BIM+MR技術(shù)在電力建設(shè)安全應(yīng)急中的應(yīng)用

程博文，楊秀芳

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 BIM與MR技術(shù)的概述

1.1 BIM技術(shù)概述

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，通過對建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合，在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應(yīng)對，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)以及包括建筑、運(yùn)營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用，目前在市場上經(jīng)常使用的BIM設(shè)計(jì)工具為歐特克的Revit和達(dá)索的CATIA[1-2]。

1.2 MR技術(shù)概述

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)(MR)全稱為Mediated Reality，是由史蒂夫·曼恩(Steve Mann)提出，最早在20世紀(jì)80年代開始初步探索，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，由于軟硬件的限制，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在近幾年才得到蓬勃發(fā)展，該技術(shù)通過在虛擬環(huán)境中引入現(xiàn)實(shí)場景信息，在虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界和用戶之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感，技術(shù)的常見載體為智能眼鏡。目前市場上的常用的智能眼鏡是微軟的Microsoft HoloLens MR頭顯，HoloLens具備內(nèi)置電腦和電源，支持目光、手勢、語音等人機(jī)交互[3-4]。

2 系統(tǒng)簡介

2.1 開發(fā)背景

根據(jù)《電力企業(yè)應(yīng)急能力建設(shè)評估規(guī)范》要求，電力建設(shè)企業(yè)應(yīng)急能力建設(shè)應(yīng)圍繞預(yù)防與應(yīng)急準(zhǔn)備、監(jiān)測與預(yù)警、應(yīng)急處置與救援、事后恢復(fù)與重建四個(gè)方面開展。根據(jù)電力建設(shè)工程項(xiàng)目的施工特點(diǎn)、范圍，制定應(yīng)急預(yù)案，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)急培訓(xùn)與演練[5]，能夠達(dá)到改進(jìn)和指導(dǎo)工程建設(shè)過程中的安全生產(chǎn)，達(dá)到減少人員傷亡和避免經(jīng)濟(jì)損失，增強(qiáng)企業(yè)應(yīng)急能力建設(shè)的目的。

2.2 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)開發(fā)在win7和win10環(huán)境下，開發(fā)工具采用Visual C++2017，開發(fā)語言為C++，開發(fā)將以ARToolKit工具包為基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻圖像的采集、攝像機(jī)跟蹤、標(biāo)定等工作。將BIM模型轉(zhuǎn)換為ARML格式，利用OpenARML開源代碼調(diào)用ARML模型，通過標(biāo)識識別計(jì)算獲得各種轉(zhuǎn)換矩陣，最后通過變換實(shí)現(xiàn)虛實(shí)的無縫結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)與MR技術(shù)的深度融合，能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜危險(xiǎn)工作的虛擬操作與培訓(xùn)，在實(shí)際操作時(shí)還能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)，協(xié)助操作人員解決突發(fā)問題，對BIM+MR技術(shù)在電力建設(shè)安全應(yīng)急方面進(jìn)行了深入的研究和探索應(yīng)用。

2.3 開發(fā)內(nèi)容

系統(tǒng)開發(fā)內(nèi)容為四大模塊，分別為：設(shè)備檢修、運(yùn)維巡檢、設(shè)備使用教學(xué)、遠(yuǎn)程指導(dǎo)，系統(tǒng)界面見圖1。

1)設(shè)備檢修。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際設(shè)備檢修的流程進(jìn)行建模與開發(fā)，并將檢修過程精確定位到設(shè)備實(shí)體上，能夠讓使用者在現(xiàn)實(shí)操作中可以看到當(dāng)前檢修設(shè)備的虛擬的操作流程與提示，可以很大程度的提高檢修效率，避免誤操作。

2)運(yùn)維巡檢。

在實(shí)際運(yùn)維巡檢過程中，系統(tǒng)可以根據(jù)巡檢人當(dāng)前觀察的設(shè)備提供該設(shè)備的信息及實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)并且可以手動(dòng)調(diào)取以前的數(shù)據(jù)。

3)設(shè)備使用教學(xué)。

在使用MR安全應(yīng)急管理系統(tǒng)時(shí)，開啟設(shè)備使用教學(xué)模塊后，操作人員頭戴MR智能眼鏡注視到的設(shè)備能夠被系統(tǒng)自動(dòng)識別，并彈出設(shè)備操作和運(yùn)維檢修的教學(xué)視頻。

4)遠(yuǎn)程指導(dǎo)。

遠(yuǎn)程指導(dǎo)模塊可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場操作人員與場外專家的語音和視頻連接，場外專家可以實(shí)時(shí)看到現(xiàn)場操作人員的視野，并可以為現(xiàn)場操作人員提供標(biāo)注、語音和文件的指導(dǎo)。

3 BIM+MR技術(shù)的功能特點(diǎn)

3.1 精確定位

MR智能眼鏡啟動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)掃描周邊環(huán)境，快速生成周邊的三維環(huán)境模型，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)場景加電力設(shè)備識別物與三維環(huán)境模型加電力設(shè)備BIM模型的精確疊加，這種疊加能夠在MR安全應(yīng)急管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備BIM模型在現(xiàn)實(shí)場景中的精確定位。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

MR智能眼鏡支持與PC端和移動(dòng)端等設(shè)備間相互傳輸圖像、音頻、文件，也可以接收其他平臺及云端的數(shù)據(jù)，并將文件和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在智能眼鏡的屏幕中。

3.3 人機(jī)交互

使用者在使用MR智能眼鏡時(shí)，智能眼鏡可以迅速識別使用者的眼神、手勢和聲音，并且程序會(huì)快速反饋，使得操作者能夠獲得良好的互動(dòng)體驗(yàn)。

3.4 三維數(shù)據(jù)精確

BIM模型及其信息能夠?qū)隡R安全應(yīng)急管理系統(tǒng)，導(dǎo)入的模型保留了原本BIM軟件中的結(jié)構(gòu)樹和信息，在MR安全應(yīng)急管理系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)樹可以使操作者能夠和模型上的局部部件進(jìn)行互動(dòng)并查看其中的信息。

4 BIM+MR技術(shù)的探索與運(yùn)用

4.1 BIM+MR技術(shù)應(yīng)用在電力設(shè)備檢修

以開關(guān)柜的檢修為例子，在MR安全應(yīng)急管理系統(tǒng)中，將開關(guān)柜的BIM模型通過MR智能眼鏡顯示，并且與現(xiàn)實(shí)場景中的開關(guān)柜疊加，MR智能眼鏡掃描開關(guān)柜，可直接顯示開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)、線路和電流流向，通過云端獲取設(shè)備監(jiān)測信息，在MR智能眼鏡中顯示開關(guān)柜內(nèi)部設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)標(biāo)記有故障的部件(見圖2)，點(diǎn)擊電子手冊可以彈出相應(yīng)部件拆裝的教學(xué)視頻，在現(xiàn)場操作檢修時(shí)系統(tǒng)會(huì)通過虛線和虛擬手勢等功能進(jìn)行輔助，維修更換完部件后，獲取到新的監(jiān)測信息后系統(tǒng)提示檢修成功。

4.2 BIM+MR技術(shù)應(yīng)用在設(shè)備運(yùn)維巡檢

本模塊以園區(qū)雨水監(jiān)測裝置的巡檢為例，巡檢人員頭戴MR智能眼鏡，在注視監(jiān)測裝置時(shí)，智能眼鏡能夠以當(dāng)前視角中的物體為識別物，自動(dòng)識別當(dāng)前監(jiān)測裝置，并從云上獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，在MR安全應(yīng)急管理系統(tǒng)中顯示出監(jiān)測數(shù)據(jù)表單，巡檢人員可對監(jiān)測數(shù)據(jù)瀏覽和交互(見圖3)。

4.3 BIM+MR技術(shù)應(yīng)用在遠(yuǎn)程指導(dǎo)

遠(yuǎn)程指導(dǎo)模塊可以實(shí)現(xiàn)PC端、平板端、手機(jī)端與眼鏡端的單點(diǎn)與多點(diǎn)互聯(lián)，各端口可以獲得其他終端攝像頭的影像數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)，同時(shí)還支持文檔，圖片和視頻文件的互相傳輸和瀏覽，還可以對其他終端的畫面進(jìn)行標(biāo)注，標(biāo)注的內(nèi)容會(huì)實(shí)時(shí)投射到畫面上。以PC端和眼鏡連接為例，PC端可以實(shí)時(shí)看到眼鏡端使用者當(dāng)前視野，并可以與眼鏡端進(jìn)行語音交流，還可以在眼鏡端的視野畫面中進(jìn)行標(biāo)注(見圖4)。

5 BIM+MR技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

5.1 優(yōu)點(diǎn)

1)識別精確。

MR智能眼鏡對現(xiàn)實(shí)場景中的識別物(設(shè)備)掃描后可準(zhǔn)確確定其型號和編號，并從云獲取當(dāng)前設(shè)備相應(yīng)的數(shù)據(jù)，使操作者能夠與設(shè)備的數(shù)據(jù)互動(dòng)。

2)定位準(zhǔn)確。

MR智能眼鏡在掃描識別物時(shí)會(huì)對識別物及周邊環(huán)境進(jìn)行掃描自動(dòng)建模，掃描出的模型與導(dǎo)入系統(tǒng)的BIM模型匹配，使得BIM模型呈現(xiàn)在真實(shí)世界的位置非常準(zhǔn)確。

5.2 缺點(diǎn)

1)續(xù)航較差。

MR智能眼鏡電池容量較小，在使用時(shí)電量消耗較快，在高性能使用時(shí)只能維持2.5 h，而且無法更換電池，致使單個(gè)設(shè)備不能支持長時(shí)間使用。

2)信息丟失。

在BIM模型導(dǎo)入系統(tǒng)后，由于MR智能眼鏡系統(tǒng)的限制，繼承原BIM模型的信息有所丟失，無法完整繼承原本的信息。

3)硬件性能不強(qiáng)。

MR智能眼鏡因?yàn)槠渥陨碛布南拗?，在?shí)際使用中，如果環(huán)境中投射的BIM模型復(fù)雜或數(shù)量較多，會(huì)造成硬件發(fā)熱或運(yùn)行程序時(shí)卡頓。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目開發(fā)采用MR技術(shù)(混合現(xiàn)實(shí))與BIM技術(shù)結(jié)合，研究與探索了BIM+MR技術(shù)在電力建設(shè)安全應(yīng)急的應(yīng)用，探索了設(shè)備檢修與運(yùn)維巡檢，虛擬培訓(xùn)教學(xué)與遠(yuǎn)程指導(dǎo)等方向，得出以下結(jié)論：

當(dāng)前硬件性能還較差，MR智能眼鏡在使用過程中會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱卡頓，眼鏡的顯示器面積較小，無法覆蓋整個(gè)視野，佩戴后鏡片容易起霧，造成用戶體驗(yàn)感不夠好，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對信號依賴很大，網(wǎng)速較慢的情況下傳輸畫面會(huì)非常模糊，交互也會(huì)出現(xiàn)延遲，系統(tǒng)在導(dǎo)入BIM模型后對模型的渲染比較粗糙，光影不明顯，視覺效果較差，但是在現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)條件穩(wěn)定良好的情況下該技術(shù)能夠很好的輔助運(yùn)維巡檢和遠(yuǎn)程指導(dǎo)，所以在目前的硬件和網(wǎng)絡(luò)條件下，運(yùn)用BIM+MR技術(shù)開發(fā)的功能基本能夠滿足電力建設(shè)安全應(yīng)急在運(yùn)維巡檢和遠(yuǎn)程指導(dǎo)時(shí)的需要。