基于BIM和UE4的調蓄池數字孿生BIM管理系統(tǒng)

曾慶達，胡 亭，王 煌，王媛媛，秦 菁

(深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518001)

調蓄池是在城市發(fā)生降雨時，收集污染雨水的水工建筑物，是海綿城市建設的重要內容之一。其通過將雨水徑流的高峰流量暫留池內并進行物理、化學、生物等方式對污染物質進行處理，待降雨峰值過去后再將池內水體緩慢排出至河道或是污水處理廠，達到規(guī)避雨水洪峰，提高雨水利用率的作用[1]。為了適應降雨雨量和降雨水質的變化，調蓄池運行工況組合復雜，以往調蓄池運維管理主要通過人為控制，這不僅對管理人員的運維管理經驗有較大的要求，也較不經濟[2]。因此建成一個高度自動化、智能化的運維管理系統(tǒng)是非常必要的。

BIM結合物聯(lián)網、大數據等先進技術實現調蓄池的自動控制和智能調度是智慧水務的必然趨勢[3]。目前市面上常見的運維平臺基本上是基于網頁端進行開發(fā)，例如three.js、OpenGL等[4-5]，此類平臺雖然可以達到穩(wěn)定性和智能性的需求，但是存在開發(fā)門檻較高、BIM模型不通用、可視化水平不高等問題。

本文調蓄池BIM模型基于Autodesk平臺的BIM正向協(xié)同設計，結合EPIC GAMES公司旗下行業(yè)內知名游戲引擎Unreal Engine(下文簡稱UE4)，利用datasmith插件將BIM模型及所有附帶信息成果直接導入UE4中，實現高水平、高保真的BIM模型三維可視化。通過可視化編程語言Blueprints對運維管理系統(tǒng)進行前端開發(fā)，降低開發(fā)人員的編程技術門檻。后期運用C++進行二次開發(fā)，實時采集調蓄池內傳感器信息，實現自動化控制，利用神經網絡等算法自動生成運維管理方案，為管理者運維管理決策提供參考。

1 基本理論

BIM(Building Information Model)即建筑信息模型，其核心是將建筑工程全生命周期中所有的信息整合到模型中，形成一個與現實建筑情況一致的三維模型信息庫[6]。其中信息不僅包括建筑構件的幾何、專業(yè)等信息，還包含了空間、運動行為等狀態(tài)信息。借助三維模型可以極大程度地提高建筑工程的信息集成水平，使建筑工程可以在設計、施工、運維等全生命周期中產生的信息都得以統(tǒng)籌管理[7]。

Autodesk平臺的BIM軟件主要包括Revit、Inventor、Navisworks、Inforworks、Civil3D、Vault等，其解決方案是分專業(yè)采用Revit、Inventor、Civil3D等進行建模，各專業(yè)通過Vault平臺進行協(xié)同設計、設計完成后利用Revit、Navisworks進行模型整合，Navisworks還可以用于施工模擬、碰撞檢查等[8]，見圖1。

圖1 Autodesk平臺的BIM解決方案

游戲引擎最初是為游戲工作者打造的工具集，其目的是為游戲設計者提供各種編寫游戲的各種工具，加快游戲制作速度和質量。游戲引擎主要包括渲染引擎、物理引擎、碰撞檢測系統(tǒng)、動畫、網絡引擎等[9]。而Unreal Engine作為全球先進、開放的實時3D創(chuàng)作平臺，優(yōu)秀的實時渲染技術、可視化編程和開源性給水務工程師在智慧水務領域提供了無限可能。

數字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產品的鏡像，反映了相對應物理實體產品的全生命周期過程[10]。數字孿生最早由美國國防部提出，運用于航空航天飛行器的健康維護與保障[11]，目前已發(fā)展為一個普遍適應的理論技術體系，可應用在眾多領域，其中就包括了水務工程建設領域。

2 調蓄池BIM解決方案介紹

隨著城市的快速發(fā)展，深圳的環(huán)境承載力天生不足問題日益突出，超過80%的用水依靠外部輸入，黑臭水體及城市內澇問題突出，水生態(tài)破壞嚴重。自2016年深圳入選海綿城市建設試點以來，全市開展海綿城市建設，推行以生態(tài)環(huán)境優(yōu)先為原則的新型城市建設[12]。2019年提出在龍崗區(qū)龍崗河末端建設調蓄池，調蓄池總占地75 173 m2，調蓄范圍為龍崗河干流區(qū)間及各子流域轉輸的初小雨，調蓄服務面積24.95 km2，調蓄池容積位于亞洲前列，是深圳市海綿城市建設的重要工程。

本工程采用基于Vault協(xié)同平臺進行正向設計，項目復雜、涉及專業(yè)眾多，包括建筑、水工、金結、工藝、巖土、電氣等，各專業(yè)在Vault平臺中高效協(xié)同，很大程度縮短了設計周期，提高了設計質量。

調蓄池BIM解決方案主要是采用Civil3D進行三維地質建模，Revit進行水工、建筑、暖通、電氣、給排水建模，Inventor進行金結，工藝建模，后期在Revit、Navisworks中進行整合，實現碰撞檢查，在施工階段實現4D施工模擬。BIM整合模型見圖2。

此外，在末端調蓄池設計階段，利用參數化族對閘門、格柵、流道等進行參數化建模，利用Dynamo對錨桿、地質層等進行批量建模，極大提高了設計效率。并且在龍崗河其余6個調蓄池的設計中體現了普遍適用性，為日后類似調蓄池設計提供了參考。

然而目前關于BIM的應用主要集中在設計及施工階段，項目建成后運維管理階段BIM應用領域較為空白，因此為實現將BIM技術應用于項目的全生命周期，急需一種運維BIM解決方案。

3 基于BIM和UE4的數字孿生BIM平臺搭建

UE4的實時渲染可視化是區(qū)別于其他平臺最明顯的功能，傳統(tǒng)優(yōu)秀的三維可視化一般需要應用3Dmax、Maya、Sketch up進行建模后渲染，但是此類靜態(tài)渲染方式效率低，且方案修改困難[13]。雖然Autodesk BIM建筑工作集本身具有渲染功能，如Revit、Navisworks等，理論上可以省去建模部分，提高效率，但實際上受限于渲染器技術水平，可視化水平較差。隨著技術進步，基于GPU的實時渲染軟件進入市場，例如Lumion、Twinmotion等，這些軟件具有優(yōu)秀的可視化水平[14-15]，但不支持二次開發(fā)，僅僅能輸出像素級的效果圖和動畫，無法與智慧水務進行結合。

本文的解決方法是基于UE4進行數字孿生BIM平臺的開發(fā)，其優(yōu)勢有以下幾點：①BIM信息完整性，BIM模型通過Datasmith導入UE4中，可保留模型集成的所有信息，保證數據完整性；②優(yōu)秀的實時渲染技術，UE4內置實時渲染引擎與建筑行業(yè)內常用的Twinmotion渲染引擎一致，模型導入后可以通過調整材質、光照等實現高水平、高保真的渲染水平；③可視化編程，UE4內部采用Blueprints藍圖可視化編程技術，降低了軟件開發(fā)門檻，普通水務工程人員在經過短暫培訓后便可達到編寫平臺大部分功能的水平；④二次開發(fā)，UE4是完全開源的，代碼是開放的，且內置了C++、Python等語言開發(fā)接口，為后期實時數據采集和自動化控制等功能開發(fā)提供了極大的便捷性；⑤豐富的資源庫，UE4中內置了Quixel，模型導入后可以在資源庫中選取水、混凝土等高保真材質，以及道路、草木、路燈等模型，方便場地布置。

數字孿生調控系統(tǒng)搭建解決方案主要是采用Datasmith插件將BIM模型導入UE4中，不僅保留模型信息并且對模型進行高保真實時渲染。采用Cesium for UE4插件將項目GIS信息與BIM模型結合，實現平臺BIM+GIS系統(tǒng)的搭建，利用可視化編程Blueprint對系統(tǒng)前端功能設計，系統(tǒng)界面見圖3，關卡藍圖邏輯見圖4。

圖3 調蓄池數字孿生BIM管理系統(tǒng)界面

圖4 系統(tǒng)前端功能設計藍圖

由于UE4中不能直接制作可視化圖表，因此利用UE4強大的擴展功能，利用C++語言將Echarts可視化圖表聯(lián)動到UE4中，可以在平臺中實時讀取圖表數據，見圖5。

圖5 UE4聯(lián)動Echarts代碼

而現場傳感器信號傳輸至云服務器端，利用代碼讀取云服務器中的數據，從而實現在UE4中實時采集現場數據，將現實環(huán)境情況與三維模型聯(lián)動起來，可以將故障傳感器在平臺中顯示并預警，見圖6。

圖6 設備運行管理界面

后期結合神經網絡等算法，可以對降雨量進行預測，自動提供調蓄池運行管理方案，輔助管理人員對調蓄池運行工況進行調整，運行工況管理界面見圖7。

圖7 運行工況管理界面

項目制作完成后，可以將項目進行發(fā)布到市面上大部分主流硬件設備，包括PC端、移動端、網頁端等，例如Android、Desktop(win+linux+mac)、HTML5、IOS等多個平臺，為管理人員隨時隨地進行調蓄池智慧運維提供了可能。并且UE4還支持VRAR功能開發(fā)，未來可以進一步提高三維模型可視化水平。

以上解決方案通過UE4軟件及各類插件、C++二次開發(fā)、物聯(lián)網和人工智能、VR/AR等技術，成功開發(fā)了調蓄池數字孿生BIM管理系統(tǒng)。未來還將引入新技術和新算法，對調蓄池數字孿生管理系統(tǒng)不斷完善，將遠程控制、實時采集數據、智能分析、虛擬現實等技術更好地集成在平臺內，實現調蓄池智慧水務運維管理，從而推動BIM技術在運維管理階段的應用，使BIM應用在全生命周期形成閉環(huán)。

4 結語

采用BIM和UE4技術對調蓄池數字孿生管理系統(tǒng)進行搭建，通過結合物聯(lián)網和二次開發(fā)將現實數據傳遞到數字孿生BIM管理系統(tǒng)中，從而在管理系統(tǒng)中反映現實情況。并通過神經網絡等算法對采集的數據信息進行處理、預測，自動提供調蓄池運維管理方案，為管理者提供決策參考。通過以上技術，管理者可以在管理系統(tǒng)中遠程控制現實設備運行情況，實現智慧水務運維管理。本文將BIM技術與UE4游戲引擎進行結合，成功地將BIM應用高水平地擴展至水務工程運維管理階段，實現了BIM技術在龍崗河末端調蓄池全生命周期的運用。但仍有不足之處，例如網頁端平臺依靠像素流技術進行發(fā)布，無法實現超過5人的協(xié)同運維管理，系統(tǒng)開發(fā)難度大，對每個工程都需要客制化開發(fā)，開發(fā)設備昂貴等。但隨著BIM技術和UE4游戲引擎的不斷發(fā)展，這套BIM運維管理方案一定能為其余工程BIM應用提供參考，使之發(fā)揮更大價值。