三維可視化技術(shù)在海上平臺工程建設(shè)項(xiàng)目管理中的應(yīng)用

楊建元 夏松林 張?jiān)魄?李壯 王康

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

三維可視化技術(shù)在海上平臺工程建設(shè)項(xiàng)目管理中的應(yīng)用

楊建元1夏松林1張?jiān)魄?李壯2王康2

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

三維可視化技術(shù)將工程設(shè)計(jì)圖和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像，并實(shí)現(xiàn)模擬用戶在未來建成工程場景中的虛擬現(xiàn)實(shí)感知，增強(qiáng)項(xiàng)目管理和技術(shù)人員與工程建設(shè)成果的交互性，為項(xiàng)目管理提供直觀、靈活且具有強(qiáng)烈真實(shí)感的體驗(yàn)，可以有效提升項(xiàng)目溝通水平，同時(shí)輔助項(xiàng)目施工計(jì)劃管理、培訓(xùn)、展示等需求。作為一項(xiàng)輔助提升項(xiàng)目管理技能的工具，具有良好的應(yīng)用效果和前景。

三維可視化；虛擬現(xiàn)實(shí)；工程建設(shè)；項(xiàng)目管理

0 引言

對工程建設(shè)項(xiàng)目的可視化要求自古就有。例如北宋李誡在《營造法式》中繪制大量工程圖樣，書中所謂的地盤圖、正樣圖、側(cè)樣圖，類似現(xiàn)在建筑的平面、立面、剖面圖，這些的實(shí)質(zhì)可理解為古代人類對工程建設(shè)可視化的一種最初的需求。實(shí)際上，只要技術(shù)經(jīng)濟(jì)上可行，對工程建設(shè)項(xiàng)目的可視化要求往往是最迫切的。由于建設(shè)項(xiàng)目固有的唯一性、不可重復(fù)、不可逆轉(zhuǎn)等特點(diǎn)，項(xiàng)目的決策者、項(xiàng)目管理和工程技術(shù)人員只要有可能，都希望在項(xiàng)目實(shí)施前，看到項(xiàng)目是如何建成的，建成后又是什么樣的，是否符合自己的要求，以便做出最恰當(dāng)?shù)臎Q策和實(shí)施方案。在計(jì)算機(jī)技術(shù)成熟前，人們是通過手工繪制效果圖、透視圖等來表現(xiàn)將要建成的建筑物?，F(xiàn)代隨著計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的發(fā)展，對建設(shè)工程項(xiàng)目進(jìn)行可視化展現(xiàn)更加容易，表現(xiàn)方式越來越多，因而對建設(shè)項(xiàng)目的可視化需求也越來越多，要求越來越高[1],這使得三維可視化技術(shù)在建設(shè)項(xiàng)目管理中的應(yīng)用也日趨成熟。

1 技術(shù)理論

三維可視化是一門從計(jì)算機(jī)學(xué)科出發(fā)，集數(shù)據(jù)處理、圖像顯示、人機(jī)交互等功能的綜合性技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于建筑、地理、海洋、測繪等學(xué)科?？梢詫⒊橄蠖菰锏臄?shù)據(jù)和文字加工形成直觀的圖形、動畫，并運(yùn)用光線、色彩、視角等因素實(shí)時(shí)改變，讓使用者不僅可以直觀觀察被模擬對象外觀，還可以深入其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，甚至可以看到在查看實(shí)物場景時(shí)難以觀察到的細(xì)節(jié)，也可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互[2]。

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)是三維可視化技術(shù)發(fā)展演進(jìn)的應(yīng)用形式。它是一種交互式的多源信息融合的三維動態(tài)視景的系統(tǒng)仿真，利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界，使用戶沉浸于該交互環(huán)境中。

2 三維可視化技術(shù)表現(xiàn)方式

三維可視化技術(shù)在工程建設(shè)項(xiàng)目管理中的應(yīng)用表現(xiàn)方式主要有三維動畫、虛擬現(xiàn)實(shí)以及二者的結(jié)合應(yīng)用。使用計(jì)算機(jī)三維模擬成像技術(shù)，經(jīng)過前期策劃、動畫制作、后期合成三個(gè)步驟，把專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的一些難以實(shí)現(xiàn)的場景進(jìn)行真實(shí)的視覺還原或者深度的原理剖析，幫助用戶更直觀地展示相應(yīng)的技術(shù)、工程、工藝及設(shè)備情況，實(shí)現(xiàn)信息價(jià)值的最大化。

2.1 三維動畫

三維動畫是一種建立在計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)基礎(chǔ)之上的技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)三維模擬成像技術(shù)把專業(yè)領(lǐng)域一些難以實(shí)現(xiàn)的場景，進(jìn)行真實(shí)的視覺還原或者深度的原理剖析，更直觀、有針對性地展示相應(yīng)的工程、工藝、設(shè)備及工具情況，或?qū)⒊橄蟮母拍罹呦蠡宫F(xiàn)出來的過程，實(shí)現(xiàn)信息價(jià)值的最大化。制作完成后生成視頻文件，只要有簡單的媒體播放器即可，對電腦硬件要求較低，通用性較好。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)通過人與計(jì)算機(jī)的交互，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)反饋空間場景信息，用戶根據(jù)需求可依自己的路線行走，計(jì)算機(jī)會產(chǎn)生相應(yīng)的場景，并可以通過預(yù)設(shè)讀取場景中的一些信息，交互性強(qiáng)。給用戶更強(qiáng)的參與度和自由度，但實(shí)時(shí)計(jì)算與渲染對設(shè)備有一定的硬件要求。

2.3 三維動畫與虛擬現(xiàn)實(shí)的結(jié)合

整體的場景以虛擬現(xiàn)實(shí)方式呈現(xiàn)，用戶可以自由地在其中行走，觀察并讀取感興趣的信息。其中需要展示原理動作的細(xì)節(jié)，可使用三維動畫方式，提前制作好，在虛擬現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行加載，這樣可以達(dá)到最好的觀看效果，又可以最大限度地節(jié)省電腦資源，提升使用體驗(yàn)。

3 三維可視化技術(shù)的項(xiàng)目管理應(yīng)用

海上平臺工程建造全流程從前期研究開始，直至正式投產(chǎn)結(jié)束，需經(jīng)歷手續(xù)辦理、基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、加工設(shè)計(jì)、設(shè)備材料采辦、建造施工、裝船、運(yùn)輸、海上安裝、調(diào)試等工序，整個(gè)過程涉及多部門、多工種的協(xié)調(diào)配合。

由于項(xiàng)目固有的唯一性、一次性特性，同時(shí)作為海洋工程建設(shè)項(xiàng)目具有技術(shù)復(fù)雜、投資高、風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)，在項(xiàng)目建設(shè)開工之前實(shí)現(xiàn)預(yù)期成果的可視化展示和虛擬漫游對于投資決策以及項(xiàng)目的技術(shù)和管理人員具有異常重要的意義。三維可視化技術(shù)的應(yīng)用可以將采集到的抽象數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算、處理、合成為可視化圖像展現(xiàn)出來，直觀幫助用戶實(shí)現(xiàn)其頭腦中的想法，可視化作為用戶想法結(jié)果的展示方法，可以輔助提升管理水平。

3.1 溝通方面的應(yīng)用

人類的左腦負(fù)責(zé)文字、語言等功能，而右腦負(fù)責(zé)空間、形象記憶、圖像等功能，右腦的運(yùn)轉(zhuǎn)速度要遠(yuǎn)高于左腦，所以對于各類信息的獲取速度有差別，可以簡單地排序?yàn)椋杭兾淖?圖片<三維影像。故當(dāng)使用直觀、準(zhǔn)確、形象的三維圖像交流時(shí)的效率和準(zhǔn)確率要遠(yuǎn)高于純文字或二維工程圖，見圖1。

3.2 輔助施工計(jì)劃管理的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)在制作的過程中，以工程設(shè)施的建造方案、設(shè)計(jì)圖和3D模型為基礎(chǔ)，加載建造時(shí)間計(jì)劃，動態(tài)模擬施工過程，輔助項(xiàng)目計(jì)劃管理[3]。畫面上方加入時(shí)間條元素，時(shí)間單位精確到天，畫面中的進(jìn)度嚴(yán)格與建造計(jì)劃匹配。只要知曉現(xiàn)實(shí)的建造程度，對比虛擬現(xiàn)實(shí)中的進(jìn)度，便可以輔助施工計(jì)劃管理。

3.3 輔助分析施工可行性

海上平臺需要安裝大量的專用設(shè)備，而很多設(shè)備需要從廠家定制、發(fā)貨，所以導(dǎo)致設(shè)備到貨時(shí)間有很多不確定性[4]?？梢暬夹g(shù)使用準(zhǔn)確的尺寸和安裝信息制作，可以模擬真實(shí)的設(shè)備安裝過程，分析是否可以調(diào)整設(shè)備安裝順序，安裝過程中的干涉情況，以及管線電儀的安全性?？梢宰畲笙薅鹊貎?yōu)化建造過程，避免工程延誤或減少返工工作量。

圖1 信息表現(xiàn)形式效果對比

3.4 輔助調(diào)配資源

根據(jù)整個(gè)項(xiàng)目場地空間，整個(gè)場地之內(nèi)在建的工程和工程規(guī)模、人力、設(shè)備、機(jī)械的調(diào)用分配情況，將這些資源進(jìn)行可視化展示，可以直觀地進(jìn)行資源調(diào)配，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置。

3.5 輔助項(xiàng)目展示與宣傳

利用三維可視化技術(shù)能直觀展示工程建設(shè)項(xiàng)目預(yù)期成果，包括平臺、導(dǎo)管架內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)備的準(zhǔn)確位置及信息、建造施工標(biāo)準(zhǔn)流程等。

(1)動態(tài)展示?？梢匀轿徽故菊麄€(gè)海上平臺的陸地建造及海上安裝過程，配合時(shí)間線的拖動，可以查看不同節(jié)點(diǎn)的建造進(jìn)度。超越圖樣等大量平面資料，三維立體成像，多角度查看，并可以結(jié)合解說詞進(jìn)行動態(tài)講解，可用于員工培訓(xùn)或宣傳介紹。

(2)多種方式結(jié)合展示。可以寫實(shí)、亦可抽象，可以鳥瞰，亦可微觀，使沒有去過現(xiàn)場的人了解現(xiàn)場工況，讓設(shè)施細(xì)節(jié)場景躍然于畫面，進(jìn)行真實(shí)的還原。

(3)交互展示。用戶可以自主選擇觀看角度、時(shí)間節(jié)點(diǎn)、觀看時(shí)長，依照自己的需求，對整個(gè)場地范圍內(nèi)已完工或正在施工的設(shè)施上、下、左、右、前、后360°觀看?？梢圆榭锤信d趣的設(shè)備，查詢詳細(xì)的信息等。

3.6 培訓(xùn)方面的應(yīng)用

可以根據(jù)不同的目標(biāo)群體，使用不同的展現(xiàn)方式進(jìn)行培訓(xùn)。對于項(xiàng)目組新來的工程師，為使其快速了解整個(gè)項(xiàng)目組的背景和總體概況，可以通過觀看項(xiàng)目背景動畫，并進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)觀看整體建造流程；對于同行業(yè)不同專業(yè)工程師，為使

其深入了解建造流程及規(guī)范、相關(guān)專業(yè)界面，可以進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)，有針對性地查看某一工序流程；其他相關(guān)人員，為了解項(xiàng)目背景和項(xiàng)目整體進(jìn)度，可以查看項(xiàng)目背景動畫、建造安裝動畫。

4 三維可視化技術(shù)在實(shí)例項(xiàng)目中的應(yīng)用效果

4.1 項(xiàng)目描述

海上平臺建造安裝的主要對象是導(dǎo)管架、組塊、生活樓、鉆修機(jī)設(shè)備等。建造工期及施工工藝根據(jù)平臺的復(fù)雜程度以及使用需求有很大的差別。某海上平臺工程建設(shè)項(xiàng)目所需完成的基本工作，見圖2。

圖2中每一個(gè)步驟在施工過程中，又細(xì)分為更多的基礎(chǔ)工作。以組塊的陸地建造為例，可大致分為材料預(yù)處理、制管、主結(jié)構(gòu)預(yù)制及安裝、附件預(yù)制及安裝、配管、涂裝、電儀訊、陸地調(diào)試、稱重等。

整個(gè)項(xiàng)目建造施工時(shí)間較短，工作量繁重，為了輔助項(xiàng)目管理，提高溝通和管理的工作效率，該項(xiàng)目制作了建造安裝全過程的可視化三維模擬，使用虛擬現(xiàn)實(shí)和三維動畫相配合的表現(xiàn)方式。平臺陸地建造部分使用虛擬現(xiàn)實(shí)，可以滿足了解建造進(jìn)度、設(shè)備安裝、場地情況等，具有更好的交互性；海上安裝及項(xiàng)目背景等部分使用三維動畫，使觀看更有針對性，更流暢。

4.2 實(shí)現(xiàn)的功能

將項(xiàng)目背景、導(dǎo)管架、組塊的建造安裝動畫和預(yù)制動畫等集成在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之中，設(shè)計(jì)整體的交互界面，可以在主菜單中直接選擇想要查看的項(xiàng)目，快捷進(jìn)入相應(yīng)的界面；進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)界面后，設(shè)置操作方法及功能分布的簡介，方便初次使用的用戶快速了解功能分布；在使用虛擬現(xiàn)實(shí)的過程中，設(shè)置按鈕可以喚出設(shè)置選項(xiàng)，用戶可以隨時(shí)根據(jù)自己電腦的硬件情況選擇相應(yīng)的配置，見圖3。

圖2 海上平臺工程建設(shè)項(xiàng)目的從陸地建造到海上投產(chǎn)流程概述

(1)“導(dǎo)管架建造安裝”直接播放導(dǎo)管架建造安裝全過程的三維動畫，簡要介紹導(dǎo)管架建造安裝的整個(gè)流程。導(dǎo)管架建造安裝流程包括導(dǎo)管架各“X”形片和水平片的預(yù)制噴涂、陸地整體組裝、附件安裝、裝船固定及運(yùn)輸、海上安裝，見圖4。

(2)“組塊建造安裝”可以直接查看組塊建造安裝全過程三維動畫。組塊建造安裝主要流程包括：組塊各結(jié)構(gòu)片的預(yù)制噴涂、結(jié)構(gòu)吊裝、設(shè)備安裝、配管、舾裝、裝船、拖航、海上安裝、連接調(diào)試，見圖5。

(3)“預(yù)制動畫”下設(shè)各子菜單，包括：“卷管動畫”“縱縫焊接”“環(huán)縫焊接”“導(dǎo)管架涂裝”“甲板片涂裝”選項(xiàng)。雖然這些動畫已經(jīng)在導(dǎo)管架和組塊動畫的相應(yīng)位置編輯成為整體，在這里單獨(dú)列出來，因?yàn)閷儆诓牧项A(yù)制部分，有單獨(dú)查看學(xué)習(xí)的需求，并可作為項(xiàng)目組員培訓(xùn)使用。

(4)“建造虛擬現(xiàn)實(shí)”選項(xiàng)進(jìn)入導(dǎo)管架、組塊的建造過程虛擬現(xiàn)實(shí)，全方位展示導(dǎo)管架及組塊的陸地建造。在畫面上方加入時(shí)間進(jìn)度條，可以直接拖動到相應(yīng)的日期，查看不同節(jié)點(diǎn)的建造進(jìn)度。用戶可以選擇自由游走，依照需求，在整個(gè)場地范圍內(nèi)已完工或正在施工的設(shè)施內(nèi)360°查看，見圖6。

在用戶漫游過程中，可以點(diǎn)選設(shè)備，查看其名稱、尺寸，或選擇提前設(shè)置好的路線參觀導(dǎo)管架、組塊的預(yù)制、安裝過程。

4.3 后續(xù)改進(jìn)及優(yōu)化

經(jīng)過該項(xiàng)目的探索和制作應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)，可以在后續(xù)同類項(xiàng)目應(yīng)用時(shí)提升效率。

(1)建立模型、材質(zhì)庫。海上平臺使用的許多型鋼、甲板片、以及部分設(shè)備、管線的模型和材質(zhì)具有通用性，可將這些模型材質(zhì)搜集整理建立模型、材質(zhì)庫，在制作同類項(xiàng)目時(shí)直接修改使用，節(jié)省制作成本，提升制作效率。

圖3 菜單展示(截圖)

圖4 導(dǎo)管架流程(截圖)

圖5 組塊建造安裝(截圖)

圖6 建造場地內(nèi)游走(截圖)

(2)將功能模塊化。本項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)的一些功能，如時(shí)間線控制進(jìn)度功能，導(dǎo)入、顯示設(shè)備名稱及尺寸的功能，游走及查看功能等，可以將之歸類并模塊化，在出現(xiàn)類似需求的時(shí)候，方便引用和修改。

(3)提前可視化介入時(shí)間?？梢暬墓ぷ髟皆玳_始準(zhǔn)備，則越能第一時(shí)間完成基礎(chǔ)工作，如模型搭建、場景設(shè)計(jì)、方案制作等，更早地投入使用，就能更廣泛地發(fā)揮應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語

在實(shí)例項(xiàng)目實(shí)踐中，依據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)圖完成的精確模型，制作陸地建造及海上安裝的可視化成果，極大地提升了項(xiàng)目溝通效率，為匯報(bào)審查工作提供了便利；結(jié)合時(shí)間線功能，支持實(shí)際進(jìn)度和計(jì)劃進(jìn)度的可視化直觀對比，輔助項(xiàng)目的進(jìn)度管理；所有的成果都結(jié)合進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)之中，可以直接播放三維動畫，完成項(xiàng)目預(yù)期成果的可視化展示；區(qū)分不同目的的不同展示方式，可以作為項(xiàng)目溝通的形象介質(zhì)、項(xiàng)目宣傳和成果體驗(yàn)的可視化媒介，也可以作為培訓(xùn)的可視化教程。

工程建造項(xiàng)目的可視化應(yīng)用在某種程度上可以代替部分傳統(tǒng)的文字報(bào)表等形式，可以縱覽全局，也可以觀察局部，為項(xiàng)目管理提供直觀、靈活且具有強(qiáng)烈真實(shí)感的體驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)硬件的提升，可以更大程度地細(xì)化三維可視化中的數(shù)據(jù)和模型精度，連接到各平行數(shù)據(jù)庫及外部硬件后，會產(chǎn)生更好的互動性。在此基礎(chǔ)上還可以發(fā)展在線同步等功能，實(shí)時(shí)分析工況、調(diào)配資源，提升項(xiàng)目溝通和管理效率，從而發(fā)展為覆蓋整個(gè)工程建造過程的可視化支持系統(tǒng)。

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[2]徐孟超.淺談國內(nèi)外三維可視化發(fā)展及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代測繪,2012,35(6):60-62.

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2016-04-15