三維可視化技術在海上平臺工程建設項目管理中的應用

楊建元 夏松林 張云青 李壯 王康

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

三維可視化技術在海上平臺工程建設項目管理中的應用

楊建元1夏松林1張云青1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.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

三維可視化技術將工程設計圖和數據轉換成圖形或圖像，并實現模擬用戶在未來建成工程場景中的虛擬現實感知，增強項目管理和技術人員與工程建設成果的交互性，為項目管理提供直觀、靈活且具有強烈真實感的體驗，可以有效提升項目溝通水平，同時輔助項目施工計劃管理、培訓、展示等需求。作為一項輔助提升項目管理技能的工具，具有良好的應用效果和前景。

三維可視化；虛擬現實；工程建設；項目管理

0 引言

對工程建設項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、側樣圖，類似現在建筑的平面、立面、剖面圖，這些的實質可理解為古代人類對工程建設可視化的一種最初的需求。實際上，只要技術經濟上可行，對工程建設項目的可視化要求往往是最迫切的。由于建設項目固有的唯一性、不可重復、不可逆轉等特點，項目的決策者、項目管理和工程技術人員只要有可能，都希望在項目實施前，看到項目是如何建成的，建成后又是什么樣的，是否符合自己的要求，以便做出最恰當的決策和實施方案。在計算機技術成熟前，人們是通過手工繪制效果圖、透視圖等來表現將要建成的建筑物。現代隨著計算機圖像技術的發展，對建設工程項目進行可視化展現更加容易，表現方式越來越多，因而對建設項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在建設項目管理中的應用也日趨成熟。

1 技術理論

三維可視化是一門從計算機學科出發，集數據處理、圖像顯示、人機交互等功能的綜合性技術，已廣泛應用于建筑、地理、海洋、測繪等學科?？梢詫⒊橄蠖菰锏臄祿臀淖旨庸ば纬芍庇^的圖形、動畫，并運用光線、色彩、視角等因素實時改變，讓使用者不僅可以直觀觀察被模擬對象外觀，還可以深入其內部結構，甚至可以看到在查看實物場景時難以觀察到的細節，也可以與計算機進行交互[2]。

虛擬現實(VR)是三維可視化技術發展演進的應用形式。它是一種交互式的多源信息融合的三維動態視景的系統仿真，利用計算機創建和體驗虛擬世界，使用戶沉浸于該交互環境中。

2 三維可視化技術表現方式

三維可視化技術在工程建設項目管理中的應用表現方式主要有三維動畫、虛擬現實以及二者的結合應用。使用計算機三維模擬成像技術，經過前期策劃、動畫制作、后期合成三個步驟，把專業技術領域的一些難以實現的場景進行真實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的技術、工程、工藝及設備情況，實現信息價值的最大化。

2.1 三維動畫

三維動畫是一種建立在計算機圖形圖像學基礎之上的技術，通過計算機三維模擬成像技術把專業領域一些難以實現的場景，進行真實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的工程、工藝、設備及工具情況，或將抽象的概念具象化展現出來的過程，實現信息價值的最大化。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 虛擬現實

虛擬現實通過人與計算機的交互，計算機實時反饋空間場景信息，用戶根據需求可依自己的路線行走，計算機會產生相應的場景，并可以通過預設讀取場景中的一些信息，交互性強。給用戶更強的參與度和自由度，但實時計算與渲染對設備有一定的硬件要求。

2.3 三維動畫與虛擬現實的結合

整體的場景以虛擬現實方式呈現，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節，可使用三維動畫方式，提前制作好，在虛擬現實中進行加載，這樣可以達到最好的觀看效果，又可以最大限度地節省電腦資源，提升使用體驗。

3 三維可視化技術的項目管理應用

海上平臺工程建造全流程從前期研究開始，直至正式投產結束，需經歷手續辦理、基本設計、詳細設計、加工設計、設備材料采辦、建造施工、裝船、運輸、海上安裝、調試等工序，整個過程涉及多部門、多工種的協調配合。

由于項目固有的唯一性、一次性特性，同時作為海洋工程建設項目具有技術復雜、投資高、風險大等特點，在項目建設開工之前實現預期成果的可視化展示和虛擬漫游對于投資決策以及項目的技術和管理人員具有異常重要的意義。三維可視化技術的應用可以將采集到的抽象數據，經過計算、處理、合成為可視化圖像展現出來，直觀幫助用戶實現其頭腦中的想法，可視化作為用戶想法結果的展示方法，可以輔助提升管理水平。

3.1 溝通方面的應用

人類的左腦負責文字、語言等功能，而右腦負責空間、形象記憶、圖像等功能，右腦的運轉速度要遠高于左腦，所以對于各類信息的獲取速度有差別，可以簡單地排序為：純文字<圖片<三維影像。故當使用直觀、準確、形象的三維圖像交流時的效率和準確率要遠高于純文字或二維工程圖，見圖1。

3.2 輔助施工計劃管理的應用

虛擬現實在制作的過程中，以工程設施的建造方案、設計圖和3D模型為基礎，加載建造時間計劃，動態模擬施工過程，輔助項目計劃管理[3]。畫面上方加入時間條元素，時間單位精確到天，畫面中的進度嚴格與建造計劃匹配。只要知曉現實的建造程度，對比虛擬現實中的進度，便可以輔助施工計劃管理。

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備，而很多設備需要從廠家定制、發貨，所以導致設備到貨時間有很多不確定性[4]。可視化技術使用準確的尺寸和安裝信息制作，可以模擬真實的設備安裝過程，分析是否可以調整設備安裝順序，安裝過程中的干涉情況，以及管線電儀的安全性。可以最大限度地優化建造過程，避免工程延誤或減少返工工作量。

圖1 信息表現形式效果對比

3.4 輔助調配資源

根據整個項目場地空間，整個場地之內在建的工程和工程規模、人力、設備、機械的調用分配情況，將這些資源進行可視化展示，可以直觀地進行資源調配，實現優化配置。

3.5 輔助項目展示與宣傳

利用三維可視化技術能直觀展示工程建設項目預期成果，包括平臺、導管架內部結構、設備的準確位置及信息、建造施工標準流程等。

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

(2)多種方式結合展示。可以寫實、亦可抽象，可以鳥瞰，亦可微觀，使沒有去過現場的人了解現場工況，讓設施細節場景躍然于畫面，進行真實的還原。

(3)交互展示。用戶可以自主選擇觀看角度、時間節點、觀看時長，依照自己的需求，對整個場地范圍內已完工或正在施工的設施上、下、左、右、前、后360°觀看。可以查看感興趣的設備，查詢詳細的信息等。

3.6 培訓方面的應用

可以根據不同的目標群體，使用不同的展現方式進行培訓。對于項目組新來的工程師，為使其快速了解整個項目組的背景和總體概況，可以通過觀看項目背景動畫，并進入虛擬現實觀看整體建造流程；對于同行業不同專業工程師，為使

其深入了解建造流程及規范、相關專業界面，可以進入虛擬現實，有針對性地查看某一工序流程；其他相關人員，為了解項目背景和項目整體進度，可以查看項目背景動畫、建造安裝動畫。

4 三維可視化技術在實例項目中的應用效果

4.1 項目描述

海上平臺建造安裝的主要對象是導管架、組塊、生活樓、鉆修機設備等。建造工期及施工工藝根據平臺的復雜程度以及使用需求有很大的差別。某海上平臺工程建設項目所需完成的基本工作，見圖2。

圖2中每一個步驟在施工過程中，又細分為更多的基礎工作。以組塊的陸地建造為例，可大致分為材料預處理、制管、主結構預制及安裝、附件預制及安裝、配管、涂裝、電儀訊、陸地調試、稱重等。

整個項目建造施工時間較短，工作量繁重，為了輔助項目管理，提高溝通和管理的工作效率，該項目制作了建造安裝全過程的可視化三維模擬，使用虛擬現實和三維動畫相配合的表現方式。平臺陸地建造部分使用虛擬現實，可以滿足了解建造進度、設備安裝、場地情況等，具有更好的交互性；海上安裝及項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 實現的功能

將項目背景、導管架、組塊的建造安裝動畫和預制動畫等集成在虛擬現實系統之中，設計整體的交互界面，可以在主菜單中直接選擇想要查看的項目，快捷進入相應的界面；進入虛擬現實界面后，設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；在使用虛擬現實的過程中，設置按鈕可以喚出設置選項，用戶可以隨時根據自己電腦的硬件情況選擇相應的配置，見圖3。

圖2 海上平臺工程建設項目的從陸地建造到海上投產流程概述

(1)“導管架建造安裝”直接播放導管架建造安裝全過程的三維動畫，簡要介紹導管架建造安裝的整個流程。導管架建造安裝流程包括導管架各“X”形片和水平片的預制噴涂、陸地整體組裝、附件安裝、裝船固定及運輸、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：組塊各結構片的預制噴涂、結構吊裝、設備安裝、配管、舾裝、裝船、拖航、海上安裝、連接調試，見圖5。

(3)“預制動畫”下設各子菜單，包括：“卷管動畫”“縱縫焊接”“環縫焊接”“導管架涂裝”“甲板片涂裝”選項。雖然這些動畫已經在導管架和組塊動畫的相應位置編輯成為整體，在這里單獨列出來，因為屬于材料預制部分，有單獨查看學習的需求，并可作為項目組員培訓使用。

(4)“建造虛擬現實”選項進入導管架、組塊的建造過程虛擬現實，全方位展示導管架及組塊的陸地建造。在畫面上方加入時間進度條，可以直接拖動到相應的日期，查看不同節點的建造進度。用戶可以選擇自由游走，依照需求，在整個場地范圍內已完工或正在施工的設施內360°查看，見圖6。

在用戶漫游過程中，可以點選設備，查看其名稱、尺寸，或選擇提前設置好的路線參觀導管架、組塊的預制、安裝過程。

4.3 后續改進及優化

經過該項目的探索和制作應用，發現并總結出一些經驗，可以在后續同類項目應用時提升效率。

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

圖3 菜單展示(截圖)

圖4 導管架流程(截圖)

圖5 組塊建造安裝(截圖)

圖6 建造場地內游走(截圖)

(2)將功能模塊化。本項目中實現的一些功能，如時間線控制進度功能，導入、顯示設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，在出現類似需求的時候，方便引用和修改。

(3)提前可視化介入時間?？梢暬墓ぷ髟皆玳_始準備，則越能第一時間完成基礎工作，如模型搭建、場景設計、方案制作等，更早地投入使用，就能更廣泛地發揮應用價值。

5 結語

在實例項目實踐中，依據詳細設計圖完成的精確模型，制作陸地建造及海上安裝的可視化成果，極大地提升了項目溝通效率，為匯報審查工作提供了便利；結合時間線功能，支持實際進度和計劃進度的可視化直觀對比，輔助項目的進度管理；所有的成果都結合進入虛擬現實之中，可以直接播放三維動畫，完成項目預期成果的可視化展示；區分不同目的的不同展示方式，可以作為項目溝通的形象介質、項目宣傳和成果體驗的可視化媒介，也可以作為培訓的可視化教程。

工程建造項目的可視化應用在某種程度上可以代替部分傳統的文字報表等形式，可以縱覽全局，也可以觀察局部，為項目管理提供直觀、靈活且具有強烈真實感的體驗。隨著計算機硬件的提升，可以更大程度地細化三維可視化中的數據和模型精度，連接到各平行數據庫及外部硬件后，會產生更好的互動性。在此基礎上還可以發展在線同步等功能，實時分析工況、調配資源，提升項目溝通和管理效率，從而發展為覆蓋整個工程建造過程的可視化支持系統。

[1]王文準.可視化工程建設管理[J].科學與管理,2007,27(3X)：71-73.

[2]徐孟超.淺談國內外三維可視化發展及其應用[J].現代測繪,2012,35(6):60-62.

[3]張建平,韓冰,李久林,等.建筑施工現場的4D可視化管理[J].施工技術,2006，35(10):36-38.

[4]夏松林.海洋石油工程建設項目采購特點及其進度管控[J].項目管理技術,2015,13(10):104-108.PMT

2016-04-15