海上风电工程三维可视化应用研究

叶晓冬，马斐

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335）

数字化和信息化技术已经渗透到工程建设的各个领域，正在强力推动工程建设技术和管理的重大变革。为了更好地解决建设运维成本高、施工难度大等问题，海上风电工程也在不断引入BIM、GIS、数字孪生、大数据分析等数字化信息化技术，并探索这些技术的最佳应用场景，其中三维可视化技术被广泛应用于业务数据的可视化展示场景，用户能更直观地了解数据传达的信息。

1 基于Web 端的三维可视化应用研究

1.1 轻量化技术应用研究

三维可视化技术路线的选择取决于应用环境的选择，基于客户端的应用环境对模型、渲染效果的加载流畅性只受硬件配置的限制，当配置满足要求时，可直接加载高精细度的BIM 模型，不需要进行模型轻量化处理。基于Web端的应用环境对模型、渲染效果的加载流畅性有很大限制，无法直接加载高精细度的BIM 模型，需要根据应用场景进行相应的模型轻量化处理。因此，三维可视化技术路线研究分成基于客户端和基于Web 端两条主干路线，Web端再细分为基于BIM延伸技术的模型轻量化（下文使用BIM 轻量化表示）和基于非BIM 延伸技术的模型轻量化（下文使用非BIM 轻量化表示）两条枝干路线，如图1 所示。本文侧重研究基于Web 端的轻量化应用路线。

图1 基于web 端的轻量化应用路线

基于BIM 轻量化是指将BIM 模型的源文件（如图2 所示）即dgn 模型文件进行轻量化处理再加载到BIM 衍生平台进行展示，例如，Bentley 的iModelWeb。轻量化处理过程：步骤（1）可通过在Bentley 环境中将dgn 模型中包含但未做关联调用的建筑数据集元素、单元定义、图层、嵌套连接层、项类型库等项进行删减，并清空建筑显示加速器内的冗余模型缓存；步骤（2）若项目模型仅需保留模型的外观，可将完成步骤1操作的模型做抽壳处理，经过此步骤的模型由实体转化为保留外观信息的壳体，模型大小将得到进一步精减，经过此轻量化操作的BIM 模型文件（如图3 所示）加载至imodel 平台后，将会显著缩短imodel 平台显示模型的延迟时间，提升浏览、操作模型平台界面时的显示流畅度。该轻量化模型保留了dgn 模型文件中的所有信息数据，通过iModel 平台的API 进行二次开发可实现丰富的交互功能。

图2 原dgn 模型

图3 轻量化后的dgn 模型

基于非BIM 轻量化是指将dgn 模型文件通过一系列格式转换并在三维软件中进行轻量化处理导出obj 或fbx 模型文件（图5），该模型文件不保留信息数据。此非BIM 轻量化操作会一定程度上降低模型的精度，削减模型三角面的百分比越高，模型的精度越低，模型的可视化效果越差，轻量化后的模型文件越小。轻量化处理可通过采取多次调整削减模型三角面的数值，对比轻量化后模型的细节精细度，在精度可接受的范围内，选取模型显示细节、模型文件大小之间的最优化方案。经过此方法轻量化后的非BIM 模型，可显著提升资产平台展示界面显示模型时的后台加载模型时的速度，减轻服务器在后台处理模型时的运算压力。当轻量化模型满足web 端渲染流畅性后再进行模型材质调整，根据可视化效果的需求可调整模型配色或材质贴图（图6、7），贴图可使用符合要求的实景照片或自行设计效果图片。

图4 轻量化前的obj 模型

图5 轻量化后的obj 模型

图6 材质优化后的obj 模型1

图7 材质优化后的obj 模型2

1.2 渲染应用研究

根据Web 端不同的轻量化应用路线所获得的轻量化模型在渲染应用上也有不同的渲染环境。基于BIM 轻量化后的模型文件可加载到iModelWeb 上，iModelWeb 可读取模型自带的所有信息数据，同时提供丰富的交互功能和api 接口（图8）。基于非BIM 轻量化后的模型文件可加载到基于HTML5+WebGl 的渲染环境，例如，HT for Web（图9）。

图8 材质优化后的obj 模型2

图9 材质优化后的obj 模型2

2 应用场景分析

2.1 状态监测

运用三维模型的动态效果和颜色变化的特点可以更直观地反映出状态类监测数据的可视化效果。例如，风机的三维模型可用叶片的旋转和静止表示风机的运行和停机状态，使用模型的颜色变化，原色表示正常状态，蓝色表示限功率状态，黄色表示异常状态，红色表示故障状态，通过动态+颜色的组合可表达正常运行、待机、限功率运行、计划停机、故障停机等多种状态表达，用户也能更直观地判别状态数据。

状态监测场景可分为全景监测场景（图10、11）和局部监测场景（图12）。全景监测场景是对整个海上风电场的所有风机、海上升压站、海缆等设施进行状态监测，该场景需要加载的模型数量多且对模型的精细度要求不高，为了满足web 端的流畅性，该场景应用的是非BIM 轻量化技术。局部监测场景是对一台风机内或一个海上升压站内的设备进行状态监测，该场景加载的模型数据不多且对模型的精细度要求较高，例如，需要对风机机舱内各个部件和海上升压站内各设备进行状态监测，每个设备部件都要有交互功能并关联工程数据，在工程设计阶段可获得相关的dgn 模型文件，因此，局部监测场景更适合应用BIM 轻量化技术。

图10 全景监测场景1

图11 全景监测场景2

图12 海上升压站局部监测场景

2.2 数字资产管理

利用BIM 信息模型的特点以编码为纽带将三维模型与物理资产从规划设计、建设施工、竣工交付、运行维护直至报废退役全生命周期各阶段的信息数据文档图纸进行多维关联，为各业务人员提供了全息高效的资产管理应用场景（图13、14）。例如对海上升压站内的资产可进行空间维度管理，通过目录树导航可在升压站整体（图15）、楼层（图16）、房间几个空间维度间切换场景；通过过滤功能（图17）可筛选要显示或隐藏的资产；可将三维模型与二维图纸进行关联定位（图18）；可通过匹配条件在升压站整体模型中搜索定位同类型资产（图19）。以上这些功能所使用的模型均采用BIM 轻量化技术。

图13 升压站整体模型

图14 升压站楼层模型

图15 模型过滤

图17 匹配定位

图18 资产运行数据管理

图19 资产工程数据管理

单个资产的管理场景只需要对模型进行简单的缩放旋转等交互操作，对模型和资产数据的可视化效果要求较高，需要对模型进行材质美化处理，因此，该场景更适合采用非BIM 轻量化技术。

2.3 远程巡检

远程巡检采用沉浸式三维可视化技术对风机内部和海上升压站内部开展巡检任务，运维人员通过VR 设备模拟 在风机内部和海上升压站内部的真实场景，设备模型与监测数据实时动态关联，在VR 环境下运维人员可查看设备真实状态和运行数据以及工程数据，解决了海上运维可达性差导致的无法巡检的难题。由于VR 的沉浸式环境需要最大限度还原真实现场效果，（见图20）模型材质要接近实物，需要通过在模型表面附上贴图，这就需要用到非BIM 轻量化技术。

图20 远程巡检

3 结语

三维可视化在模型和数据展示方面的优势能为海上风电工程建设、运维阶段的业务场景带来更丰富的展示效果和用户体验，让冷冰冰的数据生动起来。三维可视化不同的技术路线也能够满足不同业务场景的展示需求，通过三维可视化用户能更直观、更快、更全面地掌握施工进度、设备状态等业务数据，有助于降低管理成本和提高管理效率。