AR結合BIM的機電工程巡檢系統設計

摘 要：針對機電工程傳統資料管理模式因現場環境復雜而導致的缺陷問題，引進建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術予以指導，但BIM技術對于電腦端操作過于依賴，難以實現與工程現場的直接關聯，其作用發揮仍存在一定的局限性，無法滿足工程需求?；诖?，在AR產業技術迅速發展的背景下，嘗試將AR技術與BIM技術結合起來，設計出適用于機電工程全生命周期的現場巡檢系統，分析構建系統總體架構及各功能模塊，并通過案例試驗驗證機電工程選件系統的可行性與實用價值，旨在進一步提升機電工程現場管理水平及效率。

關鍵詞：增強現實技術；BIM；機電工程；巡檢系統

中圖分類號：TU17" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）14-0042-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.010

0" " 引言

機電工程在初期設計到后期運維的全生命周期中包含諸多復雜設備要素，產生的數據眾多，傳統紙質文件的管理模式已難以滿足現場巡檢管理提出的較高要求，所以面向機電工程的信息化建設尤為重要。BIM技術作為當前在機電工程中應用的熱門技術之一，能夠有效提升項目信息化管理水平，但其在現場巡檢管理中的應用仍有局限，包括需要在電腦端操作、難以結合現場實際、設備要求較高、仍采用圖紙指導施工等[1]。而應用增強現實（Augmented Reality，AR）技術則能將虛擬模型疊加到現實之中，以此彌補BIM技術應用的弊端。由此，將AR結合BIM，對面向機電工程的現場巡檢系統進行開發設計，從而為AR技術在此領域內的應用提供技術方案與開發經驗。

1" " AR應用開發準備

1.1" " 開發引擎及平臺的選擇

AR作為一種交互式技術，可以結合計算機生成的虛擬對象實現對物理環境的豐富，從而為用戶提供更為生動和真實的體驗，利用AR能夠使真實環境與虛擬對象共存于同一空間。目前，AR開發工具常見的有ARKit、Vuforia、ARCore、EasyAR，在綜合考慮價格、跟蹤選項、支持平臺及相關功能的基礎上，選擇國內自主研發的EasyAR作為開發平臺，其不僅具有多目標跟蹤功能，還支持免費使用，可提供本土化服務，在魯棒性和穩定性方面也較為優越。

在選擇好AR開發引擎后對開發平臺進行選擇。目前主流開發平臺有Unreal Engine與Unity 3D。對比二者來看，Unity 3D平臺具有較強的跨平臺性和適配性，支持含EasyAR在內的多種開發工具，開發效率高、穩定性強，并且編輯器功能精簡，上手簡單，學習成本較低，滿足機電工程巡檢系統的設計需求，所以將其作為系統設計中的AR開發平臺[2]。

1.2" " 開發環境配置

選擇好AR開發引擎與平臺之后，需要對計算機的開發環境進行相應配置，先安裝Java語言開發工具包JDK和安卓系統軟件開發包Android SDK，并在Unity 3D中完成資源配置，然后導入EasyAR開發包完成相應配置。

完成上述流程，通過對開發環境配置正確性及終端設備適配性的測試后，即可發布應用程序。

2" nbsp; 機電工程巡檢系統總體設計

2.1" " 系統設計思路

遵循實時性、準確性、模塊化、可視化的設計原則，結合機電信息需求和現場應用場景，構建基于動態數據的中央數據中心，負責讀取、上傳構件或相關機電信息，并結合BIM模型獲取構件幾何信息，利用AR技術在現實場景中加載出虛擬的模型與信息，從而實現通過移動終端即可在機電工程現場完成巡檢工作。BIM模型在開發平臺中的導入采用.fbx格式，使巡檢系統能夠獲取到與現場相匹配的虛擬模型，并借助WBS編碼關聯任務進度和構件，不同構件均具有相應的工作完成狀態值，經過整合即可得到初始的動態數據庫。再借助遠程連接實現巡檢系統對項目信息、模型信息及作業信息的獲取和更新，從而實現對機電工程的動態巡檢管理[3]。

2.2" " 系統總體架構

所設計的機電工程巡檢系統總體架構如圖1所示，共劃分為模型層、數據層、應用層和用戶層。

2.2.1" " 模型層

模型層的核心為Revit平臺，負責對BIM模型中的綜合信息進行初步處理，內含眾多專業構件的基本屬性，可從中篩選出有關機電工程的相關信息，并將.fbx格式的幾何參數與附帶屬性導入應用層，借助ODBC傳遞給數據層的動態數據庫。

2.2.2" " 數據層

數據層的核心為PostgreSQL數據庫，在整個機電工程巡檢系統中數據層主要是有關現場管理信息的動態數據庫，其作為系統的數據源，內含大量項目數據和機電安裝數據，能夠為應用層提供需要的全部數據信息。在數據層中共分為項目進度計劃、模型信息與WBS編碼三個部分，通過對這三部分信息的集成能夠有效實現動態數據庫和應用層之間的數據交互，從而確保巡檢系統信息的準確性與實時性。

2.2.3" " 應用層

應用層的核心是Unity 3D平臺，該層是整個巡檢系統的核心層，負責對適用于現場巡檢管理中不同需求的應用功能進行設計與開發。應用層能夠從模型層與數據層進行項目信息、模型信息、作業信息及Revit模型補充信息的獲取與整合，之后利用AR開發工具對適用于相應需求的場景展開設計。

2.2.4" " 用戶層

用戶層的核心是Android終端，用戶層能夠借助終端提供的人機交互界面為用戶進行可視化展示。通過對Android終端操作系統中AR應用程序的編寫，利用Android SDK將相關數據文件編譯成存檔包，之后需要時單擊終端設備即可安裝AR應用程序。此應用程序具有掃描圖紙、建立空間地圖、調整模型定位、進度動態管理、設備管理及巡檢管理等功能。

2.3" " 核心技術

所構建的機電工程巡檢系統涉及圖像識別跟蹤、模型定位跟蹤與數據庫三大核心技術。

2.3.1" " 圖像識別跟蹤

機電工程巡檢涉及大量圖紙，包括機電管線圖、設備基礎布置圖、精裝末端定位圖、預留預埋綜合圖等，但紙質文件無法滿足機電工程現場管理信息化建設需求，無法展現出直觀的模型[4]。由此，對巡檢系統中的圖紙掃描模塊進行設計，采用圖片與三維模型相連接的形式。此外，在此模塊下還構建了分專業的模型樹結構，便于對暖通、水、電等不同專業構件的查詢。該模塊具有的“脫卡查看”功能能夠保證在與圖片相脫離后，仍可在移動終端上顯示BIM模型，從而提升相關信息的表達程度。

圖像識別跟蹤模塊的設計流程如下：由EasyAR提供數據生成接口，負責預先將待識別圖片生成Image Target Data數據包，便于后續的圖片識別跟蹤，并能利用傳入接口的回調實現對加載/卸載目標對象的結果獲取。Image Target代表掃描目標對象，將其成功載入Image Tarcker后即可實現對掃描目標對象的檢測與跟蹤。創建完畢之后，可利用對開始/停止鍵的調用實現開始與運行，當無須圖像跟蹤組件運行時，即可調用關閉鍵關閉此組件。Image Tarcker會占用1個攝像頭以上的緩沖區，反饋幀的輸入利用接收器完成。當用戶啟動終端后，可對相關圖像進行識別與跟蹤，預設圖紙經過掃描后對Image Tarcker對象進行渲染注冊，借助AR終端設備完成投影輸出，從而實現圖紙與BIM模型的AR展示。

2.3.2" " 模型定位跟蹤

機電工程巡檢系統中的模型定位跟蹤模塊具有模型定位調整及空間地圖跟蹤的功能，用戶抵達現場之后利用終端即可查看1：1的機電工程虛擬模型，移動終端顯示界面會做出相應變化，借助AR實現對模型的現場定位與移動跟蹤。其中，模型定位調整模塊主要用于調整加載虛擬模型的角度、位置及比例等參數，并將信息保存至系統后臺，待再次加載模型后進行調用并賦予初始值；空間地圖跟蹤主要用于構建現實環境的點云地圖，并對AR模型進行實時定位跟蹤。

系統對AR技術的應用表現為在現實中的疊加實例，包括負責增強的“元數據”與受到增強的實時數據，且能夠借助圖形API將“元數據”覆蓋于實時數據之上。而實時數據一般為終端設備的位置、面向的方向以及攝像頭獲取的信息。之后，可實現對實時數據信息與“元數據”列表的交叉引用。

EasyAR中具有稀疏空間地圖和運動跟蹤算法相關組件，結合運用能夠消除圖像識別過程中因遠距離移動形成的匹配累積誤差，從而確保模型定位跟蹤的實時性、準確性與持續性。稀疏空間地圖組件可自動掃描用戶所處環境，生成三維點云地圖，每個節點均會存儲一定的局部視覺信息，并根據攝像頭圖像以及用戶位置與姿態信息建立真實視覺地圖。待加載稀疏空間地圖之后，可進行攝像頭圖像與地圖的三維視覺匹配，并匹配用戶位姿自動調整虛擬模型?？紤]在計算量較大時會出現點云識別模糊的現象造成模型漂移，從而影響AR效果，所以需要輔以穩定性更高的運動跟蹤算法來支持。運動跟蹤算法采用VISLAM（地圖構建技術）和視覺慣性同時定位，基于被識別跟蹤特征點的位置變化及慣性信息對終端在現實環境中的真實位姿進行推斷[5]。系統應用運動跟蹤算法后，能夠實現對終端相對位姿的快速恢復計算，進而有效解決跟蹤丟失問題，避免在終端移動過程中發生模型漂移，強化AR效果。

2.3.3" " 終端連接數據庫

移動終端上的AR應用程序能夠借助REST（應用程序編程接口）實現對系統動態數據庫的訪問，而終端應用程序與后臺服務器之間的數據交互則主要采用HTTP協議標準實現。Npgsql組件作為系統SQL數據庫中ADO.NET規范的實現，是C#語言編程的驅動程序，支持所有的.NET語言。在下載好Npgsql組件之后，可單擊“管理程序包”的選項，選擇對應Npgsql版本后，完成安裝，從而實現移動終端與數據庫之間的連接。

3" " 機電工程巡檢系統實際應用

3.1" " 巡檢系統的應用安裝

以北部灣某碼頭有限公司建設項目為例，對設計的機電工程巡檢系統進行應用安裝。將機電工程巡檢系統應用程序命名為“OSInspection.apk”，獲取在Unity 3D中發布的.apk文件并發送至用戶手機終端進行下載。在安裝過程中，需獲取終端設備存儲與相機權限。完成安裝后，單擊終端主界面上的應用程序即可進入后續的功能模塊。

3.2" " 數據轉換

在使用該巡檢系統應用程序之前，需先對模型和數據進行相互轉換，包括對BIM模型中信息數據的提取，并將其傳遞至開發平臺及動態數據庫；而終端應用程序可以通過對空間點數據的讀取實現對稀疏空間的構建，并且可以對模型空間位置數據進行調整以及加載模型。

3.3" " 應用效果

在實際工程應用中，機電工程設計圖紙共有450張，單獨依靠二維圖紙難以直觀了解，同時工程中涉及大量設備與附件，復雜程度較高，運維難度較大。而應用所設計的巡檢系統對模型中全部可收集的構件信息進行錄入，運維人員借助終端應用程序中的設備管理模塊，能夠實現對已竣工交付項目數字檔案的現場查閱，并且該數字檔案能夠依照后續運檢及故障管理的內容對運維信息進行實時更新，并將相關信息記錄在關聯BIM模型構件之上。

用戶在應用程序主界面點擊“設備信息”，即可加載已經完成定位調整的模型，并在現實界面中提示“未選中構件”。而在點擊虛擬模型中的相關構件時，即可在界面右側彈出相關構件的信息框，內含項目信息、基本信息以及作業信息，如圖2所示。點擊作業信息中的設備手冊或施工方案即可在線查看所需資料，也可在項目信息中對構件的維修信息進行添加或修改。同時，在維修過程中也可借助“巡檢記錄”的功能在程序中詳細記錄巡檢情況。

4" " 結束語

本文設計了AR結合BIM技術的機電工程現場巡檢系統，梳理了系統的總體框架，分別對模型層、數據層、應用層、用戶層四個層級進行了詳細的設計介紹，并提出圖像識別跟蹤、模型定位跟蹤及連接數據庫這三項技術要點，采用EasyAR開發引擎與Unity 3D平臺實現對系統的設計與開發。以實際工程項目為例，對巡檢系統AR應用程序進行實際應用，驗證了該巡檢系統作為機電工程現場巡檢的全新方式具有較強的可行性，值得在相關領域推廣應用。

[參考文獻]

[1] 周建飛.建筑機電工程設備安裝技術與BIM技術的實際應用[J].中國設備工程，2023（2）：173-175.

[2] 陳文躍.電氣及自動化在機電工程中的應用分析[J].大眾標準化，2022（21）：118-120.

[3] 李佳犖.機電工程技術應用及其自動化問題探析[J].科技與創新，2022（19）：83-85.

[4] 宋賽中，金遼東.BIM技術在大型會展建筑機電工程中的應用[J].安裝，2022（7）：63-65.

[5] 劉勇，陳海濱，劉方.基建現場巡檢無人機智能感知系統的研究與應用[J].電力系統保護與控制，2018，46（15）：155-161.

收稿日期：2023-03-21

作者簡介：曾勝傳（1988—），男，廣西欽州人，研究方向：建筑工程、鋼結構工程、碼頭項目施工建設。