可視化技術在標準施工工藝中的應用

潘福營，胡紫航

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司基建部，北京市 100761；2.山東文登抽水蓄能有限公司，山東省威海市 264419）

0 引言

2011年，國網(wǎng)新源控股有限公司發(fā)布了72項標準施工工藝示范手冊（以下簡稱示范手冊）。通過施工工藝勞動競賽、監(jiān)督檢查等措施，推動標準施工工藝全面應用，在示范手冊指導下，基建施工工藝水平和工程質(zhì)量有較大提升。但原示范手冊主要以圖文形式進行展示，缺乏生動性和直觀性，對于缺乏工程經(jīng)驗的技術管理人員，學習掌握建設施工要點需大量時間和精力，原示范手冊為書籍，不方便隨時攜帶和應用。

建立一套面向基建現(xiàn)場的可視化施工工藝，采用直觀生動、三維可視化的形式表達標準施工工藝，讓缺乏工程經(jīng)驗的技術管理人員對工程實施方案、工藝作業(yè)流程、質(zhì)量控制標準一目了然、快速理解掌握、便于攜帶和隨時應用，既是工程建設現(xiàn)場管理的需要，也是技能人員培育需求，對進一步提升工程建設質(zhì)量管控水平具有重要意義。

可視化技術應用于標準施工工藝制作的每項成果中均有施工過程照片、施工過程錄像、三維動畫展示，清晰展示質(zhì)量控制要點，高度真實模擬出整個標準施工過程[1,2]。照片、錄像、動畫展示能根據(jù)演示需要和技術人員需求互相交替，實現(xiàn)可視化標準工藝與技術管理人員的交互，讓培訓人員學習后能快速掌握每項施工工藝、施工方法和全過程安全質(zhì)量控制重點。特別是可以在手機上安裝App，隨時查閱。

1 可視化系統(tǒng)開發(fā)

1.1 三維模型建模

依據(jù)標準施工工藝現(xiàn)場施工場景，采用AutoCAD、3DMax等建模工具直接建立三維場景模型[2]，模型建立完成后進行貼圖處理及效果處理，利用相關插件將模型導出為Unity3D能夠識別的fbx實體模型文件，實現(xiàn)標準施工工藝三維可視化。

1.2 模型貼圖

所有的施工場景及施工機具物體表面都具有自身材質(zhì)、紋理和顏色。這些屬性在標準施工工藝可視化系統(tǒng)中是十分重要的。為保證施工場景及施工流程真實度，需要對系統(tǒng)中模型材質(zhì)采用貼圖法處理，否則各類場景及機具模型無光彩、變得難于區(qū)分。

利用貼圖增加標準施工工藝及施工場景中模型質(zhì)感，完善造型，使創(chuàng)建的標準工藝可視化三維場景更接近現(xiàn)實，增添系統(tǒng)真實性和沉浸感。利用貼圖節(jié)約系統(tǒng)資源，提升整個標準施工工藝可視化系統(tǒng)的運行速度。本系統(tǒng)中采用的主要方法是3DMAX中的位圖和UVW貼圖[3]。

1.3 碰撞檢測

標準工藝可視化系統(tǒng)中，存在作業(yè)人員、機械運動、材料及機具擺放、工序銜接作業(yè)面移動等[4]，作業(yè)人員和機械在遇到障礙物時要像在現(xiàn)實中一樣，無法穿越。所以在系統(tǒng)研發(fā)時，需要設計碰撞檢測，否則會出現(xiàn)移動的模型在遇到障礙時隨意穿行現(xiàn)象，存在失真。因此在標準工藝可視化系統(tǒng)中對人及墻壁添加了碰撞器組件。比如，給作業(yè)人員添加Capsule Collider，巖壁等固定場景部位可以添加Box Collider，設置系統(tǒng)計算的碰撞器碰撞范圍即可實現(xiàn)碰撞檢測。

1.4 遮擋剔除

標準施工工藝可視化屬于虛擬現(xiàn)實項目，施工場景大且施工作業(yè)范圍內(nèi)各類物體較多，無法進行整個場景渲染。采用Unity內(nèi)置遮擋剔除功能使其僅對可視化場景中第一視角視野范圍內(nèi)物體渲染，降低系統(tǒng)渲染負荷，提高系統(tǒng)運行效率，使標準工藝可視化系統(tǒng)運行更加流暢，使用者在采用系統(tǒng)翻看標準施工工藝流程時，可以很方便快捷的看到標準施工藝施工的連續(xù)性，減少卡頓現(xiàn)象的產(chǎn)生，使用和操作更加舒適性、便捷。

1.5 特效制作

抽水蓄能施工過程中，存在爆破作業(yè)、焊接切割、地下洞室通風散煙等場景，為使標準施工工藝場景效果更真實，使用粒子系統(tǒng)在Unity中制作爆炸、焊接等特效[5]。

1.6 UI制作

標準施工工藝可視化系統(tǒng)為保證使用者可以同時打開多個窗口，設計過程中，為保證使用者打開的窗口可以實現(xiàn)任意切換、拖拽、移動、開合等功能，使用UI設計，從標準施工工藝系統(tǒng)使用中能體現(xiàn)軟件用途和特點，操作起來簡單舒適。在本次應用中，利用NGUI插件制作菜單欄、按鈕等界面。同時使各窗口具有屏幕自適應作用，適應不同分辨率屏幕。

2 可視化施工工藝應用

2.1 施工工藝場景漫游

抽水蓄能參建各方技術人員可通過Unity3D虛擬現(xiàn)實工具構建的標準施工工藝三維可視化系統(tǒng)[6]，通過電腦評估從任意角度、采用放大或縮小按鈕，查看標準施工工藝場景、外觀及工藝流程。該系統(tǒng)利用動畫模型模擬施工工藝過程，通過鼠標點擊播放、暫停、重播等觀看標準施工工藝三維模擬動畫過程演示，從而直觀的熟悉并掌握標準施工工藝。

使用時，選擇某個標準施工工藝，點擊相應施工場景瀏覽。進入場景時，提供一段自動漫游動畫進行主要場景瀏覽，完成后自動停在施工工藝區(qū)域。在標準施工工藝場景中，通過鍵盤、鼠標操作，實現(xiàn)全方位瀏覽[7]。場景漫游功能鍵分為6個方向自由度，系統(tǒng)能在6個方向自由變化。該可視化技術采用固化瀏覽快捷鍵方式來控制場景漫游，提供多種漫游和操作方式，使用者可選擇適合的操作方式。

在系統(tǒng)中提供了人性化的人機交互形式，提供鳥瞰和第一視角漫游，使用者采用鼠標和鍵盤操作進行鳥瞰，并根據(jù)漫游視角，自動適配運行速度，采用對話框方式告知操作者鼠標和鍵盤操控方法，如圖1所示。

圖1 施工工藝場景虛擬漫游Figure 1 Virtual tour of construction process scene

2.2 施工工藝要求查詢

在該系統(tǒng)中通過兩種方式實現(xiàn)對施工工藝要求的查詢，一是使用者采用人機交互方式，通過目錄樹點擊某工藝進入相應工序場景，選擇具體工序相應的“工藝要求”菜單，打開工藝要求文檔說明窗口，如圖2所示；二是在三維仿真場景中直接采用鼠標點擊觸發(fā)，快速導航到對應工藝要求內(nèi)容，如圖3所示。

2.3 施工工藝現(xiàn)場視頻瀏覽

在系統(tǒng)的可視化界面中補充了采用三維仿真難以表現(xiàn)的復雜工序，針對現(xiàn)場關鍵工序步驟重點拍攝，將拍攝的真實的施工工藝視頻單模塊插入進行工藝展示，與實際高度融合。現(xiàn)場視頻瀏覽如圖4所示。

2.4 施工工藝標準規(guī)范查詢

建設項目所有施工必須依據(jù)相應的圖紙及規(guī)程規(guī)范，本系統(tǒng)增加了施工工藝技術要求中引用的規(guī)程規(guī)范及其標準，通過后臺系統(tǒng)管理模塊添加了標準庫目錄樹。通過使用者自行點擊選擇標準庫，下拉菜單可以在系統(tǒng)管理模塊自定義添加行政法規(guī)、國家標準、部門標準、行業(yè)及企業(yè)標準等；用戶可點擊選擇相應標準進行查詢?yōu)g覽。效果示例如圖5所示。

2.5 與基建智能管控平臺集成

本系統(tǒng)采用信息化及仿真技術實現(xiàn)抽水蓄能標準施工工藝流程可視化，并與國網(wǎng)新源基建智能管控平臺的質(zhì)量驗評系統(tǒng)、標準管理系統(tǒng)、質(zhì)量巡檢系統(tǒng)等多個智能化系統(tǒng)集成，通過信息接口，實現(xiàn)施工工藝可視化與質(zhì)量全過程管理數(shù)據(jù)融合。

系統(tǒng)集成到“基建智能管控平臺”，實現(xiàn)對標準施工工藝可視化資料的存儲和管理，包括：提供基礎數(shù)據(jù)服務和管理功能，將標準施工工藝可視化資源作為抽水蓄能施工標準規(guī)范的一部分，導入基建智能管控平臺，實現(xiàn)對系統(tǒng)的管理與可視化標準施工工藝的版本控制，并對可視化數(shù)據(jù)模塊或其所引用的資源更新；提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲后臺及維護服務。

圖2 施工工藝要求小窗口展示Figure 2 Construction process requires small window display

圖3 施工工藝要求場景中觸發(fā)展示Figure 3 The construction process requires the scene to trigger the display

圖4 施工工藝視頻瀏覽圖示Figure 4 Construction process video browse diagram

通過利用可視化技術將標準施工工藝系統(tǒng)集成，記錄下真實的施工工藝數(shù)據(jù)，使用者能夠通過系統(tǒng)查閱施工工藝全過程、質(zhì)量控制要點。各建設單位和各技術人員通過基建智能管控平臺進行標準施工工藝可視化系統(tǒng)的使用，針對標準施工工藝操作的錯誤進行書面反饋，系統(tǒng)研發(fā)人員通過平臺標準施工工藝可視化系統(tǒng)對基礎數(shù)據(jù)增加、刪減、修改、查詢等服務，可將施工工藝操作的錯誤進行糾正。

標準施工工藝可視化施工過程可與基建智能管控平臺中的質(zhì)量巡檢系統(tǒng)管理相關聯(lián)，通過質(zhì)量巡檢管理數(shù)據(jù)，檢查現(xiàn)場施工工序是否符合標準施工工藝的工序要求。施工工藝可視化中的質(zhì)量控制點與質(zhì)量驗評管理系統(tǒng)的質(zhì)量控制點相一致，現(xiàn)場施工過程與施工工藝過程要求相符。系統(tǒng)集成示例如圖6所示。

圖5 施工工藝引用標準查詢Figure 5 Inquiry of construction process reference standard

3 結(jié)束語

標準施工工藝可視化技術是將施工工藝按照三維交互場景、視頻/圖片、引用標準、工藝要點、聲音講解等五項內(nèi)容集成體現(xiàn)展示。視頻、圖片、錄像、標準要求在系統(tǒng)中互相匹配，讓使用的管理及技術人員直觀多角度的對標準施工工藝過程進行體驗；在視頻演示時，通過文字和配音，實現(xiàn)視覺和聽覺全面掌控；同時，可實現(xiàn)人機交互，使用人員可隨時查閱對應的標準施工工藝要求和控制標準、查閱現(xiàn)場相關施工影像。可視化技術研發(fā)的標準施工工藝與基建智能管控平臺的質(zhì)量驗評、質(zhì)量巡檢等系統(tǒng)集成，實現(xiàn)施工工藝可視化與質(zhì)量全過程管理的數(shù)據(jù)融合。管理人員同步可通過手機移動端操作，使技術培育及現(xiàn)場應用不受時間和空間限制，隨時隨地查詢標準施工工藝[8]，持續(xù)提升工程實體質(zhì)量，保證工程本質(zhì)安全。

圖6 系統(tǒng)集成圖示Figure 6 System integration diagram