AR結(jié)合BIM的機電工程巡檢系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：針對機電工程傳統(tǒng)資料管理模式因現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜而導致的缺陷問題，引進建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)予以指導，但BIM技術(shù)對于電腦端操作過于依賴，難以實現(xiàn)與工程現(xiàn)場的直接關(guān)聯(lián)，其作用發(fā)揮仍存在一定的局限性，無法滿足工程需求。基于此，在AR產(chǎn)業(yè)技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，嘗試將AR技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合起來，設(shè)計出適用于機電工程全生命周期的現(xiàn)場巡檢系統(tǒng)，分析構(gòu)建系統(tǒng)總體架構(gòu)及各功能模塊，并通過案例試驗驗證機電工程選件系統(tǒng)的可行性與實用價值，旨在進一步提升機電工程現(xiàn)場管理水平及效率。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實技術(shù)；BIM；機電工程；巡檢系統(tǒng)

中圖分類號：TU17" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）14-0042-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.010

0" " 引言

機電工程在初期設(shè)計到后期運維的全生命周期中包含諸多復(fù)雜設(shè)備要素，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)眾多，傳統(tǒng)紙質(zhì)文件的管理模式已難以滿足現(xiàn)場巡檢管理提出的較高要求，所以面向機電工程的信息化建設(shè)尤為重要。BIM技術(shù)作為當前在機電工程中應(yīng)用的熱門技術(shù)之一，能夠有效提升項目信息化管理水平，但其在現(xiàn)場巡檢管理中的應(yīng)用仍有局限，包括需要在電腦端操作、難以結(jié)合現(xiàn)場實際、設(shè)備要求較高、仍采用圖紙指導施工等[1]。而應(yīng)用增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)則能將虛擬模型疊加到現(xiàn)實之中，以此彌補BIM技術(shù)應(yīng)用的弊端。由此，將AR結(jié)合BIM，對面向機電工程的現(xiàn)場巡檢系統(tǒng)進行開發(fā)設(shè)計，從而為AR技術(shù)在此領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用提供技術(shù)方案與開發(fā)經(jīng)驗。

1" " AR應(yīng)用開發(fā)準備

1.1" " 開發(fā)引擎及平臺的選擇

AR作為一種交互式技術(shù)，可以結(jié)合計算機生成的虛擬對象實現(xiàn)對物理環(huán)境的豐富，從而為用戶提供更為生動和真實的體驗，利用AR能夠使真實環(huán)境與虛擬對象共存于同一空間。目前，AR開發(fā)工具常見的有ARKit、Vuforia、ARCore、EasyAR，在綜合考慮價格、跟蹤選項、支持平臺及相關(guān)功能的基礎(chǔ)上，選擇國內(nèi)自主研發(fā)的EasyAR作為開發(fā)平臺，其不僅具有多目標跟蹤功能，還支持免費使用，可提供本土化服務(wù)，在魯棒性和穩(wěn)定性方面也較為優(yōu)越。

在選擇好AR開發(fā)引擎后對開發(fā)平臺進行選擇。目前主流開發(fā)平臺有Unreal Engine與Unity 3D。對比二者來看，Unity 3D平臺具有較強的跨平臺性和適配性，支持含EasyAR在內(nèi)的多種開發(fā)工具，開發(fā)效率高、穩(wěn)定性強，并且編輯器功能精簡，上手簡單，學習成本較低，滿足機電工程巡檢系統(tǒng)的設(shè)計需求，所以將其作為系統(tǒng)設(shè)計中的AR開發(fā)平臺[2]。

1.2" " 開發(fā)環(huán)境配置

選擇好AR開發(fā)引擎與平臺之后，需要對計算機的開發(fā)環(huán)境進行相應(yīng)配置，先安裝Java語言開發(fā)工具包JDK和安卓系統(tǒng)軟件開發(fā)包Android SDK，并在Unity 3D中完成資源配置，然后導入EasyAR開發(fā)包完成相應(yīng)配置。

完成上述流程，通過對開發(fā)環(huán)境配置正確性及終端設(shè)備適配性的測試后，即可發(fā)布應(yīng)用程序。

2" nbsp; 機電工程巡檢系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1" " 系統(tǒng)設(shè)計思路

遵循實時性、準確性、模塊化、可視化的設(shè)計原則，結(jié)合機電信息需求和現(xiàn)場應(yīng)用場景，構(gòu)建基于動態(tài)數(shù)據(jù)的中央數(shù)據(jù)中心，負責讀取、上傳構(gòu)件或相關(guān)機電信息，并結(jié)合BIM模型獲取構(gòu)件幾何信息，利用AR技術(shù)在現(xiàn)實場景中加載出虛擬的模型與信息，從而實現(xiàn)通過移動終端即可在機電工程現(xiàn)場完成巡檢工作。BIM模型在開發(fā)平臺中的導入采用.fbx格式，使巡檢系統(tǒng)能夠獲取到與現(xiàn)場相匹配的虛擬模型，并借助WBS編碼關(guān)聯(lián)任務(wù)進度和構(gòu)件，不同構(gòu)件均具有相應(yīng)的工作完成狀態(tài)值，經(jīng)過整合即可得到初始的動態(tài)數(shù)據(jù)庫。再借助遠程連接實現(xiàn)巡檢系統(tǒng)對項目信息、模型信息及作業(yè)信息的獲取和更新，從而實現(xiàn)對機電工程的動態(tài)巡檢管理[3]。

2.2" " 系統(tǒng)總體架構(gòu)

所設(shè)計的機電工程巡檢系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，共劃分為模型層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和用戶層。

2.2.1" " 模型層

模型層的核心為Revit平臺，負責對BIM模型中的綜合信息進行初步處理，內(nèi)含眾多專業(yè)構(gòu)件的基本屬性，可從中篩選出有關(guān)機電工程的相關(guān)信息，并將.fbx格式的幾何參數(shù)與附帶屬性導入應(yīng)用層，借助ODBC傳遞給數(shù)據(jù)層的動態(tài)數(shù)據(jù)庫。

2.2.2" " 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層的核心為PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，在整個機電工程巡檢系統(tǒng)中數(shù)據(jù)層主要是有關(guān)現(xiàn)場管理信息的動態(tài)數(shù)據(jù)庫，其作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，內(nèi)含大量項目數(shù)據(jù)和機電安裝數(shù)據(jù)，能夠為應(yīng)用層提供需要的全部數(shù)據(jù)信息。在數(shù)據(jù)層中共分為項目進度計劃、模型信息與WBS編碼三個部分，通過對這三部分信息的集成能夠有效實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)交互，從而確保巡檢系統(tǒng)信息的準確性與實時性。

2.2.3" " 應(yīng)用層

應(yīng)用層的核心是Unity 3D平臺，該層是整個巡檢系統(tǒng)的核心層，負責對適用于現(xiàn)場巡檢管理中不同需求的應(yīng)用功能進行設(shè)計與開發(fā)。應(yīng)用層能夠從模型層與數(shù)據(jù)層進行項目信息、模型信息、作業(yè)信息及Revit模型補充信息的獲取與整合，之后利用AR開發(fā)工具對適用于相應(yīng)需求的場景展開設(shè)計。

2.2.4" " 用戶層

用戶層的核心是Android終端，用戶層能夠借助終端提供的人機交互界面為用戶進行可視化展示。通過對Android終端操作系統(tǒng)中AR應(yīng)用程序的編寫，利用Android SDK將相關(guān)數(shù)據(jù)文件編譯成存檔包，之后需要時單擊終端設(shè)備即可安裝AR應(yīng)用程序。此應(yīng)用程序具有掃描圖紙、建立空間地圖、調(diào)整模型定位、進度動態(tài)管理、設(shè)備管理及巡檢管理等功能。

2.3" " 核心技術(shù)

所構(gòu)建的機電工程巡檢系統(tǒng)涉及圖像識別跟蹤、模型定位跟蹤與數(shù)據(jù)庫三大核心技術(shù)。

2.3.1" " 圖像識別跟蹤

機電工程巡檢涉及大量圖紙，包括機電管線圖、設(shè)備基礎(chǔ)布置圖、精裝末端定位圖、預(yù)留預(yù)埋綜合圖等，但紙質(zhì)文件無法滿足機電工程現(xiàn)場管理信息化建設(shè)需求，無法展現(xiàn)出直觀的模型[4]。由此，對巡檢系統(tǒng)中的圖紙掃描模塊進行設(shè)計，采用圖片與三維模型相連接的形式。此外，在此模塊下還構(gòu)建了分專業(yè)的模型樹結(jié)構(gòu)，便于對暖通、水、電等不同專業(yè)構(gòu)件的查詢。該模塊具有的“脫卡查看”功能能夠保證在與圖片相脫離后，仍可在移動終端上顯示BIM模型，從而提升相關(guān)信息的表達程度。

圖像識別跟蹤模塊的設(shè)計流程如下：由EasyAR提供數(shù)據(jù)生成接口，負責預(yù)先將待識別圖片生成Image Target Data數(shù)據(jù)包，便于后續(xù)的圖片識別跟蹤，并能利用傳入接口的回調(diào)實現(xiàn)對加載/卸載目標對象的結(jié)果獲取。Image Target代表掃描目標對象，將其成功載入Image Tarcker后即可實現(xiàn)對掃描目標對象的檢測與跟蹤。創(chuàng)建完畢之后，可利用對開始/停止鍵的調(diào)用實現(xiàn)開始與運行，當無須圖像跟蹤組件運行時，即可調(diào)用關(guān)閉鍵關(guān)閉此組件。Image Tarcker會占用1個攝像頭以上的緩沖區(qū)，反饋幀的輸入利用接收器完成。當用戶啟動終端后，可對相關(guān)圖像進行識別與跟蹤，預(yù)設(shè)圖紙經(jīng)過掃描后對Image Tarcker對象進行渲染注冊，借助AR終端設(shè)備完成投影輸出，從而實現(xiàn)圖紙與BIM模型的AR展示。

2.3.2" " 模型定位跟蹤

機電工程巡檢系統(tǒng)中的模型定位跟蹤模塊具有模型定位調(diào)整及空間地圖跟蹤的功能，用戶抵達現(xiàn)場之后利用終端即可查看1：1的機電工程虛擬模型，移動終端顯示界面會做出相應(yīng)變化，借助AR實現(xiàn)對模型的現(xiàn)場定位與移動跟蹤。其中，模型定位調(diào)整模塊主要用于調(diào)整加載虛擬模型的角度、位置及比例等參數(shù)，并將信息保存至系統(tǒng)后臺，待再次加載模型后進行調(diào)用并賦予初始值；空間地圖跟蹤主要用于構(gòu)建現(xiàn)實環(huán)境的點云地圖，并對AR模型進行實時定位跟蹤。

系統(tǒng)對AR技術(shù)的應(yīng)用表現(xiàn)為在現(xiàn)實中的疊加實例，包括負責增強的“元數(shù)據(jù)”與受到增強的實時數(shù)據(jù)，且能夠借助圖形API將“元數(shù)據(jù)”覆蓋于實時數(shù)據(jù)之上。而實時數(shù)據(jù)一般為終端設(shè)備的位置、面向的方向以及攝像頭獲取的信息。之后，可實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)信息與“元數(shù)據(jù)”列表的交叉引用。

EasyAR中具有稀疏空間地圖和運動跟蹤算法相關(guān)組件，結(jié)合運用能夠消除圖像識別過程中因遠距離移動形成的匹配累積誤差，從而確保模型定位跟蹤的實時性、準確性與持續(xù)性。稀疏空間地圖組件可自動掃描用戶所處環(huán)境，生成三維點云地圖，每個節(jié)點均會存儲一定的局部視覺信息，并根據(jù)攝像頭圖像以及用戶位置與姿態(tài)信息建立真實視覺地圖。待加載稀疏空間地圖之后，可進行攝像頭圖像與地圖的三維視覺匹配，并匹配用戶位姿自動調(diào)整虛擬模型。考慮在計算量較大時會出現(xiàn)點云識別模糊的現(xiàn)象造成模型漂移，從而影響AR效果，所以需要輔以穩(wěn)定性更高的運動跟蹤算法來支持。運動跟蹤算法采用VISLAM（地圖構(gòu)建技術(shù)）和視覺慣性同時定位，基于被識別跟蹤特征點的位置變化及慣性信息對終端在現(xiàn)實環(huán)境中的真實位姿進行推斷[5]。系統(tǒng)應(yīng)用運動跟蹤算法后，能夠?qū)崿F(xiàn)對終端相對位姿的快速恢復(fù)計算，進而有效解決跟蹤丟失問題，避免在終端移動過程中發(fā)生模型漂移，強化AR效果。

2.3.3" " 終端連接數(shù)據(jù)庫

移動終端上的AR應(yīng)用程序能夠借助REST（應(yīng)用程序編程接口）實現(xiàn)對系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)庫的訪問，而終端應(yīng)用程序與后臺服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互則主要采用HTTP協(xié)議標準實現(xiàn)。Npgsql組件作為系統(tǒng)SQL數(shù)據(jù)庫中ADO.NET規(guī)范的實現(xiàn)，是C#語言編程的驅(qū)動程序，支持所有的.NET語言。在下載好Npgsql組件之后，可單擊“管理程序包”的選項，選擇對應(yīng)Npgsql版本后，完成安裝，從而實現(xiàn)移動終端與數(shù)據(jù)庫之間的連接。

3" " 機電工程巡檢系統(tǒng)實際應(yīng)用

3.1" " 巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用安裝

以北部灣某碼頭有限公司建設(shè)項目為例，對設(shè)計的機電工程巡檢系統(tǒng)進行應(yīng)用安裝。將機電工程巡檢系統(tǒng)應(yīng)用程序命名為“OSInspection.apk”，獲取在Unity 3D中發(fā)布的.apk文件并發(fā)送至用戶手機終端進行下載。在安裝過程中，需獲取終端設(shè)備存儲與相機權(quán)限。完成安裝后，單擊終端主界面上的應(yīng)用程序即可進入后續(xù)的功能模塊。

3.2" " 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

在使用該巡檢系統(tǒng)應(yīng)用程序之前，需先對模型和數(shù)據(jù)進行相互轉(zhuǎn)換，包括對BIM模型中信息數(shù)據(jù)的提取，并將其傳遞至開發(fā)平臺及動態(tài)數(shù)據(jù)庫；而終端應(yīng)用程序可以通過對空間點數(shù)據(jù)的讀取實現(xiàn)對稀疏空間的構(gòu)建，并且可以對模型空間位置數(shù)據(jù)進行調(diào)整以及加載模型。

3.3" " 應(yīng)用效果

在實際工程應(yīng)用中，機電工程設(shè)計圖紙共有450張，單獨依靠二維圖紙難以直觀了解，同時工程中涉及大量設(shè)備與附件，復(fù)雜程度較高，運維難度較大。而應(yīng)用所設(shè)計的巡檢系統(tǒng)對模型中全部可收集的構(gòu)件信息進行錄入，運維人員借助終端應(yīng)用程序中的設(shè)備管理模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對已竣工交付項目數(shù)字檔案的現(xiàn)場查閱，并且該數(shù)字檔案能夠依照后續(xù)運檢及故障管理的內(nèi)容對運維信息進行實時更新，并將相關(guān)信息記錄在關(guān)聯(lián)BIM模型構(gòu)件之上。

用戶在應(yīng)用程序主界面點擊“設(shè)備信息”，即可加載已經(jīng)完成定位調(diào)整的模型，并在現(xiàn)實界面中提示“未選中構(gòu)件”。而在點擊虛擬模型中的相關(guān)構(gòu)件時，即可在界面右側(cè)彈出相關(guān)構(gòu)件的信息框，內(nèi)含項目信息、基本信息以及作業(yè)信息，如圖2所示。點擊作業(yè)信息中的設(shè)備手冊或施工方案即可在線查看所需資料，也可在項目信息中對構(gòu)件的維修信息進行添加或修改。同時，在維修過程中也可借助“巡檢記錄”的功能在程序中詳細記錄巡檢情況。

4" " 結(jié)束語

本文設(shè)計了AR結(jié)合BIM技術(shù)的機電工程現(xiàn)場巡檢系統(tǒng)，梳理了系統(tǒng)的總體框架，分別對模型層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、用戶層四個層級進行了詳細的設(shè)計介紹，并提出圖像識別跟蹤、模型定位跟蹤及連接數(shù)據(jù)庫這三項技術(shù)要點，采用EasyAR開發(fā)引擎與Unity 3D平臺實現(xiàn)對系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。以實際工程項目為例，對巡檢系統(tǒng)AR應(yīng)用程序進行實際應(yīng)用，驗證了該巡檢系統(tǒng)作為機電工程現(xiàn)場巡檢的全新方式具有較強的可行性，值得在相關(guān)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

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收稿日期：2023-03-21

作者簡介：曾勝傳（1988—），男，廣西欽州人，研究方向：建筑工程、鋼結(jié)構(gòu)工程、碼頭項目施工建設(shè)。