基于最佳路徑算法的虛擬導(dǎo)航在BIM技術(shù)中的應(yīng)用

呼臘梅

（1.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

0 引言

建筑發(fā)展是人類文明進(jìn)步的重要組成部分，BIM技術(shù)的廣泛應(yīng)用給建筑設(shè)計、施工和運維階段的管理帶來了巨大變革［1］。在設(shè)計階段，將BIM模型信息應(yīng)用于能耗、結(jié)構(gòu)、聲學(xué)、日照、熱工程等領(lǐng)域，為綠色建筑提供數(shù)據(jù)性分析［2-3］；在施工階段，依托BIM技術(shù)，能夠?qū)κ┕こ跗诘墓こ塘窟M(jìn)行快速統(tǒng)計，在施工管理、節(jié)約成本、減少安全隱患、提高項目效率等方面起到重要作用［4-5］；在運維階段，BIM技術(shù)為房建設(shè)備運營狀態(tài)提供數(shù)字化的技術(shù)支持，促進(jìn)運維階段的BIM模型與實際生產(chǎn)管理結(jié)合，提高運維管理效率與能力［6-7］。

GIS導(dǎo)航領(lǐng)域的最佳路徑算法，為道路交通運輸與線路比選提供了理論與技術(shù)支持［8］，并被應(yīng)用于多個領(lǐng)域［9-11］。在公路系統(tǒng)中采用最佳路徑算法，優(yōu)化了山區(qū)公路風(fēng)險車輛路徑問題，對保證人、車和物資安全具有重要指導(dǎo)意義［12］。在室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用中，導(dǎo)航路徑成為影響人移動的主要因素，與此同時，導(dǎo)航技術(shù)也在不斷提升［13-14］。受房間、門、窗等室內(nèi)構(gòu)件的約束，房屋在空間布局、拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)和空間約束等方面與傳統(tǒng)的道路導(dǎo)航存在差異［15］。由于房屋空間位置的特殊性及復(fù)雜性，BIM技術(shù)的引入保證了房屋三維空間立體可視化。然而，基于BIM技術(shù)的虛擬導(dǎo)航研究相對較少。王游［16］從理論闡述的角度對基于BIM的室內(nèi)導(dǎo)航進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建策略分析。

在鐵路站房的日常導(dǎo)航路徑中，由于車站結(jié)構(gòu)布局不同、房間用途差異大，如何基于BIM技術(shù)實現(xiàn)站房內(nèi)各房間的精確導(dǎo)航，并形成最佳導(dǎo)航路徑，是各車站亟待解決的問題。依據(jù)BIM技術(shù)，采用最佳路徑算法，將站房模型與路網(wǎng)圖進(jìn)行匹配性整合，為鐵路車站的虛擬導(dǎo)航技術(shù)研究及應(yīng)用提供技術(shù)方法。

1 最佳路徑算法

由荷蘭計算機科學(xué)家Dijkstra在1959年提出的Dijkstra算法，包括點、邊和邊（弧）的權(quán)三要素，是最佳路徑算法中最常用的一種算法。基于該算法的路網(wǎng)圖可形成賦有權(quán)值的有向圖或無向圖。Dijkstra算法適用于所有弧權(quán)值為非負(fù)的情況，其基本思想是從指定的點Vs出發(fā)，逐漸一層一層向外擴(kuò)充去尋找最短路徑。

Dijkstra算法思想：設(shè)G=（V，E）是一個帶權(quán)有向圖，把圖中頂點集合V分成2組S和U，S中只有起始點s，U中是除s之外的頂點，并且U中頂點的路徑是“起點s到該頂點的路徑”。然后從U中找出路徑最短的頂點k，并將其加入到S中；接著從U中移除頂點k，更新U中的頂點和頂點對應(yīng)的路徑，再從U中找出路徑最短的頂點，并將其加入s中，按最短路徑長度的遞增次序依次把第2組的頂點加入S中，接著更新U中的頂點和頂點對應(yīng)的路徑。直到遍歷完所有頂點。

2 數(shù)據(jù)模型搭建

2.1 BIM模型

BIM建模主要是利用二維CAD圖紙作為底圖，在Revit軟件中搭房建模型。主要包括創(chuàng)建標(biāo)高和軸網(wǎng)，利用族庫信息搭建梁、板、柱墻等構(gòu)件、添加構(gòu)件信息，存儲Revit文件。在Revit文件創(chuàng)建過程中，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型的互聯(lián)互通。以京張高鐵昌平站作為實驗區(qū)域，在Revit軟件中搭建BIM模型，并為各模型構(gòu)件添加屬性信息，BIM模型平面見圖1。圖1中選中構(gòu)件為花崗巖地面，右側(cè)列表中展示該構(gòu)件的詳細(xì)信息。

圖1 BIM模型平面

2.2 路網(wǎng)模型

路網(wǎng)模型包括點模型和線模型，點模型作用是確定室內(nèi)與室外的關(guān)鍵位置，形成關(guān)鍵站點，線模型作用是連接各站點模型，實現(xiàn)點點之間路徑連通。搭建路網(wǎng)模型時，利用二維CAD圖紙作為底圖，在CAD中繪制點與線。針對穿墻和窗戶的構(gòu)件，線模型不與表示該類構(gòu)件的線型相交；針對門構(gòu)件，線模型穿過門，直到各房間內(nèi)部。繪制點模型時，需要將點模型與線模型相連，實現(xiàn)各關(guān)鍵站點之間路徑關(guān)聯(lián)。昌平站一層路網(wǎng)見圖2。

圖2 昌平站一層路網(wǎng)

3 虛擬導(dǎo)航技術(shù)

基于BIM的虛擬導(dǎo)航技術(shù)是將三維BIM模型與路網(wǎng)圖進(jìn)行集成，采用Dijkstra算法，實現(xiàn)三維場景下的最佳路徑選擇。主要通過數(shù)據(jù)輕量化、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、站點選擇等技術(shù)實現(xiàn)虛擬導(dǎo)航。

3.1 數(shù)據(jù)輕量化

數(shù)據(jù)輕量化，分為BIM模型輕量化和CAD圖紙輕量化。BIM模型輕量化，不僅可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型分離，同時能夠降低模型的存儲空間，實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一化管理。模型輕量化的基本原理是將BIM模型實體表面進(jìn)行三角面片劃分，除去冗余的幾何形狀、節(jié)約模型的存儲空間，同時將BIM模型中攜帶的屬性信息集中存儲在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行統(tǒng)一管理。CAD圖紙輕量化主要是將CAD中表達(dá)的點元素與線元素進(jìn)行幾何形狀和數(shù)據(jù)信息分離。CAD圖紙和BIM模型采用同一種輕量化工具，能實現(xiàn)不同格式數(shù)據(jù)、不同格式模型的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化管理，便于路網(wǎng)圖與BIM模型匹配。昌平站選用Supermap-idesktop軟件進(jìn)行Revit模型與CAD數(shù)據(jù)的輕量化處理。

3.2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

BIM模型經(jīng)過輕量化后，可以在三維場景中查看各構(gòu)件的信息。與BIM模型對應(yīng)的路網(wǎng)圖在二維CAD軟件環(huán)境中創(chuàng)建，因此需要將路網(wǎng)圖轉(zhuǎn)換到三維坐標(biāo)系中。在Supermap-idesktop中，需要將輕量化的路網(wǎng)圖進(jìn)行二、三維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。其思路是首先設(shè)定路網(wǎng)坐標(biāo)系，如二維平面中的84坐標(biāo)系；其次選擇該路網(wǎng)在三維場景中適合的坐標(biāo)系，如三維地理環(huán)境下的84坐標(biāo)系，通過三參數(shù)轉(zhuǎn)換法（Geocentric Translation）進(jìn)行二、三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；再次將輕量化后的路網(wǎng)圖二維點、線分別進(jìn)行三維點、線轉(zhuǎn)換，形成三維空間下的路網(wǎng)圖；最后，通過配準(zhǔn)的方式，分別在路網(wǎng)圖與BIM模型中相同的位置刺點，并計算路網(wǎng)圖和BIM模型的配準(zhǔn)誤差，在誤差允許范圍內(nèi)時，即可進(jìn)行配準(zhǔn)，實現(xiàn)輕量化后的路網(wǎng)圖與BIM模型在球面場景中的融合。

3.3 虛擬導(dǎo)航

基于Dijkstra算法，依次選擇路徑中的起始、經(jīng)過、終止站點，并對各站點進(jìn)行命名，依據(jù)路徑最短的原則，自動識別出最佳路徑。通過虛擬路徑的預(yù)演功能，可在視圖中動態(tài)查看基于BIM模型的虛擬導(dǎo)航指示標(biāo)準(zhǔn)確位置，實現(xiàn)導(dǎo)航路徑在虛擬環(huán)境中的實用性。針對路徑中存在障礙物的情況，可在視圖中設(shè)置障礙點，在導(dǎo)航路徑的模擬中能夠自動避開障礙物，實現(xiàn)路徑的最優(yōu)選擇，達(dá)到存在障礙物條件下的虛擬導(dǎo)航。

4 應(yīng)用實例

以京張高鐵昌平站為例，對基于BIM的虛擬導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用展開研究。主要包括數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、模型整合和虛擬導(dǎo)航路徑選擇。

4.1 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

基于關(guān)鍵點、線重合的原理，利用Revit軟件中的樓板族庫搭建路網(wǎng)圖外輪廓模型，并將新搭建的外輪廓位置與既有的Revit模型位置進(jìn)行匹配，采用4點配準(zhǔn)法，將路網(wǎng)圖與既有的輪廓模型配準(zhǔn)（見圖3）。圖3中，左側(cè)配準(zhǔn)圖層為輕量化后的路網(wǎng)圖層，源點X、Y值為路網(wǎng)圖中編號1、2、3、4的坐標(biāo)點；右側(cè)參考圖層為與Revit模型相對位置匹配的輪廓模型，目標(biāo)點X、Y的值為昌平站編號1、2、3、4的關(guān)鍵點實際坐標(biāo)值。計算參考圖層和配準(zhǔn)圖層的誤差，所得誤差在允許范圍內(nèi)時，可將路網(wǎng)圖配準(zhǔn)到新的坐標(biāo)位置。

圖3 路網(wǎng)圖與BIM模型數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

4.2 模型整合

將配準(zhǔn)后的模型經(jīng)過圖層疊加，形成具備路網(wǎng)元素的三維BIM模型，路網(wǎng)圖與BIM模型融合效果見圖4。圖中白色線為路網(wǎng)圖的線元素，藍(lán)色點為路網(wǎng)圖中的點元素。通過選擇點元素，并給點元素命名，即可實現(xiàn)不同站點最佳路徑的虛擬導(dǎo)航。

圖4 路網(wǎng)圖與BIM模型融合效果

4.3 虛擬導(dǎo)航

在三維BIM場景中，通過選擇不同類型的虛擬導(dǎo)航指示標(biāo)，可模擬虛擬環(huán)境中的導(dǎo)航路徑（見圖5）。圖5中展示從門廳到1#衛(wèi)生間的虛擬導(dǎo)航路徑，三角形箭頭方向為虛擬導(dǎo)航行駛方向。

圖5 虛擬導(dǎo)航路徑

4.4 路徑選擇

通過選擇不同站點，即可實現(xiàn)三維BIM環(huán)境下的最佳虛擬導(dǎo)航路徑展示，無障礙最佳虛擬導(dǎo)航路徑見圖6、存在障礙最佳虛擬導(dǎo)航路徑見圖7。圖6展示從門廳到1#衛(wèi)生間的無障礙最佳虛擬導(dǎo)航路徑；圖7展示當(dāng)最佳虛擬導(dǎo)航路徑中存在障礙時，可自動避開障礙點，形成新的最佳路徑。

圖6 無障礙最佳虛擬導(dǎo)航路徑

圖7 存在障礙最佳虛擬導(dǎo)航路徑

5 結(jié)束語

基于Dijkstra算法，利用BIM技術(shù)，在三維場景中展開虛擬導(dǎo)航應(yīng)用。利用CAD和Revit軟件分別搭建路網(wǎng)圖和BIM模型，并在Super-idesktop中進(jìn)行輕量化，對輕量化后路網(wǎng)圖元素和BIM數(shù)據(jù)采用配準(zhǔn)模式，實現(xiàn)路網(wǎng)圖與BIM數(shù)據(jù)融合，最終實現(xiàn)不同情況下的最佳路徑在BIM場景中的虛擬導(dǎo)航。