AR技术在黄金峡水利枢纽建设管理中的应用

陈玺 苏岩 燕军乐

摘 要：基于Unity平台，利用Vuforia和ARCore等开发工具及3DMax及Maya等三维模型搭建技术，开发黄金峡水利枢纽AR软件，实现了AR水利枢纽展示、水利枢纽全景展示及VR厂房游览三大功能。经测试，软件性能和功能等方面均符合设计要求。将增强现实技术（AR）和虚拟现实技术（VR）有效应用于黄金峡水利枢纽的建设与管理中，提高了水利樞纽管理、设计、施工的科学性与高效性，提升了工程的智能化建设水平。

关键词：增强现实技术;虚拟现实技术;智能化建设;软件;黄金峡水利枢纽

中图分类号：TV731 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.030

Abstract： The AR software of Huangjinxia HydroJunction was developed on Unity engine by using the Vuforia SDK， ARCore SDK and 3D model building technology such as 3DMax and Maya. The software implemented three major functions， which was AR hydro junction display， hydro junction panoramic display and VR hydropower plant tour. After testing， the software performance and functions can meet the design requirements. Using augmented reality technology （AR） and virtual reality technology （VR） in the construction and management of the Huangjinxia HydroJunction can improve the scientific and efficient management， design and construction of the water conservancy project and enhanced the intelligent construction level.

Key words： augmented reality technology; virtual reality technology; intelligent construction; software; Huangjinxia HydroJunction

近年来，随着我国大数据、云计算、移动互联网、物联网等新一代信息技术的发展与革新，我国水利工程智能化建设与管理也发展起来[1-2]。AR技术（增强现实技术）特有的沉浸式角度可使用户置身于虚拟的水工建筑物之中，并可在现实场景下叠加完建后的场景。将AR技术运用在水利工程中，能够提升参建各方对水利枢纽的整体把握及空间布局理解，提高工程建设管理、设计、施工等工作的科学性与高效性，并起到及时纠偏的作用[3]。

三维世界一般可以分为真实世界、增强现实的世界、增强虚拟的世界和虚拟世界4个部分。AR技术是VR技术（虚拟现实技术）的延伸，在现实的基础上，增加一部分虚拟的信息，将真实世界信息和虚拟世界信息融合，在屏幕上实现虚拟世界和真实世界的互动，带给体验者超越现实的感受[4]。VR技术及AR技术已经较为广泛地应用在了传媒、教育、医疗、军事、航空、航天等领域[5]。水利工程结构复杂、体量巨大、周边环境复杂多变、边界条件难以控制、网络通信条件较差等特点，使得AR技术的应用受限，VR技术仅在工程规划设计、建筑物模拟仿真及工程量计算、防洪预警等方面有少量运用[6-9]。笔者基于Unity平台，利用Vuforia和ARCore等开发工具开发了黄金峡水利枢纽AR软件，将VR及AR技术有效应用于工程建设与管理中，提高了管理、设计、施工的科学性与高效性，提升了工程的智能化建设水平。

1 工程概况

黄金峡水利枢纽位于汉江干流上游峡谷段，陕西南部汉中盆地以东的洋县境内，为引汉济渭工程的第一水源，总库容2.21亿m3，调节库容0.98亿m3。由挡水建筑物、泄水建筑物、泵站电站建筑物、通航建筑物和过鱼建筑物等组成[10-12]。

挡水建筑物采用碾压混凝土重力坝，最大坝高63 m，坝轴线总长349 m，共分16个坝段。从左至右依次为左岸非溢流坝段、泵站坝段、导墙坝段、底孔坝段、纵向围堰坝段、表孔坝段、右岸非溢流坝段。

泄水建筑物采用表、底孔结合，以表孔为主的布置方式。表孔共5孔，孔口尺寸14 m×25 m（宽×高），堰顶采用WES实用堰面曲线;设置一个底孔，孔口尺寸8.0 m×12.5 m（宽×高）。表、底孔运行均以弧门控制，另设事故检修平板门。

泵站电站采用河床式泵站+坝后式电站布置在左侧河床，泵站、电站顺流向前后布置，电站布置于泵站下游。泵站安装7台1.8万kW立式水泵机组，总装机功率为12.6万kW;电站安装3台4.5万kW水轮发电机组，总装机容量为13.5万kW。

通航建筑物初步设计为垂直升船机，与右岸第5号溢流表孔结合布置，暂缓修建;过鱼建筑物为鱼道形式，布置在左岸边坡上，全长约1 970 m。

2 黄金峡水利枢纽AR软件开发

黄金峡水利枢纽AR软件开发时，根据相关设计图纸及现场实际情况，通过3DMax及Maya对虚拟场景进行三维建模、渲染并制作部分特效;在Unity3D平台进行虚拟场景渲染及交互设计;利用Vuforia和ARCore开发工具，实现根据标识物的位置显示对应增强现实场景、叠加虚拟信息、音频讲解、视频播放等人机虚拟交互功能。其总体框架如图1所示。

2.1 3DMax及Maya技术

3DMax全称为3D Studio Max，是Discreet公司开发的（后与Autodesk公司合并）基于PC系统的三维模型建立、动画设计及效果渲染软件，广泛用于游戏、影视、机械、建筑等领域。3DMax是一种多边形对象建模方式，建模方式灵活，操作界面友好，可以创建大型三维模型，且模型修改簡便;软件对系统配置要求不高，兼容性强，可通过其他插件实现更多功能，也可与高级渲染器进行连接，提升模型及动画效果，因此它成为建筑、水利及相关行业最为常用的建模及动画制作工具之一[13]。

Maya是Autodesk公司出品的三维动画软件，集成了Alias、Wavefront 最先进的动画及数字效果技术。相比于3DMax，Maya的基础层次更高、功能更加强大、动画效果更加细腻、真实且使用更加灵活，但其插件及模板较少，更多参数需要自己设定，因此使用起来稍显复杂。在国内，Maya较多用于电影特效、3D游戏、广告宣传、网页制作等方面[14]。

3DMax及Maya技术均可输出Unity支持的模型格式，且具有场景逼真、特效优异等特点，因此选用这两个软件对黄金峡水利枢纽大坝、鱼道、电站、泵站进行建模、贴图及制作部分动画、特效。

2.2 Unity3D技术

Unity3D是由丹麦Unity Technologies公司开发的专业虚拟现实引擎，是一个可创建三维游戏视频、建筑可视化、实时三维动画等交互内容的综合型开发平台。其具有跨平台性良好、开发环境简单易学、资源导入便捷、兼容众多软件开发工具包（SDK）、综合剪辑和图像处理功能强大等优势，现被广泛应用于虚拟现实研究及三维游戏开发等领域。

Unity3D的编辑器可在Windows、Linux及Mac OS X系统下运行，可发布产品至Window、Linux、Mac OS X、IOS、Android、Web browsers、Play Station3、Xbox One、Xbox360、Windows Phone等多种主流平台;支持的编程语言主要为C#及Java等[15-16]。选用Unity3D平台作为黄金峡水利枢纽AR软件的开发平台，配合Vuforia及ARCore等软件开发工具包（SDK），完成软件功能的开发，并发布在Android平台，开发过程中使用的编程语言为C#。

2.3 Vuforia及ARCore技术

Vuforia是高通子公司针对移动设备AR应用的软件开发工具包（SDK），2015年被物联网软件开发商PTC收购，因其优异的性能和开源免费使用，成为最受欢迎的AR应用软件开发工具包之一。Vuforia提供的主要模块有Application Code（应用程序代码）、Cloud Databases（云数据库）、Device Databases（设备数据库）、Camera（摄像机）、Image Converter（图像转换器）、Tracker（追踪器）、Video background renderer（视频背景渲染器）、Word Targets（文本目标）、User Defined Targets（用户自定义目标）[17-18]。

ARCore是谷歌推出的用于搭建增强现实应用程序的免费软件开发工具包（SDK），主要用于Android平台AR应用软件开发。因其优秀的光源感知能力、环境感知能力、动作捕捉能力、区域学习功能而受到越来越多开发者的欢迎[19-20]。

黄金峡水利枢纽AR软件开发时，选择了Vuforia及ARCore两种主流软件开发工具包（SDK），来实现标识物特征点捕捉跟踪、虚拟模型与视频真实场景融合、根据环境光实时改变虚拟模型明暗阴影自适应、虚拟信息叠加（包括动画、音频、文字等）、漫游导览等功能。

3 黄金峡水利枢纽AR软件测试

在软件开发完成后，为尽可能检测和排除子系统（或系统）结构或相应程序结构上的错误，使所有的系统单元配合合适，整体的性能和功能完整，保证每个单元能正确地实现其预期的功能，需对软件进行功能测试、用户界面（UI）测试、性能测试、回归测试和安装测试五个方面测试，选择测试设备为某国产手机旗舰机型。

在设备进行黄金峡水利枢纽AR软件安装，运行各模块30 min，记录30 min内软件运行情况，并通过ADBTool调试工具、UnityProfile工具和安卓系统自带性能查看功能，记录设备各方面参数。

测试结果显示：软件安装、切换及各模块功能均可正常使用;各窗口风格（包括颜色、字体、提示信息、图标等）与需求保持一致，满足用户界面的友好性、易操作性，符合用户操作习惯;软件运行之后，在功能初始化阶段，机器会在短时间内CPU占用率上升，当初始化完成后CPU占用率下降，保持在55%左右，运行平稳，不会出现卡顿的情况;内存占用一直控制在1 GB以内，满足测试要求。

4 黄金峡水利枢纽AR软件操作及成果

黄金峡AR软件主要提供了AR水利枢纽展示、水利枢纽全景展示及VR厂房游览三大模块。其中：AR水利枢纽展示模块运用增强现实技术（AR），将黄金峡水利枢纽竣工后的虚拟场景叠加到现实场景中，在移动设备对准大坝施工场景时，会在左右边坡间展示出大坝竣工效果，并可模拟船只通过升船机从下游到上游的整个过程，以及大坝表孔和底孔泄洪过程;水利枢纽全景展示及VR厂房游览模块运用虚拟现实技术（VR），通过移动设备将用户置身于虚拟场景中，用户可在程序预设的路径下游览水利枢纽厂房内全部结构，也可控制角色在虚拟场景中自由移动，进而体验水利枢纽厂房的内部结构，观察虚拟设备安装及运行情况。具体软件功能如图3所示。

（1）AR水利枢纽展示。在实现AR水利枢纽展示时，用户首先需在系统预设的5个最佳观察点选择自己所处位置，以保证识别出的大坝模型与左右岸边坡结构完全吻合，确保观察效果;之后使用手机后置相机对准指定场景即可显示虚拟大坝;用户可通过手机上放大、缩小的操作，调整场景大小，同时可利用软件右侧按钮实现表孔泄洪演示、底孔泄洪演示和通航演示功能。

（2）水利枢纽全景展示。在实现水利枢纽全景展示时，首先应根据系统预设的6种情况对天气进行设置，之后便会进入水利枢纽展示页面，用户可以利用单手指触摸屏幕来旋转场景及双手指触摸来拉近、推远场景，并可通过右侧功能按钮实现通航展示、泄洪展示及鱼道展示功能，操作页面见图4。

（3）VR厂房游览。进入VR厂房游览时，软件将处于半透明巡游展示状态，并出现全厂房演示、泵站演示、电站演示三种模式供用户选择，操作页面如图5所示。当用户选择全厂房演示时，软件将根据预设路径对泵站及电站各部位进行展示及讲解;在讲解到重要部位时，将对该部位进行放大加亮展示，并显示其主要参数。当用户选择泵站演示时，页面将进入泵站内部，并出现手动游览及自动游览两种选择，自动游览模式下用户将跟随系统预设路线对泵站内部进行游览，手动模式下用户可根据左下角控制器浏览厂房的任意部分。与泵站演示类似，电站演示也提供了自动游览及手动游览两种模式供用户选择。

5 结 语

黄金峡水利枢纽AR软件的开发，以Unity3D平台为基础，借助3DMax、Maya、Vuforia、ARCore等技术，实现AR水利枢纽展示、水利枢纽全景展示及VR厂房游览三大功能，对完建后的重力坝、泵站、电站建筑物、升船机、鱼道等建筑物进行直观展示，使用户可置身其中了解各结构的细节构造及运行机制。此外，有效地对设计及施工起到了纠偏作用，提高了管理、设计、施工的科学性与高效性，也为水利枢纽的科普教育及参观打下基础，提升了工程的智能化水平。

现阶段软件的开发偏向于施工完建状态，缺乏施工过程中相关信息及内容，对水利工程建设全生命周期的帮助作用还较为有限。后续引汉济渭工程将以物联网为纽带，融合BIM、GIS、5G通信、区块链等技术应用于建设和运行全过程，搭建建管平台，整合施工过程中地理、地质、施工工序、现场检测、质量检测及安全、进度、成本等信息，实现工程建设和运行的全生命周期管理。

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【责任编辑 张华岩】