论文|基于AR技术的铁路四电数字工程现场检测系统研发

2023-10-11 18:36 作者:符-号-说 0人读过 | 我要投稿

注：本文为期刊公众号简版，完整版已发群内自取。

文章来源：铁路BIM联盟

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李凯，中铁第一勘察设计院集团有限公司通信信号设计院

随着智能铁路不断发展，未来铁路四电运维将逐步实现数字化，并结合物联网、大数据、人工智能等信息技术实现智能运维。数字工程的正确性，将作为智能运维的基础条件，因此，为检验铁路四电数字工程准确性，提高数字工程现场核查人员工作效率，研发一种基于AR技术的铁路四电数字工程现场检测系统。该系统可实现数字工程与实体工程在检测终端的叠加，辅助审核人员对数字工程的现场检测，保证数字工程与实体工程一致，为数字化、智能化铁路运维提供基础数据。

引言

随着我国BIM技术快速发展，轨道交通行业基本构建了BIM标准体系框架，以数字工程为基础，利用智能终端、智能穿戴等硬件设备和大数据、AI计算的结合，实现在工程建设、运维上的场景应用越来越多。目前，BIM技术在铁路工程建设应用中越来越重要，且存在巨大的发展需求，具备成长潜力。在基于BIM技术的铁路工程建设管理总体框架下，经过多年的探索与实践，铁路工程建设管理取得了显著成效。

铁路四电数字工程现场检测依据相关标准，现场核查模型与实物的一致性，为数字工程应用提供依据。传统的现场检测由检测人员根据现场情况进行判断，主要是人工检测，费时费力，且主观因素影响较大。为规范和促进铁路数字工程技术的发展，进一步满足对数字工程现场的深度感知，采用基于增强现实（Augmented Reality,AR）技术，结合移动互联网、云计算等先进手段，充分利用AR技术特性，弥补人工检测效率低、缺乏信息化手段等问题，使数字工程检测体系得到完善与扩充。

一系统设计

为了实现数字工程和真实场景的无缝叠加、实景照片采集，方便检测人员对比数字工程与实体工程，系统以AR技术为基础，研究实现数字工程与实体工程对比检测的信息化手段。

AR技术是促使真实物理世界和虚拟数字世界信息综合在一起的新技术，其将原本在现实空间范围中较难体验的实体信息在电子科学技术的基础上，实施模拟仿真处理叠加，将虚拟信息在真实世界中有效应用，并且在这一过程中能够被人类感官所感知，从而实现超越现实的感官体验。真实环境和虚拟物体重叠后，能在同一个画面以及空间中同时存在。

利用AR技术，持续跟踪设备相对于周围环境的位置和姿态变化轨迹，建立真实物理世界和虚拟数字世界的统一几何空间，跟踪设备周围的光照、平面、图像、物体等环境信息，实现虚拟物体以场景化的方式逼真地融入现实物理世界，为AR检测应用提供虚实融合的交互基础平台，帮助检测人员自动对比数字工程和真实场景。

1.系统架构设计

AR现场检测系统不仅需要与现有的信息化系统进行集成，还需满足未来智能化系统接入的需求，系统整体采用面向服务的体系结构（Service OrientedArchitecture,SOA），SOA是一个组件模型，它将应用程序的不同功能单元（称为服务）通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。这使构建在各种系统中的服务以一种统一和通用的方式进行交互。SOA具有可重用、松耦合、基于开放标准等特性。该系统根据SOA系统架构的角色特性和部署环境（见图1），将系统架构分为基础网络层、应用服务层，服务分配层、用户访问层。

2.系统功能设计

根据实际业务需求，系统采用前后端分离的模式，将系统主要分为前端交互和后端API接口服务两部分（见图2）。

二数据库设计

根据系统需求，分别建立流程管理、用户管理、数字工程管理三部分的数据库。用户管理包含组织架构表、角色表、菜单表、用户信息表、角色权限表和数据字典表。数字工程管理包含项目表、工点表、设备表、属性信息表等。由于待检数字工程数据量较大以及数据安全性要求高，系统运行中比较占用带宽，为了减轻数据服务器访问压力，保护系统运行不受故障、带宽和崩溃的影响，系统中流程数据、人员数据、数字工程分别采用独立的数据库，数据库服务器采用双机热备及双机负载均衡的数据库设计模式。数据库架构见图3。

三主要技术框架

1.系统架构设计

AR技术框架可以简单划分为感知和交互两部分。感知部分主要负责信息的收集和处理。信息主要通过不同的传感器收集，包括图像、设备加速度、距离（深度）、语音、手势等。利用这些信息，可以进行运动追踪（定位）、地图构建、语音识别、手势识别等一系列感知行为。

（1）感知部分。由于近几年国外公司对我国技术限制，为保证技术的可持续性，该系统选择华为AREngine，用于实现AR现场检测系统信息感知部分。AR Engine服务是一个用在Android上构建增强现实应用的引擎。系统通过AR Engine获取设备陀螺仪的运动轨迹和摄像机的图像采集信息。

（2）交互部分。主要负责根据指令触发感知行为或者根据感知结果输出交互行为，这部分主要通过APP调用操作系统命令和渲染模块实现。该系统选择Unity3D平台，Unity3D平台支持手机、平板电脑、PC、游戏主机、增强现实和虚拟现实设备，可轻松创建建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的平台，最主要的是，目前Unity3D提供的Unity Reflect产品套件可将Revit软件制作的数字工程模型完全、快速地转换成Unity可识别的三维文件格式，并保持BIM模型的几何、属性信息不丢失，以便更快、更有效利用现有数字工程。

该系统通过AR Engine获取平板陀螺仪的定位信息，通过获取到的陀螺仪定位信息调整AR场景中主摄像机位置，从而不断更新BIM场景，保证检测人员在场景中移动的同时，数字工程跟随检测终端移动，达到人员视角与数字工程视角同步。

2.后台管理页面

系统后台管理主要用于数字工程模型上传、下载、检测人员、被检测单位、检测流程等业务数据的管理。

该系统的后台管理模块采用B/S架构，B/S架构最大的优点是维护方便、分布性强、开发简单。前端框架采用企业级前端应用框架Umi，Umi实现了完整的生命周期，并使其插件化，Umi内部功能也全部由插件完成。人机交互界面（User Interface,UI）组件库采用ProComponents，是基于Ant Design设计体系的React UI组件库，主要用于研发企业级中后台产品。ProComponent中内置了一系列的设计规范，预设了常用的逻辑，通过ProComponents系列组件提供快速高效中后台应用的能力，帮助开发人员快速实现后端信息增、删、改、查UI交互操作。

对于前端数据逻辑处理，该系统采用TypeScript语言进行处理，TypeScrip是由微软公司开发的一种编程语言，集成了C#面向对象的编程语言特性。

3.后端服务接口

应用程序编程接口（Application Programming Interface,API）是一些功能、定义或者协议的集合，提供应用程序或者程序开发人员基于软件访问1组例程的能力，对外封装完善，调用时无需学习API内部源码，依据API文档功能说明书使用即可。该系系统使用RESTfulAPI架构实现，RESTfulAPI是目前前后端分离的最佳实践，ASP.NET Web API是在.NET Framework上构建RESTful应用程序的理想平台。且随着.Net 6新版本的发布，WebAPI也在继续不断优化及改进，使WebAPI在使用便捷性上又上升了一个层次。

四主要功能

AR现场检测模块三维场景处理与界面制作选用UnityPro专业版软件，Unity Pro专业版软件提供丰富的开箱即用功能，其2D和3D专用工作流可以与Revit、3DMAX等三维模型创建工具无缝集成，方便快速导入和更新BIM模型，提高开发效率。AR现场检测模块主界面见图4。

该模块主要实现以下功能：

（1）三维展示。现场检测人员通过该功能，查看单独设备模型，通过放大或缩小设备模型，实现对单个设备模型的单独查看。

（2）基准调节。在场景首次定位过程中，由于检测人员身高、检测终端位置等存在差别，需要手动微调数字工程显示位置。该功能实现通过“水平”“垂直”“旋转”滑块，调整BIM模型在三维场景中的位置。

（3）检测意见。在现场检测过程中，自动检测存在一定的盲区或误差，需要人工判断数字工程与实际场景的差异。该功能实现检测人员输入检测意见，点击提交，系统保存检测意见到后台服务器，系统自动关联用户选择的设备，并采集当前三维场景图片和数字工程截图至后台服务器。

（4）资料查看。在现场检验过程中，检验人员常常需要查看设计图纸、竣工资料等文件，该功能实现BIM与资料、图纸等相关文件及数字工程模型关联，实现资料在线查看。

（5）透明度调节、显示隐藏。对隐蔽工程和柜内设备进行抽检，为清楚识别和查看被遮挡的数字设备，该功能实现用户选中BIM模型的透明度调节、显示隐藏，可以查看被遮挡模型的状态。

五系统应用

随着数字技术的快速发展，为提高数字资产创建和交互过程中规范性和准确性，助力智能高铁发展，2021年4月，中国国家铁路集团有限公司工程管理中心发布了《关于开展铁路数字工程认证试点工作的通知》，确定酒额铁路作为认证试点。2022年8月10日，酒额铁路数字认证工作在甘肃酒泉开展（见图5），认证期间，审核团队利用基于AR技术的铁路四电数字工程现场检测系统对金塔站通信机械室内数字工程（见图6）、金塔站信号室内数字工程、金塔站10kV配电所、DK52+800无线通信基站4个数字工程进行抽检，主要抽检内容为机柜、走线架、线缆等，通过对其属性、几何等信息判断其与真实场景的一致性。系统应用效果如下：

（1）实现了数字工程场景根据检测人员的移动，自动调整场景相机位置，保持数字工程与实际场景视角一致，达到辅助现场检验的目的。

（2）检测人员能方便核对数字工程的数据信息与实际现场是否一致，能及时发现数字工程设备布局、线缆布放与实际现场存在的差异，并通过系统填写工单，系统自动采集现场照片和数字工程截图，将现场照片、截图、问题描述及时反馈至管理平台，提高了检测效率。