基于数字孪生平台的应用场景案例

接上两篇文章阐述了三维技术的突破使数字孪生应用成为可能，从国家战略、行业发展、技术成熟度、资本市场合力催生了新的信息化产业应用。重资产行业的信息化行为也是受这种大时代背景的裹挟，陷入了驻足观望不上数字孪生平台就是等死，选错了数字孪生平台就是找死的两难境地。那么，接下来需要用实际案例论证数字孪生平台需要具备哪些基础技术才具备承载上层业务应用的能力……

从市场产品分析，充斥着自由言论下的各种现象级概念。这里有传统二三维技术固守陈规、有小场景竭尽极致的炫酷、有专注设计期国际大厂的傲娇、有游走在数据安全边界的法外先驱。从积极的一面看市场，未来都是殊途同归，共抗产业大旗，但是当下泥沙俱下、良莠不齐，不妨抽丝剥茧看看应用现状。

(1)海量三维数据的应用门槛。由于二三维数据处理方式存在本质差异，所以传统的GIS难以在原有技术平台基础上再衍生出来一个三维平台，技术路线、框架不同，只能是改变不了强GIS弱三维的技术本质去扰乱市场。三维数据处理能力是服务于GIS+BIM领域应运而生的三维平台，旨在解决城市大场景海量数据、工业级别高精度复杂设计数据管理。这些数据处理能力也是迈入城市级、企业级的门槛，才有可能延伸至传统业务应用，才有可能支撑起当下的各种智慧应用。

(2)页面美术到业务应用的能力门槛。由于BIM级别的三维数据处理方式的专业性门槛较高，市场上出现了众多用定位于影视娱乐行业简化模型，以其极致的三维科技风冒充BIM级别的三维页面美术公司。BIM级别的三维数据本质在于通过分级保障在虚拟环境下建立从宏观到微观的成体系的、高精度的还原设计、还原现实，这一定是未来三维历史数据恢复的专业化数据处理产业。而简化模型三维数据处理定位是面向影视、广告设计，其数据处理只能浮于表面特效。这也就是为什么市场上诸多三维公司，只能止步于页面美术展现，永远不可能进一步深入业务应用。

(3)设计期到运维期的应用拓展门槛。传统的三维设计通常应用于建设期，无论是精度还是专业性已经达到极致，虽然国际大厂与国内众多设计院形成了非常成熟的应用模式，但是传统技术无法完成写实还原，应用也仅止步于建设期，难以适应运营期写实还原场景的应用需求。

(4)数据安全的隐患门槛。由于企业数据安全的要求，流媒体传输成了唯一选择。传统三维可视化引擎通过WebGL机制是下载到本地进行渲染，这种数据渲染机制在网络传输过程中难以称之为数据传输的本质安全。

数字孪生平台的定位是企业级的数据层平台，是基于空间二三维数据服务赋能的传统应用的新技术平台。从云的角度分析，在一个企业私有云的集中化资源体系，统一进行多源异构数据转换、轻量化处理、渲染处理，然后再将处理后的空间数据以数字底板形式提供给传统业务系统做支撑，而前端业务应用无需再考虑这些数据来自于哪些数据源。平台定位是具备DaaS层数据处理能力的企业级PaaS层平台，旨在为结合传统应用衍生迭代出To B SaaS基础应用平台，是为传统应用赋能的新技术平台。

数字孪生平台关键能力在于具备解决密集资产场景、高精度、构件级三维数据的能力，需要把用户体验，把性能、效果和易用性都做到极致。平台需要具备解决包括：涵盖三维空间处理通用解决方案，包括数据转换、加工、轻量化、渲染、表达等标准化作业流程；平台具备大数据量条件下的数据高逼真显示顶尖技术；为传统业务提供可定制开发的开放性、标准化接口。从企业IT架构中的数据层，根本上解决数据层的技术创新引发的企业信息化技术升级问题；平台需要具备强大的业务扩展性，能够根据重资产的业务特点集成监控系统（SCADA、DCS、视频监控等）、生产管理系统、节能减排系统、安全环保系统、辅助决策系统、以及各种分析评价系统的综合展示。具体性能要求如下：

(1)稳定性和先进性

平台运行稳定、可靠，并能够充分理解和把握信息技术的发展趋势，采用先进的三维技术，在同一可见场景内，平台支持6000万以上三角面模型的高效浏览，支持100万以上构件数量的BIM模型的高效浏览，三维技术采用先进的调度技术，如LOD技术、动态加载技术等，具备调度的高性能。

(2)数据的标准化

目前市场上拥有数十种不同类型的BIM设计软件或插件，为BIM应用的各个专业和领域服务。BIM的应用理念中，很重要的一点就是多源数据的集成应用。通常一个项目中，既有Autodesk Revit软件的设计成果，也有Microstation软件的设计成果，既有IFC这样的不带纹理的数据内容，也有3DsMax输出的FBX这样的带有纹理的数据内容。所以，需要通过对源数据格式的解析、插件开发等技术手段，实现了对多类型的BIM数据格式的融合，为BIM模型数据的轻量化提供了必要的前提。

平台需要具备统一的技术标准，原生具备GIS与BIM无缝融合的可视化能力，支持ifc、stp、rvt、catia、dgn、tekla和skp主流BIM数据格式加载，支持主流BIM（rvt、dgn、catia、ifc）数据以及通用三维模型（fbx、osg）数据转换为通用数据格式3dtiles、osgb、i3s的能力，具备大团队协同工作特性，使后期工作具备持续性与扩展性。

(3)数据的轻量化

为保障海量模型数据的正常应用，平台需具备海量数据处理能力，承载的数据类型可能包括倾斜摄影、BIM模型、各类设备设施模型等。BIM模型是一个集多源数据的模型，最终表现形式是可视化的多维度、多用途、多功能的计算机图形模型。GIS+BIM应用需要协同，将模型导入到一个网上空间里面，让应用各方都能基于这个模型进行讨论。

如果仅是将将原始模型直接上传，不管是上行和下行都非常不方便，没有什么利用价值。而轻量化处理，则是保障数字底座应用的必要条件。

(4)逼真画效

平台需具备提供的三维场景达到画面真实，光影丰富的效果，支持实时渲染，包括PBR材质、Lambert材质、Basic材质、Phong材质；支持基于物理特性的渲染，真实还原BIM模型材质效果；支持对真实世界光照和天气的模拟，支持任何日期和时间的光照效果，可以模拟全天候不同天气的效果，如晴天、多云、阴天、雾、雨、雪，从而实现跟物理世界时间天气实时同步的数字孪生，支持夜景模拟；支持烘培材质和多层纹理，能够真实地反映规划和建筑设计方案，并能支持实时生成的动态水、骨骼动画、物体运动、雨雪雾等多种画面特效。

图1  平台具备高逼真画效

(5)支持海量数据动态调度

平台需要具备支持海量三维场景仿真数据的快速加载和高速运行，加载超大规模带工业园区的3D场景，50栋建筑、1000单体设备，加载用时≤5s；海量数据的瓦片化和动态调度技术，完全不受数据规模和数据复杂度的限制；支持超大体量的BIM模型的应用，平台支持亿级以上的三角面、千万级以上BIM构件流畅加载和调用；在大于100平方公里面积的三维数据状况时能快速漫游浏览，无明显停滞感。具备服务器群集系统解决方案，且对主流硬件兼容性好。

(6)数据安全

平台应具备云渲染并采用流媒体的传输方式，从技术手段解决数据应用的本质安全。流传输不仅能应用于Web端（即直接浏览器打开应用），也能应用于移动App，是三维应用在面对数据安全中的唯一选择。

城市级CIM2数据，源自于Revit设计模型的写实还原，15万BIM构件，5亿三角面。同时，结合了桥梁管理的运行监控、巡护养护、病害防治等传统业务应用。使设计期数据充分的应用到运营期。

图2  桥梁设计模型数据处理

示例1 某城市跨江大桥应用案例

基于CIM1-7级别定义标准，源自于数据恢复过程中的Max模型的写实还原，43万构件，2亿三角面。实现宏观GIS省级覆盖，中观输配管理，微观变电站设备设施精细化管理，以设备资产举例说明，数字孪生实现变电站细化管理，盘活资产，实现精细化管理下的电力行业数字化转型有效路径。

BIM与GIS数据结合，源自于Aveva设计模型的写实还原，100万BIM构件，2500万三角面。在充分还原空间场景的同时，结合了压缩机振动与监测系统、空间库存管理等传统业务应用。提升了传统业务的协同与交互，降低了传统应用业务门槛。

图4  压气站设计模型数据处理

示例3 某长输管道压气站应用案例

李祎：男，43周岁。原中国石油，长期从事ERP、管道完整性管理、数据治理工作。现在北京飞渡科技有限公司，从事数字孪生相关信息化工作。联系邮箱（liyi@freedotech.com）

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