三维可视化技术在海上平台工程建设项目管理中的应用

杨建元 夏松林 张云青 李壮 王康

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

三维可视化技术在海上平台工程建设项目管理中的应用

杨建元1夏松林1张云青1李壮2王康2

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

三维可视化技术将工程设计图和数据转换成图形或图像，并实现模拟用户在未来建成工程场景中的虚拟现实感知，增强项目管理和技术人员与工程建设成果的交互性，为项目管理提供直观、灵活且具有强烈真实感的体验，可以有效提升项目沟通水平，同时辅助项目施工计划管理、培训、展示等需求。作为一项辅助提升项目管理技能的工具，具有良好的应用效果和前景。

三维可视化；虚拟现实；工程建设；项目管理

0 引言

对工程建设项目的可视化要求自古就有。例如北宋李诫在《营造法式》中绘制大量工程图样，书中所谓的地盘图、正样图、侧样图，类似现在建筑的平面、立面、剖面图，这些的实质可理解为古代人类对工程建设可视化的一种最初的需求。实际上，只要技术经济上可行，对工程建设项目的可视化要求往往是最迫切的。由于建设项目固有的唯一性、不可重复、不可逆转等特点，项目的决策者、项目管理和工程技术人员只要有可能，都希望在项目实施前，看到项目是如何建成的，建成后又是什么样的，是否符合自己的要求，以便做出最恰当的决策和实施方案。在计算机技术成熟前，人们是通过手工绘制效果图、透视图等来表现将要建成的建筑物。现代随着计算机图像技术的发展，对建设工程项目进行可视化展现更加容易，表现方式越来越多，因而对建设项目的可视化需求也越来越多，要求越来越高[1],这使得三维可视化技术在建设项目管理中的应用也日趋成熟。

1 技术理论

三维可视化是一门从计算机学科出发，集数据处理、图像显示、人机交互等功能的综合性技术，已广泛应用于建筑、地理、海洋、测绘等学科。可以将抽象而枯燥的数据和文字加工形成直观的图形、动画，并运用光线、色彩、视角等因素实时改变，让使用者不仅可以直观观察被模拟对象外观，还可以深入其内部结构，甚至可以看到在查看实物场景时难以观察到的细节，也可以与计算机进行交互[2]。

虚拟现实(VR)是三维可视化技术发展演进的应用形式。它是一种交互式的多源信息融合的三维动态视景的系统仿真，利用计算机创建和体验虚拟世界，使用户沉浸于该交互环境中。

2 三维可视化技术表现方式

三维可视化技术在工程建设项目管理中的应用表现方式主要有三维动画、虚拟现实以及二者的结合应用。使用计算机三维模拟成像技术，经过前期策划、动画制作、后期合成三个步骤，把专业技术领域的一些难以实现的场景进行真实的视觉还原或者深度的原理剖析，帮助用户更直观地展示相应的技术、工程、工艺及设备情况，实现信息价值的最大化。

2.1 三维动画

三维动画是一种建立在计算机图形图像学基础之上的技术，通过计算机三维模拟成像技术把专业领域一些难以实现的场景，进行真实的视觉还原或者深度的原理剖析，更直观、有针对性地展示相应的工程、工艺、设备及工具情况，或将抽象的概念具象化展现出来的过程，实现信息价值的最大化。制作完成后生成视频文件，只要有简单的媒体播放器即可，对电脑硬件要求较低，通用性较好。

2.2 虚拟现实

虚拟现实通过人与计算机的交互，计算机实时反馈空间场景信息，用户根据需求可依自己的路线行走，计算机会产生相应的场景，并可以通过预设读取场景中的一些信息，交互性强。给用户更强的参与度和自由度，但实时计算与渲染对设备有一定的硬件要求。

2.3 三维动画与虚拟现实的结合

整体的场景以虚拟现实方式呈现，用户可以自由地在其中行走，观察并读取感兴趣的信息。其中需要展示原理动作的细节，可使用三维动画方式，提前制作好，在虚拟现实中进行加载，这样可以达到最好的观看效果，又可以最大限度地节省电脑资源，提升使用体验。

3 三维可视化技术的项目管理应用

海上平台工程建造全流程从前期研究开始，直至正式投产结束，需经历手续办理、基本设计、详细设计、加工设计、设备材料采办、建造施工、装船、运输、海上安装、调试等工序，整个过程涉及多部门、多工种的协调配合。

由于项目固有的唯一性、一次性特性，同时作为海洋工程建设项目具有技术复杂、投资高、风险大等特点，在项目建设开工之前实现预期成果的可视化展示和虚拟漫游对于投资决策以及项目的技术和管理人员具有异常重要的意义。三维可视化技术的应用可以将采集到的抽象数据，经过计算、处理、合成为可视化图像展现出来，直观帮助用户实现其头脑中的想法，可视化作为用户想法结果的展示方法，可以辅助提升管理水平。

3.1 沟通方面的应用

人类的左脑负责文字、语言等功能，而右脑负责空间、形象记忆、图像等功能，右脑的运转速度要远高于左脑，所以对于各类信息的获取速度有差别，可以简单地排序为：纯文字<图片<三维影像。故当使用直观、准确、形象的三维图像交流时的效率和准确率要远高于纯文字或二维工程图，见图1。

3.2 辅助施工计划管理的应用

虚拟现实在制作的过程中，以工程设施的建造方案、设计图和3D模型为基础，加载建造时间计划，动态模拟施工过程，辅助项目计划管理[3]。画面上方加入时间条元素，时间单位精确到天，画面中的进度严格与建造计划匹配。只要知晓现实的建造程度，对比虚拟现实中的进度，便可以辅助施工计划管理。

3.3 辅助分析施工可行性

海上平台需要安装大量的专用设备，而很多设备需要从厂家定制、发货，所以导致设备到货时间有很多不确定性[4]。可视化技术使用准确的尺寸和安装信息制作，可以模拟真实的设备安装过程，分析是否可以调整设备安装顺序，安装过程中的干涉情况，以及管线电仪的安全性。可以最大限度地优化建造过程，避免工程延误或减少返工工作量。

图1 信息表现形式效果对比

3.4 辅助调配资源

根据整个项目场地空间，整个场地之内在建的工程和工程规模、人力、设备、机械的调用分配情况，将这些资源进行可视化展示，可以直观地进行资源调配，实现优化配置。

3.5 辅助项目展示与宣传

利用三维可视化技术能直观展示工程建设项目预期成果，包括平台、导管架内部结构、设备的准确位置及信息、建造施工标准流程等。

(1)动态展示。可以全方位展示整个海上平台的陆地建造及海上安装过程，配合时间线的拖动，可以查看不同节点的建造进度。超越图样等大量平面资料，三维立体成像，多角度查看，并可以结合解说词进行动态讲解，可用于员工培训或宣传介绍。

(2)多种方式结合展示。可以写实、亦可抽象，可以鸟瞰，亦可微观，使没有去过现场的人了解现场工况，让设施细节场景跃然于画面，进行真实的还原。

(3)交互展示。用户可以自主选择观看角度、时间节点、观看时长，依照自己的需求，对整个场地范围内已完工或正在施工的设施上、下、左、右、前、后360°观看。可以查看感兴趣的设备，查询详细的信息等。

3.6 培训方面的应用

可以根据不同的目标群体，使用不同的展现方式进行培训。对于项目组新来的工程师，为使其快速了解整个项目组的背景和总体概况，可以通过观看项目背景动画，并进入虚拟现实观看整体建造流程；对于同行业不同专业工程师，为使

其深入了解建造流程及规范、相关专业界面，可以进入虚拟现实，有针对性地查看某一工序流程；其他相关人员，为了解项目背景和项目整体进度，可以查看项目背景动画、建造安装动画。

4 三维可视化技术在实例项目中的应用效果

4.1 项目描述

海上平台建造安装的主要对象是导管架、组块、生活楼、钻修机设备等。建造工期及施工工艺根据平台的复杂程度以及使用需求有很大的差别。某海上平台工程建设项目所需完成的基本工作，见图2。

图2中每一个步骤在施工过程中，又细分为更多的基础工作。以组块的陆地建造为例，可大致分为材料预处理、制管、主结构预制及安装、附件预制及安装、配管、涂装、电仪讯、陆地调试、称重等。

整个项目建造施工时间较短，工作量繁重，为了辅助项目管理，提高沟通和管理的工作效率，该项目制作了建造安装全过程的可视化三维模拟，使用虚拟现实和三维动画相配合的表现方式。平台陆地建造部分使用虚拟现实，可以满足了解建造进度、设备安装、场地情况等，具有更好的交互性；海上安装及项目背景等部分使用三维动画，使观看更有针对性，更流畅。

4.2 实现的功能

将项目背景、导管架、组块的建造安装动画和预制动画等集成在虚拟现实系统之中，设计整体的交互界面，可以在主菜单中直接选择想要查看的项目，快捷进入相应的界面；进入虚拟现实界面后，设置操作方法及功能分布的简介，方便初次使用的用户快速了解功能分布；在使用虚拟现实的过程中，设置按钮可以唤出设置选项，用户可以随时根据自己电脑的硬件情况选择相应的配置，见图3。

图2 海上平台工程建设项目的从陆地建造到海上投产流程概述

(1)“导管架建造安装”直接播放导管架建造安装全过程的三维动画，简要介绍导管架建造安装的整个流程。导管架建造安装流程包括导管架各“X”形片和水平片的预制喷涂、陆地整体组装、附件安装、装船固定及运输、海上安装，见图4。

(2)“组块建造安装”可以直接查看组块建造安装全过程三维动画。组块建造安装主要流程包括：组块各结构片的预制喷涂、结构吊装、设备安装、配管、舾装、装船、拖航、海上安装、连接调试，见图5。

(3)“预制动画”下设各子菜单，包括：“卷管动画”“纵缝焊接”“环缝焊接”“导管架涂装”“甲板片涂装”选项。虽然这些动画已经在导管架和组块动画的相应位置编辑成为整体，在这里单独列出来，因为属于材料预制部分，有单独查看学习的需求，并可作为项目组员培训使用。

(4)“建造虚拟现实”选项进入导管架、组块的建造过程虚拟现实，全方位展示导管架及组块的陆地建造。在画面上方加入时间进度条，可以直接拖动到相应的日期，查看不同节点的建造进度。用户可以选择自由游走，依照需求，在整个场地范围内已完工或正在施工的设施内360°查看，见图6。

在用户漫游过程中，可以点选设备，查看其名称、尺寸，或选择提前设置好的路线参观导管架、组块的预制、安装过程。

4.3 后续改进及优化

经过该项目的探索和制作应用，发现并总结出一些经验，可以在后续同类项目应用时提升效率。

(1)建立模型、材质库。海上平台使用的许多型钢、甲板片、以及部分设备、管线的模型和材质具有通用性，可将这些模型材质搜集整理建立模型、材质库，在制作同类项目时直接修改使用，节省制作成本，提升制作效率。

图3 菜单展示(截图)

图4 导管架流程(截图)

图5 组块建造安装(截图)

图6 建造场地内游走(截图)

(2)将功能模块化。本项目中实现的一些功能，如时间线控制进度功能，导入、显示设备名称及尺寸的功能，游走及查看功能等，可以将之归类并模块化，在出现类似需求的时候，方便引用和修改。

(3)提前可视化介入时间。可视化的工作越早开始准备，则越能第一时间完成基础工作，如模型搭建、场景设计、方案制作等，更早地投入使用，就能更广泛地发挥应用价值。

5 结语

在实例项目实践中，依据详细设计图完成的精确模型，制作陆地建造及海上安装的可视化成果，极大地提升了项目沟通效率，为汇报审查工作提供了便利；结合时间线功能，支持实际进度和计划进度的可视化直观对比，辅助项目的进度管理；所有的成果都结合进入虚拟现实之中，可以直接播放三维动画，完成项目预期成果的可视化展示；区分不同目的的不同展示方式，可以作为项目沟通的形象介质、项目宣传和成果体验的可视化媒介，也可以作为培训的可视化教程。

工程建造项目的可视化应用在某种程度上可以代替部分传统的文字报表等形式，可以纵览全局，也可以观察局部，为项目管理提供直观、灵活且具有强烈真实感的体验。随着计算机硬件的提升，可以更大程度地细化三维可视化中的数据和模型精度，连接到各平行数据库及外部硬件后，会产生更好的互动性。在此基础上还可以发展在线同步等功能，实时分析工况、调配资源，提升项目沟通和管理效率，从而发展为覆盖整个工程建造过程的可视化支持系统。

[1]王文准.可视化工程建设管理[J].科学与管理,2007,27(3X)：71-73.

[2]徐孟超.浅谈国内外三维可视化发展及其应用[J].现代测绘,2012,35(6):60-62.

[3]张建平,韩冰,李久林,等.建筑施工现场的4D可视化管理[J].施工技术,2006，35(10):36-38.

[4]夏松林.海洋石油工程建设项目采购特点及其进度管控[J].项目管理技术,2015,13(10):104-108.PMT

2016-04-15