基于Unity3D的水库大坝巡视检查培训系统

葛从兵，陈 剑，严吉皞

(南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

水库大坝是我国经济社会发展的重要基础设施，在发挥效益的同时，也存在一定的风险，一旦失事，后果不堪设想。通过布设监测设施进行日常观测，可以反映大坝安全性态。但监测设施仅能监测到点，不能全面覆盖水库大坝，存在漏检和盲区[1]，仅有少部分安全隐患是由监测设施发现的，大部分是由水库管理人员、附近居民和游客发现的。因此，相关规范[2-3]明确规定水库大坝巡视检查是大坝安全监测的重要组成部分。对于没有监测设施或监测设施损坏的大部分中小型水库，水库大坝巡视检查对保障水库大坝安全运行尤为重要。但近年来发生的水库安全事件，都是附近居民最先发现，而非水库管理人员在日常巡视检查中发现，这说明一些水库大坝巡视检查工作未达到要求，存在工作不规范、能力不足等问题。所以，开展水库大坝巡视检查培训十分必要。

我国现有水库大坝98 000多座，水库大坝管理人员多，传统培训方式覆盖面窄、成本高、时间长。鉴于此，本文研究严肃游戏[4]，应用BIM[5]、三维建模[6]和3D引擎[7]等技术，研发基于Unity3D[8-10]的水库大坝巡视检查培训系统；通过互联网，对水库大坝管理人员进行培训和考核，提高水库大坝巡视检查水平。

1 系统架构与功能

严肃游戏是以应用为目的，以知识传递、专业训练和模拟为主要内容的游戏，已经广泛应用于培训、教育、科研、军事、医学、工业等领域，与水库大坝巡视检查网络培训需求相切合。借鉴严肃游戏理念，水库大坝巡视检查培训系统由数据层、模型层和应用层组成，系统架构见图1。数据层存储用户、巡视检查知识、训练方案、考核方案和考核成绩等资料，为应用层提供数据储备。模型层包括基础环境、大坝BIM模型、巡检点模型和缺陷模型等，为应用层提供模型支撑。基础环境采用Unity3D构建，大坝BIM模型采用BIM软件根据大坝平面分布图和大坝横断面分布图建立，巡检点模型和缺陷模型采用三维建模软件根据巡检点照片和缺陷照片建立。模型层通过集成和融合这些模型，仿真水库枢纽场景。应用层基于数据层和模型层，应用Unity3D图形用户界面（UGUI）显示巡视检查知识，采用脚本（Script）控制第一人称控制器（RigidBodyFPSController）视角，实现巡视检查训练、巡视检查考核及系统管理。

图1 系统架构Fig. 1 System architecture

水库大坝巡视检查培训系统功能有巡视检查知识、巡视检查训练、巡视检查考核和系统管理。巡视检查知识显示不同类型巡视检查的频次要求、人员要求、主要方法和主要设备，以及巡视检查部位和可能存在的缺陷类型。巡视检查训练以第一人称控制器视角自动行进，遍历所有巡检点和缺陷，到达巡检点时，显示巡检点及其类型、桩号和坝轴距；到达缺陷附近处时，显示缺陷及其类型、桩号和坝轴距。巡视检查考核随机设置缺陷出现与否；当巡检员行进至RFID[11]或GNSS[12]类型巡检点，给出到位提醒；提供记录视窗供巡检员随时记录到达的巡检点和发现的缺陷；根据巡检员到达巡检点和发现缺陷的情况，进行考核评分。系统管理对用户和参数进行管理。

2 系统研发关键技术

2.1 大坝BIM建模

三维建模可以采用BIM建模，也可以采用三维软件建模。BIM建模比三维软件建模精度高，信息量大，但真实感和美观不如三维软件建模。本文对大坝采用BIM建模，对巡检点和缺陷采用三维软件建模。大坝建模可以从0开始，本文利用已有AutoCAD图建模，可减少建模工作量。

（1）分布图导入。在BIM软件立面视图中，建立基岩面、马道、坝顶等标高；在基岩面视图中，导入AutoCAD格式的大坝平面分布图；在有大坝横断面分布图的位置创建剖面视图，导入相应的AutoCAD格式的大坝横断面分布图（图2）。

图2 大坝结构Fig. 2 Dam structure

（2）体量模型建立。采用BIM软件的内建体量功能，为大坝的土层、心墙、反滤层、排水棱体、上游护坡、下游护坡等建立体量模型。在各个大坝横断面分布图的剖面视图中，应用绘线或绘矩形工具，重新绘制各个大坝横断面分布图上相应部分的封闭轮廓线；在三维视图或分析模型视图中，选择所有大坝横断面分布图上的封闭轮廓线，应用创建实心形状功能，建立体量模型。

（3）地形表面创建。在场地视图中，导入AutoCAD格式的大坝平面分布图，应用通过导入创建表面功能，选择大坝平面分布图上等高线，创建两岸山坡地形表面。

大坝BIM模型见图3。

图3 大坝BIM模型Fig. 3 Dam BIM model

2.2 巡检点和缺陷的三维建模

巡检点包括普通巡检点、二维码巡检点、RFID巡检点和GNSS巡检点等，缺陷种类较多，包括裂缝、沉陷、隆起、渗水、管涌和流土等。巡检点和缺陷模型采用三维建模软件创建。

在三维建模软件中，首先创建标准基本体，一般为长方体，利用转换功能，将其转为可编辑多边形。然后进行基本体修改，在修改视窗中，选择可编辑多边形的顶点、边、边界、多边形、元素，应用扩展栏中工具对长方体整体或局部进行修改，获得所需形状。最后进行材质添加，在三维建模软件中，打开材质编辑器新增材质，将新材质的漫反射通道设为位图，选择渲染贴图，再将新材质指定给修改后的长方体。

2.3 水库枢纽场景仿真

2.3.1 基础环境创建 在Unity3D中，应用New Scene功能，创建基础场景，包含摄像机和方向光；应用Terrain功能创建地形，Paint Height功能调整各处高程，Add Terrain Texture功能绘制纹理，Add Tree功能添加树，Add Grass Texture功能添加草皮；将水预制件添加至场景，调整其大小和位置，形成水库水体；将方向光的Shadow Type设为Hard Shadows，为方向光添加阴影；在Lighting视窗中，将Skybox Material设为Sunny1 Skybox，为场景添加天空盒，在Other Settings中选中Fog，为场景添加雾效。

2.3.2 大坝BIM模型集成 在BIM软件中，将大坝BIM模型导出为fbx格式文件；在Unity3D中，采用文件复制方式导入fbx格式文件，形成大坝预制体；将大坝预制体添加场景，通过移动、旋转、缩放，将大坝模型部署在两个山体之间，如大坝与两端山体衔接不好，应用Paint Height功能调整山体范围和高度。

2.3.3 巡检点和缺陷模型融合 在三维模型软件中，将巡检点和缺陷模型导出为fbx格式文件；在Unity3D中，采用文件复制方式导入fbx格式文件，形成巡检点预制体和缺陷预制体；将巡检点预制体和缺陷预制体添加至场景，通过移动、旋转、缩放，将巡检点和缺陷部署至大坝表面，使巡检点和缺陷与大坝融为一体。

2.3.4 角色控制 将第一人称控制器预制体添加至场景，巡检员以第一人称控制器视角对大坝进行巡视检查；由于第一人称控制器自带摄像机，删除场景中原摄像机；依次为坝顶、防浪墙、马道、上游护坡、下游护坡和两侧山体创建立方体，通过移动、旋转、缩放使立方体与上述对象表面完全吻合；全选所有立方体，在Inspector视窗选中Box Collider，不选Mesh Renderer，使这些立方体阻挡第一人称控制器穿透大坝表面，且不在场景中渲染。

3 系统实现

水库大坝巡视检查培训系统运行在x86服务器上，要求CPU主频2.0 GHz以上，内存4 GB以上，硬盘500 GB以上，操作系统Windows Server 2008以上，数据库MySQL 5.7以上，中间件Tomcat 8.0以上。客户端要求使用主流浏览器。

3.1 巡视检查知识

巡视检查知识功能采用文本（Text）控件显示巡检频次、巡检人员、巡检方法、巡检设备。巡视检查内容较多，将其转换为图片，在滚动视图（Scroll View）里显示，可以上下滚动。

3.2 巡视检查训练

（1）导航。设置导航点，构建覆盖巡检点和缺陷部位的导航路径，使巡检员按顺序自动到达巡检点，查看缺陷部位。为保证视角水平，避免上下抖动，每个导航点设置两个目标对象：目标点和视角点。目标点在行进的道路上，是巡检员要到达的地点；视角点在目标点上方1.5 m处，是巡检员视角方向点。巡检员走向下一个导航点时，首先用transform.LookAt（视角点）方法使巡检员朝向导航点，然后用transform.position =Vector3.MoveTowards (transform.position, new Vector3 (目标点三维坐标), speed * Time.deltaTime)语句向导航点逐步行进。

（2）巡检点和缺陷提示。巡检员行进至导航点，通过Vector3.Distance(巡检点位置, transform.position) ＜3查找距导航点3 m内的巡检点，Vector3.Distance(缺陷位置, transform.position) ＜ 15查找距导航点15 m内的缺陷，并显示符合条件的巡检点或缺陷的信息。

（3）训练流程。巡检员，即第一人称控制器按照导航点顺序在大坝上自动行进；到达导航点，搜寻附近巡视点和缺陷；将视角转向巡视点或缺陷，显示相关信息，等待巡检员确认后继续。

3.3 巡视检查考核

（1）缺陷设置。每次考核，显示不同的缺陷，以便检查巡检员发现缺陷的能力。缺陷显示与否，采用随机函数确定。在[0,100]之间生成一个小于50的条件数，尽可能保证显示50%以上的缺陷；针对每一个缺陷，在[0,100]之间生成一个随机数，随机数大于条件数，则显示该缺陷。

（2）到位提醒。巡检仪能够近距离感应RFID巡检点，而GNSS巡检点不可见，需巡检仪根据定位信息确定是否到位。因此，巡视检查考核时，系统模拟巡检仪，对RFID巡检点和GNSS巡检点进行到位提醒。巡检员行进过程中，系统采用Vector3.Distance(巡检点位置, transform.position)方法持续计算RFID巡检点和GNSS巡检点与巡检员之间距离。当距离小于3 m时，显示巡检点到位。

（3）记录。考核时，当巡检员人员认为到达巡检点或发现缺陷，可以单击“巡检点到位”或“缺陷记录”进行记录。巡检点到位，可选择巡检点类型，但桩号和坝轴距不能修改，以保证真实地记录巡检员实际到达位置。缺陷记录，可选择缺陷类型，桩号和坝轴距可以根据估算填写，为了保证位置准确，巡检员尽可能靠近缺陷部位。

（4）评分。根据巡检点和缺陷记录计算考核成绩。比较类型、桩号和坝轴距等信息，确定记录中巡检点和缺陷是否为系统设置的巡检点和缺陷。如是，将按比例得分；否则，按比例扣分，以防巡检员任意填写。

4 结 语

依据水库大坝巡视检查要求，建立存储用户、巡视检查知识、训练方案、考核方案和考核成绩等内容的数据库。应用BIM软件，根据大坝平面分布图和大坝横断面分布图建立大坝BIM模型；应用三维建模软件，根据巡检点照片和缺陷照片建立巡检点模型和缺陷模型；应用Unity3D，集成和融合大坝BIM模型、巡检点模型和缺陷模型，仿真水库枢纽场景。在数据库和模型基础上，应用UGUI和脚本研发基于Unity3D的水库大坝巡视检查培训系统。水库大坝巡视检查培训系统能够向用户传授巡视检查知识，对用户进行巡视检查训练和考核。水库大坝巡视检查培训系统是一个突破时空限制的水库大坝巡视检查训练和考核网络平台，具有覆盖面广、培训成本低、培训时间短等特点，水库管理人员可随时随地访问该系统，接受巡视检查训练和考核，提高水库大坝巡视检查水平。