Web3D可視化技術(shù)在建筑工程管理信息化系統(tǒng)中的應(yīng)用

段廣　張廣海

摘? 要：Web3D可視化技術(shù)可對(duì)建筑工程管理信息化系統(tǒng)的可用算力資源進(jìn)行重新優(yōu)化整合，將建筑工程管理信息化系統(tǒng)的Web3D可視化技術(shù)整合為獨(dú)立服務(wù)的三維場景可視化系統(tǒng)，構(gòu)建管理模型并形成新調(diào)度桌面系統(tǒng)。文章分析建筑工程管理信息化系統(tǒng)中Web3D可視化模塊的功能，進(jìn)行了相應(yīng)技術(shù)的功能模塊分割及設(shè)計(jì)，完成了Web3D可視化技術(shù)在建筑工程管理信息化系統(tǒng)中的應(yīng)用效果測試。

關(guān)鍵詞：建筑工程；Web3D可視化；可視化模塊；應(yīng)用效果

中圖分類號(hào)：TP39? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）12-0112-04

Application of Web3D Visualization Technology in the Construction Engineering Management Information System

DUAN Guang， ZHANG Guanghai

（PowerChina Road Bridge Group Co.， Ltd.， Beijing? 100036， China）

Abstract： Web3D visualization technology can optimize and integrate the available computing resources of the construction engineering management information system， integrate the Web3D visualization technology of the construction engineering management information system into an independent 3D scene visualization system， construct a management model， and form a new scheduling desktop system. This paper analyzes the functions of the Web3D visualization module in the construction engineering management information system， divides and designs the corresponding technical functional modules， and completes the application effect test of Web3D visualization technology in the construction engineering management information system.

Keywords： construction engineering; Web3D visualization; visualization module; application effect

0? 引? 言

建筑工程管理包含建筑工地相關(guān)設(shè)備和基礎(chǔ)臨建設(shè)施的管理，在實(shí)現(xiàn)建筑工地精細(xì)化管理的過程中依賴完整的管理信息化系統(tǒng)，對(duì)建筑工程的相關(guān)環(huán)節(jié)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)管控，可保障建筑工程相關(guān)工作的開展。建筑工程管理信息化系統(tǒng)作為一個(gè)較為復(fù)雜的管理系統(tǒng)，采取Web3D可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)管理信息化，其核心目標(biāo)為通過可視化技術(shù)采集建筑工程管理過程中的全面數(shù)據(jù)，使用云計(jì)算技術(shù)（Cloud Computer， CC）、Web3D可視化技術(shù)（Web 3D visualization）、人工智能（Artificial Intelligence， AI）技術(shù)相結(jié)合，對(duì)建筑工程管理數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的挖掘處理。建筑工程管理信息化系統(tǒng)從管理的功能出發(fā)，針對(duì)每項(xiàng)具體功能構(gòu)建獨(dú)立的大數(shù)據(jù)子系統(tǒng)，為縱向布局模式。管理信息化系統(tǒng)對(duì)建筑工程的基礎(chǔ)信息進(jìn)行整合，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)層，上層各獨(dú)立系統(tǒng)在底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)層中讀取數(shù)據(jù)并根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行分別挖掘分析。最新的建筑工程管理信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路中，將所有管理功能模塊進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，形成獨(dú)立的工作模塊，實(shí)現(xiàn)可視化技術(shù)在管理信息化系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1? 系統(tǒng)中Web3D可視化模塊的功能

前文所述，在早期的建筑工程管理系統(tǒng)中，一般用于運(yùn)行多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，最新的建筑工程管理信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路中，將所有管理功能模塊進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，形成一套可以支持多個(gè)系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)整合在三維模型上進(jìn)行顯示的Web3D可視化模塊，例如，我們在犬木塘水庫工程的建筑體系中就運(yùn)用到了Web3D可視化模塊，利用三維可視化模塊對(duì)相應(yīng)的建筑設(shè)施、設(shè)備等工程概況進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)工程一覽圖，形成了良好的工程管理模式，如圖1所示。

建筑工程管理信息化系統(tǒng)中Web3D可視化模塊可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)的建筑工程管理過程，在智能礦山的建筑工程中，采取三維可視化平臺(tái)對(duì)礦山整體的生產(chǎn)報(bào)表、安全監(jiān)管及能耗統(tǒng)計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)良好的工程建設(shè)管理模式，如圖2所示，這些建筑工程中的三維可視化技術(shù)的運(yùn)用可以對(duì)工程概況進(jìn)行合理的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)良好的管理效果。

建筑工程管理信息化系統(tǒng)中Web3D可視化模塊的功能較多，可以為建筑工程管理提供精細(xì)化的管理方法和手段，實(shí)現(xiàn)良好的建筑體系管理架構(gòu)，通過分析犬木塘水庫工程建筑體系和智能礦山建筑體系的三維可視化技術(shù)的運(yùn)用效果，研究調(diào)度過程中的可用資源，該建筑工程管理信息化系統(tǒng)需要調(diào)用的系統(tǒng)軟硬件模組如圖3所示。

圖3中，所有用于Web3D可視化的數(shù)據(jù)來自該圖下部的數(shù)據(jù)接口部分，其中文件管理系統(tǒng)（File System Object， FSO）讀取獨(dú)立文件數(shù)據(jù)，如建筑施工設(shè)計(jì)圖紙等，應(yīng)用數(shù)據(jù)接口（Application Programming Interface， API）部分用于直連包括物聯(lián)網(wǎng)和外部系統(tǒng)的外部數(shù)據(jù)庫同步數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化邏輯數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（Structured Query Language， SQL）部分用于讀取施工管理系統(tǒng)的本地?cái)?shù)據(jù)庫資源。邏輯數(shù)據(jù)資源讀取到可視化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源系統(tǒng)中，其中快速邏輯數(shù)據(jù)使用DBase系統(tǒng)進(jìn)行管理，大宗數(shù)據(jù)使用HaDoop系統(tǒng)進(jìn)行管理，上述數(shù)據(jù)在管理系統(tǒng)控制下，讀取可用數(shù)據(jù)使用Redis系統(tǒng)構(gòu)建高速數(shù)據(jù)緩存，形成Redis一級(jí)數(shù)據(jù)緩存和DBase二級(jí)數(shù)據(jù)緩存共同管理的局面，Redis數(shù)據(jù)使用多個(gè)數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)構(gòu)建三維可視化圖表，包括Matlab系統(tǒng)及Python系統(tǒng)等，這些數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)索引，通過Map系統(tǒng)形成數(shù)據(jù)熱點(diǎn)集，通過LOD系統(tǒng)將經(jīng)過Map處理的數(shù)據(jù)熱點(diǎn)及與地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，最終交由Html5整合的Flash、JavaScript等前端組件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。

即，對(duì)該數(shù)據(jù)顯示功能構(gòu)建數(shù)據(jù)管理信息化模型，將上述軟硬件系統(tǒng)形成功能黑箱，僅考察數(shù)據(jù)管理部分的工作流程，可以形成圖4中的數(shù)據(jù)管理模型。

圖4中，大部分?jǐn)?shù)據(jù)均需要進(jìn)過數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)三維整合三步操作后提交到管理桌面系統(tǒng)中，但部分深度挖掘結(jié)果可以直接跳過三維整合部分提交到管理桌面，如預(yù)警結(jié)果數(shù)據(jù)、邏輯閉鎖數(shù)據(jù)、綜合保護(hù)動(dòng)作結(jié)果數(shù)據(jù)等；部分原始數(shù)據(jù)可以在初步治理后，直接進(jìn)入到三維整合階段，并不進(jìn)行數(shù)據(jù)深度挖掘工作，包括建筑設(shè)備數(shù)量、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、建筑工程概況的錄波圖數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域—頻域分析后，可以直接形成數(shù)據(jù)圖表，作為三維可視化系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。

2? Web3D可視化技術(shù)的功能模塊分割及設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是將Web3D可視化技術(shù)與建筑三維地圖相結(jié)合，一方面方便數(shù)據(jù)查詢，另一方面使數(shù)據(jù)更為直觀以提升建筑工程管理調(diào)度效率。即該系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)中，應(yīng)強(qiáng)化數(shù)據(jù)檢索功能，提供更多的針對(duì)三維地圖直接查詢的數(shù)據(jù)檢索模式，同時(shí)不應(yīng)弱化針對(duì)數(shù)據(jù)值域、峰值、離群數(shù)據(jù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)要素的檢索模式。該數(shù)據(jù)查詢模式如圖5所示。

圖5中，基于地理范圍的查詢功能，支持針對(duì)省、市、區(qū)縣、街道鄉(xiāng)鎮(zhèn)、社區(qū)行政村、街區(qū)及大型建筑物、電表戶的分別查詢功能，且主要數(shù)據(jù)應(yīng)在基于地圖顯示的主界面上進(jìn)行直接顯示，調(diào)度人員點(diǎn)擊相應(yīng)區(qū)域后，可以顯示詳細(xì)數(shù)據(jù)，還應(yīng)支持基于不同等級(jí)變電站覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)查詢，可以顯示不同倒閘狀態(tài)下變電站交叉轄區(qū)的實(shí)際供電模式；基于值域范圍的查詢功能，支持對(duì)錄波圖數(shù)據(jù)的直接查詢，對(duì)錄波圖數(shù)據(jù)中的離群數(shù)據(jù)、峰值數(shù)據(jù)、谷值數(shù)據(jù)等進(jìn)行直接預(yù)警提示，當(dāng)數(shù)據(jù)的多列關(guān)聯(lián)（如負(fù)荷—無功關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、電壓電流關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、負(fù)荷—設(shè)備溫度關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)等）數(shù)據(jù)、時(shí)域關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、頻域關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)等發(fā)生突變時(shí)，也應(yīng)該有預(yù)警提示數(shù)據(jù)，同時(shí)應(yīng)支持調(diào)度人員針對(duì)不同數(shù)據(jù)顯示功能的直接查詢。

上述數(shù)據(jù)查詢功能驅(qū)動(dòng)下的Web3D可視化功能模塊，應(yīng)按表1進(jìn)行資源分配。

表1中整理了5個(gè)核心功能模塊對(duì)前文圖1中相關(guān)算力資源的調(diào)用需求，可以發(fā)現(xiàn)，雖然該系統(tǒng)為基于Web3D可視化的技術(shù)展示，但部分功能如特值數(shù)據(jù)查詢、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)查詢等，并不需要調(diào)用三維地圖資源，而數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)功能和前端顯示功能需要在每個(gè)模塊中都進(jìn)行調(diào)用。綜合該算力調(diào)用需求情況，進(jìn)行以下討論。

2.1? 前端顯示和三維地圖調(diào)用功能

如前文綜合分析，3D地圖功能來自電力BIM系統(tǒng)和地理信息地圖數(shù)據(jù)GIS系統(tǒng)，使用前端的Flash組件將上述地圖信息整合Map系統(tǒng)中提供的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。在沒有三維地圖支持的系統(tǒng)中，原始錄波圖數(shù)據(jù)、深度挖掘數(shù)據(jù)、匯總統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等，使用三維數(shù)據(jù)圖表進(jìn)行數(shù)據(jù)整合并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化輸出。即建筑工程管理信息化系統(tǒng)的前端顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)初衷，是通過更豐富的三維圖表顯示系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，使調(diào)度桌面前端系統(tǒng)更為直觀，在增加桌面數(shù)據(jù)顯示復(fù)雜度的同時(shí)，使界面的人機(jī)交互更為和諧。

2.2? 數(shù)據(jù)初步治理和數(shù)據(jù)深度挖掘功能

如前文圖2所示，數(shù)據(jù)初步治理和數(shù)據(jù)深度挖掘?qū)儆诮永m(xù)系統(tǒng)，部分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)過初步治理后即可滿足數(shù)據(jù)可視化展示的需求，但部分?jǐn)?shù)據(jù)需要經(jīng)過數(shù)據(jù)深度挖掘模塊。該系統(tǒng)應(yīng)用到的數(shù)據(jù)深度挖掘模塊部分為系統(tǒng)內(nèi)置，如數(shù)據(jù)的深度迭代回歸分析等，但部分?jǐn)?shù)據(jù)深度挖掘?yàn)殛P(guān)聯(lián)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)深度挖掘功能，如預(yù)警數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)初步治理過程主要為數(shù)據(jù)時(shí)域分析中的回歸分析功能及超限學(xué)習(xí)功能，數(shù)據(jù)頻域分析的小波變換、傅里葉變換等頻域特征值提取功能以及其提取的特征值形成的二次時(shí)域數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)深度挖掘主要包含了相關(guān)的模糊決策矩陣、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、蟻群分布、熱力矢量分析等功能。受制于篇幅限制，且因?yàn)橄嚓P(guān)的大部分功能均布局在前置各獨(dú)立管理信息系統(tǒng)中，所以此處不展開討論。

3? 應(yīng)用效果測試

為測試Web3D可視化技術(shù)在建筑工程管理信息化系統(tǒng)調(diào)度過程中的應(yīng)用可靠性，選擇2019年與2020年全年的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)作為背景數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用場景仿真，使用原有調(diào)度可視化桌面系統(tǒng)和Web3D可視化技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的調(diào)度可視化桌面系統(tǒng)分別構(gòu)建調(diào)度桌面，選擇某建筑工地不同工作年限的調(diào)度值班員150人，工作經(jīng)驗(yàn)分別為1年、3年、7年、15年、30年，每組30人，使其分別操作兩套調(diào)度桌面系統(tǒng)完成仿真調(diào)度過程。統(tǒng)計(jì)其調(diào)度反應(yīng)效率、調(diào)度決策效率、調(diào)度失誤率，得到表2。

表2中，主要有以下3點(diǎn)表現(xiàn)差異：

1）調(diào)度反應(yīng)效率指管理信息化系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)出現(xiàn)調(diào)度指令下達(dá)窗口后，調(diào)度員做出反應(yīng)的思考時(shí)間，單位為s，該數(shù)據(jù)中，不同工齡建筑工程調(diào)度人員的反應(yīng)效率均有提升，即其調(diào)度指令的下達(dá)思考時(shí)間均有所縮短，但該系統(tǒng)相比較之前可視化系統(tǒng)，其核心表現(xiàn)為縮小了新調(diào)度員與經(jīng)驗(yàn)豐富調(diào)度員之間的工作能力差異，即比較30年工作經(jīng)驗(yàn)的調(diào)度員與1年工作經(jīng)驗(yàn)的調(diào)度員，在之前系統(tǒng)下，前者較后者效率提升3.46倍，在新系統(tǒng)下，前者較后者效率僅提升1.33倍。

2）調(diào)度決策效率指調(diào)度員發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)故障并發(fā)出調(diào)度令后，有效調(diào)度令與全部調(diào)度令之間的比值，該數(shù)據(jù)中，即便1年工作經(jīng)驗(yàn)的施工調(diào)度員其決策效率也達(dá)到了96.2%，但也可以看到2點(diǎn)表現(xiàn)，即所有工齡狀態(tài)下的調(diào)度員，使用新系統(tǒng)后，調(diào)度決策效率均有所提升，而且新調(diào)度員的提升幅度超過經(jīng)驗(yàn)豐富的調(diào)度員。

3）調(diào)度失誤率為調(diào)度員對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的觀察遺漏與觀察錯(cuò)誤次數(shù)與所有按規(guī)程的觀察次數(shù)之間的比值，可以看到，在建筑工程管理過程中使用Web3D可視化技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的調(diào)度系統(tǒng)后，所有調(diào)度員的調(diào)度失誤率均有所下降，且新調(diào)度員的調(diào)度失誤率下降幅度超過經(jīng)驗(yàn)豐富的調(diào)度員。

4? 結(jié)? 論

Web3D可視化技術(shù)應(yīng)用于建筑工程管理信息化系統(tǒng)中，通過對(duì)工程管理過程中相關(guān)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行重新優(yōu)化整合，優(yōu)化了施工調(diào)度桌面系統(tǒng)的可視化功能，使人機(jī)界面更符合人機(jī)關(guān)系，界面更加友好和諧。研究發(fā)現(xiàn)Web3D可視化技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的新系統(tǒng)對(duì)施工現(xiàn)場不同工作經(jīng)驗(yàn)的調(diào)度員的工作效率均有提升作用，且對(duì)新調(diào)度員的工作效率提升作用更為顯著。該系統(tǒng)充分縮小了新調(diào)度員與經(jīng)驗(yàn)豐富調(diào)度員之間的功能能力差距，可以有效提升施工人員的調(diào)度效率，增加施工管理運(yùn)行的安全性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 譚毅，許文煜，熊琛，等.新工科背景下增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用——以平法識(shí)圖教學(xué)為例 [J].中國現(xiàn)代教育裝備，2022（19）：88-91.

[2] 周港.建筑工程施工進(jìn)度數(shù)字化分析與優(yōu)化研究 [D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2022.

[3] 王亞浩.建筑工程施工方案三維可視化模擬與優(yōu)化研究 [D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2022.

[4] 周達(dá).基于BIM 5D的綜合管廊工程施工進(jìn)度與成本優(yōu)化管理研究 [D].青島：山東科技大學(xué)，2020.

[5] 周釗.基坑開挖地鐵隧道微擾動(dòng)控制及監(jiān)測可視化 [D].南京：東南大學(xué)，2020.

[6] 朱思雨.基于三維點(diǎn)云的室內(nèi)工程施工進(jìn)度跟蹤研究 [D].武漢：華中科技大學(xué)，2020.

[7] 朱昊然.基于Civil 3D+Dynamo的道路設(shè)計(jì)應(yīng)用研究 [D].南京：東南大學(xué)，2020.

[8] 張瑩瑩.裝配式建筑全生命周期中結(jié)構(gòu)構(gòu)件追蹤定位技術(shù)研究 [D].南京：東南大學(xué)，2019.

[9] 翟若明.IFC標(biāo)準(zhǔn)下的BIM模型在OSGEarth平臺(tái)的可視化研究 [D].武漢：武漢大學(xué)，2019.

[10] 董小洋.基于BIM和GIS的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型自動(dòng)生成與應(yīng)用研究 [D].杭州：浙江大學(xué)，2019.

[11] 蔣雅麗.基于BIM 4D的綜合管廊工程施工進(jìn)度管理 [D].西安：西安理工大學(xué)，2018.

[12] 劉建.基于BIM的鋼管混凝土拱橋可視化施工技術(shù)研究 [D].重慶：重慶交通大學(xué)，2018.

[13] 關(guān)峰.基于Web3D的建筑信息模型輕量級(jí)可視化研究 [D].湖北：湖北工業(yè)大學(xué)，2018.

[14] 董家赫，李丹陽.建筑施工現(xiàn)場的4D可視化管理探討 [J].住宅與房地產(chǎn)，2017（29）：119.

[15] 王建華.BIM技術(shù)在“NEWORLD”項(xiàng)目安全、質(zhì)量、進(jìn)度管理中的應(yīng)用研究 [D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2017.

作者簡介：段廣（1972.02—）男，漢族，四川眉山人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：工程技術(shù)、安全質(zhì)量管理。