海上風電工程三維可視化應用研究

葉曉冬，馬斐

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335）

數字化和信息化技術已經滲透到工程建設的各個領域，正在強力推動工程建設技術和管理的重大變革。為了更好地解決建設運維成本高、施工難度大等問題，海上風電工程也在不斷引入BIM、GIS、數字孿生、大數據分析等數字化信息化技術，并探索這些技術的最佳應用場景，其中三維可視化技術被廣泛應用于業務數據的可視化展示場景，用戶能更直觀地了解數據傳達的信息。

1 基于Web 端的三維可視化應用研究

1.1 輕量化技術應用研究

三維可視化技術路線的選擇取決于應用環境的選擇，基于客戶端的應用環境對模型、渲染效果的加載流暢性只受硬件配置的限制，當配置滿足要求時，可直接加載高精細度的BIM 模型，不需要進行模型輕量化處理。基于Web端的應用環境對模型、渲染效果的加載流暢性有很大限制，無法直接加載高精細度的BIM 模型，需要根據應用場景進行相應的模型輕量化處理。因此，三維可視化技術路線研究分成基于客戶端和基于Web 端兩條主干路線，Web端再細分為基于BIM延伸技術的模型輕量化（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。本文側重研究基于Web 端的輕量化應用路線。

圖1 基于web 端的輕量化應用路線

基于BIM 輕量化是指將BIM 模型的源文件（如圖2 所示）即dgn 模型文件進行輕量化處理再加載到BIM 衍生平臺進行展示，例如，Bentley 的iModelWeb。輕量化處理過程：步驟（1）可通過在Bentley 環境中將dgn 模型中包含但未做關聯調用的建筑數據集元素、單元定義、圖層、嵌套連接層、項類型庫等項進行刪減，并清空建筑顯示加速器內的冗余模型緩存；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，經過此步驟的模型由實體轉化為保留外觀信息的殼體，模型大小將得到進一步精減，經過此輕量化操作的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據，通過iModel 平臺的API 進行二次開發可實現豐富的交互功能。

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換并在三維軟件中進行輕量化處理導出obj 或fbx 模型文件（圖5），該模型文件不保留信息數據。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整削減模型三角面的數值，對比輕量化后模型的細節精細度，在精度可接受的范圍內，選取模型顯示細節、模型文件大小之間的最優化方案。經過此方法輕量化后的非BIM 模型，可顯著提升資產平臺展示界面顯示模型時的后臺加載模型時的速度，減輕服務器在后臺處理模型時的運算壓力。當輕量化模型滿足web 端渲染流暢性后再進行模型材質調整，根據可視化效果的需求可調整模型配色或材質貼圖（圖6、7），貼圖可使用符合要求的實景照片或自行設計效果圖片。

圖4 輕量化前的obj 模型

圖5 輕量化后的obj 模型

圖6 材質優化后的obj 模型1

圖7 材質優化后的obj 模型2

1.2 渲染應用研究

根據Web 端不同的輕量化應用路線所獲得的輕量化模型在渲染應用上也有不同的渲染環境。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據，同時提供豐富的交互功能和api 接口（圖8）。基于非BIM 輕量化后的模型文件可加載到基于HTML5+WebGl 的渲染環境，例如，HT for Web（圖9）。

圖8 材質優化后的obj 模型2

圖9 材質優化后的obj 模型2

2 應用場景分析

2.1 狀態監測

運用三維模型的動態效果和顏色變化的特點可以更直觀地反映出狀態類監測數據的可視化效果。例如，風機的三維模型可用葉片的旋轉和靜止表示風機的運行和停機狀態，使用模型的顏色變化，原色表示正常狀態，藍色表示限功率狀態，黃色表示異常狀態，紅色表示故障狀態，通過動態+顏色的組合可表達正常運行、待機、限功率運行、計劃停機、故障停機等多種狀態表達，用戶也能更直觀地判別狀態數據。

狀態監測場景可分為全景監測場景（圖10、11）和局部監測場景（圖12）。全景監測場景是對整個海上風電場的所有風機、海上升壓站、海纜等設施進行狀態監測，該場景需要加載的模型數量多且對模型的精細度要求不高，為了滿足web 端的流暢性，該場景應用的是非BIM 輕量化技術。局部監測場景是對一臺風機內或一個海上升壓站內的設備進行狀態監測，該場景加載的模型數據不多且對模型的精細度要求較高，例如，需要對風機機艙內各個部件和海上升壓站內各設備進行狀態監測，每個設備部件都要有交互功能并關聯工程數據，在工程設計階段可獲得相關的dgn 模型文件，因此，局部監測場景更適合應用BIM 輕量化技術。

圖10 全景監測場景1

圖11 全景監測場景2

圖12 海上升壓站局部監測場景

2.2 數字資產管理

利用BIM 信息模型的特點以編碼為紐帶將三維模型與物理資產從規劃設計、建設施工、竣工交付、運行維護直至報廢退役全生命周期各階段的信息數據文檔圖紙進行多維關聯，為各業務人員提供了全息高效的資產管理應用場景（圖13、14）。例如對海上升壓站內的資產可進行空間維度管理，通過目錄樹導航可在升壓站整體（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；可將三維模型與二維圖紙進行關聯定位（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（圖19）。以上這些功能所使用的模型均采用BIM 輕量化技術。

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 資產運行數據管理

圖19 資產工程數據管理

單個資產的管理場景只需要對模型進行簡單的縮放旋轉等交互操作，對模型和資產數據的可視化效果要求較高，需要對模型進行材質美化處理，因此，該場景更適合采用非BIM 輕量化技術。

2.3 遠程巡檢

遠程巡檢采用沉浸式三維可視化技術對風機內部和海上升壓站內部開展巡檢任務，運維人員通過VR 設備模擬 在風機內部和海上升壓站內部的真實場景，設備模型與監測數據實時動態關聯，在VR 環境下運維人員可查看設備真實狀態和運行數據以及工程數據，解決了海上運維可達性差導致的無法巡檢的難題。由于VR 的沉浸式環境需要最大限度還原真實現場效果，（見圖20）模型材質要接近實物，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。

圖20 遠程巡檢

3 結語

三維可視化在模型和數據展示方面的優勢能為海上風電工程建設、運維階段的業務場景帶來更豐富的展示效果和用戶體驗，讓冷冰冰的數據生動起來。三維可視化不同的技術路線也能夠滿足不同業務場景的展示需求，通過三維可視化用戶能更直觀、更快、更全面地掌握施工進度、設備狀態等業務數據，有助于降低管理成本和提高管理效率。