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AR结合BIM的机电工程巡检系统设计分析

2023-07-26 57 上传者：管理员

摘要：针对机电工程传统资料管理模式因现场环境复杂而导致的缺陷问题，引进建筑信息模型（Building Information Modeling,BIM）技术予以指导，但BIM技术对于电脑端操作过于依赖，难以实现与工程现场的直接关联，其作用发挥仍存在一定的局限性，无法满足工程需求。基于此，在AR产业技术迅速发展的背景下，尝试将AR技术与BIM技术结合起来，设计出适用于机电工程全生命周期的现场巡检系统，分析构建系统总体架构及各功能模块，并通过案例试验验证机电工程选件系统的可行性与实用价值，旨在进一步提升机电工程现场管理水平及效率。

关键词：
BIM
增强现实技术
巡检系统
开发设计
机电工程
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机电工程在初期设计到后期运维的全生命周期中包含诸多复杂设备要素，产生的数据众多，传统纸质文件的管理模式已难以满足现场巡检管理提出的较高要求，所以面向机电工程的信息化建设尤为重要。BIM技术作为当前在机电工程中应用的热门技术之一，能够有效提升项目信息化管理水平，但其在现场巡检管理中的应用仍有局限，包括需要在电脑端操作、难以结合现场实际、设备要求较高、仍采用图纸指导施工等[1]。而应用增强现实（Augmented Reality,AR）技术则能将虚拟模型叠加到现实之中，以此弥补BIM技术应用的弊端。由此，将AR结合BIM，对面向机电工程的现场巡检系统进行开发设计，从而为AR技术在此领域内的应用提供技术方案与开发经验。

1、AR应用开发准备

1.1开发引擎及平台的选择

AR作为一种交互式技术，可以结合计算机生成的虚拟对象实现对物理环境的丰富，从而为用户提供更为生动和真实的体验，利用AR能够使真实环境与虚拟对象共存于同一空间。目前，AR开发工具常见的有ARKit、Vuforia、ARCore、Easy AR，在综合考虑价格、跟踪选项、支持平台及相关功能的基础上，选择国内自主研发的Easy AR作为开发平台，其不仅具有多目标跟踪功能，还支持免费使用，可提供本土化服务，在鲁棒性和稳定性方面也较为优越。

在选择好AR开发引擎后对开发平台进行选择。目前主流开发平台有Unreal Engine与Unity 3D。对比二者来看，Unity 3D平台具有较强的跨平台性和适配性，支持含Easy AR在内的多种开发工具，开发效率高、稳定性强，并且编辑器功能精简，上手简单，学习成本较低，满足机电工程巡检系统的设计需求，所以将其作为系统设计中的AR开发平台[2]。

1.2开发环境配置

选择好AR开发引擎与平台之后，需要对计算机的开发环境进行相应配置，先安装Java语言开发工具包JDK和安卓系统软件开发包Android SDK，并在Unity 3D中完成资源配置，然后导入Easy AR开发包完成相应配置。

完成上述流程，通过对开发环境配置正确性及终端设备适配性的测试后，即可发布应用程序。

2、机电工程巡检系统总体设计

2.1系统设计思路

遵循实时性、准确性、模块化、可视化的设计原则，结合机电信息需求和现场应用场景，构建基于动态数据的中央数据中心，负责读取、上传构件或相关机电信息，并结合BIM模型获取构件几何信息，利用AR技术在现实场景中加载出虚拟的模型与信息，从而实现通过移动终端即可在机电工程现场完成巡检工作。BIM模型在开发平台中的导入采用.fbx格式，使巡检系统能够获取到与现场相匹配的虚拟模型，并借助WBS编码关联任务进度和构件，不同构件均具有相应的工作完成状态值，经过整合即可得到初始的动态数据库。再借助远程连接实现巡检系统对项目信息、模型信息及作业信息的获取和更新，从而实现对机电工程的动态巡检管理[3]。

2.2系统总体架构

所设计的机电工程巡检系统总体架构如图1所示，共划分为模型层、数据层、应用层和用户层。

2.2.1模型层

模型层的核心为Revit平台，负责对BIM模型中的综合信息进行初步处理，内含众多专业构件的基本属性，可从中筛选出有关机电工程的相关信息，并将.fbx格式的几何参数与附带属性导入应用层，借助ODBC传递给数据层的动态数据库。

2.2.2数据层

数据层的核心为Postgre SQL数据库，在整个机电工程巡检系统中数据层主要是有关现场管理信息的动态数据库，其作为系统的数据源，内含大量项目数据和机电安装数据，能够为应用层提供需要的全部数据信息。在数据层中共分为项目进度计划、模型信息与WBS编码三个部分，通过对这三部分信息的集成能够有效实现动态数据库和应用层之间的数据交互，从而确保巡检系统信息的准确性与实时性。

2.2.3应用层

应用层的核心是Unity 3D平台，该层是整个巡检系统的核心层，负责对适用于现场巡检管理中不同需求的应用功能进行设计与开发。应用层能够从模型层与数据层进行项目信息、模型信息、作业信息及Revit模型补充信息的获取与整合，之后利用AR开发工具对适用于相应需求的场景展开设计。

2.2.4用户层

用户层的核心是Android终端，用户层能够借助终端提供的人机交互界面为用户进行可视化展示。通过对Android终端操作系统中AR应用程序的编写，利用Android SDK将相关数据文件编译成存档包，之后需要时单击终端设备即可安装AR应用程序。此应用程序具有扫描图纸、建立空间地图、调整模型定位、进度动态管理、设备管理及巡检管理等功能。

图1系统总体架构

2.3核心技术

所构建的机电工程巡检系统涉及图像识别跟踪、模型定位跟踪与数据库三大核心技术。

2.3.1图像识别跟踪

机电工程巡检涉及大量图纸，包括机电管线图、设备基础布置图、精装末端定位图、预留预埋综合图等，但纸质文件无法满足机电工程现场管理信息化建设需求，无法展现出直观的模型[4]。由此，对巡检系统中的图纸扫描模块进行设计，采用图片与三维模型相连接的形式。此外，在此模块下还构建了分专业的模型树结构，便于对暖通、水、电等不同专业构件的查询。该模块具有的“脱卡查看”功能能够保证在与图片相脱离后，仍可在移动终端上显示BIM模型，从而提升相关信息的表达程度。

图像识别跟踪模块的设计流程如下：由Easy AR提供数据生成接口，负责预先将待识别图片生成Image Target Data数据包，便于后续的图片识别跟踪，并能利用传入接口的回调实现对加载/卸载目标对象的结果获取。Image Target代表扫描目标对象，将其成功载入Image Tarcker后即可实现对扫描目标对象的检测与跟踪。创建完毕之后，可利用对开始/停止键的调用实现开始与运行，当无须图像跟踪组件运行时，即可调用关闭键关闭此组件。Image Tarcker会占用1个摄像头以上的缓冲区，反馈帧的输入利用接收器完成。当用户启动终端后，可对相关图像进行识别与跟踪，预设图纸经过扫描后对Image Tarcker对象进行渲染注册，借助AR终端设备完成投影输出，从而实现图纸与BIM模型的AR展示。

2.3.2模型定位跟踪

机电工程巡检系统中的模型定位跟踪模块具有模型定位调整及空间地图跟踪的功能，用户抵达现场之后利用终端即可查看1:1的机电工程虚拟模型，移动终端显示界面会做出相应变化，借助AR实现对模型的现场定位与移动跟踪。其中，模型定位调整模块主要用于调整加载虚拟模型的角度、位置及比例等参数，并将信息保存至系统后台，待再次加载模型后进行调用并赋予初始值；空间地图跟踪主要用于构建现实环境的点云地图，并对AR模型进行实时定位跟踪。

系统对AR技术的应用表现为在现实中的叠加实例，包括负责增强的“元数据”与受到增强的实时数据，且能够借助图形API将“元数据”覆盖于实时数据之上。而实时数据一般为终端设备的位置、面向的方向以及摄像头获取的信息。之后，可实现对实时数据信息与“元数据”列表的交叉引用。

Easy AR中具有稀疏空间地图和运动跟踪算法相关组件，结合运用能够消除图像识别过程中因远距离移动形成的匹配累积误差，从而确保模型定位跟踪的实时性、准确性与持续性。稀疏空间地图组件可自动扫描用户所处环境，生成三维点云地图，每个节点均会存储一定的局部视觉信息，并根据摄像头图像以及用户位置与姿态信息建立真实视觉地图。待加载稀疏空间地图之后，可进行摄像头图像与地图的三维视觉匹配，并匹配用户位姿自动调整虚拟模型。考虑在计算量较大时会出现点云识别模糊的现象造成模型漂移，从而影响AR效果，所以需要辅以稳定性更高的运动跟踪算法来支持。运动跟踪算法采用VISLAM（地图构建技术）和视觉惯性同时定位，基于被识别跟踪特征点的位置变化及惯性信息对终端在现实环境中的真实位姿进行推断[5]。系统应用运动跟踪算法后，能够实现对终端相对位姿的快速恢复计算，进而有效解决跟踪丢失问题，避免在终端移动过程中发生模型漂移，强化AR效果。

2.3.3终端连接数据库

移动终端上的AR应用程序能够借助REST（应用程序编程接口）实现对系统动态数据库的访问，而终端应用程序与后台服务器之间的数据交互则主要采用HTTP协议标准实现。Npgsql组件作为系统SQL数据库中ADO.NET规范的实现，是C#语言编程的驱动程序，支持所有的.NET语言。在下载好Npgsql组件之后，可单击“管理程序包”的选项，选择对应Npgsql版本后，完成安装，从而实现移动终端与数据库之间的连接。

3、机电工程巡检系统实际应用

3.1巡检系统的应用安装

以北部湾某码头有限公司建设项目为例，对设计的机电工程巡检系统进行应用安装。将机电工程巡检系统应用程序命名为“OSInspection.apk”，获取在Unity 3D中发布的.apk文件并发送至用户手机终端进行下载。在安装过程中，需获取终端设备存储与相机权限。完成安装后，单击终端主界面上的应用程序即可进入后续的功能模块。

3.2数据转换

在使用该巡检系统应用程序之前，需先对模型和数据进行相互转换，包括对BIM模型中信息数据的提取，并将其传递至开发平台及动态数据库；而终端应用程序可以通过对空间点数据的读取实现对稀疏空间的构建，并且可以对模型空间位置数据进行调整以及加载模型。

3.3应用效果

在实际工程应用中，机电工程设计图纸共有450张，单独依靠二维图纸难以直观了解，同时工程中涉及大量设备与附件，复杂程度较高，运维难度较大。而应用所设计的巡检系统对模型中全部可收集的构件信息进行录入，运维人员借助终端应用程序中的设备管理模块，能够实现对已竣工交付项目数字档案的现场查阅，并且该数字档案能够依照后续运检及故障管理的内容对运维信息进行实时更新，并将相关信息记录在关联BIM模型构件之上。

用户在应用程序主界面点击“设备信息”，即可加载已经完成定位调整的模型，并在现实界面中提示“未选中构件”。而在点击虚拟模型中的相关构件时，即可在界面右侧弹出相关构件的信息框，内含项目信息、基本信息以及作业信息，如图2所示。点击作业信息中的设备手册或施工方案即可在线查看所需资料，也可在项目信息中对构件的维修信息进行添加或修改。同时，在维修过程中也可借助“巡检记录”的功能在程序中详细记录巡检情况。

4、结束语

本文设计了AR结合BIM技术的机电工程现场巡检系统，梳理了系统的总体框架，分别对模型层、数据层、应用层、用户层四个层级进行了详细的设计介绍，并提出图像识别跟踪、模型定位跟踪及连接数据库这三项技术要点，采用Easy AR开发引擎与Unity3D平台实现对系统的设计与开发。以实际工程项目为例，对巡检系统AR应用程序进行实际应用，验证了该巡检系统作为机电工程现场巡检的全新方式具有较强的可行性，值得在相关领域推广应用。

参考文献：

[1]周建飞建筑机电工程设备安装技术与BIM技术的实际应用[J]中国设备工程, 2023(2):173-175.

[2]陈文跃电气及自动化在机电工程中的应用分析[J]大众标准化, 2022(21):118-120.

[3]李佳荦机电工程技术应用及其自动化问题探析[J].科技与创新, 2022(19):83-85.

[4]宋赛中,金辽东BIM技术在大型会展建筑机电工程中的应用[J] .安装, 2022(7):63-65.

[5]刘勇,陈海滨,刘方基建现场巡检无人机智能感知系统的研究与应用[J].电力系统保护与控制, 2018, 46(15):155-161.

文章来源：曾胜传.AR结合BIM的机电工程巡检系统设计[J].机电信息,2023,(14):42-45.