可視化技術(shù)在標(biāo)準施工工藝中的應(yīng)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(biāo)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(biāo)準施工工藝全面應(yīng)用，在示范手冊指導(dǎo)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(shù)管理人員，學(xué)習(xí)掌握建設(shè)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(yīng)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(biāo)準施工工藝，讓缺乏工程經(jīng)驗的技術(shù)管理人員對工程實施方案、工藝作業(yè)流程、質(zhì)量控制標(biāo)準一目了然、快速理解掌握、便于攜帶和隨時應(yīng)用，既是工程建設(shè)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(shè)質(zhì)量管控水平具有重要意義。

可視化技術(shù)應(yīng)用于標(biāo)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(biāo)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(shù)人員需求互相交替，實現(xiàn)可視化標(biāo)準工藝與技術(shù)管理人員的交互，讓培訓(xùn)人員學(xué)習(xí)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(biāo)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(guān)插件將模型導(dǎo)出為Unity3D能夠識別的fbx實體模型文件，實現(xiàn)標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(shè)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(biāo)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(shè)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(biāo)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(biāo)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(biāo)準施工工藝流程時，可以很方便快捷的看到標(biāo)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(fēng)散煙等場景，為使標(biāo)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(biāo)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(shè)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(shè)計，從標(biāo)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(yīng)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(yīng)作用，適應(yīng)不同分辨率屏幕。

2 可視化施工工藝應(yīng)用

2.1 施工工藝場景漫游

抽水蓄能參建各方技術(shù)人員可通過Unity3D虛擬現(xiàn)實工具構(gòu)建的標(biāo)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(biāo)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(biāo)點擊播放、暫停、重播等觀看標(biāo)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(biāo)準施工工藝。

使用時，選擇某個標(biāo)準施工工藝，點擊相應(yīng)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(biāo)準施工工藝場景中，通過鍵盤、鼠標(biāo)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(shù)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(biāo)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(biāo)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(yīng)工序場景，選擇具體工序相應(yīng)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(biāo)點擊觸發(fā)，快速導(dǎo)航到對應(yīng)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(fù)雜工序，針對現(xiàn)場關(guān)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?，F(xiàn)場視頻瀏覽如圖4所示。

2.4 施工工藝標(biāo)準規(guī)范查詢

建設(shè)項目所有施工必須依據(jù)相應(yīng)的圖紙及規(guī)程規(guī)范，本系統(tǒng)增加了施工工藝技術(shù)要求中引用的規(guī)程規(guī)范及其標(biāo)準，通過后臺系統(tǒng)管理模塊添加了標(biāo)準庫目錄樹。通過使用者自行點擊選擇標(biāo)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(biāo)準、部門標(biāo)準、行業(yè)及企業(yè)標(biāo)準等；用戶可點擊選擇相應(yīng)標(biāo)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(shù)實現(xiàn)抽水蓄能標(biāo)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(biāo)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(biāo)準施工工藝可視化資料的存儲和管理，包括：提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)和管理功能，將標(biāo)準施工工藝可視化資源作為抽水蓄能施工標(biāo)準規(guī)范的一部分，導(dǎo)入基建智能管控平臺，實現(xiàn)對系統(tǒng)的管理與可視化標(biāo)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(wù)。

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(shù)將標(biāo)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(shè)單位和各技術(shù)人員通過基建智能管控平臺進行標(biāo)準施工工藝可視化系統(tǒng)的使用，針對標(biāo)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(biāo)準施工工藝可視化系統(tǒng)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)增加、刪減、修改、查詢等服務(wù)，可將施工工藝操作的錯誤進行糾正。

標(biāo)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(guān)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(biāo)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(biāo)準查詢Figure 5 Inquiry of construction process reference standard

3 結(jié)束語

標(biāo)準施工工藝可視化技術(shù)是將施工工藝按照三維交互場景、視頻/圖片、引用標(biāo)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(biāo)準要求在系統(tǒng)中互相匹配，讓使用的管理及技術(shù)人員直觀多角度的對標(biāo)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(yīng)的標(biāo)準施工工藝要求和控制標(biāo)準、查閱現(xiàn)場相關(guān)施工影像?？梢暬夹g(shù)研發(fā)的標(biāo)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(shù)培育及現(xiàn)場應(yīng)用不受時間和空間限制，隨時隨地查詢標(biāo)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