基于BIM-VR技術的地鐵隧道無軌測量施工仿真設計與實現

韓 金

（中鐵一局集團電務工程有限公司，陜西 西安 710038）

近年來，隨著計算機和虛擬仿真技術的快速進步與融合應用，虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術迎來了新的發展浪潮，并帶動諸多行業協同發展[1]，相關研究在各行各業也取得了巨大成就。其中，沉浸式仿真技術的研究深入且貢獻較為突出[2]。其通過多種硬件設備和軟件系統的結合，使得參與者完全融入逼真、交互式的虛擬場景[3]。地鐵工程項目施工中，傳統牽引供電系統工程有軌測量施工需待路基、軌道成型后方可進行測量施工，由于地鐵區間隧道施工工作面狹小、各專業施工交叉頻繁、鋪軌工期滯后等因素嚴重影響和制約牽引供電系統測量施工，不可避免地增加了施工成本和資源消耗。因此，研究基于VR技術的城市軌道交通牽引供電系統軌行區無軌測量施工技術，對保障區間隧道牽引供電系統工程施工順利進行具有重要的實踐意義[4-5]。

當前，針對地鐵區間隧道無軌測量已開展較多研究，如閔道聰等[6]研發了一種地鐵區間隧道內架空剛性接觸網無軌條件下的施工方法，通過采用該方法，施工作業人員可在軌道鋪設前精準定位錨孔位置凈空高度，有效降低施工成本，提高現場作業效率，并且減少鋼軌施工工期滯后對接觸網架設產生的影響。該技術的應用推廣，填補了城市地鐵隧道區間架空剛性接觸網無軌施工這一技術的空白。但由于該方法操作環節重復、繁瑣，有待進一步優化改進，不利于大范圍應用。劉波等[7]發明并設計了一種在地鐵隧道施工過程中用于測量參數的移動小車。小車上固定激光雷達設備，通過對測量隧道斷面進行二維激光掃描，精準定位接觸網錨栓定位施工參數，可有效保障剛性接觸網施工與軌道鋪設平行施工，有效降低施工成本，提高現場作業效率，規避鋼軌施工工期滯后對接觸網架設產生的影響。但固定于移動小車上的激光雷達測量設備造價和采購成本高、設備技術要求高，工程項目經費有限，不利于廣泛推廣應用。何貴龍等[8]設計了一種輔助工具支架裝置，該裝置用于架空剛性接觸網無軌測量，裝置中通過設置水平氣泡來減少測量所產生的誤差，裝置中增加點狀激光燈功能，有效控制測量數據的偏差。另外，在設置上增設手推車把，操作便捷，降低人力成本。該方法在一定程度上能縮短地鐵供電系統施工工期，但由于受區間隧道空間狹小，作業頻繁交叉等限制，有待進一步研究。此外，王侃等[9]以西安市軌道交通6號線一期工程項目為研究實例，詳細研討分析隧道區間無軌測量技術方案、測量方法的可行性，為同類工程施工提供參考和借鑒。

現有的研究中，隧道內疏散平臺、環網支架和接觸網等錨螺栓孔的定位主要采用全站儀、移動裝置測量等方法，在地鐵無軌測量施工過程中能夠實現測量點的精準定位，但存在一些不足，缺乏與信息化、智能化技術的有效結合?；诖?，本研究通過分析地鐵供電系統業務施工管理流程，從系統思維的角度出發，以BIM三維模型為應用基礎，運用Unity3D開發引擎搭建一個逼真且具有高精度特點的虛擬戰場環境，并通過編寫各智能系統模塊，完成對某些特殊功能的實現，為地鐵區間隧道供電系統無軌測量虛擬仿真提供有效的技術支撐，為實現地鐵區間隧道跨專業的沉浸式可交互仿真的融合與共用奠定了基礎。

1 系統總體構成

1.1 系統功能分析

本系統模塊的研發基于虛擬現實套裝運行，具有沉浸式可交互的漫游的虛擬區間隧道場景。結合VR交互與物理渲染技術，還原地鐵區間隧道內部真實的場景[10]。工程作業人員在VR場景中能夠沉浸式漫游，通過使用VR外接控制器設備與虛擬環境中的虛擬物體進行交互，實時查看地鐵隧道區間盾構、鋪軌及供電專業模型信息，以便工程項目技術人員掌握區間隧道不同專業模型信息。基于VR虛擬場景的漫游，在虛擬環境下對地鐵區間可視化設計進行有效校核，主要包括專業間的“錯、漏、碰、缺”等問題，通過三維校核以達到優化設計的目的。

1.2 系統結構框架

本研究根據地鐵工程區間隧道鋪軌及供電專業工藝和場景布置，結合實際業務流程和需求，基于BIM及BIM-VR技術，為供電專業的機電設備實體與可視化的信息傳遞提供直觀的表達方式[11]。將區間隧道三維信息模型與真實的施工場景進行直觀交互，最后通過Unity3D軟件平臺輸出效果，從而為用戶展示完整的仿真效果。系統研究框架如圖1所示。

圖1 系統研究框架

1.3 系統軟件設計

1.3.1 BIM平臺

三維模型數據模型以Revit為設計平臺，平臺應用以模型數據的協同和共享為基礎，統一以建筑樣板為工程模型構建平臺，該平臺具有以下優勢：（1）三維信息模型的參數化設計；（2）可視化瀏覽與動態交互；（3）工程施工進度及工藝仿真模擬；（4）三維模型效果圖渲染等功能[10，12]。Revit與VR引擎Unity3D具有良好的兼容性，同時Unity3D支持Revit導出的FBX格式文件，實現BIM三維模型與VR場景的無障礙對接，以此最大程度地確保物理模型紋理的完整性[13]。

1.3.2 VR仿真平臺

VR仿真系統可基于Unity3D或UE4引擎進行開發，Unity3D是美國旗下的一款輕量級功能強大且性能穩定的軟件，具備多專業跨平臺的3D游戲開發引擎，該系統的編輯器可以在Mac或Windows系統下安全穩定地運行，開發者可以用C#或JavaScript腳本語言作為底層代碼進行程序編寫，運行的.exe文件程序可以在Windows、Mac、iPhone和Android等多個平臺進行發布，在科研領域也具有廣泛的應用[14]。其具有以下顯著特點。（1）想象性：在虛擬場景中，用戶可以提高自身的感性和理性認識，以激發人的主觀能動性；（2）交互性：在虛擬場景中，用戶通過使用傳感設備與虛擬場景進行互動操作，虛擬場景根據用戶的特定行為做出相應的響應行為；（3）沉浸性：在虛擬場景中，觸覺、視覺和聽覺等感官上與真實世界基本保持一致，以給用戶身臨其境的感覺；（4）兼容性：對VR硬件設備的支持等?；谏鲜鯱nity3D引擎的優勢，本研究以其作為系統平臺，能夠較好地適用于VR仿真系統的研發，完成對場景仿真系統的實現和測試。

2 關鍵技術研究

2.1 區間隧道環境搭建

本研究以合肥地鐵4號線伊巢區間、巢和區間直線單圓隧道為例，以設計圖紙為建模依據，以Revit2019為建模工具并構建區間隧道結構、鋪軌、供電各個專業的BIM模型，通過對各專業模型整合，實現三維模型的整體組裝和圖紙校核，對模型中出現的問題進行分析并及時修改和完善。以FBX文件文件格式輸出整體區間隧道三維模型，為VR引擎開發和平臺展示應用奠定基礎。區間隧道三維BIM模型如圖2所示。

圖2 區間隧道三維BIM模型

2.2 VR系統引擎研發

Unity3D三維可視化引擎是一款集成建筑可視化、三維視頻游戲和實時三維動畫等交互的綜合型開發引擎。可支持多個平臺開發，且平臺擁有高度優化的圖形渲染通道，提供了高度完善光影的渲染系統，能夠滿足物理模型虛擬交互和逼真表現的需求[15]。

本研究使用Unity3D構建系統，底層代碼用C#語言進行編寫，并將事先制作好的BIM模型在引擎中實現程序編寫功能，通過程序編寫實現三維模型的測量、檢測、移動、旋轉、縮放、刨切、數據檢測和數據生成等一系列應用功能，將應用程序適配至VR設備，將功能操作方式適配至交互手柄上，即可使用VR設備進行軟件的操作交互，最后應用JAVA搭設數據平臺，將軟件生成的數據對接至數據平臺，實現模型和數據可視化的展示和記錄，并且可以實時查詢和調取所需要的數據信息，系統操作便捷。

2.3 VR系統無軌測量虛擬仿真

通過事先完成的區間隧道三維模型和VR引擎開發，在所創建的VR系統平臺中還原真實施工場景，VR虛擬現實技術與無軌測量的巧妙結合，不但能夠大大提高VR虛擬現實技術的真實感觀，而且能夠有效提高無軌測量的準確性，實施具體步驟如下所示：

（1）系統操作人員模擬區間隧道軌道鋪軌、軌枕及鋼軌敷設等工作，捕捉鋪軌過程中的Oxy基點，連接該點形成區間隧道線路中心線。

（2）區間隧道中以Oxy基點或線路中心線為基準，在區間盾構壁上測量放線疏散平臺面板標高（+900 mm），以區間疏散平臺懸臂支撐為單元個體，精準定位連接鋼板螺栓孔，并對其進行錨栓打孔?；谝陨霞夹g手段，依次完成區間扶手、環網支架的測量放線及錨栓打孔。

（3）在系統平臺中以線路中心線為基準線，標記出其在盾構壁頂部的投影線，以投影線為基礎，依次標記接觸網懸掛標號：伊巢-G04-07、伊巢-G04-08等，為區間隧道接觸網的精準定位奠定基礎。區間隧道測量定位如圖3、圖4所示。

圖3 區間隧道環網支架測量定位

圖4 區間隧道疏散平臺測量定位

3 無軌測量虛擬仿真設計與實現

3.1 區間隧道場景的構建和優化

本研究選取合肥地鐵四號線伊寧路-巢湖路區間作為實驗模擬區，以Revit為建模工具，創建與建筑實體高度吻合的物理現實模型，并輸出FBX文件導入3DS MAX軟件平臺，對所建立的三維模型執行烘焙、貼圖、減面和渲染等操作，以獲得更為接近的真實效果，并保存FBX格式文件導入Unity3D中，利用Unity3D中的Java腳本技術將軟件生成的數據對接至數據平臺，實現場景實時驅動、碰撞、用戶界面與人機交互，最后，在Unity3D中導出PC端可執行的.exe文件。

已有場景模型包括結構專業、鋪軌專業和供電專業。以二維設計圖紙為依據，構建不同專業的三維模型，具體包括：鋪軌、鋼軌、疏散平臺支架、區間扶手、區間環網支架、接觸網以及線纜敷設等細節，為確保模型可視化效果的美觀性和真實性，在導入的3DS MAX軟件平臺需對模型的紋理、設計光影效果進行美化。地鐵隧道區間三維虛擬場景模型如圖5所示。

圖5 地鐵隧道區間三維虛擬場景模型

3.2 基于VR技術區間漫游的實現

基于VR技術區間漫游的實現需對研發的軟件環境進行配置，即將Steam VR工具插件應用于Unity3D平臺，并在外部端口接入VR頭戴終端設備，作為沉浸式仿真的硬件工具設備，實現地鐵區間隧道仿真系統中不同視角的切換。用戶將Lighthouse基站融入Unity3D平臺中，可以通過頭戴式顯示器在虛擬場景中漫游并感知沉浸式虛擬現實漫游的體驗。本研究在虛擬仿真平臺的開發階段，為確保在虛擬場景漫游過程中遇到障礙物，諸如盾構壁、機電設備等時人物角色不予以穿過，為虛擬環境中涉及的三維幾何模型添加碰撞體，并設置碰撞體的距離范圍。此外，為系統配置環境開發后，用戶通過接入VR終端設備并配用穿戴設備和操控手柄，沉浸式體驗導入Unity3D平臺中的虛擬場景。在虛擬環境中，用戶不僅可以通過自身身體或頭部的移動來控制方向，而且可以通過對外接操控手柄的遙控來替代人物移動，最終使用戶在有限范圍內體驗整體的虛擬效果。

3.3 基于VR技術區間虛擬交互的實現

虛擬交互包括控制交互和屬性查詢交互2種類型。其中，控制交互是利用外接終端設備，如通過操控手柄與虛擬物體進行交互，包括對虛擬物體進行測量、移動和定位等。在控制交互的虛擬環境中、在區間隧道的虛擬場景中，當人物角色遇到物體時，使用控制手柄觸摸虛擬物體、改變對象的狀態等操作來實現控制交互。此外，在MySQL數據庫管理系統中創建一個數據庫表，將不同對象的空間屬性信息的類別進行劃分并儲存在數據庫表中，方便用戶實時調用該表進行相應實物屬性數據的查閱。當用戶使用HTC VIVE手持終端對虛擬場景中的實體進行交互時，用戶計算機PC端窗口將出現對象功能菜單選項欄，從而便捷式地為用戶呈現屬性查詢與交互功能。

在三維虛擬環境中，本研究考慮同時加入控制和查詢交互，項目作業人員可以沉浸在逼真的虛擬場景中，并且直接與當前環境中的對象進行交互，用戶可以對場景中對象的信息進行實時獲取。該研究系統突破了人物角色三維漫游的限制，滿足用戶在場景中同時對虛擬對象進行交互和屬性信息獲取的需求。在虛擬無軌的場景中，依次獲取Oxy基點，并精準定位區間扶手、環網支架等錨栓孔，通過虛擬現場施工環境了解并體驗供電工程施工過程，對施工工序進行現實演示，針對出現的問題進行預警，以減少和降低實際工程施工資源消耗和安全風險。

3.4 系統集成及穩定性測試

本研究在系統平臺中加入控制交互功能，實現手持或佩戴終端的不同操作，用以替換觸及虛擬實體的方式。通過屬性交互來界定虛擬場景中不同事物的復雜關系，并將以上功能集成到Unity3D軟件平臺中，通過頭戴式顯示器和操控手柄接入系統，來實現和控制人物角色在三維虛擬場景中的漫游和人機交互[16]。在系統穩定性的測試方面，若導入系統中的三維數據模型較大時，計算機PC和VR顯示終端的畫面顯示和切換速度會產生遲延，此時可以使用平鋪貼圖的加載方法，嘗試分階段存儲加載場景中的模型數據。

4 結論

為了解決和克服現有技術難點，本研究主要研究了一種基于VR技術的虛擬仿真漫游系統，該系統打破了傳統的簡單漫游的慣例，系統中的虛擬場景實現了控制交互和屬性查詢交互。另外，在系統不同對象間添加了屬性邏輯關系和改變不同事物狀態的控制交互，從而營造出沉浸式自主交互的切身漫游體驗，在提高區間隧道牽引供電系統施工效率、縮短施工工期及降低施工安全風險等方面發揮重要作用。