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智慧工地上的阿里云數(shù)字設(shè)計(jì)

2022-2-21    seo達(dá)人


為什么是工地？

此時(shí)的筆者，站在阿里云EFC的落地窗前，目力所及的城市，只由兩部分構(gòu)成：高聳的樓宇，和樓宇間的工地。

為什么是工地？

因?yàn)槿绻ㄖ镉谐鞘械默F(xiàn)在，那工地里有城市的未來(lái)；

過(guò)去數(shù)十年，讓整個(gè)中國(guó)變成一個(gè)大工地，而現(xiàn)在這個(gè)大工地，正一步步完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

工地的數(shù)字化，是產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要一環(huán)，這一環(huán)所聯(lián)結(jié)上的，是數(shù)十年的高速發(fā)展中粗放的建筑開(kāi)發(fā)模式帶來(lái)的諸多問(wèn)題：工地安全事故、建筑質(zhì)量問(wèn)題、管理信息化缺失等等。而物聯(lián)網(wǎng)的硬件基底、云計(jì)算的彈性資源、人工智能的智慧技術(shù)相結(jié)合下，正孕育著新一代的智慧化工地信息管理解決方案。

阿里云智慧工地AI服務(wù)平臺(tái)，便是阿里云A組空間智能面向在建工地的一款智慧施工和驗(yàn)收的產(chǎn)品，結(jié)合視覺(jué)、語(yǔ)音、文字等AI技術(shù)，對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)實(shí)時(shí)分析和預(yù)警，智慧度量施工品質(zhì)、智能識(shí)別項(xiàng)目進(jìn)度、多維數(shù)據(jù)評(píng)估工地風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，讓工地少出事，管理更輕松。
設(shè)計(jì)上，我們結(jié)合阿里云AI LAB（阿里云人工智能實(shí)驗(yàn)室）的BIM模型智能生成技術(shù)，以及阿里云設(shè)計(jì)中心自研的GDS WebGL圖形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、三維、全景的數(shù)字工地可視化，為智慧工地產(chǎn)品賦予了更震撼的視效和更高效的信息展示。
這時(shí)，熟悉可視化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的朋友會(huì)說(shuō)了，這不就是個(gè)大屏嗎？
是的，你可以說(shuō)這就是個(gè)大屏。
但在阿里云設(shè)計(jì)中心GDS的能力加持下，我們既達(dá)到了高定制項(xiàng)目級(jí)大屏的視效效果，卻也保留了瀏覽器端的高性能渲染和高復(fù)用性，從而形成和同類(lèi)產(chǎn)品的代差優(yōu)勢(shì)。

什么是GDS？全稱(chēng)Generative Design Studios，取意生成式設(shè)計(jì)。它是一個(gè) WebGL圖形技術(shù)基礎(chǔ)能力，是由阿里云設(shè)計(jì)中心自研的一個(gè)JS代碼庫(kù)，可高效復(fù)用與迭代于多種實(shí)時(shí)計(jì)算的特效。它用算法思維去做設(shè)計(jì)，專(zhuān)注在解決渲染層的圖形技術(shù)與視覺(jué)效果問(wèn)題，通過(guò)參數(shù)、配置接口化去反應(yīng)設(shè)計(jì)、邏輯、功能之間的響應(yīng)關(guān)系，對(duì)基于WebGL的圖形開(kāi)發(fā)做中臺(tái)能力支撐。

簡(jiǎn)單的說(shuō)，GDS生成的3D場(chǎng)景：
它不是那種建模一星期渲染三小時(shí)、在專(zhuān)業(yè)的一體化軟硬件下勉強(qiáng)達(dá)到30幀/秒的“游戲級(jí)”大屏；
它是那種建筑BIM模型智能生成、大屏級(jí)視效實(shí)時(shí)渲染、同時(shí)在消費(fèi)級(jí)電腦上流暢運(yùn)行60幀/秒的“產(chǎn)品級(jí)”大屏；
而為了達(dá)到這一點(diǎn)，我們做了三件事情：

 

從智能生成的BIM模型，到高性能的glTF模型

傳統(tǒng)的建筑模型生產(chǎn)嚴(yán)重依賴(lài)人工建模，高成本且難以規(guī)?；?。而B(niǎo)IM建筑信息模型（Building Information Modeling），通過(guò)人工智能與計(jì)算機(jī)算法將CAD施工文件進(jìn)行解析，并智能生成1:1高還原度的3D建筑模型， 為智慧城市等創(chuàng)新與數(shù)字管理產(chǎn)品提供更智能的模型來(lái)源。
在智慧工地中我們率先使用阿里云AI LAB的BIM技術(shù)生成工地的主樓宇模型。

同時(shí)，由于智慧工地的客戶(hù)端最終是一款在瀏覽器里運(yùn)行的SaaS級(jí)產(chǎn)品，3D可視化部分全部由WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)渲染（Real-time Rendering）。在瀏覽器端，為了出色性能表現(xiàn)，需要專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)手段對(duì)于模型的Mesh（3D多邊形面體），Vertices（節(jié)點(diǎn)）以及Faces（面數(shù)）進(jìn)行極高要求的優(yōu)化與減面，才能使產(chǎn)品能夠高性能地應(yīng)對(duì)龐大的3D場(chǎng)景實(shí)時(shí)渲染，并達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)時(shí)渲染是指屏幕上呈現(xiàn)的圖形是一直在不斷計(jì)算，100%通過(guò)代碼成像，它能達(dá)到60幀/秒代表性能卓越與流暢。實(shí)時(shí)渲染的動(dòng)畫(huà)并非3D軟件渲染輸出的視頻動(dòng)畫(huà)，因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)代碼在實(shí)時(shí)運(yùn)行，所以對(duì)于參數(shù)化、動(dòng)態(tài)生成、樣式切換、互動(dòng)事件與操控綁定，以及聯(lián)動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)方面有著視頻動(dòng)畫(huà)不可替代的優(yōu)勢(shì)與價(jià)值；

實(shí)時(shí)渲染，每一個(gè)模型的節(jié)點(diǎn)都會(huì)牽涉到性能。我們亦使用Blender 3D軟件進(jìn)行BIM模型的進(jìn)一步優(yōu)化，以及對(duì)于UV、貼圖等3D開(kāi)發(fā)的前期設(shè)計(jì)工作進(jìn)行處理。最終模型質(zhì)量?jī)?yōu)化率達(dá)到95%+，產(chǎn)出WebGL開(kāi)發(fā)渲染所需的高性能 glTF（Graphics Library Transmission Format）模型。

— 智慧工地通過(guò)GDS生成的3D場(chǎng)景線(xiàn)框與高性能表現(xiàn)的低面節(jié)點(diǎn)數(shù)

 

三維地理場(chǎng)景自動(dòng)化代碼生成

要搭建一個(gè)真實(shí)的工地場(chǎng)景，只有主施工樓宇模型還不夠，還需要還原工地周邊的城市場(chǎng)景，讓空間更加真實(shí)和立體。通過(guò)GDS的內(nèi)置能力，除智慧工地的施工樓宇模型之外，周邊所有地理和城市場(chǎng)景，都是100%通過(guò)代碼直接生成的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，整個(gè)城市的三維建筑，不再依賴(lài)于人工建模與貼圖，通過(guò)圖形的計(jì)算，就能把3D場(chǎng)景、樣式用代碼生成出來(lái)，這大大提高了生產(chǎn)力。

— GDS 全參數(shù)化100%代碼生成的城市樓宇元件與地形元件，實(shí)現(xiàn)去人工、零手工模型貼圖

傳統(tǒng)的大屏工作流中，真實(shí)的城市環(huán)境生成，強(qiáng)依賴(lài)于城市GIS地圖衛(wèi)星數(shù)據(jù)，這有著很高的采購(gòu)和接入門(mén)檻。而在GDS的圖形能力中，我們需要的只是一張簡(jiǎn)單的公共地圖圖片：施工中的工地是沒(méi)有GIS地圖衛(wèi)星數(shù)據(jù)來(lái)源的，我們從公共數(shù)據(jù)（e.g 高德地圖）獲取到工地的片區(qū)圖，用設(shè)計(jì)工具勾勒出地理位置概貌，將其轉(zhuǎn)換為SVG色塊，再通過(guò)GDS的解析腳本算法，把SVG形狀換算為3D空間的相對(duì)位置坐標(biāo)，用于3D場(chǎng)景的幾何生成。

— GDS解析地理場(chǎng)景，把SVG點(diǎn)位換算為3D生成所需的分層幾何數(shù)據(jù)

 

— GDS解析不同數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)生成不同3D場(chǎng)景。無(wú)需人工建模、大量提效

 

在消費(fèi)級(jí)電腦上實(shí)時(shí)渲染大屏級(jí)視效

所有人都喜歡酷炫的視效，但酷炫的視效總是需要價(jià)格不菲的硬件支撐。在智慧工地項(xiàng)目中，同樣基于GDS針對(duì)城市場(chǎng)景的高度優(yōu)化和高性能，代碼生成的大屏級(jí)的視覺(jué)效果得以實(shí)時(shí)運(yùn)行在更多更廣泛的設(shè)備平臺(tái)上。
在設(shè)計(jì)智慧工地的可視化中，為了達(dá)到更好的視覺(jué)特效，我們所有的材質(zhì)都來(lái)自GDS的多種Shader（圖形著色器），包括實(shí)時(shí)計(jì)算的環(huán)境映射模擬（HDRI Refelection）、車(chē)流道路模擬、根據(jù)深度計(jì)算的漫反射陰影（Depth-based Soft Shadow）、SSAO、極光聚焦特效和進(jìn)度指示器等等，通過(guò)自研的Shader等技術(shù)方式，最大化與最靈活的達(dá)到理想的設(shè)計(jì)效果。

— 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)施工進(jìn)度演示

代碼生成的設(shè)計(jì)，原生也讓我們有了更多設(shè)計(jì)上的可能性，比如：參數(shù)化樣式可秒級(jí)切換；
智慧工地可視化原生集成了參數(shù)化配置，且擁有極高的復(fù)用性與易于迭代。目前GDS提供了數(shù)套不同風(fēng)格的樣式配置預(yù)設(shè)，在樣板間中我們可以看到整個(gè)3D場(chǎng)景的風(fēng)格無(wú)縫切換在秒級(jí)速度中智能完成。利用參數(shù)化風(fēng)格的原理，我們也可以聯(lián)動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，零成本、智能地實(shí)現(xiàn)深色、淺色、日夜的不同風(fēng)格切換。

除了基礎(chǔ)的建筑模型展示之外，還有諸多業(yè)務(wù)信息也要進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，例如施工進(jìn)度、施工現(xiàn)場(chǎng)傳感器狀態(tài)、天氣信息、報(bào)警信息等。這些數(shù)據(jù)并不是生硬地以二維圖表傳統(tǒng)的數(shù)字呈現(xiàn)，而是通過(guò)不同視效的表達(dá)融合在三維場(chǎng)景中。這樣一個(gè)基于“真實(shí)業(yè)務(wù)場(chǎng)景”的三維工地，才是一個(gè)與現(xiàn)實(shí)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)表達(dá)、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和人機(jī)互動(dòng)統(tǒng)一的數(shù)字平行世界。
基于傳感器數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)智能識(shí)別是智慧工地產(chǎn)品的核心能力，我們通過(guò)上文提到的GDS地理位置解析與計(jì)算，可以映射出施工現(xiàn)場(chǎng)傳感器設(shè)備的相對(duì)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)在可視化中聯(lián)動(dòng)設(shè)備的掛載。結(jié)合阿里巴巴達(dá)摩院的視覺(jué)智能識(shí)別等多重技術(shù)能力，工地中每一個(gè)傳感器設(shè)備的狀態(tài)，報(bào)警等信息都可以在三維場(chǎng)景里一鍵點(diǎn)擊獲取。

— 傳感器設(shè)備在3D場(chǎng)景中通過(guò)坐標(biāo)換算進(jìn)行掛載

THE SMART

CONSTRUCTION SITE

BY ALIBABA CLOUD

TECHNOLOGY

 

— 阿里云智慧工地樣板間演示

 

如果說(shuō)以上還更多是視覺(jué)和技術(shù)的展示，那接下來(lái)的問(wèn)題是：

 

我們?yōu)槭裁磸脑O(shè)計(jì)出發(fā)，卻要不斷突破邊界，去追求技術(shù)、性能和設(shè)計(jì)表達(dá)上的極限平衡呢？

因?yàn)楹：蜕骄驮谀抢铩?/section>
〇 海是藍(lán)海。
2018年，我國(guó)智慧工地行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模就達(dá)到99.1億元，同比增長(zhǎng)24.03%；與此同時(shí)，全國(guó)95%以上的工地仍處于原始狀態(tài)。粗略估算，國(guó)內(nèi)整個(gè)智慧工地市場(chǎng)規(guī)模容量可達(dá)上千億元。

市場(chǎng)的規(guī)模只是一部分，建筑業(yè)的務(wù)工人員，數(shù)以?xún)|計(jì)。國(guó)務(wù)院安委辦通報(bào)顯示，建筑業(yè)事故總量已連續(xù)9年排在工礦商貿(mào)事故第一位，事故起數(shù)和死亡人數(shù)自2016年起連續(xù)“雙上升”。解決工地?cái)?shù)字化的問(wèn)題，也是在解決施工安全和施工質(zhì)量的問(wèn)題。

 

〇 山是高山。
智慧工地的普及，難點(diǎn)之一是效率。市場(chǎng)中常規(guī)的智慧工地產(chǎn)品往往以定制化項(xiàng)目的形式進(jìn)行交付，每覆蓋一個(gè)新的工地場(chǎng)景，都需要針對(duì)性的從頭進(jìn)行三維場(chǎng)景的設(shè)計(jì)和搭建，時(shí)間和人力成本巨大。

而智慧工地借助BIM模型自動(dòng)生成及GDS的代碼生成能力，最大程度節(jié)約了人工環(huán)節(jié)的耗時(shí)。參數(shù)化配置的視覺(jué)樣式，也能無(wú)縫在任何一個(gè)項(xiàng)目中使用。

目前阿里云A組空間智能智慧工地AI服務(wù)平臺(tái)已經(jīng)成功落地阿里內(nèi)外多個(gè)項(xiàng)目，并被10家以上智慧工地集成服務(wù)商集成，正面向全國(guó)各地的工地進(jìn)行全面應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)行業(yè)數(shù)智化。我們希望設(shè)計(jì)能力的植入，能為行業(yè)提供一套標(biāo)準(zhǔn)化的三維場(chǎng)景搭建方案，縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間，保證高復(fù)用性，并借助生態(tài)伙伴的力量，真正實(shí)現(xiàn)規(guī)?；闹腔酃さ禺a(chǎn)品。

所以，為什么是工地？

仔細(xì)看，那一片片智慧工地中的，是襁褓中的智慧城市。

 

原文地址：阿里云設(shè)計(jì)中心（公眾號(hào)）

作者：阿里云設(shè)計(jì)中心


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