基于數字孿生的AR實景技術研究與應用

文｜中航安貞（浙江）信息科技有限公司 方磊 張露露 王立幼

1 前言

2020年3月31日，習近平總書記在杭州城市大腦運營指揮中心考察時指出：讓城市更聰明一些、更智慧一些，是推動城市治理體系和治理能力現代化的必由之路，前景廣闊。在智慧城市建設的大背景下，各行各業都在積極探索研究如何充分利用各種高新技術手段，為智慧城市建設提供新的助力。近年關注度越來越高的數字孿生技術，已經成為新型智慧城市建設的重要研究方向之一。

當前，雖然對數字孿生的理解和定義還尚未完全形成共識，但是物理實體、虛擬模型、數據、連接、服務是數字孿生的核心要素[1]，這一點基本得到大多數人的認同。基于數字孿生的AR 實景技術的研究正是圍繞數字孿生的核心要素展開，結合三維GIS、視頻監控、BIM、物聯網等高新技術，模擬現實世界構建一個虛擬的數字化三維實景空間，圖形化展示城市的空間地理信息和實時現狀，并建立物理實體與虛擬模型之間的映射關系，關聯集成實體對象的各類屬性信息和傳感監測信息，搭建信息集成、分析和共享平臺，為城市及行業管理者提供全面真實的感知要素，并通過實時動態的交互方式，實現智能化管理和服務。

2 AR 實景技術特點

基于數字孿生的AR 實景技術具有四大特點。

一是宏觀與微觀相結合。根據實際應用需要可精準構建多維多尺度的三維實景數據。大場景粗精度模型可以用于展示較大范圍區域內的整體情況，如城市范圍內的地理環境、植被、建筑物、道路和公共設施分布等；精細的BIM 數據可以用于展示建筑物內部的空間結構信息，還可通過BIM 剖切功能查看建筑物內部的各類隱蔽空間，如吊頂、管道等。實景監控圖像則可以用于展示現實世界的真實情況，補充三維模型所缺失的動態現狀和細節信息。

二是虛擬與現實相結合。三維模型是模擬物理實體建造的虛擬模型，實景監控圖像反應的則是現場的真實情況。實景監控圖像可幫助管理者快速獲取現場的實時動態情況，但是單純的平面化圖像傳遞的信息很有限。虛擬的三維場景模型作為背景數據則能補充周邊環境、方位、距離、位置等信息。此外，還可在三維場景中添加點線面矢量要素、圖標和標簽等，給畫面中的一些特殊位置、特殊建筑物添加描述信息。虛擬與現實相結合的展現方式可幫助管理者更準確的解讀監控圖像中的異常信息。

三是圖像分析與空間分析相結合。單純基于二維圖像的分析技術，在實際應用中經常無法完全滿足管理的需要，例如需要分析人員、車輛等目標對象的運動軌跡，再如發生突發事件需要指揮疏散或者制定救援路線，這些情況下僅依靠二維的圖像分析明顯無法滿足需求的。利用三維場景模型與監控圖像的空間匹配融合，監控圖像中任意對象都可快速獲取其空間位置，將鎖定的目標對象帶入三維空間進行再分析，并將分析結果在三維場景中立體化展示出來，實現圖像要素全面的可查、可測、可控[4]。

四是模型展示與信息承載相結合。AR實景技術所構建的三維實景空間既是可視化的展示數據，同時也是一個信息集成平臺，例如設備模型，既可以直接展示設備外觀和安裝位置，還可以關聯設備屬性、運行狀態、資產登記等業務信息。三維實景空間將成為信息承載的容器，集成城市管理所需要的各類信息和數據，進而提供統一的信息管理和查詢服務，實現信息的協同共享[5]。

3 AR 實景技術框架

基于數字孿生的AR 實景技術首先需要構建多維多尺度的數字模型場景，并實現多種數據的精準匹配融合，建立與真實世界一一對應的虛擬世界。數字模型場景一般包括基礎地理信息數據、三維場景模型、BIM 模型、實景監控圖像等。

其次完成物理實體的全要素信息與虛擬模型的關聯映射，使模型“活起來”。物理實體的全要素信息通常包括自然屬性、社會屬性、資產歸屬、行業業務、傳感監測等信息。

最后通過可視化交互平臺，實現對真實世界的動態監管和實時反饋，為不同領域、不同層次的用戶提供能夠滿足其業務應用需求的服務。

圖1 AR 實景技術框架圖

4 AR 實景技術應用案例

基于數字孿生的AR 實景技術融合三維GIS、物聯網、時空大數據和云計算等新一代的信息技術，構建三維實景空間作為信息承載與共享的基礎底座，支持集成城市管理相關的海量信息數據，具有開放性和通用性的特點，可以為不同的用戶提供各類不同的服務應用。以下將介紹AR 實景技術在安防、消防、高速和園區行業管理中的實際應用。

4.1 智慧安防

智慧安防管理平臺以基礎地理信息和三維模型數據為基礎，集成警力部署、視頻監控、警情管理、卡口管理、停車場管理、人臉管理和安檢監測等安防業務信息，充分整合匯聚安保工作所涉及的人地事物，形成對城市各個角落的全面感知和實時監控，進一步通過對監測數據的挖掘分析提前預測可能存在的安全隱患問題，實現智能化監測預警。

以現代化安防離不開視頻監控系統為例，傳統的視頻監控系統存在畫面獨立看不全，視角分散不直觀，畫面位置不明確，視角信息難獲取等缺陷。利用AR 三維實景技術構建的“全視界”三維實景空間，可幫助管理者全面掌握監控點位的位置、方位、高度和監控范圍等信息，快速定位并查看相應的監控畫面。利用圖像分析技術識別監控畫面中的安全隱患和危險目標，結合三維空間分析功能可以對目標對象的位置和軌跡進行聚焦和跟蹤，管理者還可同時查看周邊的環境、交通、警力部署等信息，快速合理的進行任務下達和警力資源調度。

4.2 智慧消防

現代建筑體積越來越龐大、內部結構越來越復雜，傳統被動式的消防管理模式已經難以滿足現代消防管理的需求。AR 實景技術利用物聯網作為消防系統的“感知神經”；利用BIM 數字化模擬真實再現消防系統的空間布局和邏輯關系，提供建筑物以及消防設備的空間、位置、時間成本、材料、廠商等信息；利用三維實景空間的可視化功能實現模型和監測數據的圖屬互查，并可動態模擬展示不同類型的應急預案。

基于AR 實景技術搭建的智慧消防管理平臺中，所有物聯網終端傳感器都有與之對應的模型構件，建立設備和模型構件之間的關聯映射后，IoT 數據即可依托BIM實現三維可視化的查詢和管理，而BIM 也不再只是靜態的三維模型，能夠與真實監測數據實時聯動。通過建筑物、消防設備、消防業務信息的集成管理和三維可視化交互查詢，構建一個信息交換和共享的協同運作系統，幫助管理者實現更高效的日常運維和更科學的應急指揮管理。

4.3 智慧高速

我國高速公路正從高速增長階段向高質量發展階段轉變，智慧高速的目標是實現高速公路建設-運營-養護全生命周期的智能化管控。

基于數字孿生的AR 實景技術可集成高精地圖、BIM、三維實景和基礎地理信息數據，同時接入專題業務系統、運營系統和物聯網終端實時監測數據。通過多源數據的融合，面向實際業務定制運營管理、AR 視頻監控、車輛監測和跟蹤、道路養護管理和應急管控等專業應用，實現高速公路運營管理與應急處置的精細化、智能化、自動化和標準化[2]。

4.4 智慧園區

隨著產業園區的升級轉型，現階段智慧園區的管理目標是提升園區物業服務、提高園區運營能力、為業主提供安全有序和干凈整潔的園區環境、滿足業主企業的高品質訴求。

通過AR 實景三維管理平臺，接入園區內的建筑、設施、設備、環境、安全等相關信息，實時監控園區內設備、人員、車輛等是否處于正常狀態，當出現偏離正常狀態的監測信息時自動觸發預警提示。還可對歷史監控數據進行深度分析，為園區管理、維護、維修和經營計劃的制定或調整提供參考依據。通過信息的共聯共享提前預判可能出現的不和諧因素，幫助維護園區秩序和環境。最終提高物業服務管理質量，提升園區經營管理能力，加速園區發展[3]。

5 結束語

基于數字孿生的AR 實景技術是真實世界和虛擬世界中間的橋梁，利用5G、物聯網、城市信息模型、時空大數據、云計算和人工智能等技術實現真實世界信息和虛擬世界信息的“無縫”集成，幫助管理者完成對城市各個角落的實時監控和管理。

AR 實景技術已經在安防、消防、高速和園區管理等多個行業中展開應用，其價值已經得到了充分證明和肯定。除此之外我們還在進一步拓展AR 實景技術在城管、水利、環保、災害應急、交通等更多行業中的應用，為新型智慧城市的升級發展添磚加瓦。

圖2 智慧安防數字孿生應用

圖3 智慧消防AR 實景應用

圖4 智慧高速AR 實景應用