李文華，于煬，郭容昱，陳志軍

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司 信息化院，天津 300308）

0 引言

Virtual Reality（VR）技術(shù)又稱為虛擬現(xiàn)實，廣義來講是依托計算機強大的建模仿真能力，構(gòu)建虛擬的三維空間，使人在視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺等感官體驗上達(dá)到身臨其境的體驗，最終實現(xiàn)像在現(xiàn)實生活中一樣的效果。狹義來講，VR是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，通過計算機設(shè)備可以創(chuàng)造視聽感受逼真的三維虛擬環(huán)境，是一種多源信息融合、交互式的三維動態(tài)實景和實體行為的仿真系統(tǒng)［1］。具有交互性、感知性、沉浸性和自主性等特征。交互性和感知性體現(xiàn)在以用戶為主體，在虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)中多維度多渠道的立體感知和近乎自然的三維立體人機交互［2］。

目前BIM技術(shù)在設(shè)計和施工階段應(yīng)用較多，在運維階段的應(yīng)用較少。據(jù)權(quán)威機構(gòu)測算，在整個建筑生命周期總費用中，設(shè)計和施工建造成本只占總費用的20%左右，而運營維護(hù)費用則占67%以上。以某數(shù)據(jù)中心為例，每年運營維護(hù)費用占總費用的絕大部分。因此，在運營維護(hù)階段，如何充分利用并發(fā)揮BIM價值顯得尤為重要。一方面，BIM模型中包含豐富信息，可從多維度對運營維護(hù)提供有力的信息支撐；另一方面，隨著交互式VR技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的融入，基于BIM的智慧化運維也將是今后的發(fā)展方向。交互式VR技術(shù)在BIM運維管理中的應(yīng)用相比其他傳統(tǒng)運維軟件，基于BIM的空間管理、設(shè)備設(shè)施管理、安全管理、維修培訓(xùn)、應(yīng)急演練等在可視化、智能化、準(zhǔn)確率方面都有較大優(yōu)勢。該應(yīng)用不但能提高運營維護(hù)的效率和質(zhì)量，還能降低運營維護(hù)費用，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益［3］。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 平臺架構(gòu)設(shè)計

平臺由下至上分為數(shù)據(jù)層、平臺層和應(yīng)用層，3層相輔相成，統(tǒng)一協(xié)作（見圖1）。

圖1 平臺架構(gòu)

數(shù)據(jù)層是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源基礎(chǔ)，又分為靜態(tài)數(shù)據(jù)層和動態(tài)數(shù)據(jù)層，靜態(tài)數(shù)據(jù)層包括基本的BIM數(shù)據(jù)（如.rvt、.max、.model、.fbx等）、圖紙資料等靜態(tài)信息。動態(tài)數(shù)據(jù)層包括設(shè)備運行狀態(tài)、維修數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、巡檢數(shù)據(jù)、應(yīng)急數(shù)據(jù)等動態(tài)數(shù)據(jù)。

平臺層是整個系統(tǒng)應(yīng)用的平臺支撐，包括三維場景創(chuàng)建、實時渲染、場景烘焙、外設(shè)融合、人機交互、粒子特效等功能接口，通過這些接口可快速實現(xiàn)應(yīng)用層功能的開發(fā)。

應(yīng)用層是直接面向客戶的部分，系統(tǒng)的主要功能都集中在這一層，包括虛擬漫游、虛擬交互、虛擬拆裝、虛擬巡檢、仿真培訓(xùn)和應(yīng)急預(yù)案等［4-5］。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)分為六大功能模塊，包括最常用的VR交互漫游、基礎(chǔ)的空間管理和設(shè)備設(shè)施管理，以及三大業(yè)務(wù)模塊：VR巡檢、VR維修培訓(xùn)和VR應(yīng)急演練。其中VR交互漫游包括自動巡航和虛擬漫游兩大功能，自動巡航可根據(jù)指定路線進(jìn)行360°巡航，快速瀏覽數(shù)據(jù)中心全景。虛擬漫游可實現(xiàn)以第一人稱視角在數(shù)據(jù)中心行走、漫游，并能通過交互快速進(jìn)入建筑物內(nèi)部。空間管理包括建筑管理和機房管理，其中建筑管理可實現(xiàn)對建筑群、樓層、建筑空間及屬性的管理。機房管理可實現(xiàn)機房的分類查詢、統(tǒng)計、快速定位、機房空間管理、機柜信息查看等功能。設(shè)備設(shè)施管理可實現(xiàn)設(shè)備的查詢、統(tǒng)計，圖紙資料掛接等。VR巡檢可實現(xiàn)對指定建筑、指定區(qū)域的巡檢功能，包括制定巡檢路線、巡檢路線管理、巡檢參數(shù)設(shè)定等功能。VR維修培訓(xùn)可實現(xiàn)設(shè)備的虛擬拆卸及安裝，設(shè)備維修等。VR應(yīng)急演練可實現(xiàn)虛擬環(huán)境中的災(zāi)害模擬、預(yù)案設(shè)置、應(yīng)急處置、疏散指引等［4-5］。系統(tǒng)功能框架見圖2。

圖2 系統(tǒng)功能框架

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 交互式VR與BIM的融合

該系統(tǒng)最核心的功能是交互式VR與BIM的融合，系統(tǒng)由計算機、內(nèi)置應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫、VR交互設(shè)備等部分組成。采用UE4虛幻引擎作為系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，BIM模型通過Revit和3Dmax建模，然后根據(jù)現(xiàn)場照片創(chuàng)建基于真實環(huán)境的材質(zhì)并貼圖，根據(jù)類別通過分關(guān)卡的方式導(dǎo)入UE4，再進(jìn)行減面、美化、合并等優(yōu)化，創(chuàng)建幾近于真實的BIM運維場景。

VR交互設(shè)備是將三維場景呈現(xiàn)出具有景深的3D顯示模式，并把體驗者融入整體虛擬世界中增強真實感的重要設(shè)備。從國產(chǎn)化、性價比等多方面考慮，采用華為NOLO系列交互套件。UE4中打開Steam VR插件、設(shè)置項目到VR模式，通過NOLO HOME把VR外設(shè)與仿真系統(tǒng)連接，通過UE4的藍(lán)圖機制實現(xiàn)可視化，最終搭建交互式VR的BIM運維管理平臺［6］。該系統(tǒng)最低要求配置見表1。

表1 系統(tǒng)最低要求配置

2.2 計算機模擬災(zāi)害特效

VR應(yīng)急演練中為提高逼真度，需要對火、水、煙霧，滅火器噴出的氣體等災(zāi)害進(jìn)行模擬。災(zāi)害特效的模擬是通過UE4的粒子系統(tǒng)（Particle System）實現(xiàn)。UE4擁有一個強大的模塊化粒子系統(tǒng)編輯器，可逼真模擬各種災(zāi)害特效，如火災(zāi)、洪水、雨、雪、霧等。粒子系統(tǒng)組件是一個包含粒子系統(tǒng)的藍(lán)圖，粒子系統(tǒng)組件可使用代碼邏輯來控制粒子系統(tǒng)。粒子系統(tǒng)的載體是粒子發(fā)射器，粒子發(fā)射器承載粒子系統(tǒng)，確定粒子系統(tǒng)在場景中的坐標(biāo)位置等信息。通常一個粒子系統(tǒng)可同時添加多個發(fā)射器，通過不同發(fā)射器的組合實現(xiàn)不同的效果。粒子系統(tǒng)的核心是粒子編輯器，在粒子編輯器中可通過設(shè)置各種粒子參數(shù)創(chuàng)造出琳瑯滿目的粒子特效［7］。

粒子特效的創(chuàng)建流程見圖3。首先需要創(chuàng)建粒子系統(tǒng)，然后創(chuàng)建粒子所需要的材質(zhì)，接著添加粒子發(fā)射器，然后編輯粒子編輯器參數(shù)，Spawn和Burst控制粒子的數(shù)量，如煙霧效果，通過Life Time控制粒子的生存周期，Initial Size控制粒子的大小，Initial Velocity控制粒子的速度，Color over Life和Alpha over Life控制粒子系統(tǒng)的漸變顏色。除以上參數(shù)外，還有很多其他控制參數(shù)可以調(diào)節(jié)控制粒子特效，最后通過設(shè)置粒子的LOD，實現(xiàn)不同場景下的各種特效。

圖3 創(chuàng)建粒子特效流程

2.3 設(shè)備的自動吸附與歸位

在設(shè)備拆裝過程中需要用到設(shè)備的吸附和歸位功能。設(shè)備吸附的實現(xiàn)有2種方式：第1種方式是基于模型頂點的檢測，首先從吸附模型發(fā)射1條射線，檢測吸附模型距離被吸附模型頂點的距離，判斷2個模型之間最近的頂點，然后將吸附模型進(jìn)行偏移。該方法實現(xiàn)比較簡單，但缺點是碰撞之后再去檢測頂點，沒有對邊角的計算，面對面時吸附效果較好，非面對面時，吸附效果智能性欠佳。第2種方式是基于面的檢測碰撞，就是直接在吸附模型中心點向被吸附模型的6個面發(fā)射射線，然后忽略自身碰撞，檢測射線碰撞物，獲得碰撞點的坐標(biāo)，這個方法相對復(fù)雜，是直接發(fā)射線去碰撞面，然后根據(jù)計算改變位置，即不需要碰撞就可以檢測到即將靠近哪個物體，然后計算距離自動吸附到該物體表面，吸附比較智能。實際開發(fā)過程中，是結(jié)合功能需求，2種方式都有使用。

3 系統(tǒng)功能

3.1 VR交互漫游

運維管理首先需要在場景中漫游，快速瀏覽場景，掌握場景的概況。在該模塊中通過佩戴VR外設(shè)，用戶足不出戶即可實現(xiàn)沉浸式的場景瀏覽，360°對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行漫游和交互，如同自己真正進(jìn)入現(xiàn)實環(huán)境中一樣，同時，還可通過設(shè)置興趣點，快速進(jìn)入感興趣區(qū)域。該應(yīng)用在新員工培訓(xùn)、異地辦公方面均有實際意義［8］（見圖4）。

圖4 某數(shù)據(jù)中心監(jiān)控大廳截圖

3.2 空間管理

空間管理是BIM運維管理中的一大部分，采用BIM方式實現(xiàn)空間管理，不但節(jié)約成本，還能產(chǎn)生較大經(jīng)濟(jì)效益。某數(shù)據(jù)中心空間管理由大到小包括：建筑管理、建筑內(nèi)部的機房管理、機房內(nèi)部的機柜管理［4］。建筑管理可實現(xiàn)對園區(qū)內(nèi)所有建筑快速定位，分區(qū)域、分樓層顯示建筑內(nèi)部構(gòu)造及可用空間。機房占比在數(shù)據(jù)中心的比例最大，機房的有效管理可極大提高BIM的運維管理效率。機房管理可實現(xiàn)對指定建筑內(nèi)部的機房進(jìn)行分類查詢、統(tǒng)計、快速高亮定位、內(nèi)部虛擬漫游、可用空間統(tǒng)計等功能。機柜管理可實現(xiàn)對機房內(nèi)部的機柜進(jìn)行查詢、定位、高亮顯示、空間統(tǒng)計等功能（見圖5）。

圖5 機房空間統(tǒng)計

3.3 設(shè)備設(shè)施管理

設(shè)備設(shè)施是BIM運維管理中的基本管理對象，包括固定資產(chǎn)設(shè)備、MEP系統(tǒng)設(shè)備、特殊設(shè)備等。該模塊可實現(xiàn)設(shè)備的查詢、定位、關(guān)聯(lián)圖紙掛接、信息維護(hù)等。以此為基礎(chǔ)可實現(xiàn)對其他業(yè)務(wù)如設(shè)備間巡檢、設(shè)備維修、應(yīng)急演練等管理的支撐（見圖6）。

圖6 機柜管理

3.4 VR巡檢

首先通過系統(tǒng)可以對巡檢位置（包括巡檢建筑、樓層、區(qū)域）進(jìn)行選擇，然后根據(jù)巡檢內(nèi)容及對象創(chuàng)建巡檢路線，并對巡檢路線進(jìn)行編輯和巡檢參數(shù)設(shè)定，最后根據(jù)需求進(jìn)行自動巡檢或自定義巡檢。VR巡檢解決了以往只能去現(xiàn)場才能查看數(shù)據(jù)的問題，降低了巡檢成本，提高了數(shù)據(jù)中心運維管理經(jīng)濟(jì)效益［9］（見圖7）。

圖7 機房巡檢截圖

3.5 VR維修培訓(xùn)

傳統(tǒng)的員工培訓(xùn)一般以圖文或視頻等進(jìn)行，員工很少能深入實際場景，因此培訓(xùn)效果一般。通過BIM+VR方式可以很好解決該難題［10］。

通過查看BIM設(shè)備信息中的“關(guān)聯(lián)資料”，可以查看關(guān)聯(lián)到設(shè)備信息中的圖紙、使用手冊、維護(hù)規(guī)程等信息。也可以查詢到該設(shè)備的上下游構(gòu)件情況，這些資料可幫助維護(hù)人員快速完成設(shè)備的維護(hù)工作。場景中有設(shè)備出現(xiàn)故障，設(shè)備會自動以紅色高亮的方式顯示，提示用戶出現(xiàn)故障，培訓(xùn)者可通過交互手柄在場景中漫游，走到故障定位處查看，如冷水系統(tǒng)管道彎頭出現(xiàn)故障（見圖8），處理流程如下：

圖8 冷水系統(tǒng)管道彎頭故障培訓(xùn)

（1）培訓(xùn)者查看故障，對故障進(jìn)行維修，首先采用交互手柄漫游走到零件所在位置；

（2）培訓(xùn)者在場景中通過右手手柄抓取需要維修的零件；

（3）通過左手手柄漫游到故障處；

（4）培訓(xùn)者用手柄將新零件放置到故障零件處，對舊部件進(jìn)行更換。

3.6 VR應(yīng)急演練

應(yīng)急演練包括應(yīng)急預(yù)案設(shè)定、預(yù)案觸發(fā)、應(yīng)急演練3個部分。首先對應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行設(shè)定，可以設(shè)置預(yù)案類型（如火災(zāi)）、等級（如一般火災(zāi)）、發(fā)生的位置等。然后對預(yù)案進(jìn)行觸發(fā)，觸發(fā)后三維場景中指定位置即發(fā)生起火異常。如果是初級火災(zāi)，系統(tǒng)提示使用滅火器滅火，操作者根據(jù)文字提示，使用外設(shè)交互設(shè)備取滅火器滅火。如果火情達(dá)到一定程度，會自動觸發(fā)室內(nèi)火災(zāi)報警器，警笛鳴響，進(jìn)而觸發(fā)噴淋系統(tǒng)滅火。同時系統(tǒng)自動進(jìn)行逃生提示，包括路線指引、聲音引導(dǎo)等（見圖9）。

圖9 應(yīng)急演練設(shè)計效果

4 結(jié)束語

以某數(shù)據(jù)中心BIM運維管理需求為例，開發(fā)基于交互式VR的BIM運維管理系統(tǒng)。研究交互式VR與BIM融合、計算機模擬災(zāi)害特效、設(shè)備的自動吸附與歸位等關(guān)鍵技術(shù)并在系統(tǒng)中應(yīng)用。系統(tǒng)實現(xiàn)了VR交互漫游、空間管理、設(shè)備設(shè)施管理、VR巡檢、維修培訓(xùn)、應(yīng)急演練等功能。研究證明，將交互式VR技術(shù)應(yīng)用在BIM運維管理中能有效提高運維管理質(zhì)量和效率，降低運維綜合成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，在建筑智慧運維方面具有參考價值和推廣前景［11］。