基于BIM-VR技术的地铁隧道无轨测量施工仿真设计与实现

韩 金

（中铁一局集团电务工程有限公司，陕西 西安 710038）

近年来，随着计算机和虚拟仿真技术的快速进步与融合应用，虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术迎来了新的发展浪潮，并带动诸多行业协同发展[1]，相关研究在各行各业也取得了巨大成就。其中，沉浸式仿真技术的研究深入且贡献较为突出[2]。其通过多种硬件设备和软件系统的结合，使得参与者完全融入逼真、交互式的虚拟场景[3]。地铁工程项目施工中，传统牵引供电系统工程有轨测量施工需待路基、轨道成型后方可进行测量施工，由于地铁区间隧道施工工作面狭小、各专业施工交叉频繁、铺轨工期滞后等因素严重影响和制约牵引供电系统测量施工，不可避免地增加了施工成本和资源消耗。因此，研究基于VR技术的城市轨道交通牵引供电系统轨行区无轨测量施工技术，对保障区间隧道牵引供电系统工程施工顺利进行具有重要的实践意义[4-5]。

当前，针对地铁区间隧道无轨测量已开展较多研究，如闵道聪等[6]研发了一种地铁区间隧道内架空刚性接触网无轨条件下的施工方法，通过采用该方法，施工作业人员可在轨道铺设前精准定位锚孔位置净空高度，有效降低施工成本，提高现场作业效率，并且减少钢轨施工工期滞后对接触网架设产生的影响。该技术的应用推广，填补了城市地铁隧道区间架空刚性接触网无轨施工这一技术的空白。但由于该方法操作环节重复、繁琐，有待进一步优化改进，不利于大范围应用。刘波等[7]发明并设计了一种在地铁隧道施工过程中用于测量参数的移动小车。小车上固定激光雷达设备，通过对测量隧道断面进行二维激光扫描，精准定位接触网锚栓定位施工参数，可有效保障刚性接触网施工与轨道铺设平行施工，有效降低施工成本，提高现场作业效率，规避钢轨施工工期滞后对接触网架设产生的影响。但固定于移动小车上的激光雷达测量设备造价和采购成本高、设备技术要求高，工程项目经费有限，不利于广泛推广应用。何贵龙等[8]设计了一种辅助工具支架装置，该装置用于架空刚性接触网无轨测量，装置中通过设置水平气泡来减少测量所产生的误差，装置中增加点状激光灯功能，有效控制测量数据的偏差。另外，在设置上增设手推车把，操作便捷，降低人力成本。该方法在一定程度上能缩短地铁供电系统施工工期，但由于受区间隧道空间狭小，作业频繁交叉等限制，有待进一步研究。此外，王侃等[9]以西安市轨道交通6号线一期工程项目为研究实例，详细研讨分析隧道区间无轨测量技术方案、测量方法的可行性，为同类工程施工提供参考和借鉴。

现有的研究中，隧道内疏散平台、环网支架和接触网等锚螺栓孔的定位主要采用全站仪、移动装置测量等方法，在地铁无轨测量施工过程中能够实现测量点的精准定位，但存在一些不足，缺乏与信息化、智能化技术的有效结合。基于此，本研究通过分析地铁供电系统业务施工管理流程，从系统思维的角度出发，以BIM三维模型为应用基础，运用Unity3D开发引擎搭建一个逼真且具有高精度特点的虚拟战场环境，并通过编写各智能系统模块，完成对某些特殊功能的实现，为地铁区间隧道供电系统无轨测量虚拟仿真提供有效的技术支撑，为实现地铁区间隧道跨专业的沉浸式可交互仿真的融合与共用奠定了基础。

1 系统总体构成

1.1 系统功能分析

本系统模块的研发基于虚拟现实套装运行，具有沉浸式可交互的漫游的虚拟区间隧道场景。结合VR交互与物理渲染技术，还原地铁区间隧道内部真实的场景[10]。工程作业人员在VR场景中能够沉浸式漫游，通过使用VR外接控制器设备与虚拟环境中的虚拟物体进行交互，实时查看地铁隧道区间盾构、铺轨及供电专业模型信息，以便工程项目技术人员掌握区间隧道不同专业模型信息。基于VR虚拟场景的漫游，在虚拟环境下对地铁区间可视化设计进行有效校核，主要包括专业间的“错、漏、碰、缺”等问题，通过三维校核以达到优化设计的目的。

1.2 系统结构框架

本研究根据地铁工程区间隧道铺轨及供电专业工艺和场景布置，结合实际业务流程和需求，基于BIM及BIM-VR技术，为供电专业的机电设备实体与可视化的信息传递提供直观的表达方式[11]。将区间隧道三维信息模型与真实的施工场景进行直观交互，最后通过Unity3D软件平台输出效果，从而为用户展示完整的仿真效果。系统研究框架如图1所示。

图1 系统研究框架

1.3 系统软件设计

1.3.1 BIM平台

三维模型数据模型以Revit为设计平台，平台应用以模型数据的协同和共享为基础，统一以建筑样板为工程模型构建平台，该平台具有以下优势：（1）三维信息模型的参数化设计；（2）可视化浏览与动态交互；（3）工程施工进度及工艺仿真模拟；（4）三维模型效果图渲染等功能[10，12]。Revit与VR引擎Unity3D具有良好的兼容性，同时Unity3D支持Revit导出的FBX格式文件，实现BIM三维模型与VR场景的无障碍对接，以此最大程度地确保物理模型纹理的完整性[13]。

1.3.2 VR仿真平台

VR仿真系统可基于Unity3D或UE4引擎进行开发，Unity3D是美国旗下的一款轻量级功能强大且性能稳定的软件，具备多专业跨平台的3D游戏开发引擎，该系统的编辑器可以在Mac或Windows系统下安全稳定地运行，开发者可以用C#或JavaScript脚本语言作为底层代码进行程序编写，运行的.exe文件程序可以在Windows、Mac、iPhone和Android等多个平台进行发布，在科研领域也具有广泛的应用[14]。其具有以下显著特点。（1）想象性：在虚拟场景中，用户可以提高自身的感性和理性认识，以激发人的主观能动性；（2）交互性：在虚拟场景中，用户通过使用传感设备与虚拟场景进行互动操作，虚拟场景根据用户的特定行为做出相应的响应行为；（3）沉浸性：在虚拟场景中，触觉、视觉和听觉等感官上与真实世界基本保持一致，以给用户身临其境的感觉；（4）兼容性：对VR硬件设备的支持等。基于上述Unity3D引擎的优势，本研究以其作为系统平台，能够较好地适用于VR仿真系统的研发，完成对场景仿真系统的实现和测试。

2 关键技术研究

2.1 区间隧道环境搭建

本研究以合肥地铁4号线伊巢区间、巢和区间直线单圆隧道为例，以设计图纸为建模依据，以Revit2019为建模工具并构建区间隧道结构、铺轨、供电各个专业的BIM模型，通过对各专业模型整合，实现三维模型的整体组装和图纸校核，对模型中出现的问题进行分析并及时修改和完善。以FBX文件文件格式输出整体区间隧道三维模型，为VR引擎开发和平台展示应用奠定基础。区间隧道三维BIM模型如图2所示。

图2 区间隧道三维BIM模型

2.2 VR系统引擎研发

Unity3D三维可视化引擎是一款集成建筑可视化、三维视频游戏和实时三维动画等交互的综合型开发引擎。可支持多个平台开发，且平台拥有高度优化的图形渲染通道，提供了高度完善光影的渲染系统，能够满足物理模型虚拟交互和逼真表现的需求[15]。

本研究使用Unity3D构建系统，底层代码用C#语言进行编写，并将事先制作好的BIM模型在引擎中实现程序编写功能，通过程序编写实现三维模型的测量、检测、移动、旋转、缩放、刨切、数据检测和数据生成等一系列应用功能，将应用程序适配至VR设备，将功能操作方式适配至交互手柄上，即可使用VR设备进行软件的操作交互，最后应用JAVA搭设数据平台，将软件生成的数据对接至数据平台，实现模型和数据可视化的展示和记录，并且可以实时查询和调取所需要的数据信息，系统操作便捷。

2.3 VR系统无轨测量虚拟仿真

通过事先完成的区间隧道三维模型和VR引擎开发，在所创建的VR系统平台中还原真实施工场景，VR虚拟现实技术与无轨测量的巧妙结合，不但能够大大提高VR虚拟现实技术的真实感观，而且能够有效提高无轨测量的准确性，实施具体步骤如下所示：

（1）系统操作人员模拟区间隧道轨道铺轨、轨枕及钢轨敷设等工作，捕捉铺轨过程中的Oxy基点，连接该点形成区间隧道线路中心线。

（2）区间隧道中以Oxy基点或线路中心线为基准，在区间盾构壁上测量放线疏散平台面板标高（+900 mm），以区间疏散平台悬臂支撑为单元个体，精准定位连接钢板螺栓孔，并对其进行锚栓打孔。基于以上技术手段，依次完成区间扶手、环网支架的测量放线及锚栓打孔。

（3）在系统平台中以线路中心线为基准线，标记出其在盾构壁顶部的投影线，以投影线为基础，依次标记接触网悬挂标号：伊巢-G04-07、伊巢-G04-08等，为区间隧道接触网的精准定位奠定基础。区间隧道测量定位如图3、图4所示。

图3 区间隧道环网支架测量定位

图4 区间隧道疏散平台测量定位

3 无轨测量虚拟仿真设计与实现

3.1 区间隧道场景的构建和优化

本研究选取合肥地铁四号线伊宁路-巢湖路区间作为实验模拟区，以Revit为建模工具，创建与建筑实体高度吻合的物理现实模型，并输出FBX文件导入3DS MAX软件平台，对所建立的三维模型执行烘焙、贴图、减面和渲染等操作，以获得更为接近的真实效果，并保存FBX格式文件导入Unity3D中，利用Unity3D中的Java脚本技术将软件生成的数据对接至数据平台，实现场景实时驱动、碰撞、用户界面与人机交互，最后，在Unity3D中导出PC端可执行的.exe文件。

已有场景模型包括结构专业、铺轨专业和供电专业。以二维设计图纸为依据，构建不同专业的三维模型，具体包括：铺轨、钢轨、疏散平台支架、区间扶手、区间环网支架、接触网以及线缆敷设等细节，为确保模型可视化效果的美观性和真实性，在导入的3DS MAX软件平台需对模型的纹理、设计光影效果进行美化。地铁隧道区间三维虚拟场景模型如图5所示。

图5 地铁隧道区间三维虚拟场景模型

3.2 基于VR技术区间漫游的实现

基于VR技术区间漫游的实现需对研发的软件环境进行配置，即将Steam VR工具插件应用于Unity3D平台，并在外部端口接入VR头戴终端设备，作为沉浸式仿真的硬件工具设备，实现地铁区间隧道仿真系统中不同视角的切换。用户将Lighthouse基站融入Unity3D平台中，可以通过头戴式显示器在虚拟场景中漫游并感知沉浸式虚拟现实漫游的体验。本研究在虚拟仿真平台的开发阶段，为确保在虚拟场景漫游过程中遇到障碍物，诸如盾构壁、机电设备等时人物角色不予以穿过，为虚拟环境中涉及的三维几何模型添加碰撞体，并设置碰撞体的距离范围。此外，为系统配置环境开发后，用户通过接入VR终端设备并配用穿戴设备和操控手柄，沉浸式体验导入Unity3D平台中的虚拟场景。在虚拟环境中，用户不仅可以通过自身身体或头部的移动来控制方向，而且可以通过对外接操控手柄的遥控来替代人物移动，最终使用户在有限范围内体验整体的虚拟效果。

3.3 基于VR技术区间虚拟交互的实现

虚拟交互包括控制交互和属性查询交互2种类型。其中，控制交互是利用外接终端设备，如通过操控手柄与虚拟物体进行交互，包括对虚拟物体进行测量、移动和定位等。在控制交互的虚拟环境中、在区间隧道的虚拟场景中，当人物角色遇到物体时，使用控制手柄触摸虚拟物体、改变对象的状态等操作来实现控制交互。此外，在MySQL数据库管理系统中创建一个数据库表，将不同对象的空间属性信息的类别进行划分并储存在数据库表中，方便用户实时调用该表进行相应实物属性数据的查阅。当用户使用HTC VIVE手持终端对虚拟场景中的实体进行交互时，用户计算机PC端窗口将出现对象功能菜单选项栏，从而便捷式地为用户呈现属性查询与交互功能。

在三维虚拟环境中，本研究考虑同时加入控制和查询交互，项目作业人员可以沉浸在逼真的虚拟场景中，并且直接与当前环境中的对象进行交互，用户可以对场景中对象的信息进行实时获取。该研究系统突破了人物角色三维漫游的限制，满足用户在场景中同时对虚拟对象进行交互和属性信息获取的需求。在虚拟无轨的场景中，依次获取Oxy基点，并精准定位区间扶手、环网支架等锚栓孔，通过虚拟现场施工环境了解并体验供电工程施工过程，对施工工序进行现实演示，针对出现的问题进行预警，以减少和降低实际工程施工资源消耗和安全风险。

3.4 系统集成及稳定性测试

本研究在系统平台中加入控制交互功能，实现手持或佩戴终端的不同操作，用以替换触及虚拟实体的方式。通过属性交互来界定虚拟场景中不同事物的复杂关系，并将以上功能集成到Unity3D软件平台中，通过头戴式显示器和操控手柄接入系统，来实现和控制人物角色在三维虚拟场景中的漫游和人机交互[16]。在系统稳定性的测试方面，若导入系统中的三维数据模型较大时，计算机PC和VR显示终端的画面显示和切换速度会产生迟延，此时可以使用平铺贴图的加载方法，尝试分阶段存储加载场景中的模型数据。

4 结论

为了解决和克服现有技术难点，本研究主要研究了一种基于VR技术的虚拟仿真漫游系统，该系统打破了传统的简单漫游的惯例，系统中的虚拟场景实现了控制交互和属性查询交互。另外，在系统不同对象间添加了属性逻辑关系和改变不同事物状态的控制交互，从而营造出沉浸式自主交互的切身漫游体验，在提高区间隧道牵引供电系统施工效率、缩短施工工期及降低施工安全风险等方面发挥重要作用。