BIM+MR技術在電力建設安全應急中的應用

程博文，楊秀芳

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 BIM與MR技術的概述

1.1 BIM技術概述

BIM(Building Information Modeling)技術是一種應用于工程設計、建造、管理的數據化工具，通過對建筑的數據化、信息化模型整合，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應對，為設計團隊以及包括建筑、運營單位在內的各方建設主體提供協同工作的基礎，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用，目前在市場上經常使用的BIM設計工具為歐特克的Revit和達索的CATIA[1-2]。

1.2 MR技術概述

混合現實技術(MR)全稱為Mediated Reality，是由史蒂夫·曼恩(Steve Mann)提出，最早在20世紀80年代開始初步探索，是虛擬現實技術的進一步發展，由于軟硬件的限制，混合現實技術在近幾年才得到蓬勃發展，該技術通過在虛擬環境中引入現實場景信息，在虛擬世界、現實世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感，技術的常見載體為智能眼鏡。目前市場上的常用的智能眼鏡是微軟的Microsoft HoloLens MR頭顯，HoloLens具備內置電腦和電源，支持目光、手勢、語音等人機交互[3-4]。

2 系統簡介

2.1 開發背景

根據《電力企業應急能力建設評估規范》要求，電力建設企業應急能力建設應圍繞預防與應急準備、監測與預警、應急處置與救援、事后恢復與重建四個方面開展。根據電力建設工程項目的施工特點、范圍，制定應急預案，利用虛擬現實技術進行應急培訓與演練[5]，能夠達到改進和指導工程建設過程中的安全生產，達到減少人員傷亡和避免經濟損失，增強企業應急能力建設的目的。

2.2 開發環境

系統開發在win7和win10環境下，開發工具采用Visual C++2017，開發語言為C++，開發將以ARToolKit工具包為基礎，能夠實現視頻圖像的采集、攝像機跟蹤、標定等工作。將BIM模型轉換為ARML格式，利用OpenARML開源代碼調用ARML模型，通過標識識別計算獲得各種轉換矩陣，最后通過變換實現虛實的無縫結合，實現了BIM技術與MR技術的深度融合，能夠實現對復雜危險工作的虛擬操作與培訓，在實際操作時還能實現實時專家遠程指導，協助操作人員解決突發問題，對BIM+MR技術在電力建設安全應急方面進行了深入的研究和探索應用。

2.3 開發內容

系統開發內容為四大模塊，分別為：設備檢修、運維巡檢、設備使用教學、遠程指導，系統界面見圖1。

1)設備檢修。

根據現場實際設備檢修的流程進行建模與開發，并將檢修過程精確定位到設備實體上，能夠讓使用者在現實操作中可以看到當前檢修設備的虛擬的操作流程與提示，可以很大程度的提高檢修效率，避免誤操作。

2)運維巡檢。

在實際運維巡檢過程中，系統可以根據巡檢人當前觀察的設備提供該設備的信息及實時的監測數據并且可以手動調取以前的數據。

3)設備使用教學。

在使用MR安全應急管理系統時，開啟設備使用教學模塊后，操作人員頭戴MR智能眼鏡注視到的設備能夠被系統自動識別，并彈出設備操作和運維檢修的教學視頻。

4)遠程指導。

遠程指導模塊可以實現現場操作人員與場外專家的語音和視頻連接，場外專家可以實時看到現場操作人員的視野，并可以為現場操作人員提供標注、語音和文件的指導。

3 BIM+MR技術的功能特點

3.1 精確定位

MR智能眼鏡啟動時會自動掃描周邊環境，快速生成周邊的三維環境模型，從而實現現實場景加電力設備識別物與三維環境模型加電力設備BIM模型的精確疊加，這種疊加能夠在MR安全應急管理系統中實現電力設備BIM模型在現實場景中的精確定位。

3.2 數據傳輸

MR智能眼鏡支持與PC端和移動端等設備間相互傳輸圖像、音頻、文件，也可以接收其他平臺及云端的數據，并將文件和數據呈現在智能眼鏡的屏幕中。

3.3 人機交互

使用者在使用MR智能眼鏡時，智能眼鏡可以迅速識別使用者的眼神、手勢和聲音，并且程序會快速反饋，使得操作者能夠獲得良好的互動體驗。

3.4 三維數據精確

BIM模型及其信息能夠導入MR安全應急管理系統，導入的模型保留了原本BIM軟件中的結構樹和信息，在MR安全應急管理系統中，結構樹可以使操作者能夠和模型上的局部部件進行互動并查看其中的信息。

4 BIM+MR技術的探索與運用

4.1 BIM+MR技術應用在電力設備檢修

以開關柜的檢修為例子，在MR安全應急管理系統中，將開關柜的BIM模型通過MR智能眼鏡顯示，并且與現實場景中的開關柜疊加，MR智能眼鏡掃描開關柜，可直接顯示開關柜內部結構、線路和電流流向，通過云端獲取設備監測信息，在MR智能眼鏡中顯示開關柜內部設備實時運行狀態，自動標記有故障的部件(見圖2)，點擊電子手冊可以彈出相應部件拆裝的教學視頻，在現場操作檢修時系統會通過虛線和虛擬手勢等功能進行輔助，維修更換完部件后，獲取到新的監測信息后系統提示檢修成功。

4.2 BIM+MR技術應用在設備運維巡檢

本模塊以園區雨水監測裝置的巡檢為例，巡檢人員頭戴MR智能眼鏡，在注視監測裝置時，智能眼鏡能夠以當前視角中的物體為識別物，自動識別當前監測裝置，并從云上獲取監測數據，在MR安全應急管理系統中顯示出監測數據表單，巡檢人員可對監測數據瀏覽和交互(見圖3)。

4.3 BIM+MR技術應用在遠程指導

遠程指導模塊可以實現PC端、平板端、手機端與眼鏡端的單點與多點互聯，各端口可以獲得其他終端攝像頭的影像數據和音頻數據，同時還支持文檔，圖片和視頻文件的互相傳輸和瀏覽，還可以對其他終端的畫面進行標注，標注的內容會實時投射到畫面上。以PC端和眼鏡連接為例，PC端可以實時看到眼鏡端使用者當前視野，并可以與眼鏡端進行語音交流，還可以在眼鏡端的視野畫面中進行標注(見圖4)。

5 BIM+MR技術的優缺點

5.1 優點

1)識別精確。

MR智能眼鏡對現實場景中的識別物(設備)掃描后可準確確定其型號和編號，并從云獲取當前設備相應的數據，使操作者能夠與設備的數據互動。

2)定位準確。

MR智能眼鏡在掃描識別物時會對識別物及周邊環境進行掃描自動建模，掃描出的模型與導入系統的BIM模型匹配，使得BIM模型呈現在真實世界的位置非常準確。

5.2 缺點

1)續航較差。

MR智能眼鏡電池容量較小，在使用時電量消耗較快，在高性能使用時只能維持2.5 h，而且無法更換電池，致使單個設備不能支持長時間使用。

2)信息丟失。

在BIM模型導入系統后，由于MR智能眼鏡系統的限制，繼承原BIM模型的信息有所丟失，無法完整繼承原本的信息。

3)硬件性能不強。

MR智能眼鏡因為其自身硬件的限制，在實際使用中，如果環境中投射的BIM模型復雜或數量較多，會造成硬件發熱或運行程序時卡頓。

6 結語

本項目開發采用MR技術(混合現實)與BIM技術結合，研究與探索了BIM+MR技術在電力建設安全應急的應用，探索了設備檢修與運維巡檢，虛擬培訓教學與遠程指導等方向，得出以下結論：

當前硬件性能還較差，MR智能眼鏡在使用過程中會出現發熱卡頓，眼鏡的顯示器面積較小，無法覆蓋整個視野，佩戴后鏡片容易起霧，造成用戶體驗感不夠好，系統運行時對信號依賴很大，網速較慢的情況下傳輸畫面會非常模糊，交互也會出現延遲，系統在導入BIM模型后對模型的渲染比較粗糙，光影不明顯，視覺效果較差，但是在現場網絡條件穩定良好的情況下該技術能夠很好的輔助運維巡檢和遠程指導，所以在目前的硬件和網絡條件下，運用BIM+MR技術開發的功能基本能夠滿足電力建設安全應急在運維巡檢和遠程指導時的需要。