張 鵬

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300000）

引言

三維數(shù)字模型能夠生動(dòng)、直觀、準(zhǔn)確的在計(jì)算機(jī)中描繪客觀實(shí)體。基于這些優(yōu)勢(shì)，在近些年提出的裝備全生命周期管理中，三維數(shù)字模型技術(shù)被廣泛應(yīng)用。從2006年開(kāi)始，我們應(yīng)用達(dá)索公司的CATIA三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)公司旗下運(yùn)營(yíng)的部分FPSO等大型裝備完成了三維建模，以期待在未來(lái)的工程改造以及設(shè)備管理中發(fā)揮作用。直到幾年前在對(duì)公司所屬的某條FPSO的改造過(guò)程中，這些三維數(shù)據(jù)才真正發(fā)揮了作用。我們?cè)谝延腥S數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上完成了新增透平發(fā)電機(jī)的管路和電纜托架的三維基本設(shè)計(jì)。但是在當(dāng)時(shí)的建模過(guò)程中對(duì)模型的操作上卻給我們帶來(lái)了一些困擾。

1 三維模型加載的問(wèn)題

每次將FPSO全船模型數(shù)據(jù)一次性載入時(shí)計(jì)算機(jī)都會(huì)發(fā)生異常終斷，之后導(dǎo)致CATIA環(huán)境被迫退出。即使分塊載入，也會(huì)隨著數(shù)據(jù)的逐漸增多對(duì)模型的拖放、旋轉(zhuǎn)等操作發(fā)生卡頓滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)一步操作。最初我們認(rèn)為可能是由于CATIA與計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)本身在匹配上存在問(wèn)題。于是在WINXP中文、WINXP英文、WIN2000 P、WIN2000 S等多個(gè)版本的操作系統(tǒng)下對(duì)比測(cè)試CATIA的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)異常終斷和卡頓滯后現(xiàn)象依然存在，并沒(méi)有顯著的差別。說(shuō)明CATIA對(duì)于以上幾個(gè)版本的操作系統(tǒng)的適應(yīng)性基本相同，改變操作系統(tǒng)對(duì)于改善性能幾乎沒(méi)有提高。我們將突破方向轉(zhuǎn)移到了硬件系統(tǒng)上，專門配置了多處理器、雙顯卡級(jí)聯(lián)的高性能圖形工作站。此后操作CATIA模型較之前有了顯著提高，90%以上的數(shù)據(jù)可以被調(diào)用并顯示，而不至于像從前那樣導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，可以說(shuō)有了一個(gè)質(zhì)的突破。但是隨著數(shù)據(jù)的增加任何高性能的硬件設(shè)備最終都會(huì)存在一個(gè)極限，性能的提高是以付出高昂的硬件成本為代價(jià)的。即使不考慮成本因素由于硬件設(shè)備從研發(fā)到產(chǎn)品化再到產(chǎn)品銷售存在一個(gè)較長(zhǎng)周期相對(duì)于數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)總是存在滯后，對(duì)于解決問(wèn)題始終是一種被動(dòng)手段。

2 三維模型構(gòu)建原理

那么到底在哪些方面還需改進(jìn)呢？在翻閱一些資料以及和相關(guān)技術(shù)從業(yè)人員交流后得到了一點(diǎn)啟發(fā)。既然問(wèn)題出自數(shù)據(jù)，還是要回到數(shù)據(jù)的本源上。說(shuō)到這里要先介紹一下三維模型的成像原理。計(jì)算機(jī)在處理三維模型中是以三角形作為基本元素，由三角形構(gòu)成不同的多邊形，再由多邊形構(gòu)成三維實(shí)體，同時(shí)還要處理空間縱深關(guān)系、紋理貼圖、光影變化等一系列復(fù)雜過(guò)程。如果構(gòu)成一個(gè)三維模型的三角形數(shù)目越多，那么模型的外觀就越細(xì)膩、真實(shí)。計(jì)算機(jī)的顯卡有一個(gè)關(guān)鍵的性能指標(biāo)“生成三角形數(shù)/秒”，它是計(jì)算機(jī)顯卡創(chuàng)建三角形面片能力的反應(yīng)。一個(gè)基本的立方體僅由12個(gè)三角形構(gòu)成，一個(gè)光滑的球體理論上由無(wú)窮個(gè)三角形來(lái)構(gòu)成。計(jì)算機(jī)在處理復(fù)雜的由幾千萬(wàn)甚至更多的三角形構(gòu)成的結(jié)構(gòu)時(shí)負(fù)荷會(huì)大大加重。理論上只要給計(jì)算機(jī)足夠的計(jì)算時(shí)間最終都會(huì)生成模型，但實(shí)際中由于顯存帶寬、空間的限制，計(jì)算機(jī)還沒(méi)等到生成全部數(shù)據(jù)就已經(jīng)發(fā)生內(nèi)存溢出，最終導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。

3 三維模型的數(shù)據(jù)優(yōu)化分析

從這里我們可以看出只要減少構(gòu)成模型的三角形數(shù)就可以有效地降低計(jì)算機(jī)的處理負(fù)荷。以一臺(tái)透平的空氣啟動(dòng)裝置（圖A）為例，原始數(shù)據(jù)模型由1962006個(gè)三角形構(gòu)成，這個(gè)數(shù)字對(duì)于單個(gè)設(shè)備來(lái)說(shuō)已經(jīng)相當(dāng)大了，然后使用CATIA系統(tǒng)中的DMU優(yōu)化器將精度減小到原來(lái)的百分之一，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)構(gòu)成的三角形數(shù)減少到10975個(gè)。假設(shè)計(jì)算機(jī)每秒能夠創(chuàng)建1億個(gè)三角形，運(yùn)用簡(jiǎn)單的除法可以看出精簡(jiǎn)后的模型在生成速度上大大提高。不過(guò)對(duì)比前后兩個(gè)模型的外觀會(huì)發(fā)現(xiàn)有明顯的差別，精簡(jiǎn)后的模型變得更粗糙，甚至有些部位發(fā)生變形?？磥?lái)模型優(yōu)化有一個(gè)度的限制，減少構(gòu)成三角形數(shù)量的同時(shí)還要保證建模效果在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)。

圖1

4 三維模型的數(shù)據(jù)優(yōu)化技巧

從前我們?cè)诮＿^(guò)程中都是追求近似逼真的程度，并沒(méi)有考慮過(guò)三維圖形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和數(shù)據(jù)的實(shí)用性。我們的FPSO模型是由7800多萬(wàn)個(gè)三角形構(gòu)成的，常規(guī)計(jì)算機(jī)根本無(wú)法完成一次性生成。根據(jù)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)構(gòu)成三角形數(shù)在500萬(wàn)個(gè)以下的三維模行才能在常規(guī)計(jì)算機(jī)下流暢操作，可想我們的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了這個(gè)限制。像絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，圓弧結(jié)構(gòu)這樣不起眼的模型會(huì)占據(jù)大量的處理時(shí)間。對(duì)于像FPSO這樣一個(gè)龐大的三維模型的集合體我們應(yīng)針對(duì)每一個(gè)基本的幾何模型進(jìn)行分析，做到有主有次。什么是工程中需要精確數(shù)據(jù)的，什么是只需展示視覺(jué)效果的。例如一個(gè)成撬設(shè)備，外形長(zhǎng)寬高、管線接口都是工程改造中要求精確定位的數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行實(shí)體建模。那么撬內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以在簡(jiǎn)單的立方體結(jié)構(gòu)上應(yīng)用紋理貼圖的方式去表現(xiàn)。這樣可以大大降低構(gòu)成三角形的數(shù)量。管路改造也是工程中會(huì)常遇到的，那么對(duì)管線的建模就需要進(jìn)行實(shí)體建模，至于管件我們可以應(yīng)用符合現(xiàn)場(chǎng)外形尺寸的通用簡(jiǎn)易管件代替，像閥門手輪、閥體之類的會(huì)占據(jù)大量三角形的結(jié)構(gòu)無(wú)需細(xì)致刻畫。

結(jié)語(yǔ)

CATIA是法國(guó)達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的一款三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以直接以模型為核心，通過(guò)復(fù)雜的建模技術(shù)創(chuàng)建復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，用三維模型真實(shí)反映產(chǎn)品的外形，最終產(chǎn)生精確的零部件加工信息，擁有強(qiáng)大的機(jī)械設(shè)計(jì)能力，主要應(yīng)用于精細(xì)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，側(cè)重于航空航天、汽車制造、加工裝配、消費(fèi)產(chǎn)品等行業(yè)。然而我們?cè)趯?shí)際的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)將CATIA應(yīng)用于造船、石化、電力行業(yè)的案例甚少。事實(shí)上我們的FPSO三維模型更符合三維工廠系統(tǒng)的概念。我們對(duì)三維模型的需求是面向線性系統(tǒng)、流程系統(tǒng)、側(cè)重于整體的系統(tǒng)，比如工藝配管、電氣橋架路由、設(shè)備布置等，通過(guò)三維模型反應(yīng)的空間布局、路由走向、設(shè)備數(shù)量等信息產(chǎn)生一系列設(shè)計(jì)文檔。三維工廠系統(tǒng)并不關(guān)心模型的精細(xì)化和逼真程度，哪怕是簡(jiǎn)單的線條和方塊也可以滿足所需的設(shè)計(jì)信息?？梢钥闯?，無(wú)論選取什么樣的三維建模系統(tǒng)都需要明確三維模型的應(yīng)用目標(biāo)，做到有取有舍，突出表現(xiàn)有應(yīng)用價(jià)值的數(shù)據(jù)，忽略應(yīng)用程度不高的數(shù)據(jù)。從建模之初加以控制，根據(jù)模型的幾何特點(diǎn)有針對(duì)性的改善建模手法才是解決問(wèn)題的最終手段。在此希望這點(diǎn)滴經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蚪o相關(guān)技術(shù)人員帶來(lái)些啟發(fā)。