基于虚拟现实的变电站4D-BIM可视化方法及系统

基于虚拟现实的变电站4d-bim可视化方法及系统
技术领域
1.本发明属于可视化建模技术领域，尤其涉及基于虚拟现实的变电站 4d-bim可视化方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构 成在先技术。
3.近年来，随着智能电网建设工作的推进以及电力需求的增长，变电站 智能化改造、建设在大力开展。特高压、超高压电力工程建设已成为电网 今后的发展常态。这就意味着高电压等级、大容量智能变电站的工程建设 将会不断增多，而变电站建设与其它行业建设存在很大不同，其占地面积 大、设备种类多样、场地情况特殊、实施难度大，施工质量要求高等特点 都会在一定程度上增加变电站建设的难度，项目各参与方也都面临着巨大 的技术风险和管理风险。因此，如何更好的提升变电站工程质量迫在眉睫。
4.传统施工管理过程往往依赖于cad图纸和人工经验，由于技术水平参 差不齐，其工程质量难以得到精确保证。建筑信息模型(bim)作为一种三 维可视化技术，其独特的可视化和模拟分析优势被广泛应用于建筑施工管 理过程。它是以三维数字技术为基础，对建筑模型及特性进行数字化表达， 实现建筑全生命周期各阶段的直观展示。虽然bim在许多房屋建筑项目上 取得了成功，但由于变电站项目的复杂性，在其应用中仍处于探索阶段。
5.目前，用户依然缺乏充分利用bim在项目团队交流、项目可视化、非 专业aec(architecture,engineering&construction)实体之间信息传播等 方面的潜力。因此，bim仍然不是一种完全协作和集成的方法，需要更具 有综合性和易用性的方案。“元宇宙”概念下的虚拟现实技术能够给bim的 沉浸式系统和界面带来有利的效果。虚拟现实技术又称灵境技术，可以让 用户身临其境虚拟仿真空间中，有效增强工作人员的感知能力。此外，基 于标准尺寸三维模型的bim用于施工进度管控还不能达到预期的目的，还 需要对实际项目施工情况进行重建，再与标准模型对比，从而实现施工进 度管控。基于多视图几何的三维重建方法是解决这一问题的有效方案，它 能根据不同角度的图像还原出实际物体的模型和纹理情况，能够较为真实 的还原物体的形态。若将三种技术整合在一起，将具有广泛的研究意义和 应用价值。
6.bim是aec行业项目优化设计中较为高效的一种方式，美国斯坦福大 学(cife)2008年开展过对bim项目的调查，他们分析总结出建筑信息模 型具有很大的应用价值，用在工程项目中造价测算花费时间能够减少到原 来平面方法的80％，可以将合同价格降至10％，项目进度缩短7％。随着人 工智能、5g、大数据处理等高新技术的快速发展，这些数据将大幅度增加。 变电站工程建设与建筑工程建设存在很多共性问题，且伴随着变电站工程 规模不断扩大，复杂程度日益增加，bim在变电站设置建设中的推广应用 也在逐步进行之中。
7.早期的bim单纯的用在建筑规划设计方面，后来许多研究人员将bim 与其他信息
进行整合，得到了更为突出的工程效益。aslanid p等人把施工 过程中所需的信息整合后与bim技术进行关联，指出bim技术能够高效率 的加快施工进度。lee等人提出了一种新颖的bim模型管理方法，管理和 跟踪所有信息，并开发了一个基于bim的网络建设系统，可以增强施工单 位bim信息跟踪能力，提高工作效率。lin等人在设计模型的基础上，添 加时间信息和造价等变量信息，提出了5d管理功能的新型进度造价管理模 型。可见，bim技术在项目施工设计与成本造价管理上得到了广泛应用。
8.bim技术在建筑行业得到了蓬勃发展，但大多数应用依赖于各种商业软 件，如autodesk公司revit系列、bentley公司的microstation系列、dassault 公司的catia系列等，它们作为商用软件具备各种功能优势，但使用技术 门槛和成本较高，需要项目去支出购买软件的费用及软件使用者学习费用。 并且这些软件不能够和其他平台如数字化系统进行集成开发，或进行个性 化设计。对于一个复杂且重要的变电站项目，需要一种包含多领域模块且 高度集成的系统。因此，可定制的bim模块设计方案亟需被研发出来。
9.虽然bim实现了传统方法到协作集成工作流程的范式转变，但依然跟不 上行业的快速发展。为了促进bim的部署和应用，虚拟现实技术的融入成 为bim方法一个有前途的补充方案。虚拟现实技术可以通过计算机创造一 个虚拟环境，用户可通过视觉、触觉、听觉等感官能力去感受建筑的内部 操作，能够从虚拟环境中获得与现实环境相似或相同的体验。通过虚拟现 实技术和bim来模拟建筑活动，增强了人工空间规划的能力。针对bim与 vr的数据传输问题，提出了一种bvrs与bim-vr的实时同步系统。现有 文献探讨了bim、物联网、虚拟现实技术在实时监控热舒适条件方面的优 势。
10.但目前该技术在变电站施工进度监督中的应用还很少，原因是：现有 的大多数bim应用是基于bim商业软件的，其功能模块可移植性较差。然 而，一个完整的变电站项目，需要集成设计、施工、验收、运行、管理等 全生命周期的功能模块，bim的最大优势是可以将三维模型进行空间位置 规划，虚拟现实技术最大的优势是可以身临其境，这两个技术融合可以很 好的实现施工规划效果，但这还不能满足施工进度管理要求，由于bim使 用的是理想尺寸的三维模型，而施工进度管理应还原实际建筑建设的情况， 因此，现有的bim模型无法直接应用至变电站施工进度监督中。


技术实现要素：

11.为克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于虚拟现实的变电站 4d-bim可视化方法，将三维重建与bim、虚拟现实技术结合，这将有利于 施工进度管理。
12.为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
13.第一方面，公开了基于虚拟现实的变电站4d-bim可视化方法，包括：
14.构建变电站用户图形界面；
15.读取bim文件或规划文件，解析规划文件；
16.根据拖动时间进度条，实时更新渲染4d模型；
17.基于虚拟现实创建标准尺寸下的模型：将创建好的4d模型设置空间位 置，进行纹理贴图制作，创建建筑工作空间，对模型进行操作获得标准尺 寸下的模型；
18.获取被重建变电站不同角度的视频或图像进行三维重建，将三维重建 后的结果导入到4d-bim平台上进行可视化展示，将标准模型与重建模型 在形态、体积方面做对比，
进行施工进度监控。
19.作为进一步的技术方案，所述构建变电站用户图形界面的步骤为：
20.选择读取模型文件或按规范编写的规划文件；若读取成功，则将在图 形渲染模块实时显示模型；
21.解析好的细分模型由选择模块作为列表将细分模型列出，供用户选择 和标记，在主窗体中体现为模型列表；若读入规划文件成功，主窗体出现 进度条供用户拖动，实现了模型的时间轴渲染。
22.作为进一步的技术方案，所述读取bim文件或规划文件的步骤为：
23.编写规范的规划文件，以对bim文件的读入，规划文件编写格式为： 指令+操作对象名称；
24.将模型信息与时间信息关联，实现4d渲染。
25.作为进一步的技术方案，所述解析规划文件：读取规划文件后，使用 文件输入流实现读取，创建树形结构。
26.作为进一步的技术方案，所述创建树形结构时，当创建一个节点时， 除了存储该模型所有顶点数据，还需求出该组顶点数据的轴对齐的边界框；
27.计算边界框时，采用碰撞检测算法，即遍历该组所有的顶点，检测该 顶点是否在当前计算的包围盒内。若顶点超过了包围盒范围，则更新包围 盒顶点。
28.作为进一步的技术方案，实时更新渲染4d模型时，采用多线程编写， 由主界面线程即主线程、存储线程和渲染线程组成；
29.主界面线程随本程序启动而立即启动，在程序结束后销毁，因为主线 程获取用户焦点的优先级最高，执行顺序为首，除主界面线程外的线程均 为其子线程，生命周期受到主界面线程调控。
30.作为进一步的技术方案，线程之间可以相互发送信号，同时有对应的 槽函数接收信号并执行，线程之间通过主线程执行函数将发送信号线程的 信号和接收信号线程的槽函数连接起来，并且可以指定响应该信号的方法；
31.优选的，信号可以将参数传递给槽函数，从而实现线程之间的数据交 换。
32.第二方面，公开了基于虚拟现实的变电站4d-bim可视化系统，包括：
33.4d模型创建模块，被配置为：
34.构建变电站用户图形界面；
35.读取bim文件或规划文件，解析规划文件；
36.根据拖动时间进度条，实时更新渲染4d模型；
37.标准尺寸下的模型创建模块，被配置为：基于虚拟现实创建标准尺寸 下的模型：将创建好的4d模型设置空间位置，进行纹理贴图制作，创建建 筑工作空间，对模型进行操作获得标准尺寸下的模型；
38.施工进度监控模块，被配置为：获取被重建变电站不同角度的视频或 图像进行三维重建，将三维重建后的结果导入到4d-bim平台上进行可视 化展示，将标准模型与重建模型在形态、体积方面做对比，进行施工进度 监控。
39.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
40.本发明提出了一种可移植于多平台的4d-bim方法，并给出了基于虚 拟现实创建
标准尺寸下的模型以及三维重建模型，实现了变电站施工监管 的准确性及实时性，增强了bim在各领域应用的综合性和易用性。
41.基于多视图几何的三维重建技术能够较好的还原物体的形态特征，只 需要拍摄被重建物体不同角度的视频或图像即可实现三维重建，具有简单 且轻便的特点，本发明将多视图几何三维重建方法融入到4d-bim技术中， 实现施工进度管控。本发明将三维重建后的结果导入到4d-bim平台上， 进行标准模型与重建模型形态、体积方面的对比。在短时间内对基建情况 连续拍摄，将重建后的模型结合时间轴形成动态的施工进度展示，结合虚 拟现实技术能够非常直观的查看施工进度情况，从而达到了施工进度精益 管理效果。
42.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的 描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
43.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解， 本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不 当限定。
44.图1为本发明实施例用户操作流程图；
45.图2为本发明实施例规范规划文件实例；
46.图3为本发明实施例树形存储结构示意图；
47.图4为本发明实施例多线程技术流程图；
48.图5为本发明实施例基于虚拟现实的4d-bim方案硬件；
49.图6为本发明实施例多视图几何三维重建示意图；
50.图7为本发明实施例4d-bim示意图；
51.图8为本发明实施例变电站子对象规划示意图；
52.图9为本发明实施例变电站模型中的vr效果；
53.图10为本发明实施例数字化变电站模型中的vr效果；
54.图11为本发明实施例玉皇庙变电站重建。左：空中视角；右：vr视 角。
具体实施方式
55.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的 说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属 技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
56.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非 意图限制根据本发明的示例性实施方式。
57.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组 合。
58.实施例一
59.本实施例公开了一种基于虚拟现实的变电站4d-bim可视化方法，实 现建筑项目施工过程的精益管控，包括：
60.关联建筑模型三维信息与时间信息，形成4d-bim模型；
61.虚拟现实技术融合到4d-bim模型，使整个项目的施工规划得到直观 反映，优化使用施工资源；
62.将三维重建结果整合到4d-bim的模型中，实现施工进度精益管控效 果。
63.本实施例子提出的基于虚拟现实的4d-bim可视化方法，它不同于传 统bim技术的思想，可以使用户沉浸在虚拟空间中，非常直观的进行施工 优化设计。具体地，首先整合建筑模型信息与时间信息，形成4d-bim技 术，拖动时间轴即可总揽变电站建设规划，也可查看单个对象的规划；同 时，本文结合虚拟现实技术使用户可以沉浸在虚拟变电站空间中，以视觉、 听觉、触觉等感官来提高项目感知力。此外，本实施例子还提出了一种 4d-bim与三维重建技术融合的方案，使标准模型与重建模型进行对比，以 此来提高施工进度管理效果。最后通过实例验证了所提方案在变电站建设 中应用的必要性与可行性。
64.具体的，通过本公开技术方案能够将变电站三维模型进行渲染显示， 并结合时间轴实现变电站施工的4d-bim规划功能，使用户能够总览变电 站建设规划，也可以查看单个对象的建设规划。关于4d-bim建模渲染过 程，采用多线程渲染技术提高渲染帧率，具体步骤如下：
65.(1)使用qt构建用户图形界面。具体的，用户可以点击左上角工具 栏打开文件选项，选择读取模型文件或按规范编写的规划文件；若读取成 功，则将在图形渲染模块实时显示模型，图形渲染模块是由qtopengl组 件编写的以opengl为核心的渲染器，在主窗体中体现为3d渲染窗口组件， 嵌入在主窗体中。同时，解析好的细分模型由选择模块作为列表将细分模 型列出，供用户选择和标记，在主窗体中体现为模型列表；若读入规划文 件成功，主窗体出现进度条供用户拖动，实现了模型的时间轴渲染。操作 流程如图1所示。
66.分解变电站整体模型之后得到的单个或者局部的模型为"细分模型"。 在对变电站模型进行重建时的输出文件(模型文件)已经包含了所有"细分 模型"，即已经实现了对变电站整体模型的分解。
67.通过该步骤，使用户能够通过键盘、鼠标输入的方式直观操作和查看 整个渲染结果和规划过程。例如:打开文件；键盘操控镜头移动，缩放；点 选模型；拖动规划时间轴等。
68.(2)读取bim文件或规划文件。在步骤1所构建的用户图形界面的基 础之上，所实现的具体人机交互的功能，即操作窗口菜单栏，选择菜单"文 件"-》"打开规划文件"，即可读取文件。
69.本实施例子中读取的文件为符合autodesk revit规范的rvt文件，或 者其他格式文件，例如ply、obj和pcd等。其中，rvt使用revit二次开发 应用程序接口读取并分离出模型数据；.ply、pcd等文件格式由点云库(plc) 所提供函数统一转换为obj，并使用opengl实用工具库(glm)解析读取。 当用户选择读取模型文件时，只能实现模型的3d渲染。为了将模型信息与 时间信息关联，实现4d渲染，用户需要自行编写规范的规划文件。本文提 出了一种格式为.txt的规范规划文件，编写文件示例如图2所示，可以实现 对bim文件的读入，不需要用户进行手动操作。规划文件编写格式为：指 令+操作对象名称；
70.load[模型文件路径]：加载一个模型文件；
[0071]
root[模型名称]：指定一个模型为根节点；
[0072]
node[parent model name][child model name]:为一个父节点指定一个子 节点；
[0073]
endroot：结束该根节点下面子节点的建立。
[0074]
(3)解析规划文件。当用户读取规划文件后，使用文件输入流实现读 取，解析方法
染。多线程技术流程如图4所示，下面将具体描述各线程之间的通信关系：
[0084]
1.主窗体线程打开文件时，触发信号传递路径参数，由存储线程读取并 响应，读取该模型文件，解析完毕生成树形存储结构。首先获得细分模型 列表，存储线程触发信号传递列表数据，由主线程读取并响应，在主界面 生成模型列表；其次获取树形存储结构最大深度，存储线程触发信号传递 最大深度，由主线程读取并响应，在主界面生成进度条，并设置其最大值。
[0085]
2.主窗体拖动进度条时，触发信号传递时间数据，由存储线程读取并响 应，在树形存储结构中遍历该深度之下所有的节点，并将遍历到的节点存 储的顶点数据提交给渲染器，同时存储线程触发信号，由渲染线程响应， 实时更新渲染界面。
[0086]
具体的，参见图4所示具体流程，通过树形结构遍历，从而将对应时 间深度的模型顶点数据提交到opengl的顶点缓冲器(vertex buffer object， vbo)中，再由opengl组件的顶点数组对象(vertex array object，vao) 进行绑定(bind)并调用opengl的api进行渲染。
[0087]
在opengl技术中，顶点缓冲对象vbo是在显卡存储空间中开辟出的 一块内存缓存区，用于存储顶点的各类属性信息，如顶点坐标，顶点法向 量，顶点颜色数据等。在渲染时，可以直接从vbo中取出顶点的各类属性 数据，由于vbo在显存而不是在内存中，不需要从cpu传输数据，处理 效率更高。vbo保存了一个模型的顶点属性信息，每次绘制模型之前需要 绑定顶点的所有信息，当数据量很大时，重复这样的动作变得非常麻烦。 而vao可以把这些所有的配置都存储在一个对象中，每次绘制模型时，只 需要绑定这个vao对象。vao是一个保存了所有顶点数据属性的状态结 合，它存储了顶点数据的格式以及顶点数据所需的vbo对象的引用。同时， 以opengl为核心的渲染器(renderer)也通过上述方法多线程处理。本文 所提出的opengl组件继承自qopenglwidget类，当上述过程中的vbo 提交到该线程时，线程异步绑定该vbo到vao并进行实时渲染。
[0088]
3.主窗体在模型列表选择模型时，触发信号传递模型名称，由存储线程 读取并响应，在树形存储结构中查找该名称对应的节点，提交该节点存储 的边界框顶底数据给渲染器，同时存储线程触发信号，由渲染线程响应， 在渲染界面显示该模型对应边界框。
[0089]
基于虚拟现实的4d-bim方案实现：
[0090]
bim虽然能将三维模型直观的表达出来，但可视化表达能力还是不足， 用户只能从电脑屏幕或移动设备进行操作，对于经验不足或非专业人士依 然存在着理解问题。而虚拟现实技术可以使用户沉浸在虚拟仿真环境中， 除了视觉以外还可以通过听觉、触觉等感官能力去加深理解，进而增强bim 的易用性。基于虚拟现实的4d-bim方案如下：
[0091]
硬件设备：硬件设备是虚拟现实技术的必需品，主要包括计算机(含 有4d-bim应用程序)、显示器、vr眼镜、vr手柄等，如图5所示。除此 之外还包含定位器、声音设备、振动装置等，这些可以增强用户的沉浸感。
[0092]
软件设计：使用solidworks、3dsmax、cad等软件建模，将创建好 的模型导入到unity3d进行空间位置设计，利用substance designer软件进 行纹理贴图制作，利用unity3d中shader进行渲染，创建建筑工作空间。
[0093]
vr平台搭建：创建虚拟现实环境，然后连接显示屏、接入vr设备， 使用手柄对button或模型进行操作，激发工人潜在的知识，保证项目设计 的合理性。
[0094]
基于虚拟现实与三维重建的4d-bim方案：
[0095]
软件创建的模型是标准尺寸下的模型，对于施工进度管理，还需要对 施工情况进行还原，然后再与标准模型进行对比，以此来判断施工进度是 否合理。基于多视图几何的三维重建技术能够较好的还原物体的形态特征， 只需要拍摄被重建物体不同角度的视频或图像即可实现三维重建，具有简 单且轻便的特点，如图6所示。本文将多视图几何三维重建方法融入到 4d-bim技术中，实现施工进度管控。
[0096]
具体地，首先需要采集计划周期下变电站基建情况的视频(例如每隔 一周拍摄一次变电站基建情况的视频)，利用多视图几何三维重建方法进行 模型重建，将重建模型导入到4d-bim平台上，与计划基建进度下标准模 型进行形态、体积的对比，从而反映出实际施工进度是否符合计划施工进 度。
[0097]
将重建后的模型结合时间轴可以形成动态的实际施工进度展示，结合 虚拟现实技术能够非常直观立体的查看施工进度情况，从而达到了施工进 度精益管控的效果。
[0098]
本实施例子以某种变电站为例，通过本实施例子提出的4d-bim设计 方案得到的结果如图7所示。从图中可以看出拖动时间轴即可查看变电站 的整体规划，同时也能查看单个对象的规划，如图8。经过实验计算渲染帧 率稳定在60帧以上，保证了画面的流畅性。
[0099]
图9是将虚拟现实技术融合进4d-bim的效果图，从图中可以看出， 用户能够以第一人称视角漫游在变电站虚拟空间中，搭配时间轴能够非常 直观的看出变电站各组件的规划位置及顺序。图10是数字化之后的第一人 称视角效果图，未来可用于与数字孪生技术的结合应用。
[0100]
实验通过无人机采集了实际变电站项目某工期下的基建情况，通过多 视图几何三维重建进行现场还原，如图11左图所示。如果用户从这种形式 去评判施工进度很不直观，因此，本文将虚拟现实技术融入到其中，使用 户沉浸在变电站模型中，如图11右图所示。再通过系统自发的将标准模型 与重建模型进行形态和体积的对比，实现施工进度精益管控。
[0101]
为了增强bim技术的综合性和易用性，本公开实施例子提出了现有bim 技术的补充方案，通过加入时间信息形成4d-bim技术，拖动时间轴即可 总览变电站的整体规划，也可以查看变电站中单个对象的规划。同时，将 虚拟现实及技术与三维重建技术融入到4d-bim中，增强了用户的态势感 知力。最终实验结果表明，基于虚拟现实的4d-bim可视化技术能够激发 用户潜在的知识，提高变电站项目管理的质量和效率，同时提高了人机交 互界面的友好性，用户不再需要较强的专业知识，降低了人员参与的门槛， 缓解了就业压力。
[0102]
bim技术作为当前工程建设的热门研究方向，在提升电力工程建设的 效率和质量都有巨大的优势。bim技术不断优化将会给变电站建设带来重 大变革，为智能电网的建设和发展提供保障。
[0103]
实施例二
[0104]
本实施例的目的是提供一种计算机装置,包括存储器、处理器及存储在 存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时 实现上述方法的步骤。
[0105]
实施例三
[0106]
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
[0107]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器 执行时执行
上述方法的步骤。
[0108]
实施例四
[0109]
本实施例的目的是提供基于虚拟现实的变电站4d-bim可视化系统， 包括：
[0110]
4d模型创建模块，被配置为：
[0111]
构建变电站用户图形界面；
[0112]
读取bim文件或规划文件，解析规划文件；
[0113]
根据拖动时间进度条，实时更新渲染4d模型；
[0114]
标准尺寸下的模型创建模块，被配置为：基于虚拟现实创建标准尺寸 下的模型：将创建好的4d模型设置空间位置，进行纹理贴图制作，创建建 筑工作空间，对模型进行操作获得标准尺寸下的模型；
[0115]
施工进度监控模块，被配置为：获取被重建变电站不同角度的视频或 图像进行三维重建，将三维重建后的结果导入到4d-bim平台上进行可视 化展示，将标准模型与重建模型在形态、体积方面做对比，进行施工进度 监控。
[0116]
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应， 具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质
”ꢀ
应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解 为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行 的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
[0117]
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用 的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来 实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它 们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成 单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
[0118]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本 发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案 的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或 变形仍在本发明的保护范围以内。