、Xbox One、Xbox360、Windows Phone等多種主流平臺;支持的編程語言主要為C#及Java等[15-16]。選用Unity3D平臺作為黃金峽水利樞紐AR軟件的開發平臺，配合Vuforia及ARCore等軟件開發工具包（SDK），完成軟件功能的開發，并發布在Android平臺，開發過程中使用的編程語言為C#。

2.3 Vuforia及ARCore技術

Vuforia是高通子公司針對移動設備AR應用的軟件開發工具包（SDK），2015年被物聯網軟件開發商PTC收購，因其優異的性能和開源免費使用，成為最受歡迎的AR應用軟件開發工具包之一。Vuforia提供的主要模塊有Application Code（應用程序代碼）、Cloud Databases（云數據庫）、Device Databases（設備數據庫）、Camera（攝像機）、Image Converter（圖像轉換器）、Tracker（追蹤器）、Video background renderer（視頻背景渲染器）、Word Targets（文本目標）、User Defined Targets（用戶自定義目標）[17-18]。

ARCore是谷歌推出的用于搭建增強現實應用程序的免費軟件開發工具包（SDK），主要用于Android平臺AR應用軟件開發。因其優秀的光源感知能力、環境感知能力、動作捕捉能力、區域學習功能而受到越來越多開發者的歡迎[19-20]。

黃金峽水利樞紐AR軟件開發時，選擇了Vuforia及ARCore兩種主流軟件開發工具包（SDK），來實現標識物特征點捕捉跟蹤、虛擬模型與視頻真實場景融合、根據環境光實時改變虛擬模型明暗陰影自適應、虛擬信息疊加（包括動畫、音頻、文字等）、漫游導覽等功能。

3 黃金峽水利樞紐AR軟件測試

在軟件開發完成后，為盡可能檢測和排除子系統（或系統）結構或相應程序結構上的錯誤，使所有的系統單元配合合適，整體的性能和功能完整，保證每個單元能正確地實現其預期的功能，需對軟件進行功能測試、用戶界面（UI）測試、性能測試、回歸測試和安裝測試五個方面測試，選擇測試設備為某國產手機旗艦機型。

在設備進行黃金峽水利樞紐AR軟件安裝，運行各模塊30 min，記錄30 min內軟件運行情況，并通過ADBTool調試工具、UnityProfile工具和安卓系統自帶性能查看功能，記錄設備各方面參數。

測試結果顯示：軟件安裝、切換及各模塊功能均可正常使用;各窗口風格（包括顏色、字體、提示信息、圖標等）與需求保持一致，滿足用戶界面的友好性、易操作性，符合用戶操作習慣;軟件運行之后，在功能初始化階段，機器會在短時間內CPU占用率上升，當初始化完成后CPU占用率下降，保持在55%左右，運行平穩，不會出現卡頓的情況;內存占用一直控制在1 GB以內，滿足測試要求。

4 黃金峽水利樞紐AR軟件操作及成果

黃金峽AR軟件主要提供了AR水利樞紐展示、水利樞紐全景展示及VR廠房游覽三大模塊。其中：AR水利樞紐展示模塊運用增強現實技術（AR），將黃金峽水利樞紐竣工后的虛擬場景疊加到現實場景中，在移動設備對準大壩施工場景時，會在左右邊坡間展示出大壩竣工效果，并可模擬船只通過升船機從下游到上游的整個過程，以及大壩表孔和底孔泄洪過程;水利樞紐全景展示及VR廠房游覽模塊運用虛擬現實技術（VR），通過移動設備將用戶置身于虛擬場景中，用戶可在程序預設的路徑下游覽水利樞紐廠房內全部結構，也可控制角色在虛擬場景中自由移動，進而體驗水利樞紐廠房的內部結構，觀察虛擬設備安裝及運行情況。具體軟件功能如圖3所示。

（1）AR水利樞紐展示。在實現AR水利樞紐展示時，用戶首先需在系統預設的5個最佳觀察點選擇自己所處位置，以保證識別出的大壩模型與左右岸邊坡結構完全吻合，確保觀察效果;之后使用手機后置相機對準指定場景即可顯示虛擬大壩;用戶可通過手機上放大、縮小的操作，調整場景大小，同時可利用軟件右側按鈕實現表孔泄洪演示、底孔泄洪演示和通航演示功能。

（2）水利樞紐全景展示。在實現水利樞紐全景展示時，首先應根據系統預設的6種情況對天氣進行設置，之后便會進入水利樞紐展示頁面，用戶可以利用單手指觸摸屏幕來旋轉場景及雙手指觸摸來拉近、推遠場景，并可通過右側功能按鈕實現通航展示、泄洪展示及魚道展示功能，操作頁面見圖4。

（3）VR廠房游覽。進入VR廠房游覽時，軟件將處于半透明巡游展示狀態，并出現全廠房演示、泵站演示、電站演示三種模式供用戶選擇，操作頁面如圖5所示。當用戶選擇全廠房演示時，軟件將根據預設路徑對泵站及電站各部位進行展示及講解;在講解到重要部位時，將對該部位進行放大加亮展示，并顯示其主要參數。當用戶選擇泵站演示時，頁面將進入泵站內部，并出現手動游覽及自動游覽兩種選擇，自動游覽模式下用戶將跟隨系統預設路線對泵站內部進行游覽，手動模式下用戶可根據左下角控制器瀏覽廠房的任意部分。與泵站演示類似，電站演示也提供了自動游覽及手動游覽兩種模式供用戶選擇。

5 結 語

黃金峽水利樞紐AR軟件的開發，以Unity3D平臺為基礎，借助3DMax、Maya、Vuforia、ARCore等技術，實現AR水利樞紐展示、水利樞紐全景展示及VR廠房游覽三大功能，對完建后的重力壩、泵站、電站建筑物、升船機、魚道等建筑物進行直觀展示，使用戶可置身其中了解各結構的細節構造及運行機制。此外，有效地對設計及施工起到了糾偏作用，提高了管理、設計、施工的科學性與高效性，也為水利樞紐的科普教育及參觀打下基礎，提升了工程的智能化水平。

現階段軟件的開發偏向于施工完建狀態，缺乏施工過程中相關信息及內容，對水利工程建設全生命周期的幫助作用還較為有限。后續引漢濟渭工程將以物聯網為紐帶，融合BIM、GIS、5G通信、區塊鏈等技術應用于建設和運行全過程，搭建建管平臺，整合施工過程中地理、地質、施工工序、現場檢測、質量檢測及安全、進度、成本等信息，實現工程建設和運行的全生命周期管理。

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【責任編輯 張華巖】