基于BIM-VR技術(shù)的地鐵隧道無(wú)軌測(cè)量施工仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓 金

（中鐵一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，陜西 西安 710038）

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和虛擬仿真技術(shù)的快速進(jìn)步與融合應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)迎來(lái)了新的發(fā)展浪潮，并帶動(dòng)諸多行業(yè)協(xié)同發(fā)展[1]，相關(guān)研究在各行各業(yè)也取得了巨大成就。其中，沉浸式仿真技術(shù)的研究深入且貢獻(xiàn)較為突出[2]。其通過(guò)多種硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)的結(jié)合，使得參與者完全融入逼真、交互式的虛擬場(chǎng)景[3]。地鐵工程項(xiàng)目施工中，傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)工程有軌測(cè)量施工需待路基、軌道成型后方可進(jìn)行測(cè)量施工，由于地鐵區(qū)間隧道施工工作面狹小、各專(zhuān)業(yè)施工交叉頻繁、鋪軌工期滯后等因素嚴(yán)重影響和制約牽引供電系統(tǒng)測(cè)量施工，不可避免地增加了施工成本和資源消耗。因此，研究基于VR技術(shù)的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)軌行區(qū)無(wú)軌測(cè)量施工技術(shù)，對(duì)保障區(qū)間隧道牽引供電系統(tǒng)工程施工順利進(jìn)行具有重要的實(shí)踐意義[4-5]。

當(dāng)前，針對(duì)地鐵區(qū)間隧道無(wú)軌測(cè)量已開(kāi)展較多研究，如閔道聰?shù)萚6]研發(fā)了一種地鐵區(qū)間隧道內(nèi)架空剛性接觸網(wǎng)無(wú)軌條件下的施工方法，通過(guò)采用該方法，施工作業(yè)人員可在軌道鋪設(shè)前精準(zhǔn)定位錨孔位置凈空高度，有效降低施工成本，提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率，并且減少鋼軌施工工期滯后對(duì)接觸網(wǎng)架設(shè)產(chǎn)生的影響。該技術(shù)的應(yīng)用推廣，填補(bǔ)了城市地鐵隧道區(qū)間架空剛性接觸網(wǎng)無(wú)軌施工這一技術(shù)的空白。但由于該方法操作環(huán)節(jié)重復(fù)、繁瑣，有待進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，不利于大范圍應(yīng)用。劉波等[7]發(fā)明并設(shè)計(jì)了一種在地鐵隧道施工過(guò)程中用于測(cè)量參數(shù)的移動(dòng)小車(chē)。小車(chē)上固定激光雷達(dá)設(shè)備，通過(guò)對(duì)測(cè)量隧道斷面進(jìn)行二維激光掃描，精準(zhǔn)定位接觸網(wǎng)錨栓定位施工參數(shù)，可有效保障剛性接觸網(wǎng)施工與軌道鋪設(shè)平行施工，有效降低施工成本，提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率，規(guī)避鋼軌施工工期滯后對(duì)接觸網(wǎng)架設(shè)產(chǎn)生的影響。但固定于移動(dòng)小車(chē)上的激光雷達(dá)測(cè)量設(shè)備造價(jià)和采購(gòu)成本高、設(shè)備技術(shù)要求高，工程項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)有限，不利于廣泛推廣應(yīng)用。何貴龍等[8]設(shè)計(jì)了一種輔助工具支架裝置，該裝置用于架空剛性接觸網(wǎng)無(wú)軌測(cè)量，裝置中通過(guò)設(shè)置水平氣泡來(lái)減少測(cè)量所產(chǎn)生的誤差，裝置中增加點(diǎn)狀激光燈功能，有效控制測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差。另外，在設(shè)置上增設(shè)手推車(chē)把，操作便捷，降低人力成本。該方法在一定程度上能縮短地鐵供電系統(tǒng)施工工期，但由于受區(qū)間隧道空間狹小，作業(yè)頻繁交叉等限制，有待進(jìn)一步研究。此外，王侃等[9]以西安市軌道交通6號(hào)線一期工程項(xiàng)目為研究實(shí)例，詳細(xì)研討分析隧道區(qū)間無(wú)軌測(cè)量技術(shù)方案、測(cè)量方法的可行性，為同類(lèi)工程施工提供參考和借鑒。

現(xiàn)有的研究中，隧道內(nèi)疏散平臺(tái)、環(huán)網(wǎng)支架和接觸網(wǎng)等錨螺栓孔的定位主要采用全站儀、移動(dòng)裝置測(cè)量等方法，在地鐵無(wú)軌測(cè)量施工過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量點(diǎn)的精準(zhǔn)定位，但存在一些不足，缺乏與信息化、智能化技術(shù)的有效結(jié)合。基于此，本研究通過(guò)分析地鐵供電系統(tǒng)業(yè)務(wù)施工管理流程，從系統(tǒng)思維的角度出發(fā)，以BIM三維模型為應(yīng)用基礎(chǔ)，運(yùn)用Unity3D開(kāi)發(fā)引擎搭建一個(gè)逼真且具有高精度特點(diǎn)的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，并通過(guò)編寫(xiě)各智能系統(tǒng)模塊，完成對(duì)某些特殊功能的實(shí)現(xiàn)，為地鐵區(qū)間隧道供電系統(tǒng)無(wú)軌測(cè)量虛擬仿真提供有效的技術(shù)支撐，為實(shí)現(xiàn)地鐵區(qū)間隧道跨專(zhuān)業(yè)的沉浸式可交互仿真的融合與共用奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)功能分析

本系統(tǒng)模塊的研發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)套裝運(yùn)行，具有沉浸式可交互的漫游的虛擬區(qū)間隧道場(chǎng)景。結(jié)合VR交互與物理渲染技術(shù)，還原地鐵區(qū)間隧道內(nèi)部真實(shí)的場(chǎng)景[10]。工程作業(yè)人員在VR場(chǎng)景中能夠沉浸式漫游，通過(guò)使用VR外接控制器設(shè)備與虛擬環(huán)境中的虛擬物體進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)查看地鐵隧道區(qū)間盾構(gòu)、鋪軌及供電專(zhuān)業(yè)模型信息，以便工程項(xiàng)目技術(shù)人員掌握區(qū)間隧道不同專(zhuān)業(yè)模型信息。基于VR虛擬場(chǎng)景的漫游，在虛擬環(huán)境下對(duì)地鐵區(qū)間可視化設(shè)計(jì)進(jìn)行有效校核，主要包括專(zhuān)業(yè)間的“錯(cuò)、漏、碰、缺”等問(wèn)題，通過(guò)三維校核以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

本研究根據(jù)地鐵工程區(qū)間隧道鋪軌及供電專(zhuān)業(yè)工藝和場(chǎng)景布置，結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)流程和需求，基于BIM及BIM-VR技術(shù)，為供電專(zhuān)業(yè)的機(jī)電設(shè)備實(shí)體與可視化的信息傳遞提供直觀的表達(dá)方式[11]。將區(qū)間隧道三維信息模型與真實(shí)的施工場(chǎng)景進(jìn)行直觀交互，最后通過(guò)Unity3D軟件平臺(tái)輸出效果，從而為用戶(hù)展示完整的仿真效果。系統(tǒng)研究框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)研究框架

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 BIM平臺(tái)

三維模型數(shù)據(jù)模型以Revit為設(shè)計(jì)平臺(tái)，平臺(tái)應(yīng)用以模型數(shù)據(jù)的協(xié)同和共享為基礎(chǔ)，統(tǒng)一以建筑樣板為工程模型構(gòu)建平臺(tái)，該平臺(tái)具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）三維信息模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)；（2）可視化瀏覽與動(dòng)態(tài)交互；（3）工程施工進(jìn)度及工藝仿真模擬；（4）三維模型效果圖渲染等功能[10，12]。Revit與VR引擎Unity3D具有良好的兼容性，同時(shí)Unity3D支持Revit導(dǎo)出的FBX格式文件，實(shí)現(xiàn)BIM三維模型與VR場(chǎng)景的無(wú)障礙對(duì)接，以此最大程度地確保物理模型紋理的完整性[13]。

1.3.2 VR仿真平臺(tái)

VR仿真系統(tǒng)可基于Unity3D或UE4引擎進(jìn)行開(kāi)發(fā)，Unity3D是美國(guó)旗下的一款輕量級(jí)功能強(qiáng)大且性能穩(wěn)定的軟件，具備多專(zhuān)業(yè)跨平臺(tái)的3D游戲開(kāi)發(fā)引擎，該系統(tǒng)的編輯器可以在Mac或Windows系統(tǒng)下安全穩(wěn)定地運(yùn)行，開(kāi)發(fā)者可以用C#或JavaScript腳本語(yǔ)言作為底層代碼進(jìn)行程序編寫(xiě)，運(yùn)行的.exe文件程序可以在Windows、Mac、iPhone和Android等多個(gè)平臺(tái)進(jìn)行發(fā)布，在科研領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用[14]。其具有以下顯著特點(diǎn)。（1）想象性：在虛擬場(chǎng)景中，用戶(hù)可以提高自身的感性和理性認(rèn)識(shí)，以激發(fā)人的主觀能動(dòng)性；（2）交互性：在虛擬場(chǎng)景中，用戶(hù)通過(guò)使用傳感設(shè)備與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行互動(dòng)操作，虛擬場(chǎng)景根據(jù)用戶(hù)的特定行為做出相應(yīng)的響應(yīng)行為；（3）沉浸性：在虛擬場(chǎng)景中，觸覺(jué)、視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等感官上與真實(shí)世界基本保持一致，以給用戶(hù)身臨其境的感覺(jué)；（4）兼容性：對(duì)VR硬件設(shè)備的支持等。基于上述Unity3D引擎的優(yōu)勢(shì)，本研究以其作為系統(tǒng)平臺(tái)，能夠較好地適用于VR仿真系統(tǒng)的研發(fā)，完成對(duì)場(chǎng)景仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 區(qū)間隧道環(huán)境搭建

本研究以合肥地鐵4號(hào)線伊巢區(qū)間、巢和區(qū)間直線單圓隧道為例，以設(shè)計(jì)圖紙為建模依據(jù)，以Revit2019為建模工具并構(gòu)建區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)、鋪軌、供電各個(gè)專(zhuān)業(yè)的BIM模型，通過(guò)對(duì)各專(zhuān)業(yè)模型整合，實(shí)現(xiàn)三維模型的整體組裝和圖紙校核，對(duì)模型中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析并及時(shí)修改和完善。以FBX文件文件格式輸出整體區(qū)間隧道三維模型，為VR引擎開(kāi)發(fā)和平臺(tái)展示應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。區(qū)間隧道三維BIM模型如圖2所示。

圖2 區(qū)間隧道三維BIM模型

2.2 VR系統(tǒng)引擎研發(fā)

Unity3D三維可視化引擎是一款集成建筑可視化、三維視頻游戲和實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等交互的綜合型開(kāi)發(fā)引擎。可支持多個(gè)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，且平臺(tái)擁有高度優(yōu)化的圖形渲染通道，提供了高度完善光影的渲染系統(tǒng)，能夠滿足物理模型虛擬交互和逼真表現(xiàn)的需求[15]。

本研究使用Unity3D構(gòu)建系統(tǒng)，底層代碼用C#語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，并將事先制作好的BIM模型在引擎中實(shí)現(xiàn)程序編寫(xiě)功能，通過(guò)程序編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)三維模型的測(cè)量、檢測(cè)、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放、刨切、數(shù)據(jù)檢測(cè)和數(shù)據(jù)生成等一系列應(yīng)用功能，將應(yīng)用程序適配至VR設(shè)備，將功能操作方式適配至交互手柄上，即可使用VR設(shè)備進(jìn)行軟件的操作交互，最后應(yīng)用JAVA搭設(shè)數(shù)據(jù)平臺(tái)，將軟件生成的數(shù)據(jù)對(duì)接至數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)模型和數(shù)據(jù)可視化的展示和記錄，并且可以實(shí)時(shí)查詢(xún)和調(diào)取所需要的數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)操作便捷。

2.3 VR系統(tǒng)無(wú)軌測(cè)量虛擬仿真

通過(guò)事先完成的區(qū)間隧道三維模型和VR引擎開(kāi)發(fā)，在所創(chuàng)建的VR系統(tǒng)平臺(tái)中還原真實(shí)施工場(chǎng)景，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與無(wú)軌測(cè)量的巧妙結(jié)合，不但能夠大大提高VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的真實(shí)感觀，而且能夠有效提高無(wú)軌測(cè)量的準(zhǔn)確性，實(shí)施具體步驟如下所示：

（1）系統(tǒng)操作人員模擬區(qū)間隧道軌道鋪軌、軌枕及鋼軌敷設(shè)等工作，捕捉鋪軌過(guò)程中的Oxy基點(diǎn)，連接該點(diǎn)形成區(qū)間隧道線路中心線。

（2）區(qū)間隧道中以O(shè)xy基點(diǎn)或線路中心線為基準(zhǔn)，在區(qū)間盾構(gòu)壁上測(cè)量放線疏散平臺(tái)面板標(biāo)高（+900 mm），以區(qū)間疏散平臺(tái)懸臂支撐為單元個(gè)體，精準(zhǔn)定位連接鋼板螺栓孔，并對(duì)其進(jìn)行錨栓打孔。基于以上技術(shù)手段，依次完成區(qū)間扶手、環(huán)網(wǎng)支架的測(cè)量放線及錨栓打孔。

（3）在系統(tǒng)平臺(tái)中以線路中心線為基準(zhǔn)線，標(biāo)記出其在盾構(gòu)壁頂部的投影線，以投影線為基礎(chǔ)，依次標(biāo)記接觸網(wǎng)懸掛標(biāo)號(hào)：伊巢-G04-07、伊巢-G04-08等，為區(qū)間隧道接觸網(wǎng)的精準(zhǔn)定位奠定基礎(chǔ)。區(qū)間隧道測(cè)量定位如圖3、圖4所示。

圖3 區(qū)間隧道環(huán)網(wǎng)支架測(cè)量定位

圖4 區(qū)間隧道疏散平臺(tái)測(cè)量定位

3 無(wú)軌測(cè)量虛擬仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 區(qū)間隧道場(chǎng)景的構(gòu)建和優(yōu)化

本研究選取合肥地鐵四號(hào)線伊寧路-巢湖路區(qū)間作為實(shí)驗(yàn)?zāi)M區(qū)，以Revit為建模工具，創(chuàng)建與建筑實(shí)體高度吻合的物理現(xiàn)實(shí)模型，并輸出FBX文件導(dǎo)入3DS MAX軟件平臺(tái)，對(duì)所建立的三維模型執(zhí)行烘焙、貼圖、減面和渲染等操作，以獲得更為接近的真實(shí)效果，并保存FBX格式文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，利用Unity3D中的Java腳本技術(shù)將軟件生成的數(shù)據(jù)對(duì)接至數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)、碰撞、用戶(hù)界面與人機(jī)交互，最后，在Unity3D中導(dǎo)出PC端可執(zhí)行的.exe文件。

已有場(chǎng)景模型包括結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)、鋪軌專(zhuān)業(yè)和供電專(zhuān)業(yè)。以二維設(shè)計(jì)圖紙為依據(jù)，構(gòu)建不同專(zhuān)業(yè)的三維模型，具體包括：鋪軌、鋼軌、疏散平臺(tái)支架、區(qū)間扶手、區(qū)間環(huán)網(wǎng)支架、接觸網(wǎng)以及線纜敷設(shè)等細(xì)節(jié)，為確保模型可視化效果的美觀性和真實(shí)性，在導(dǎo)入的3DS MAX軟件平臺(tái)需對(duì)模型的紋理、設(shè)計(jì)光影效果進(jìn)行美化。地鐵隧道區(qū)間三維虛擬場(chǎng)景模型如圖5所示。

圖5 地鐵隧道區(qū)間三維虛擬場(chǎng)景模型

3.2 基于VR技術(shù)區(qū)間漫游的實(shí)現(xiàn)

基于VR技術(shù)區(qū)間漫游的實(shí)現(xiàn)需對(duì)研發(fā)的軟件環(huán)境進(jìn)行配置，即將Steam VR工具插件應(yīng)用于Unity3D平臺(tái)，并在外部端口接入VR頭戴終端設(shè)備，作為沉浸式仿真的硬件工具設(shè)備，實(shí)現(xiàn)地鐵區(qū)間隧道仿真系統(tǒng)中不同視角的切換。用戶(hù)將Lighthouse基站融入U(xiǎn)nity3D平臺(tái)中，可以通過(guò)頭戴式顯示器在虛擬場(chǎng)景中漫游并感知沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)漫游的體驗(yàn)。本研究在虛擬仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)階段，為確保在虛擬場(chǎng)景漫游過(guò)程中遇到障礙物，諸如盾構(gòu)壁、機(jī)電設(shè)備等時(shí)人物角色不予以穿過(guò)，為虛擬環(huán)境中涉及的三維幾何模型添加碰撞體，并設(shè)置碰撞體的距離范圍。此外，為系統(tǒng)配置環(huán)境開(kāi)發(fā)后，用戶(hù)通過(guò)接入VR終端設(shè)備并配用穿戴設(shè)備和操控手柄，沉浸式體驗(yàn)導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D平臺(tái)中的虛擬場(chǎng)景。在虛擬環(huán)境中，用戶(hù)不僅可以通過(guò)自身身體或頭部的移動(dòng)來(lái)控制方向，而且可以通過(guò)對(duì)外接操控手柄的遙控來(lái)替代人物移動(dòng)，最終使用戶(hù)在有限范圍內(nèi)體驗(yàn)整體的虛擬效果。

3.3 基于VR技術(shù)區(qū)間虛擬交互的實(shí)現(xiàn)

虛擬交互包括控制交互和屬性查詢(xún)交互2種類(lèi)型。其中，控制交互是利用外接終端設(shè)備，如通過(guò)操控手柄與虛擬物體進(jìn)行交互，包括對(duì)虛擬物體進(jìn)行測(cè)量、移動(dòng)和定位等。在控制交互的虛擬環(huán)境中、在區(qū)間隧道的虛擬場(chǎng)景中，當(dāng)人物角色遇到物體時(shí)，使用控制手柄觸摸虛擬物體、改變對(duì)象的狀態(tài)等操作來(lái)實(shí)現(xiàn)控制交互。此外，在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表，將不同對(duì)象的空間屬性信息的類(lèi)別進(jìn)行劃分并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)表中，方便用戶(hù)實(shí)時(shí)調(diào)用該表進(jìn)行相應(yīng)實(shí)物屬性數(shù)據(jù)的查閱。當(dāng)用戶(hù)使用HTC VIVE手持終端對(duì)虛擬場(chǎng)景中的實(shí)體進(jìn)行交互時(shí)，用戶(hù)計(jì)算機(jī)PC端窗口將出現(xiàn)對(duì)象功能菜單選項(xiàng)欄，從而便捷式地為用戶(hù)呈現(xiàn)屬性查詢(xún)與交互功能。

在三維虛擬環(huán)境中，本研究考慮同時(shí)加入控制和查詢(xún)交互，項(xiàng)目作業(yè)人員可以沉浸在逼真的虛擬場(chǎng)景中，并且直接與當(dāng)前環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互，用戶(hù)可以對(duì)場(chǎng)景中對(duì)象的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取。該研究系統(tǒng)突破了人物角色三維漫游的限制，滿足用戶(hù)在場(chǎng)景中同時(shí)對(duì)虛擬對(duì)象進(jìn)行交互和屬性信息獲取的需求。在虛擬無(wú)軌的場(chǎng)景中，依次獲取Oxy基點(diǎn)，并精準(zhǔn)定位區(qū)間扶手、環(huán)網(wǎng)支架等錨栓孔，通過(guò)虛擬現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境了解并體驗(yàn)供電工程施工過(guò)程，對(duì)施工工序進(jìn)行現(xiàn)實(shí)演示，針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警，以減少和降低實(shí)際工程施工資源消耗和安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 系統(tǒng)集成及穩(wěn)定性測(cè)試

本研究在系統(tǒng)平臺(tái)中加入控制交互功能，實(shí)現(xiàn)手持或佩戴終端的不同操作，用以替換觸及虛擬實(shí)體的方式。通過(guò)屬性交互來(lái)界定虛擬場(chǎng)景中不同事物的復(fù)雜關(guān)系，并將以上功能集成到Unity3D軟件平臺(tái)中，通過(guò)頭戴式顯示器和操控手柄接入系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)和控制人物角色在三維虛擬場(chǎng)景中的漫游和人機(jī)交互[16]。在系統(tǒng)穩(wěn)定性的測(cè)試方面，若導(dǎo)入系統(tǒng)中的三維數(shù)據(jù)模型較大時(shí)，計(jì)算機(jī)PC和VR顯示終端的畫(huà)面顯示和切換速度會(huì)產(chǎn)生遲延，此時(shí)可以使用平鋪貼圖的加載方法，嘗試分階段存儲(chǔ)加載場(chǎng)景中的模型數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

為了解決和克服現(xiàn)有技術(shù)難點(diǎn)，本研究主要研究了一種基于VR技術(shù)的虛擬仿真漫游系統(tǒng)，該系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單漫游的慣例，系統(tǒng)中的虛擬場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)了控制交互和屬性查詢(xún)交互。另外，在系統(tǒng)不同對(duì)象間添加了屬性邏輯關(guān)系和改變不同事物狀態(tài)的控制交互，從而營(yíng)造出沉浸式自主交互的切身漫游體驗(yàn)，在提高區(qū)間隧道牽引供電系統(tǒng)施工效率、縮短施工工期及降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)等方面發(fā)揮重要作用。