基于最佳路径算法的虚拟导航在BIM技术中的应用

呼腊梅

（1.北京经纬信息技术有限公司，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081）

0 引言

建筑发展是人类文明进步的重要组成部分，BIM技术的广泛应用给建筑设计、施工和运维阶段的管理带来了巨大变革［1］。在设计阶段，将BIM模型信息应用于能耗、结构、声学、日照、热工程等领域，为绿色建筑提供数据性分析［2-3］；在施工阶段，依托BIM技术，能够对施工初期的工程量进行快速统计，在施工管理、节约成本、减少安全隐患、提高项目效率等方面起到重要作用［4-5］；在运维阶段，BIM技术为房建设备运营状态提供数字化的技术支持，促进运维阶段的BIM模型与实际生产管理结合，提高运维管理效率与能力［6-7］。

GIS导航领域的最佳路径算法，为道路交通运输与线路比选提供了理论与技术支持［8］，并被应用于多个领域［9-11］。在公路系统中采用最佳路径算法，优化了山区公路风险车辆路径问题，对保证人、车和物资安全具有重要指导意义［12］。在室内导航应用中，导航路径成为影响人移动的主要因素，与此同时，导航技术也在不断提升［13-14］。受房间、门、窗等室内构件的约束，房屋在空间布局、拓扑网络和空间约束等方面与传统的道路导航存在差异［15］。由于房屋空间位置的特殊性及复杂性，BIM技术的引入保证了房屋三维空间立体可视化。然而，基于BIM技术的虚拟导航研究相对较少。王游［16］从理论阐述的角度对基于BIM的室内导航进行了网络构建策略分析。

在铁路站房的日常导航路径中，由于车站结构布局不同、房间用途差异大，如何基于BIM技术实现站房内各房间的精确导航，并形成最佳导航路径，是各车站亟待解决的问题。依据BIM技术，采用最佳路径算法，将站房模型与路网图进行匹配性整合，为铁路车站的虚拟导航技术研究及应用提供技术方法。

1 最佳路径算法

由荷兰计算机科学家Dijkstra在1959年提出的Dijkstra算法，包括点、边和边（弧）的权三要素，是最佳路径算法中最常用的一种算法。基于该算法的路网图可形成赋有权值的有向图或无向图。Dijkstra算法适用于所有弧权值为非负的情况，其基本思想是从指定的点Vs出发，逐渐一层一层向外扩充去寻找最短路径。

Dijkstra算法思想：设G=（V，E）是一个带权有向图，把图中顶点集合V分成2组S和U，S中只有起始点s，U中是除s之外的顶点，并且U中顶点的路径是“起点s到该顶点的路径”。然后从U中找出路径最短的顶点k，并将其加入到S中；接着从U中移除顶点k，更新U中的顶点和顶点对应的路径，再从U中找出路径最短的顶点，并将其加入s中，按最短路径长度的递增次序依次把第2组的顶点加入S中，接着更新U中的顶点和顶点对应的路径。直到遍历完所有顶点。

2 数据模型搭建

2.1 BIM模型

BIM建模主要是利用二维CAD图纸作为底图，在Revit软件中搭房建模型。主要包括创建标高和轴网，利用族库信息搭建梁、板、柱墙等构件、添加构件信息，存储Revit文件。在Revit文件创建过程中，能实现数据与模型的互联互通。以京张高铁昌平站作为实验区域，在Revit软件中搭建BIM模型，并为各模型构件添加属性信息，BIM模型平面见图1。图1中选中构件为花岗岩地面，右侧列表中展示该构件的详细信息。

图1 BIM模型平面

2.2 路网模型

路网模型包括点模型和线模型，点模型作用是确定室内与室外的关键位置，形成关键站点，线模型作用是连接各站点模型，实现点点之间路径连通。搭建路网模型时，利用二维CAD图纸作为底图，在CAD中绘制点与线。针对穿墙和窗户的构件，线模型不与表示该类构件的线型相交；针对门构件，线模型穿过门，直到各房间内部。绘制点模型时，需要将点模型与线模型相连，实现各关键站点之间路径关联。昌平站一层路网见图2。

图2 昌平站一层路网

3 虚拟导航技术

基于BIM的虚拟导航技术是将三维BIM模型与路网图进行集成，采用Dijkstra算法，实现三维场景下的最佳路径选择。主要通过数据轻量化、坐标系转换、站点选择等技术实现虚拟导航。

3.1 数据轻量化

数据轻量化，分为BIM模型轻量化和CAD图纸轻量化。BIM模型轻量化，不仅可以实现数据与模型分离，同时能够降低模型的存储空间，实现不同数据格式的统一化管理。模型轻量化的基本原理是将BIM模型实体表面进行三角面片划分，除去冗余的几何形状、节约模型的存储空间，同时将BIM模型中携带的属性信息集中存储在数据库中进行统一管理。CAD图纸轻量化主要是将CAD中表达的点元素与线元素进行几何形状和数据信息分离。CAD图纸和BIM模型采用同一种轻量化工具，能实现不同格式数据、不同格式模型的标准化、统一化管理，便于路网图与BIM模型匹配。昌平站选用Supermap-idesktop软件进行Revit模型与CAD数据的轻量化处理。

3.2 坐标系转换

BIM模型经过轻量化后，可以在三维场景中查看各构件的信息。与BIM模型对应的路网图在二维CAD软件环境中创建，因此需要将路网图转换到三维坐标系中。在Supermap-idesktop中，需要将轻量化的路网图进行二、三维坐标系转换。其思路是首先设定路网坐标系，如二维平面中的84坐标系；其次选择该路网在三维场景中适合的坐标系，如三维地理环境下的84坐标系，通过三参数转换法（Geocentric Translation）进行二、三维坐标转换；再次将轻量化后的路网图二维点、线分别进行三维点、线转换，形成三维空间下的路网图；最后，通过配准的方式，分别在路网图与BIM模型中相同的位置刺点，并计算路网图和BIM模型的配准误差，在误差允许范围内时，即可进行配准，实现轻量化后的路网图与BIM模型在球面场景中的融合。

3.3 虚拟导航

基于Dijkstra算法，依次选择路径中的起始、经过、终止站点，并对各站点进行命名，依据路径最短的原则，自动识别出最佳路径。通过虚拟路径的预演功能，可在视图中动态查看基于BIM模型的虚拟导航指示标准确位置，实现导航路径在虚拟环境中的实用性。针对路径中存在障碍物的情况，可在视图中设置障碍点，在导航路径的模拟中能够自动避开障碍物，实现路径的最优选择，达到存在障碍物条件下的虚拟导航。

4 应用实例

以京张高铁昌平站为例，对基于BIM的虚拟导航技术应用展开研究。主要包括数据配准、模型整合和虚拟导航路径选择。

4.1 数据配准

基于关键点、线重合的原理，利用Revit软件中的楼板族库搭建路网图外轮廓模型，并将新搭建的外轮廓位置与既有的Revit模型位置进行匹配，采用4点配准法，将路网图与既有的轮廓模型配准（见图3）。图3中，左侧配准图层为轻量化后的路网图层，源点X、Y值为路网图中编号1、2、3、4的坐标点；右侧参考图层为与Revit模型相对位置匹配的轮廓模型，目标点X、Y的值为昌平站编号1、2、3、4的关键点实际坐标值。计算参考图层和配准图层的误差，所得误差在允许范围内时，可将路网图配准到新的坐标位置。

图3 路网图与BIM模型数据配准

4.2 模型整合

将配准后的模型经过图层叠加，形成具备路网元素的三维BIM模型，路网图与BIM模型融合效果见图4。图中白色线为路网图的线元素，蓝色点为路网图中的点元素。通过选择点元素，并给点元素命名，即可实现不同站点最佳路径的虚拟导航。

图4 路网图与BIM模型融合效果

4.3 虚拟导航

在三维BIM场景中，通过选择不同类型的虚拟导航指示标，可模拟虚拟环境中的导航路径（见图5）。图5中展示从门厅到1#卫生间的虚拟导航路径，三角形箭头方向为虚拟导航行驶方向。

图5 虚拟导航路径

4.4 路径选择

通过选择不同站点，即可实现三维BIM环境下的最佳虚拟导航路径展示，无障碍最佳虚拟导航路径见图6、存在障碍最佳虚拟导航路径见图7。图6展示从门厅到1#卫生间的无障碍最佳虚拟导航路径；图7展示当最佳虚拟导航路径中存在障碍时，可自动避开障碍点，形成新的最佳路径。

图6 无障碍最佳虚拟导航路径

图7 存在障碍最佳虚拟导航路径

5 结束语

基于Dijkstra算法，利用BIM技术，在三维场景中展开虚拟导航应用。利用CAD和Revit软件分别搭建路网图和BIM模型，并在Super-idesktop中进行轻量化，对轻量化后路网图元素和BIM数据采用配准模式，实现路网图与BIM数据融合，最终实现不同情况下的最佳路径在BIM场景中的虚拟导航。