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文章來源：鐵路BIM聯(lián)盟

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李凱，中鐵第一勘察設計院集團有限公司通信信號設計院

隨著智能鐵路不斷發(fā)展，未來鐵路四電運維將逐步實現(xiàn)數(shù)字化，并結合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術實現(xiàn)智能運維。數(shù)字工程的正確性，將作為智能運維的基礎條件，因此，為檢驗鐵路四電數(shù)字工程準確性，提高數(shù)字工程現(xiàn)場核查人員工作效率，研發(fā)一種基于AR技術的鐵路四電數(shù)字工程現(xiàn)場檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)字工程與實體工程在檢測終端的疊加，輔助審核人員對數(shù)字工程的現(xiàn)場檢測，保證數(shù)字工程與實體工程一致，為數(shù)字化、智能化鐵路運維提供基礎數(shù)據(jù)。

引言

隨著我國BIM技術快速發(fā)展，軌道交通行業(yè)基本構建了BIM標準體系框架，以數(shù)字工程為基礎，利用智能終端、智能穿戴等硬件設備和大數(shù)據(jù)、AI計算的結合，實現(xiàn)在工程建設、運維上的場景應用越來越多。目前，BIM技術在鐵路工程建設應用中越來越重要，且存在巨大的發(fā)展需求， 具備成長潛力。在基于BIM技術的鐵路工程建設管理總體框架下，經(jīng)過多年的探索與實踐，鐵路工程建設管理取得了顯著成效。

鐵路四電數(shù)字工程現(xiàn)場檢測依據(jù)相關標準，現(xiàn)場核查模型與實物的一致性，為數(shù)字工程應用提供依據(jù)。傳統(tǒng)的現(xiàn)場檢測由檢測人員根據(jù)現(xiàn)場情況進行判斷，主要是人工檢測，費時費力，且主觀因素影響較大。為規(guī)范和促進鐵路數(shù)字工程技術的發(fā)展，進一步滿足對數(shù)字工程現(xiàn)場的深度感知，采用基于增強現(xiàn)實（Augmented Reality,AR）技術，結合移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進手段，充分利用AR技術特性，彌補人工檢測效率低、缺乏信息化手段等問題，使數(shù)字工程檢測體系得到完善與擴充。

一 系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)數(shù)字工程和真實場景的無縫疊加、實景照片采集，方便檢測人員對比數(shù)字工程與實體工程，系統(tǒng)以AR技術為基礎，研究實現(xiàn)數(shù)字工程與實體工程對比檢測的信息化手段。

AR技術是促使真實物理世界和虛擬數(shù)字世界信息綜合在一起的新技術，其將原本在現(xiàn)實空間范圍中較難體驗的實體信息在電子科學技術的基礎上，實施模擬仿真處理疊加，將虛擬信息在真實世界中有效應用，并且在這一過程中能夠被人類感官所感知，從而實現(xiàn)超越現(xiàn)實的感官體驗。真實環(huán)境和虛擬物體重疊后，能在同一個畫面以及空間中同時存在。

利用AR技術，持續(xù)跟蹤設備相對于周圍環(huán)境的位置和姿態(tài)變化軌跡，建立真實物理世界和虛擬數(shù)字世界的統(tǒng)一幾何空間，跟蹤設備周圍的光照、平面、圖像、物體等環(huán)境信息，實現(xiàn)虛擬物體以場景化的方式逼真地融入現(xiàn)實物理世界，為AR檢測應用提供虛實融合的交互基礎平臺，幫助檢測人員自動對比數(shù)字工程和真實場景。

1.系統(tǒng)架構設計

AR現(xiàn)場檢測系統(tǒng)不僅需要與現(xiàn)有的信息化系統(tǒng)進行集成，還需滿足未來智能化系統(tǒng)接入的需求，系統(tǒng)整體采用面向服務的體系結構（Service OrientedArchitecture,SOA），SOA是一個組件模型，它將應用程序的不同功能單元（稱為服務） 通過這些服務之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。這使構建在各種系統(tǒng)中的服務以一種統(tǒng)一和通用的方式進行交互。SOA具有可重用、松耦合、基于開放標準等特性。該系統(tǒng)根據(jù)SOA系統(tǒng)架構的角色特性和部署環(huán)境（見圖1），將系統(tǒng)架構分為基礎網(wǎng)絡層、應用服務層，服務分配層、用戶訪問層。

2.系統(tǒng)功能設計

根據(jù)實際業(yè)務需求，系統(tǒng)采用前后端分離的模式，將系統(tǒng)主要分為前端交互和后端API接口服務兩部分（見圖2）。

二 數(shù)據(jù)庫設計

根據(jù)系統(tǒng)需求，分別建立流程管理、用戶管理、數(shù)字工程管理三部分的數(shù)據(jù)庫。用戶管理包含組織架構表、角色表、菜單表、用戶信息表、角色權限表和數(shù)據(jù)字典表。數(shù)字工程管理包含項目表、工點表、設備表、屬性信息表等。由于待檢數(shù)字工程數(shù)據(jù)量較大以及數(shù)據(jù)安全性要求高，系統(tǒng)運行中比較占用帶寬，為了減輕數(shù)據(jù)服務器訪問壓力，保護系統(tǒng)運行不受故障、帶寬和崩潰的影響，系統(tǒng)中流程數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)、數(shù)字工程分別采用獨立的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫服務器采用雙機熱備及雙機負載均衡的數(shù)據(jù)庫設計模式。數(shù)據(jù)庫架構見圖3。

三?主要技術框架

1.系統(tǒng)架構設計

AR技術框架可以簡單劃分為感知和交互兩部分。感知部分主要負責信息的收集和處理。信息主要通過不同的傳感器收集，包括圖像、設備加速度、距離（深度）、語音、手勢等。利用這些信息，可以進行運動追蹤（定位）、地圖構建、語音識別、手勢識別等一系列感知行為。

（1） 感知部分。由于近幾年國外公司對我國技術限制，為保證技術的可持續(xù)性，該系統(tǒng)選擇華為AREngine，用于實現(xiàn)AR現(xiàn)場檢測系統(tǒng)信息感知部分。AR Engine服務是一個用在Android上構建增強現(xiàn)實應用的引擎。系統(tǒng)通過AR Engine獲取設備陀螺儀的運動軌跡和攝像機的圖像采集信息。

（2）交互部分。主要負責根據(jù)指令觸發(fā)感知行為或者根據(jù)感知結果輸出交互行為，這部分主要通過APP調用操作系統(tǒng)命令和渲染模塊實現(xiàn)。該系統(tǒng)選擇Unity3D平臺，Unity3D平臺支持手機、平板電腦、PC、游戲主機、增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實設備，可輕松創(chuàng)建建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的平臺，最主要的是，目前Unity3D提供的Unity Reflect產品套件可將Revit軟件制作的數(shù)字工程模型完全、快速地轉換成Unity可識別的三維文件格式，并保持BIM模型的幾何、屬性信息不丟失，以便更快、更有效利用現(xiàn)有數(shù)字工程。

該系統(tǒng)通過AR Engine獲取平板陀螺儀的定位信息，通過獲取到的陀螺儀定位信息調整AR場景中主攝像機位置，從而不斷更新BIM場景，保證檢測人員在場景中移動的同時，數(shù)字工程跟隨檢測終端移動，達到人員視角與數(shù)字工程視角同步。

2.后臺管理頁面

系統(tǒng)后臺管理主要用于數(shù)字工程模型上傳、下載、檢測人員、被檢測單位、檢測流程等業(yè)務數(shù)據(jù)的管理。

該系統(tǒng)的后臺管理模塊采用B/S架構，B/S架構最大的優(yōu)點是維護方便、分布性強、開發(fā)簡單。前端框架采用企業(yè)級前端應用框架Umi，Umi實現(xiàn)了完整的生命周期，并使其插件化，Umi內部功能也全部由插件完成。人機交互界面（User Interface,UI）組件庫采用ProComponents，是基于Ant Design設計體系的React UI組件庫，主要用于研發(fā)企業(yè)級中后臺產品。ProComponent中內置了一系列的設計規(guī)范，預設了常用的邏輯，通過ProComponents系列組件提供快速高效中后臺應用的能力，幫助開發(fā)人員快速實現(xiàn)后端信息增、刪、改、查UI交互操作。

對于前端數(shù)據(jù)邏輯處理，該系統(tǒng)采用TypeScript語言進行處理，TypeScrip是由微軟公司開發(fā)的一種編程語言，集成了C#面向對象的編程語言特性。

3.后端服務接口

應用程序編程接口（Application Programming Interface,API）是一些功能、定義或者協(xié)議的集合，提供應用程序或者程序開發(fā)人員基于軟件訪問1組例程的能力，對外封裝完善，調用時無需學習API內部源碼，依據(jù)API文檔功能說明書使用即可 。該系系統(tǒng)使用RESTfulAPI架構實現(xiàn)，RESTfulAPI是目前前后端分離的最佳實踐，ASP.NET Web API是在.NET Framework上構建RESTful應用程序的理想平臺。且隨著.Net 6新版本的發(fā)布，WebAPI也在繼續(xù)不斷優(yōu)化及改進，使WebAPI在使用便捷性上又上升了一個層次。

四 主要功能

AR現(xiàn)場檢測模塊三維場景處理與界面制作選用UnityPro專業(yè)版軟件，Unity Pro專業(yè)版軟件提供豐富的開箱即用功能，其2D和3D專用工作流可以與Revit、3DMAX等三維模型創(chuàng)建工具無縫集成，方便快速導入和更新BIM模型，提高開發(fā)效率。AR現(xiàn)場檢測模塊主界面見圖4。

該模塊主要實現(xiàn)以下功能：

（1）三維展示?，F(xiàn)場檢測人員通過該功能，查看單獨設備模型，通過放大或縮小設備模型，實現(xiàn)對單個設備模型的單獨查看。

（2）基準調節(jié)。在場景首次定位過程中，由于檢測人員身高、檢測終端位置等存在差別，需要手動微調數(shù)字工程顯示位置。該功能實現(xiàn)通過“水平”“垂直”“旋轉”滑塊，調整BIM模型在三維場景中的位置。

（3）檢測意見。在現(xiàn)場檢測過程中，自動檢測存在一定的盲區(qū)或誤差，需要人工判斷數(shù)字工程與實際場景的差異。該功能實現(xiàn)檢測人員輸入檢測意見，點擊提交，系統(tǒng)保存檢測意見到后臺服務器，系統(tǒng)自動關聯(lián)用戶選擇的設備，并采集當前三維場景圖片和數(shù)字工程截圖至后臺服務器。

（4）資料查看。在現(xiàn)場檢驗過程中，檢驗人員常常需要查看設計圖紙、竣工資料等文件，該功能實現(xiàn)BIM與資料、圖紙等相關文件及數(shù)字工程模型關聯(lián)，實現(xiàn)資料在線查看。

（5）透明度調節(jié)、顯示隱藏。對隱蔽工程和柜內設備進行抽檢，為清楚識別和查看被遮擋的數(shù)字設備，該功能實現(xiàn)用戶選中BIM模型的透明度調節(jié)、顯示隱藏，可以查看被遮擋模型的狀態(tài)。

五?系統(tǒng)應用

隨著數(shù)字技術的快速發(fā)展，為提高數(shù)字資產創(chuàng)建和交互過程中規(guī)范性和準確性，助力智能高鐵發(fā)展，2021年4月，中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心發(fā)布了 《關于開展鐵路數(shù)字工程認證試點工作的通知》，確定酒額鐵路作為認證試點。2022年8月10日，酒額鐵路數(shù)字認證工作在甘肅酒泉開展（見圖5），認證期間，審核團隊利用基于AR技術的鐵路四電數(shù)字工程現(xiàn)場檢測系統(tǒng)對金塔站通信機械室內數(shù)字工程（見圖6）、金塔站信號室內數(shù)字工程、金塔站10kV配電所、DK52+800無線通信基站4個數(shù)字工程進行抽檢，主要抽檢內容為機柜、走線架、線纜等，通過對其屬性、幾何等信息判斷其與真實場景的一致性。系統(tǒng)應用效果如下：

（1）實現(xiàn)了數(shù)字工程場景根據(jù)檢測人員的移動，自動調整場景相機位置，保持數(shù)字工程與實際場景視角一致，達到輔助現(xiàn)場檢驗的目的。

（2）檢測人員能方便核對數(shù)字工程的數(shù)據(jù)信息與實際現(xiàn)場是否一致，能及時發(fā)現(xiàn)數(shù)字工程設備布局、線纜布放與實際現(xiàn)場存在的差異，并通過系統(tǒng)填寫工單，系統(tǒng)自動采集現(xiàn)場照片和數(shù)字工程截圖，將現(xiàn)場照片、截圖、問題描述及時反饋至管理平臺，提高了檢測效率。

六 總結

通過現(xiàn)場檢測，數(shù)字工程能根據(jù)檢測人員在空間中的移動進行準確定位，并能將虛擬模型與真實場景進行疊加，達到預期效果。

當前，AR技術不僅影響人機交互的方式和體驗，也憑借垂直整合能力，賦能各行各業(yè)的智能化轉型。通過介紹基于AR技術的鐵路四電數(shù)字工程現(xiàn)場檢測系統(tǒng)的主要技術選型和主要模塊的實現(xiàn)過程，實現(xiàn)AR技術賦能數(shù)字工程檢驗檢測，進而探索出一種數(shù)字工程現(xiàn)場檢驗的信息化手段，為數(shù)字工程在后續(xù)智能運維中的應用奠定基礎。