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上海地铁使用 Unity 开发智慧轨交数字孪生综合运维应用: 原创 2021-12-30

上海博坤信息技术有限公司

研发中心技术总监姚晔俊

在工程项目的全生命周期内，Unity可以利用数字孪生技术为运维人员架设出一座虚实结合的可视化交互桥梁。它将详实全面的工程数据和设备属性、状态数据，与栩栩如生的可视化虚拟仿真场景相结合，真正构建出实时、可交互的泛在感知体验，为‘新城建’的智能化建设、交付和运维提供了有力的实现手段。

“万亿级”市场规模揭示“新城建”巨大潜能

智能化、数字化的浪潮，正从根本上改变着每一个行业的面貌，关系亿万人居住和生活质量的城市建设与管理领域亦不例外。今天，具备数字化、网络化、智能化特征的“新城建”已经成为未来基建转型的重点方向之一，并迎来快速发展机遇期。

据统计，到 2023 年，中国新型智慧城市的市场规模将达到 1.3 万亿元，复合增长率达到，其中，安全综合治理、智慧园区、智慧交通等细分市场将占据智慧城市投资的 71%，当仁不让地成为智慧城市建设的重点领域。

智慧城市快速增长的内在动力，是在伴随“新基建”发展不断成熟落地的 5G、云计算、物联网、大数据、人工智能等 ICT 技术的支撑下，城市管理模式和居民生活方式不断寻求智慧化转型的强劲需求。

CIM+数字孪生“引燃”数字新城建应用价值爆点

未来 5-10 年内，城市综治和居民生活的发展趋势包括，基于云、边、端架构的新型基础设施和终端设备将大量改造、落成和上市，用于城市数据的感知、处理、存储和交互并实现“数字化新城建”；市民将在出行、家居、工作、购物等各个生活场景通过手机、手环、眼镜、汽车等智能设备获得如扩展现实、裸眼3D、语音和手势交互等多模态的沉浸式人机交互决策辅助，从而由重复性的人力劳动解放出来，大大提升效率和体验。

为此，以 BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）、GIS（geographic information system，地理信息系统）、物联网（IoT）等技术为基础的城市信息模型（CIM）正与数字孪生、实时 3D 等技术相结合，构建三维数字空间的城市信息有机综合体。

实时交互及真实数据集成“颠覆”运维体验

上海博坤信息技术有限公司就是一家投身于数字新城建市场蓝海的“扬帆者”。依托自身卓越的行业洞察、技术开发能力以及 Unity、欧特克等厂商的生产力工具，这家由上海市城乡建设和交通发展研究院、上海市隧道工程轨道交通设计研究院、上海市市政规划设计研究院有限公司共同出资成立的创新公司，在 CIM、三维模拟仿真、大型数据共享平台集成以及城市建设管理信息化应用领域积累了强大的技术实力，拥有市政轨道交通、智慧校园、智慧园区等一系列典型的“新城建”运维数字孪生开发案例。

市政轨道交通，也就是日常所说的地铁，其运维阶段的数字孪生中 BIM 的价值主要体现在维护设备正常运行以保障乘客出行安全。而对于地铁运维人员来说，光一个车站需要管理的设备就有成千上万个，品类包括自动扶梯、安检机、屏蔽门、摄像头、烟感、机柜、保障空调、电力、水管等，日常工作具有故障定位慢、数据孤岛、二维平面数据难以快速应用于实际流程和场景等诸多痛点。

姚晔俊谈到：“市政工程的 BIM 模型如果仅仅用于对建筑设施的可视化展现，它的信息量是非常少的。而 BIM 模型一旦有了属性数据之后，它的价值会实现飞跃式增长。博坤通过感知元件将地铁设备接入一个综合监控系统，采集设备运行、检修、故障等实时状态数据，再将数据实时映射为 BIM 模型的属性数据并导入 Unity 实现虚实同步的三维可视化场景，就能够进一步为工程项目的全生命周期管理提供一个沉浸式的数字化运维平台。”

利用Unity将综合监控系统的数据和BIM模型信息进行整合，形成线上轻量化模型

这样的沉浸式数字化运维平台，能够借助“虚实结合”的数字孪生桥梁，颠覆原有“纸面上”的运维模式，帮助运维人员快捷、直观地掌握城建设施及其设备的各项状态，迅速识别和排除故障，保障设施的运行安全，解决地铁日常运维工作的诸多痛点。

由虚入实“玩转”智慧轨交和智慧园区

基于这样的创新模式，博坤已经为一系列“新城建”工程打造出功能丰富的运维“利器”。例如，上海轨道交通十七号线，是上海首条全线 BIM 建模的轨道交通线路，其所有的设备、车站、区间都进行了建模，并广泛应用了传感器和综合监控。

利用将 BIM 模型和综合监控系统数据导入 Unity 形成可视化交互的整体应用后，可以实现自动检票机状态监控、错层状态下的设备报警查看、站内蓝牙定位及轨迹查询、基于 RFID 射频识别的站内物资管理及监控等诸多功能。此外，为了让车站运维人员能够尽可能方便地去操作这一平台，系统还采用了无感人脸识别登录技术和触屏操纵的模式，颇有一种“未来已来”的前沿操作体验。

这一应用模式同样在上海轨道交通十六号线惠南站落地开花并在 2021 年底即将通车的上海轨道交通十八号线北段以及上海轨道交通十四号线全线铺开应用。运维人员通过点击系统地图，可以对站内的任何位置进行快速查看，也可以通过第一人称的方式查看现场的虚拟化场景，或是通过楼层切换、多视角切换等方式进行虚拟漫游。在底部的数据面板上，系统则集成了实时的客流数据及监控数据，方便站内人员进行使用。一些资产数据、统计数据也可以接入到平台中来，方便各类管理人员掌握站点信息。

平时在运维过程中，运维人员可以利用场景中具有三维坐标属性的虚拟标签进行快速巡检，对各类设备的实时状态数据进行快速检索和监控，点击一个设备即可查看基本信息、维保信息等文件和数据；而一旦出现设备报警，虚拟场景中的设备将会“贴上”表示故障的红色标签，运维人员只需点击故障标签就可以快速跳到具体位置，还可以调取各个位置摄像头的实时画面比对排查故障。

除了城市轨道交通之外，BIM+Unity 开发模式也被博坤用于智慧校园项目——西湖大学的项目当中。尽管项目仍处于在建状态，但这一系统已经模拟了整个校区的环境的整体状态，现在就可以用来预先熟悉其运维的各个方面。

例如，通过系统可以对建筑内的各个房间按空间位置（如楼层）、用途（如教室、实验室）等多种分类方式进行划分、筛选，并查看具体房间的各个属性，并进行相应的业务操作；在虚拟停车场中，可以对车辆进行管理；还可以模拟电梯的上行、下行等运行状态，查看暖通机组的运行数据，或进行火灾等事故预演的流程模拟等，以便在园区交付前，就预先对运维人员进行各种场景的培训。

Unity“功能万花筒”助力解决模型可视化挑战

姚晔俊谈到，在重大市政工程 BIM 模型的可视化展现过程中，往往充满了一系列技术挑战。

首先，市政设施的单体体量巨大，但系统供应商往往在竣工前一两个月才能得到 BIM 的模型进行可视化处理，却要在较短的时间内就提供处理后的可用系统。这就意味着，供应商无法像影视或游戏行业那样，利用大量的人工方式去“精雕细琢”，必须“速战速决”。特别是像轨道交通这样的行业，一条轨交线路动辄包含几十个车站，庞大的批量任务让工作时间显得更加紧凑。

其次，轨道交通的应用当中通常存在多方配合，例如所有的设备都是由不同的供应商提供的，所有的综合监控数据又是由另外一家供应商进行统一采集。这就使得从数据的采集，到模型上的展现，必然需要多方的协助才能完成。

在面对这些挑战时，Unity 的一系列优势就体现了出来。姚晔俊谈到，博坤团队结合数字新城建的各类实际需求进行了反复摸索，并基于 Unity 针对工程建设行业推出的开发工具链进行创造性的应用和二次开发，探索出了一套解决上述挑战的方法。

在将 BIM 模型快速导入 Unity 的层面，Unity 最新推出的 Unity Reflect 已经实现了和 AutoDesk 的 Revit 直接关联。在 Revit 上面修改的内容，可以直接在 Unity Reflect 的环境中进行实时更新，Unity Reflect 还支持从 Revit 的服务器直接下载模型等功能，与以往相比提供了极大的便利性。

将BIM模型导入Unity的方式不断完善

在模型提取之后，基于系统有限的承载力，还存在着如何兼顾性能和效果的要求。在这方面，Unity 同样提供了多样化的功能和特性助力解决这一瓶颈。例如，在 BIM 中存在大量基于相同模型复制的构件实例（如一组相同的闸机），Unity 可以提供 Clone 的方式实现批处理；Unity 支持对模型进行减面处理，并使用多层级 LOD 的方式将场景中三角面片的总量维持在一定数值范围内；可以尽可能采用材质自发光等后处理效果、补用 Bloom 等方式来减少不必要的光源，让整个场景更加美观；还可以利用 Unity 推出的屏幕空间反射等功能，基本实现对反射球的代替，从而大大减少人工处理以及对性能的消耗。

妙用Unity全方位融入项目全生命周期管理

事实上，Unity 的卓越作用远远不止从视效层面对 BIM 模型进行可视化展现。其提供的价值，已经融入了项目全生命周期管理的各个环节，为设计、建设、交付以及数据资产管理的方方面面带来助益。

在设计阶段，用户可以同时使用多个 VR 终端在虚拟的设计场景里漫游及交互；Unity Reflect 可以实时与 AutoDesk 的 Revit 同步，因此在设计讨论、决定方案、审查时还可以实时对模型进行修改，大大提高了审查效率。

在项目汇报和审查阶段，还可以利用 Unity 的虚拟现实技术辅助设计阶段 BIM 模型的交付，也就是将设计模型直接通过 VR 沉浸式的方式展示给用户。

建设阶段 BIM 数据资产的采集和交付，对于后续的运维阶段意义重大。设备说明书、图纸、模型、验收文件、售后服务书等文件如果不在建设阶段进行信息采集、校验校审、竣工交付，而是在运维阶段再回过头来做信息匹配，就会非常麻烦且费时费力。

在这方面，博坤利用 Unity 开发了基于网页端的资料查看器，可以支持设备资产 BIM 模型的可视化审核，既可以通过解析设备内部所有元件结构以及其属性进行在线查询，还可以通过模型爆炸视图功能打散模型，便于各元件的校验。在施工进度管理上，通过 BIM 模型中构件的唯一编码，还可以将模型构件对应施工中的计划与实际进度进行进度查看、进度延期的预警以及 4D 施工模拟。

用户通过VR沉浸式设备对设计模型进行实时交互审查

技术驱动创新，未来无限可能

应对数字新城建的新需求，姚晔俊对 Unity 不断丰富的技术功能支撑以及不断更新的工具包仍然充满着期待和展望。

例如在技术层面，现在用到的屏幕空间反射和实时光线追踪这样的技术，可以被应用到现场当中。但是这两项技术还无法显示到网页端。今后在 Unity 的支持下，有望利用云渲染技术将应用当中的一些信息转换成视频流提供给用户，便于用户进行一些交互的操作。

与此同时，Unity 不断扩充的资源工具包，同样也将让未来的可视化效果和运维功能进一步突破想象的窠臼。正如今天的小地图定位、嵌入式网页、设备模型剖切等丰富多彩的小工具让模型的可视化效果和操作体验无比惊艳一样，未来的工具组合也势必为开发人员带来更多的选择和期待。

在未来十年内，各类新型基础设施的建设和智能化管理也将逐步落地。伴随着工业互联网、智能网联汽车、智能家居等概念和数字化基础设施的互联互通，未来人类将生活在一个智能、便利、低碳、高效的虚实结合的世界，Unity 必将成为万物互联时代，人类与真实世界感知数据交互和管理的一把“金钥匙”。

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