葉曉冬，馬斐

（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200335）

數(shù)字化和信息化技術(shù)已經(jīng)滲透到工程建設(shè)的各個領(lǐng)域，正在強(qiáng)力推動工程建設(shè)技術(shù)和管理的重大變革。為了更好地解決建設(shè)運(yùn)維成本高、施工難度大等問題，海上風(fēng)電工程也在不斷引入BIM、GIS、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)分析等數(shù)字化信息化技術(shù)，并探索這些技術(shù)的最佳應(yīng)用場景，其中三維可視化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可視化展示場景，用戶能更直觀地了解數(shù)據(jù)傳達(dá)的信息。

1 基于Web 端的三維可視化應(yīng)用研究

1.1 輕量化技術(shù)應(yīng)用研究

三維可視化技術(shù)路線的選擇取決于應(yīng)用環(huán)境的選擇，基于客戶端的應(yīng)用環(huán)境對模型、渲染效果的加載流暢性只受硬件配置的限制，當(dāng)配置滿足要求時，可直接加載高精細(xì)度的BIM 模型，不需要進(jìn)行模型輕量化處理?；赪eb端的應(yīng)用環(huán)境對模型、渲染效果的加載流暢性有很大限制，無法直接加載高精細(xì)度的BIM 模型，需要根據(jù)應(yīng)用場景進(jìn)行相應(yīng)的模型輕量化處理。因此，三維可視化技術(shù)路線研究分成基于客戶端和基于Web 端兩條主干路線，Web端再細(xì)分為基于BIM延伸技術(shù)的模型輕量化（下文使用BIM 輕量化表示）和基于非BIM 延伸技術(shù)的模型輕量化（下文使用非BIM 輕量化表示）兩條枝干路線，如圖1 所示。本文側(cè)重研究基于Web 端的輕量化應(yīng)用路線。

圖1 基于web 端的輕量化應(yīng)用路線

基于BIM 輕量化是指將BIM 模型的源文件（如圖2 所示）即dgn 模型文件進(jìn)行輕量化處理再加載到BIM 衍生平臺進(jìn)行展示，例如，Bentley 的iModelWeb。輕量化處理過程：步驟（1）可通過在Bentley 環(huán)境中將dgn 模型中包含但未做關(guān)聯(lián)調(diào)用的建筑數(shù)據(jù)集元素、單元定義、圖層、嵌套連接層、項類型庫等項進(jìn)行刪減，并清空建筑顯示加速器內(nèi)的冗余模型緩存；步驟（2）若項目模型僅需保留模型的外觀，可將完成步驟1操作的模型做抽殼處理，經(jīng)過此步驟的模型由實(shí)體轉(zhuǎn)化為保留外觀信息的殼體，模型大小將得到進(jìn)一步精減，經(jīng)過此輕量化操作的BIM 模型文件（如圖3 所示）加載至imodel 平臺后，將會顯著縮短imodel 平臺顯示模型的延遲時間，提升瀏覽、操作模型平臺界面時的顯示流暢度。該輕量化模型保留了dgn 模型文件中的所有信息數(shù)據(jù)，通過iModel 平臺的API 進(jìn)行二次開發(fā)可實(shí)現(xiàn)豐富的交互功能。

圖2 原dgn 模型

圖3 輕量化后的dgn 模型

基于非BIM 輕量化是指將dgn 模型文件通過一系列格式轉(zhuǎn)換并在三維軟件中進(jìn)行輕量化處理導(dǎo)出obj 或fbx 模型文件（圖5），該模型文件不保留信息數(shù)據(jù)。此非BIM 輕量化操作會一定程度上降低模型的精度，削減模型三角面的百分比越高，模型的精度越低，模型的可視化效果越差，輕量化后的模型文件越小。輕量化處理可通過采取多次調(diào)整削減模型三角面的數(shù)值，對比輕量化后模型的細(xì)節(jié)精細(xì)度，在精度可接受的范圍內(nèi)，選取模型顯示細(xì)節(jié)、模型文件大小之間的最優(yōu)化方案。經(jīng)過此方法輕量化后的非BIM 模型，可顯著提升資產(chǎn)平臺展示界面顯示模型時的后臺加載模型時的速度，減輕服務(wù)器在后臺處理模型時的運(yùn)算壓力。當(dāng)輕量化模型滿足web 端渲染流暢性后再進(jìn)行模型材質(zhì)調(diào)整，根據(jù)可視化效果的需求可調(diào)整模型配色或材質(zhì)貼圖（圖6、7），貼圖可使用符合要求的實(shí)景照片或自行設(shè)計效果圖片。

圖4 輕量化前的obj 模型

圖5 輕量化后的obj 模型

圖6 材質(zhì)優(yōu)化后的obj 模型1

圖7 材質(zhì)優(yōu)化后的obj 模型2

1.2 渲染應(yīng)用研究

根據(jù)Web 端不同的輕量化應(yīng)用路線所獲得的輕量化模型在渲染應(yīng)用上也有不同的渲染環(huán)境。基于BIM 輕量化后的模型文件可加載到iModelWeb 上，iModelWeb 可讀取模型自帶的所有信息數(shù)據(jù)，同時提供豐富的交互功能和api 接口（圖8）?；诜荁IM 輕量化后的模型文件可加載到基于HTML5+WebGl 的渲染環(huán)境，例如，HT for Web（圖9）。

圖8 材質(zhì)優(yōu)化后的obj 模型2

圖9 材質(zhì)優(yōu)化后的obj 模型2

2 應(yīng)用場景分析

2.1 狀態(tài)監(jiān)測

運(yùn)用三維模型的動態(tài)效果和顏色變化的特點(diǎn)可以更直觀地反映出狀態(tài)類監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化效果。例如，風(fēng)機(jī)的三維模型可用葉片的旋轉(zhuǎn)和靜止表示風(fēng)機(jī)的運(yùn)行和停機(jī)狀態(tài)，使用模型的顏色變化，原色表示正常狀態(tài)，藍(lán)色表示限功率狀態(tài)，黃色表示異常狀態(tài)，紅色表示故障狀態(tài)，通過動態(tài)+顏色的組合可表達(dá)正常運(yùn)行、待機(jī)、限功率運(yùn)行、計劃停機(jī)、故障停機(jī)等多種狀態(tài)表達(dá)，用戶也能更直觀地判別狀態(tài)數(shù)據(jù)。

狀態(tài)監(jiān)測場景可分為全景監(jiān)測場景（圖10、11）和局部監(jiān)測場景（圖12）。全景監(jiān)測場景是對整個海上風(fēng)電場的所有風(fēng)機(jī)、海上升壓站、海纜等設(shè)施進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，該場景需要加載的模型數(shù)量多且對模型的精細(xì)度要求不高，為了滿足web 端的流暢性，該場景應(yīng)用的是非BIM 輕量化技術(shù)。局部監(jiān)測場景是對一臺風(fēng)機(jī)內(nèi)或一個海上升壓站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，該場景加載的模型數(shù)據(jù)不多且對模型的精細(xì)度要求較高，例如，需要對風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)各個部件和海上升壓站內(nèi)各設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，每個設(shè)備部件都要有交互功能并關(guān)聯(lián)工程數(shù)據(jù)，在工程設(shè)計階段可獲得相關(guān)的dgn 模型文件，因此，局部監(jiān)測場景更適合應(yīng)用BIM 輕量化技術(shù)。

圖10 全景監(jiān)測場景1

圖11 全景監(jiān)測場景2

圖12 海上升壓站局部監(jiān)測場景

2.2 數(shù)字資產(chǎn)管理

利用BIM 信息模型的特點(diǎn)以編碼為紐帶將三維模型與物理資產(chǎn)從規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)施工、竣工交付、運(yùn)行維護(hù)直至報廢退役全生命周期各階段的信息數(shù)據(jù)文檔圖紙進(jìn)行多維關(guān)聯(lián)，為各業(yè)務(wù)人員提供了全息高效的資產(chǎn)管理應(yīng)用場景（圖13、14）。例如對海上升壓站內(nèi)的資產(chǎn)可進(jìn)行空間維度管理，通過目錄樹導(dǎo)航可在升壓站整體（圖15）、樓層（圖16）、房間幾個空間維度間切換場景；通過過濾功能（圖17）可篩選要顯示或隱藏的資產(chǎn)；可將三維模型與二維圖紙進(jìn)行關(guān)聯(lián)定位（圖18）；可通過匹配條件在升壓站整體模型中搜索定位同類型資產(chǎn)（圖19）。以上這些功能所使用的模型均采用BIM 輕量化技術(shù)。

圖13 升壓站整體模型

圖14 升壓站樓層模型

圖15 模型過濾

圖17 匹配定位

圖18 資產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)管理

圖19 資產(chǎn)工程數(shù)據(jù)管理

單個資產(chǎn)的管理場景只需要對模型進(jìn)行簡單的縮放旋轉(zhuǎn)等交互操作，對模型和資產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化效果要求較高，需要對模型進(jìn)行材質(zhì)美化處理，因此，該場景更適合采用非BIM 輕量化技術(shù)。

2.3 遠(yuǎn)程巡檢

遠(yuǎn)程巡檢采用沉浸式三維可視化技術(shù)對風(fēng)機(jī)內(nèi)部和海上升壓站內(nèi)部開展巡檢任務(wù)，運(yùn)維人員通過VR 設(shè)備模擬 在風(fēng)機(jī)內(nèi)部和海上升壓站內(nèi)部的真實(shí)場景，設(shè)備模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時動態(tài)關(guān)聯(lián)，在VR 環(huán)境下運(yùn)維人員可查看設(shè)備真實(shí)狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)以及工程數(shù)據(jù)，解決了海上運(yùn)維可達(dá)性差導(dǎo)致的無法巡檢的難題。由于VR 的沉浸式環(huán)境需要最大限度還原真實(shí)現(xiàn)場效果，（見圖20）模型材質(zhì)要接近實(shí)物，需要通過在模型表面附上貼圖，這就需要用到非BIM 輕量化技術(shù)。

圖20 遠(yuǎn)程巡檢

3 結(jié)語

三維可視化在模型和數(shù)據(jù)展示方面的優(yōu)勢能為海上風(fēng)電工程建設(shè)、運(yùn)維階段的業(yè)務(wù)場景帶來更豐富的展示效果和用戶體驗(yàn)，讓冷冰冰的數(shù)據(jù)生動起來。三維可視化不同的技術(shù)路線也能夠滿足不同業(yè)務(wù)場景的展示需求，通過三維可視化用戶能更直觀、更快、更全面地掌握施工進(jìn)度、設(shè)備狀態(tài)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，有助于降低管理成本和提高管理效率。