鐵路隧道構件級數(shù)字孿生模型漸進式高效更新方法

黃賢喆,朱 慶,郭永欣,陳俊樺,丁雨淋

(西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院,611756,成都)

0 引言

鐵路隧道構件級數(shù)字孿生模型是鐵路工程全生命周期信息化應用的重要信息載體,蘊含著豐富的幾何、語義及安全-質量-進度等業(yè)務信息,要借助數(shù)字孿生模型實時感知、分析決策及可視化分析應用,通常需要模型信息集成融合到全域統(tǒng)一三維立體時空框架中,并通過實時數(shù)據(jù)不斷對模型迭代優(yōu)化動態(tài)更新[1]。鐵路工程信息化部門更新模型流程主要通過BIM引擎中更新、BIM模型轉換為GIS模型、GIS引擎中新瓦片覆蓋3個關鍵步驟,專業(yè)人員常采用全局替代式更新方法來保障三維瓦片完整正確。然而,該方式忽略了已有三維瓦片模型基礎,對大量已有三維模型重復冗余處理,更新代價高且效率較低,難以保障幾十公里長的鐵路隧道數(shù)字孿生模型高效實時更新。

國內外學者針對三維瓦片模型更新方法研究主要分為替代式與漸進式兩類[2-9]。替代式研究主要聚焦在三維瓦片模型轉換[2,9],以重新處理生成等方式按周期做覆蓋性整體更新[3],這類方法能保證模型更新準確性,但未充分利用已有三維瓦片基礎,時間效率低,難以滿足數(shù)字孿生實時更新需求。漸進式方法研究一般分為縮編更新、增量制圖綜合和級聯(lián)更新[4]三類,該類方法充分利用現(xiàn)有模型數(shù)據(jù)基礎進行逐層級過渡更新,僅需要處理更新局部瓦片,效率較高。但縮編更新和增量制圖綜合的方式需要額外處理相鄰模型,級聯(lián)更新雖能通過樹形結構[5-6]建立不同細節(jié)層次間的關聯(lián)[7],但主要針對非二進制瓦片,難以直接適用于數(shù)字孿生鐵路三維瓦片快速更新。以級聯(lián)更新為基礎,選用國際開放地理空間信息聯(lián)盟標準三維瓦片數(shù)據(jù)結構3D Tiles[10]作為結構基礎,定義并描述了鐵路隧道數(shù)字孿生模型多細節(jié)層次劃分,設計了適用于瓦片更新的索引結構,并基于級聯(lián)更新提出隧道構件級數(shù)字孿生模型在三維瓦片數(shù)據(jù)結構中的漸進式更新方法。

1 鐵路隧道多細節(jié)層次三維瓦片結構

鐵路隧道多細節(jié)層次三維瓦片結構設計思路如下:1)為確定三維瓦片更新的層級范圍,劃分鐵路隧道的多細節(jié)層次;2)針對瓦片中結構復雜難以更新的問題,拓展三維瓦片數(shù)據(jù)結構,設計適用于瓦片內構件級模型更新的索引結構,為模型更新奠定基礎。

1.1 構件級模型多細節(jié)層次劃分

鐵路隧道數(shù)字孿生模型具有空間跨度大、幾何結構復雜、建模參考標準細節(jié)層級單一的特點,為保證轉換后的GIS模型的高性能可視化分析應用,需要針對幾何信息進行多細節(jié)層次處理。本文參照CRBIM1003—2017《鐵路工程信息模型表達標準1.0》[11],將模型的多細節(jié)層次定義劃為4級,分別為LOD 1、LOD 2、LOD 3和LOD 4[9]。不同細節(jié)層次鐵路隧道超前支護、初期支護、二次襯砌及隧道內部結構等部分構件級模型分類如表1所示。

表1 隧道構件級模型多細節(jié)層次劃分

1.2 多細節(jié)層次三維瓦片結構設計

現(xiàn)有三維瓦片結構面向GPU渲染設計,采用二進制形式將多個構件級模型的多類型信息壓縮在一起,難以準確定位瓦片中存儲字節(jié)段落。為此,本文采用3D Tiles進行拓展,設計了構件級模型與瓦片中Node結點對應的三維瓦片數(shù)據(jù)結構。

3D Tiles由瓦片結構樹(Tileset)和三維瓦片(Tile)組成,其中,瓦片結構樹記錄多細節(jié)層次信息。本文瓦片采用批量化3D模型(b3dm)格式,由瓦片頭(Header)、要素表(FeatureTable)、批量表(BatchTable)、Gltf幾部分組成,要素表、批量表記錄屬性信息,Gltf用Json加二進制(Bin)存儲圖形信息。瓦片中構件級模型的圖形信息與屬性信息通過batchId值關聯(lián)。本文提出了存儲在瓦片結構樹節(jié)點中的瓦片索引(TileIndex),作為節(jié)點中瓦片更新的索引。

本文設計的瓦片索引,記錄隧道構件級模型及其對應的Node結點信息,作為瓦片內構件級模型更新的查詢依據(jù)。瓦片中Gltf使用對象類記錄模型信息。其中,Buffer對象中記錄了點位、法線、紋理坐標等二進制數(shù)據(jù);BufferView對象記錄Buffer對象下標與二進制數(shù)據(jù)段的起點、長度、基本類型;Accessor對象記錄BufferView對象下標、數(shù)據(jù)類型和數(shù)量;Mesh對象記錄Accessor對象索引下標,標明組成面元的位置、法線等信息;Node對象可記錄多個Mesh對象下標等信息;Scene對象是場景加載入口,記錄包含的Node結點下標。對象類之間通過索引下標層層嵌套實現(xiàn)模型表達。本文將隧道構件級模型與瓦片中Node結點對象映射并記錄在索引中。在索引結構中,PartsLength記錄瓦片中存儲的構件級模型個數(shù),Children數(shù)組中存儲構件級模型的唯一構件編碼(UUID)及瓦片中其對應的LOD等級、Node序列值、batchId值。若Node序列值為-1,表明瓦片中不存儲該構件,但瓦片所在樹節(jié)點中存有該構件的空間范圍。構件級模型在瓦片與瓦片索引間的關聯(lián)通過存儲的Node序列值實現(xiàn),如圖1所示。

圖1 瓦片與瓦片索引間的關聯(lián)關系

2 隧道構件級數(shù)字孿生模型漸進式更新

2.1 構件級模型漸進式更新流程框架

本文提出的漸進式更新方法分三步,首先根據(jù)更新信息查找到更新的葉子節(jié)點位置,其次更新節(jié)點中瓦片,最后在結構樹中向上逐層更新多細節(jié)層次索引信息。該方法解決了瓦片內更新問題,同時能保證構件級模型更新前后不同層級間模型信息的一致性。更新流程如圖2所示,實線箭頭代表概念層面的模型更新方向,虛線箭頭代表物理層面的具體實現(xiàn)過程。

圖2 構件級模型漸進式更新流程框架

2.2 構件級模型多細節(jié)層次更新算法

2.2.1 層級索引更新算法 模型更新過程中一般需要依據(jù)變更信息完成變化檢測操作實現(xiàn)要素匹配[4],而鐵路隧道構件級模型具有設計定義的唯一標識符構件編碼(UUID),編碼中包含類別等語義信息,可以作為更新查找的依據(jù)。

更新時考慮以下條件:一是不同細節(jié)層次間空間拓撲關系一致性,父節(jié)點空間范圍包括子節(jié)點;二是模型在不同層次中的版本一致性;三是為提高瓦片渲染效率減少內存消耗,設定父節(jié)點包含的子節(jié)點個數(shù)與瓦片中包含的構件級模型數(shù)目閾值,超出時創(chuàng)建新節(jié)點,根節(jié)點的子節(jié)點數(shù)目無限制;四是節(jié)點中存儲同類構件級模型,并依據(jù)隧道構件幾何表達精度確定更新層次。針對鐵路隧道構件級孿生模型更新中可能出現(xiàn)的情境,多細節(jié)層次更新操作可分為刪除、修改和插入3種類型,多細節(jié)層次更新算法概述如下。

1)輸入更新模型與更新構件編碼。

2)從結構樹根節(jié)點查詢,查找至葉子節(jié)點。以瓦片索引中的構件編碼確定更新模型所處節(jié)點位置。若插入時查找失敗,創(chuàng)建新的節(jié)點。

3)節(jié)點中執(zhí)行不同類型的更新操作,同步更新瓦片與瓦片索引。

4)根據(jù)更新的構件級模型需要展示的細節(jié)層次,向上查找父節(jié)點執(zhí)行更新,重復步驟3)中工作,直至不滿足展示條件。

當多細節(jié)層次瓦片數(shù)據(jù)中執(zhí)行插入操作且已存在模型同類別節(jié)點時,插入操作有6種情形,如圖3所示。插入構件級模型的空間范圍僅被一個瓦片包含或相交,若瓦片存儲數(shù)目未達閾值,插入;已達上限,瓦片一分為二。若模型與瓦片空間范圍無重疊,查找最鄰近瓦片,若其數(shù)目未超閾值,插入;已達閾值,創(chuàng)建新瓦片。若模型空間范圍與多個瓦片有交集,最鄰近瓦片中構件級模型未超閾值,插入其中;若最鄰近的瓦片中構件已達閾值,選擇最鄰近與次臨近瓦片分裂成3個。以構件級模型與瓦片的重疊體積最大為最鄰近瓦片選取原則。瓦片分裂采用空間聚類方法劃分,以重疊(Overlap)、覆蓋(Overlay)和瓦片空間范圍形狀(Shape)的均值為評價指標(公式1[12])。其中,Shape是構件級模型插入瓦片后瓦片三維柯西值的增加值,Metric值最小為最優(yōu)結果。若葉子節(jié)點中瓦片分裂,向父節(jié)點傳送新的節(jié)點信息,若父節(jié)點中子節(jié)點數(shù)量上溢,對父節(jié)點執(zhí)行分裂操作。父節(jié)點分裂的最小單位為子節(jié)點的空間范圍,分裂后的父節(jié)點根據(jù)空間包絡關系重新確定子節(jié)點。

圖3 瓦片中插入構件級模型示意圖

(1)

2.2.2 三維瓦片更新算法 本文提出的瓦片更新主要原理如圖4所示,圖4中展示了瓦片和瓦片索引的存儲內容。首先通過更新信息中的隧道構件編碼值匹配瓦片索引中對象,獲取其對應的Node序列值,根據(jù)瓦片中Node數(shù)組下標,確定變更的數(shù)據(jù)位置,在內存中完成數(shù)據(jù)更新,再更新瓦片中長度、模型對應的二進制數(shù)據(jù)等描述信息,同時更新瓦片索引中的相關信息,保證更新后瓦片中構件級模型與瓦片索引信息間的對應關系不變。

圖4 三維瓦片更新流程圖

瓦片中模型的更新可分解為插入、刪除、修改3種基本操作。插入操作先解析模型信息,在Scene場景中存儲新構件級模型對應的Node序列值,在瓦片索引中添加插入構件級模型的相關信息。刪除操作在瓦片索引中匹配待刪除模型的構件編碼,根據(jù)對應的Node序列值從不同的對象類數(shù)組中剔除相應對象,若對象位于數(shù)組中非末端位置,遍歷后續(xù)對象類數(shù)組,更新相應索引值,同時更新瓦片索引,剔除待刪除構件級模型的相關信息。修改操作根據(jù)瓦片索引查找瓦片中對應的Node對象,移除原構件級模型對應數(shù)據(jù),在原位置插入新數(shù)據(jù),完成Buffer對象總長度的更新,如圖5所示,同時更新瓦片索引。

圖5 瓦片修改過程

3 實驗驗證

以典型大型鐵路隧道中正洞與平導中截取的部分構件級模型數(shù)據(jù)為實驗對象,已有3D Tiles格式數(shù)據(jù)424 MB,更新的構件級模型數(shù)據(jù)格式為Bentley的.dgn格式,將更新的模型幾何數(shù)據(jù)以構件為單位轉換為通用的OBJ格式,語義屬性信息轉換為.csv格式,數(shù)據(jù)量為21.3 KB,作為更新的輸入信息,實驗使用Intel(R) Core(TM) i7-8750H@ 2.20GHz中央處理器,32 GB內存,基于Microsoft Visual Studio 2019,引用nlohmann/json庫和tinyobjloader庫實現(xiàn),設定瓦片中存儲構件級模型數(shù)目閾值為10。

從原始數(shù)據(jù)集中抽取正洞二襯模型,作為瓦片中數(shù)據(jù)插入與刪除的驗證數(shù)據(jù);從模型變更信息中抽取了因平導施工時周圍地質環(huán)境與設計參考資料不符而產生變更的模型,作為瓦片修改的驗證數(shù)據(jù)。以本文方法與替代式更新方法對抽取數(shù)據(jù)進行8次實驗,記錄了2種方法的處理時長。得到的瓦片更新結果中,去掉偏差較大的最大最小值,取其余6次結果的均值作為平均處理時長,處理結果如圖6所示。

圖6 瓦片更新結果

圖6中表格記錄了本文方法與替代式更新方法的平均處理時長。插入操作中,本文方法效率更高,其僅需在原瓦片基礎上增加新信息,替代式更新要將瓦片中所有構件級模型重新處理。刪除操作中,本文方法僅需57 ms,與替代式相比具有充足的優(yōu)越性。修改操作中,本文方法耗時更長,原因在于瓦片中有4個模型產生變更,算法對該瓦片修改4次,而替代式的方法只對瓦片執(zhí)行1次。但替代式更新方法除需輸入待更新的構件級模型外,仍需人工搜尋瓦片中其余模型,這部分時間并未統(tǒng)計在處理時長中。在實際使用情景中,人工搜尋其余構件級模型的時長遠大于瓦片執(zhí)行多次更新操作的所需時長。實際更新時,往往變更的構件級模型僅占總模型中的小部分,因此模型瓦片總數(shù)量越大,漸進式更新方法相對節(jié)約時間愈顯著。

本文通過搭建鐵路隧道構件級數(shù)字孿生模型原型系統(tǒng)檢驗本文更新方法的實驗效果。模型更新前后對比如圖7所示,圖7中展示了不同距離下模型更新前后的可視化結果,表明本文方法能夠保證模型更新前后的幾何、拓撲關系無誤。與整體替代式更新的方式相比,本文方法充分顧及已有三維瓦片模型基礎,避免了大量冗余處理,有效提高了鐵路隧道構件級數(shù)字孿生模型更新的時間效率。

圖7 多細節(jié)層次模型更新前后局部對比

4 結論

本文針對鐵路隧道構件級數(shù)字孿生模型更新過程存在的大量重復性冗余處理、更新代價高且時間效率低等關鍵問題,設計了適用于鐵路隧道構件級模型多細節(jié)層次動態(tài)更新的三維瓦片結構,提出了一種構件級數(shù)字孿生模型漸進式更新方法,提升了更新過程的時間效率。經(jīng)過原型系統(tǒng)驗證,結果表明本文方法充分利用已有三維瓦片數(shù)據(jù)基礎,更新效率更高,可有效滿足鐵路隧道構件級數(shù)字孿生模型動態(tài)更新的時效性需要。后續(xù)研究將進一步優(yōu)化更新算法,考慮采用多核并行處理和多版本追溯覆蓋等方式進一步改善方法,綜合提升鐵路隧道構件級數(shù)字孿生模型在實際工程應用中的動態(tài)更新效率。