基于BIM+移動增強現實的高速鐵路工務智能維修技術研究

張 超，何越磊，路宏遙

(上海工程技術大學城市軌道交通學院，上海 201620)

引言

截至2020年底，我國高速鐵路運營里程超過3.79萬 km，形成了“四縱四橫”的高速鐵路網絡格局。隨著我國高速鐵路的成網運營，充分發揮人工智能、云計算等技術優勢，保證鐵路網絡的高速、長期安全運維，已經成為鐵路運維的發展方向。我國高速鐵路目前實行“總公司-鐵路局-基層站段”三級運維管理模式，鐵路基層站段運維工作涉及機務、工務、電務和車輛等專業，是獨立的生產組織和管理單位[1]，各專業作業項目種類繁多，專業性強，其數字化、精密化需求日益提高。與此同時，我國鐵路傳統運維模式多以人工輔助機器進行，通過紙質檔案記錄運維作業內容，當出現復雜問題時，設施設備的故障履歷、巡檢記錄難以及時準確查找，導致維修難度大。因此，改善高速鐵路運維模式，為線路作業人員提供輔助工具來提升運維效率，已經成為鐵路運維部門的重要課題。

目前，國內針對高鐵智能運維等方面展開了研究與探索，如王同軍[2]提出了三維智能高速鐵路體系架構模型，在智能運維方面提出涉及客運服務、運輸組織、養護維修3大領域，共5個方向的構想。李思宇等[3]開發無砟軌道監測數據信息管理系統，利用云計算和數據庫實現無砟軌道在役服役狀態的監測管理。陳東生等[4]基于Android平臺研發鐵路工務智能移動端系統，能夠查看設備臺賬理事檢修數據，輔助記錄等功能，提高檢修作業工作效率。趙鐵柱等[5]研發了高速鐵路綜合維修工藝智能設計系統，實現維修設施布局方案的可視化。閆立忠[6]以青連鐵路四電工程為試點，基于達索平臺的鐵路四電過程BIM技術的應用研究，具體分析BIM技術在鐵路建設協同設計、施工過程以及項目管理中的方法與應用。萬偉明等[7]基于IS3進行二次開發，結合BIM最終形成鐵路車站改擴建工程資料管理系統，對鐵路運維過程中的資料進行智慧化管理。智能運維采用泛在感知、智能監測、增強現實、智能視頻及智聯網等技術[8]，這些研究有力地推動了現代科技與高速鐵路各專業的相互融合，對高鐵智能運維的統籌規劃與宏觀指導起到支撐作用。但同時需要注意的是，現有研究雖然在一定程度上降低了工人勞動量，提高了運維效率，但在便攜性、實用性等方面還存在較大的提升空間。

基于此，自行開發鐵路工務智能維修系統，將該系統引入BIM并建立三維模型，選取Unity作為移動應用程序的開發平臺，充分利用移動增強現實技術在可視化、便攜性方面的優勢，建立鐵路工務智能維修系統，通過移動終端輔助完成鐵路運維過程中的工務維修。

1 鐵路工務智能維修系統需求與結構設計

1.1 系統研發需求

高鐵列車速度快，在運行穩定性方面要求極高，而高速道岔是高鐵線路的交叉點和薄弱環節，是影響行車平穩性與安全性的關鍵基礎設施[9]。保障高鐵的安全運行需鐵路工務部門做好高速道岔的養護維修工作。從檢修內容上看，高速道岔檢修較為復雜，涉及到的構件種類繁多，要求較為嚴格。從檢修形式上看，高速道岔檢修多以人工輔助機器進行檢測作業，通過道岔檢修簿記錄檢修情況，遇到復雜問題時設備故障履歷，巡檢歷史難以及時查閱。與此同時，由于隱蔽性工程難以直觀展現，在道岔檢修過程中常常被忽略。為較好滿足當前需求，提出鐵路工務智能維修系統輔助工務人員高效完成檢修作業。以高速道岔檢修作為研究對象，重點對18號道岔的檢修進行闡述。

1.2 系統架構

鐵路工務智能維修系統是自主開發的移動應用操作系統，該系統總體框架見圖1。

圖1 鐵路工務智能維修系統總體框架

功能層主要包括作業模擬、自由拆裝、信息服務三大功能模塊。作業模擬是最主要的功能，通過使用移動設備識別標識物激活該功能。使用該功能可以查看道岔檢修過程中的拆卸、安裝和工作原理等過程動畫演示，多維度分解復雜的施工流程。自由拆裝則是滿足不同零件更換的拆裝需求，點擊“自由拆裝”按鈕激活該功能。通過觸屏拖拽模型完成零件的自由拆解和組裝過程，模擬現場情況，輔助工務人員制定維修計劃。信息服務模塊主要用于查看故障履歷、巡檢記錄、作業指導等信息。

技術層主要包含三維建模和移動增強現實兩大技術模塊，為系統功能層提供技術支持。在三維建模方面引入BIM，從而建立信息化模型，移動增強現實技術是調用攝像機來捕獲高鐵線路的標識物信息，通過三維跟蹤注冊技術在現實環境中定位虛擬場景。

2 系統的開發與實現

2.1 鐵路工務智能維修系統開發流程

高速道岔的檢修是整個運營維護過程中的重要環節，在遵循“預防為主，防治結合、嚴檢慎修”的基本原則上更要做到精確檢修、全面分析精細修理[10]。本系統結合鐵運〔2012〕83號《高速鐵路無砟軌道線路維修規則(試行)》3.6.8條、5.5.4條，鐵總運〔2014〕170號《鐵路工務安全規則(試行)》以及鐵路工務段養護維修經驗進行制定，技術路線見圖2。具體操作步驟如下。

圖2 技術路線

(1)以高鐵18號道岔作為主要研究對象，通過BIM建模軟件Revit建立信息化模型。添加構件的基本屬性信息，最終建立面向高鐵工務線路檢修的關鍵設施設備信息化模型庫。

(2)從BIM模型中導出FBX格式文件并載入Unity工程文件中，使用著色器、材質球等工具渲染模型。

(3)采集現場圖像上傳至數據庫并制作數據集，在Unity中通過Vuforia SDK實現移動增強現實功能。同時，根據高速道岔檢修實際需求，定制個性化的人機交互功能。

(4)配置Android環境并發布移動端App，調試并運行程序。

2.2 BIM建模

高速鐵路基礎設施、設備結構較為復雜，例如18號道岔尖軌處零部件較多且多為隱蔽性構件，這無疑給建模提出了更高要求。相比于其他建模技術，BIM建模的主要優勢在于對三維模型的信息傳遞、管理與應用，數字化模型不僅包含對象主體的幾何特性，同時包含了屬性、專業、狀態特性，將集成化的信息應用于構件的設計、施工，進而指導后期維護作業，最終形成一套完善的、有層次的信息模型庫[11-14]。下面以18號道岔尖軌處模型為例介紹幾何參數化建模的流程。

(1)資料準備。查找18號道岔相關CAD圖紙，分析尖軌處滑床板安裝所涉及的結構部件，主要包括：鋼軌、彈性鐵墊板、軌下橡膠墊、滑床板、扣件系統等。

(2)創建構件族。在空族文件中導入CAD圖紙并建立軸網和高程，通過軸網和高程控制生成三維模型。同時，將結構部件的關鍵信息在族類型中添加為參數，這是幾何參數化建模的核心。族類型參數通過標識數據、模型屬性、常規等分組方式進行歸類管理。

(3)模型拼接與整合。按照高速鐵路的設計要求，建立不同構件的三維模型并最終形成族庫，將族庫中的構件族載入項目文件中完成模型拼接。同時編輯實例屬性，整合模型實例屬性信息，最終建立以參數為驅動的18號道岔尖軌處BIM模型，模型渲染效果見圖3。

圖3 滑床板BIM建模渲染

2.3 移動增強現實的實現

移動增強現實技術(Mobile Augemented Reality，MAR)在繼承了增強現實的虛實結合、實時交互、三維注冊三大特點，在保留沉浸式仿真的基礎上[15-16]，解決了增強現實硬件設備價格昂貴、便攜性差等方面的不足。本系統選擇運行穩定高效的Vuforia SDK作為移動增強現實的開發工具。

(1)添加數據集

數據集的制作主要是通過Vuforia 提供的在線工具進行，在Target Manager和License Manager中分別完成識別圖的制作和密鑰的獲取，選取Add Datebase功能選項，在本地添加數據集文件，見圖4。Cloud和Device分別代表提供的云端服務數據庫和本地數據庫，由于高鐵道岔維修設備繁多，工作環境網絡受限等條件，本系統選擇本地發布，避免云端服務數據庫存在網絡傳輸的安全性不穩定性、無法多目標識別等缺陷。此處的數據集命名為“switchplate”，最終通過Download Database 生成Unity package，并將本地文件導入Unity工程文件中。

圖4 添加數據集

(2)三維跟蹤注冊技術的實現

跟蹤注冊技術主要包括基于計算機視覺的跟蹤注冊技術和基于硬件傳感器的跟蹤注冊技術兩種類型，是移動增強現實技術三大關鍵技術之一。基于計算機視覺的跟蹤注冊技術對硬件處理器要求不高，具有良好的魯棒性，本系統選用其中的基于標識的識別方法。

導入vuforia SDK，在層級視圖Hierarchy中添加AR camera和Image Target。AR camera用來調用攝像頭進行高速鐵路工務維修標識物的圖像捕獲，從而獲取視頻流。在Image Target的檢視器中添加Image Target Behaviour腳本文件，設置Database和Image Target的參數信息，導入數據集，見圖5。Vuforia SDK可以追蹤一種特殊類型的基準標記，這種標記稱為幀標記即Frame Marker。存在于Vuforia SDK中的Frame Marker通過本地識別，無需大量訓練和標記，同時減小了移動終端的運算量。本系統調用攝像機從而獲取鐵路工務作業環境的視頻幀，通過三維跟蹤技術進行分析得到注冊信息，最終實現三維跟蹤注冊。在整個識別的過程中，攝像頭所捕捉到的對象為鐵路設備，其均為標準預制件，所以通過攝像頭捕獲的圖片與數據集中的內容可進行快速匹配。

圖5 設置Image Target的Inspector面板

2.4 人機交互功能實現

高速鐵路尖軌處滑床板的更換步驟涉及到多部件多工種聯合作業，整體過程較為復雜[17]。在BIM建模和移動增強現實識別的基礎上，需對模型添加人機交互來提升該系統的實用性和沉浸感。

選用兼容性強大的unity平臺開發人機交互功能[18-19]。考慮到滑床板更換的操作流程較為復雜，涉及到的零件和步驟較多，需對每一步的拆卸和安裝動畫進行控制和文字說明，輔助工務人員完成滑床板的更換。對模型添加animation組件建立滑床板拆卸動畫，設置“下一步”虛擬按鈕對每一步的動畫進行控制，并添加相應的文字說明。相應的動畫控制邏輯見圖6。

圖6 動畫控制邏輯

圖6中State.time為當前動畫播放的狀態時間；keyTimes為動畫中設置的關鍵時間點；i為keyTimes的序列，判斷條件“State.time接近于keyTimes[i+1]”用計算機語言表示為“Mathf .Abs (State .time-keyTimes [i+1])<0.01f”。以滑床板拆卸過程為例，動畫總時長為14 s，keyTimes分別設置為0，2，4，7，9，11，14 s共7個關鍵時間點，即判斷條件中a=7。初始i值為1，播放第1段動畫，即0～2 s間的動畫，當State.time接近于2 s時，點擊“下一步”按鈕，此時i=2，然后播放第2段動畫，即2～4 s間的動畫。

道岔尖軌處的結構較為復雜，更換不同零件的流程也各不相同，根據現場設備情況，通過觸屏拖拽、滑動等操作實現對滑床板模型相關零件的控制，輔助制定不同零件更換作業的方案，以彈性鐵墊板的控制為例，實現該過程的關鍵腳本如下。

if (MoveObject.name="彈性鐵墊板") {

if (V2.y > V1.y)

MoveObject.transform.Translate(new Vector3(0， 0.04f， 0));

if (V2.y < V1.y)

MoveObject.transform.Translate(new Vector3(0，-0.04f， 0));

if(Mathf.Abs(MoveObject.transform.position.z-24.177f) < 0.04f)

{

MoveObject.transform.position=new Vector3(-0.272f， 0.035f， 24.177f);

MoveObject.GetComponent().enabled=false;

}

}

3 系統測試與應用

Vuforia和Unity所開發的內容都支持在Android平臺發布，在前期已經開發完成系統內容的基礎上，通過Android平臺發布[20-21]。

3.1 測試環境

當前以智能手機為代表的移動智能終端設備在性能表現上呈現跨越式發展，在CPU、攝像頭、定位系統和無線通信系統方面都有較大提升，本次測試所使用的移動設備配置參數見表1。

表1 移動設備參數

3.2 測試過程

該系統在高鐵現場進行使用，測試本系統的功能。本測試主要包括頁面測試和移動增強現實功能測試。頁面測試主要是各頁面按鈕的功能性測試，包括系統各功能模塊的轉換以及UI顯示效果。移動增強現實功能測試主要針對頁面初始化、增強現實識別功能、人機交互功能等方面。

3.3 測試結果

用戶打開App進入增強現實功能頁面，系統完成初始化設定(圖7)，頁面初始化測試完畢。

圖7 頁面初始化

該系統調用移動智能終端的攝像機，在工務作業現場進行掃描識別，屏幕顯示相應設備的三維模型和UI功能按鈕(圖8)，移動增強現實識別功能和UI顯示測試完畢。

圖8 移動增強現實測試

用戶可通過虛擬按鈕完成人機交互，通過點擊“作業模擬”按鈕模擬滑床板更換的作業流程，見圖9。點擊“自由拆裝”按鈕，通過觸屏功能自由拆裝滑床板并查看構件信息，見圖10。人機交互功能測試完畢。

圖9 人機交互測試1

圖10 人機交互測試2

完成現場設備識別后，點擊“信息服務”按鈕，查看相關設施設備的作業準備、故障履歷、巡檢記錄等內容，在現場輔助制定養修方案，見圖11。信息服務功能測試完畢。

圖11 信息服務功能測試

現場測試效果表明，系統頁面測試和移動增強現實功能均已經達到預期的效果。

相比于傳統檢測方法和其他輔助維修系統，使用本系統輔助維修在工作方法和效率上具有明顯的優勢。在維修作業前，使用本系統可提前熟悉復雜施工過程和隱蔽工程維修流程，提高天窗時間的工作效率。同時，本系統以檢修場景為驅動，在維修過程中使用該系統識別現場的設施設備，直接提供相關零件的自由拆裝、作業模擬和信息服務功能，克服了其他系統龐大、內容復雜、查找困難的弊端，真正實現了精準輔助維修。在維修作業完成后，將維修記錄上傳到該系統中，實現設施設備的全生命周期管理。

4 結語

為實現高速鐵路高質量運維，緩解高鐵維修壓力，結合BIM+移動增強現實技術，提出鐵路工務智能維修方法，可實現作業模擬、自由拆裝和信息服務功能，主要結論如下。

(1)借助移動設備展示的增強現實效果，為工務人員真實地展現標準化的工務作業流程，在滑床板更換等隱蔽性工程的施工維護方面具有現實價值和指導意義。

(2)使用該系統能夠在現場查看故障履歷、巡檢記錄、作業準備等內容，實現對現場檢測數據的查詢和集成管理。通過自由拖拽相關構件模型，輔助工務人員制定現場維護方案，提升了檢修作業的效率。

(3)以標準化的檢修場景為驅動，將多個獨立的功能集成在本系統中，通過移動終端提供輔助維修服務，攜帶方便靈活，有利于推動高速鐵路智能運維的進程。