基于增强现实的智能建造虚拟仿真实验教学系统_张馨予.pdf

收稿日期:2022-08-31基金项目:2021 年广东教育科学规划课题基于智能建造虚拟仿 真 技 术 教 学 模 式 研 究-以 土 建 类 专 业 为 例 (2021GXJK374);2018 年广东省教育厅高等教育教学改革研究项目“基于交互式移动教学的翻转课堂教学研究与实践 以房地产估价为例”(粤教高函2018180 号)作者简介:张馨予(1990-),女,吉林大安人,硕士研究生,讲师、中级工程师。通讯作者:吴宇静(1976-),女,广东从化人,硕士研究生,讲师。基于增强现实的智能建造虚拟仿真实验教学系统张馨予,吴宇静,王晓轩,陈 静(广州华立学院,广州 511325)摘 要:针对当前高拱坝施工可视化效果差,导致无法对施工质量和施工进度进行有效管理的问题,提出基于增强现实技术实现高拱坝仓面施工智能建造和仿真模拟。首先,根据高拱坝仓面施工的工序关系,通过增强现实技术对高拱坝仓面施工进行可视化仿真流程构建和数学模型构建;然后计算出仓面的工序历时;最后根据施工机械工作位置和坐标进行仓面施工仿真。工程应用表明,基于增强现实的仿真模型对仓面 1 施工的实际历时为 24.73 h,低于标准平均值为 26.38 h,置信度控制在 95%以内,由此说明该模型对仓面施工的计算结果准确较高,可准确反映仓面实际施工情况。仿真验证发现,提出的方法可实现高拱坝施工进度的精细仿真,很大程度上提高了可视化效果,施工管理人员可根据虚拟仿真模型结合现场实际情况对施工进度和施工质量进行分析管理,可提升高拱坝整体施工效果。关键词:增强现实;智能建造;虚拟仿真;高拱坝;施工工序 中图分类号:TP392 文献标识码:A DOI 编码:10.14016/ki.1001-9227.2023.01.140Virtual simulation experiment teaching system based on augmented realityZHANG Xinyu,WU Yujing,WANG Xiaoxuan,CHEN Jing(Guangzhou Huali College,Guangzhou 511325,China)Abstract:For the current visual effect of the construction of the high arch dam is poor,leading to the effective manage-ment of the construction quality and construction progress,it is proposed to realize the intelligent construction and simulation of the high arch dam warehouse surface construction based on the augmented reality technology.Firstly,according to the process relationship of high arch dam warehouse surface construction,the visual simulation process construction and mathe-matical model construction of the process duration are calculated;finally,the construction simulation is conducted according to the working position and coordinates of construction machinery.The engineering application shows that the actual duration of the construction of the warehouse surface 1 in the simulation model based on augmented reality is 24.73 h,26.38 h below the standard average,and the confidence degree is controlled within 95%,which shows that the calculation results of the warehouse surface construction are relatively accurate and can accurately reflect the actual construction situation of the ware-house surface.The simulation verification found that the proposed method can realize the fine simulation of the construction progress of the high arch dam,which improves the visual effect to a large extent.The construction management personnel can analyze and manage the construction progress and construction quality according to the virtual simulation model and the actual situation on the site,which can improve the overall construction effect of the high arch dam.Key words:augmented reality;intelligent construction;virtual simulation;high arch dam;construction process0 引言近年来,随着计算机技术和虚拟现实技术的不断发展,通过虚拟仿真技术在建筑施工中进行三维可视化建模逐渐成为当前建筑施工领域进行施工进度管理的重要形式。如在高拱坝施工、桥梁施工和高层建筑中均有所应用。然而,传统的高拱坝施工进度仿真主要对拱坝的整个施工过程进行模拟仿真,而在具体的仓面建筑中则无法准确地进行可视化分析,且不能准确地对仓面施工工序进行指导,存在跳仓跳块和高差约束等现象,从而很大程度上影响了高拱坝的整体施工进度。针对此问题,已有部分学者和专家进行了大量研究,并取得了一定的研究成果。巩文斌以某高层建筑为研究对象,提出了基于虚拟现实方法对新工科建筑类专业多学科进行融合,并构建了创新虚拟仿真平台,实验发现,该平台可对高层建筑的整体结构进行三维建模,可实现各个楼层的分段施工和管理1;陈湘生等针对城市的隧道工程的施工管理,提出了对城市盾构隧道进行数字化智能建模,并对该隧道的建造发展进行深入探究和概述,为隧道工程的可视化提供了有效的参考依据2;陈颖博等以041基于增强现实的智能建造虚拟仿真实验教学系统 张馨予,等“AR 盒子”虚拟仿真学习环境为例,提出了基于增强现实技术对体育场馆整体建筑施工过程进行学习和分析,通过 AR 虚拟仿真可对该场馆进行全方位分析3。基于此,为实现高拱坝仓面的三维可视化分析和施工进度管理,提高高拱坝仓面施工质量和整体效果,提出基于增强现实技术,构建一个智能建造虚拟仿真实验教学系统,通过此系统进行高拱坝仓面施工流程和数学模型仿真,并计算其具体施工工序时间,将其与各个施工部位进行一一对应,从而提升高拱坝仓面施工进度和施工效率。1 仓面施工仿真1.1 高拱坝仓面施工过程高拱坝仓面施工的具体流水作业如图 1 所示。主要包括施工准备、基坑开挖、仓面施工、后期养护等步骤4。图 1 高拱坝仓面施工流水作业示意图其中,仓面施工主要包括卸料、平仓、振捣、养护等步骤。卸料方面混凝土的入仓主要采用缆机吊罐入仓方式;振捣工序采用机械振捣;平仓采用机械平仓机进行平仓操作5。为提高施工效率和缆机利用率,施工时多根据缆机数量将仓面分为多个卸料区域和多个条带,通过施工工段和工序进行施工,从而降低重复工作成本和避免施工不均衡问题,进一步加快施工流水进度。1.2 高拱坝仓面施工仿真流程基于高拱坝仓面的实际施工过程,即可构建相应的施工仿真流程,整体流程如图 2 所示。图 2 高拱坝仓面施工仿真流程由图 2 可知,仓面施工仿真主要分为仓面仿真主流程和子流程,主流程即对仿真系统的整体运行状态进行表述;子流程则对各个施工工序的运行状态进行具体表述。主流程主要包括浇筑坝块和施工工艺确定、层面冲毛处理、冷却水管铺设、缆机卸料、振捣和仓面养护等操作6;子流程则包括振捣仿真子流程和缆机卸料子流程。1.3 施工历时分析高拱坝仓面施工主要采用条带法施工方式,在此施工中主要采用的机械设备为缆机、平仓机和振捣台车。基于此,分别对三种机械的施工历时进行具体分析。若三种机械的分配比例为 1:1:1,将缆机数量和仓面施工区域均设置为 m 个,则每个施工区域的条带为 L个,仓面面积和总划分胚层分别表示为 S 和 J,基于以上参数,则可得到不同机械设备的施工历时7。(1)缆机历时。缆机工作流程可表述为等待装料装料重载卸料空载返回-拌合楼洗楼,计算公式可表示为:Tc=Nn=15i=1tin+sig n()tw(1)式(1)中,Tc和 N 分别表示缆机工作时长和循环次数;i为缆机一次工作的具体工序;tin和 sig n()分别表示为缆机第 n 次运输后,第 i 道工序的工作时间和缆机是否发生拌合楼洗楼。若发生,则 sig j()=1,若没有发生,则 sigj()=0;tw表示一次半盒楼洗楼时间8。(2)平仓机历时。平仓机的工作是将堆积的混凝土料根据浇筑厚度进行推平,所用时间为对应一罐混凝土推平时间,在缆机进行卸料工作间歇状态下,即可进行平仓机工作。(3)振捣施工历时。振捣施工主要分为机械振捣和人工振捣两种形式,通常以振捣车使用时间作为振捣作业时间9。2 高拱坝仓面施工可视化仿真2.1 基于增强现实原理增强现实装置的基本架构为 C/S 架构,增强现实主要通过相机云感知施工场地姿态,利用 WebSocket 技术和 WebGL 技术分别进行增强信息传输和增强现实画面渲染。增强现实的基本工作流程如图 3 所示。图 3 增强现实的基本流程141自动化与仪器仪表2023 年第 1 期(总第 279 期)2.2 增强现实注册方法要实现增强现实的最终渲染,必须对增强现实进行注册。其主要原理即将虚拟模型的信息与现实场景的各个坐标位置进行一一对应10。坐标系转换主要分为五个步骤,具体表现为:(1)大坝坐标系转换为虚拟世界坐标系首先对大坝坐标系 OD-XDYDZD和相机 C(XCD,YCD,ZCD)进行增强信息注册,得到 P XPD,YPD,ZPD(),通过对其进行平移和旋转操作后,即可确定虚拟世界坐标系OW-XWYWZW的坐标11。具体计算式可表示为:XCWYCWZCW=RXCDYCDZCD+E(7)XPWYPWZPW=RXPDYPDZPD+E(8)(2)虚拟世界坐标系转换为相机坐标系其中,相机姿态和相机坐标分别表示为,()和 CXCW,YCW,ZCW(),根据此两个数据即可获得相应的坐标系转 换 关 系,从 而 得 到 虚 拟 模 型 的 具 体 坐 标 PXPC,YPC,ZPC()12。其计算公式可表示为:XPCYPCZPC=cos 0-sin01 0sin 0 cos1 000 cossin0-sin cosXPWYPWZPW-XCWYCWZCW(9)(3)相机坐标系转换为图像坐标系相机配置焦距和采集焦距倍数分别表示为 f 和 Z,通过这两个数据可进行坐标系转换,由此得到图像坐标系中的