数字孪生中的现代设计方法

一、建模

目前大部分厂商建模是在特定领域进行开发和熟化，然后在后期采用集成和数据融合的方法将来自不同领域得模型融合。快速三维建模技术分为两种，一种是基于倾斜摄影的三维建模，适用于大区域环境模型的构建，另外一种是基于三维激光点云数据辅助的逆向建模，适用于单体建筑、设备的逆向建模。

数字孪生应用案例及常用技术

二、三维视频融合

三维视频融合技术是虚拟现实技术的一个分支，或者说是虚拟现实的一个发展阶段。三维视频融合技术指把一个或多个由摄像机图像序列视频和与之相关的三维虚拟场景加以匹配和融合，生成一个新的关于此场景的动态虚拟场景或模型，实现虚拟场景与实时视频的融合。这种融合不会随着对三维模型的倾斜、旋转等操作而产生错位，充分发挥出三维场景的直观特点。视频融合后，还可以进行一些高级管理，比如球机追视功能，可以使用鼠标在三维画面上点击目标，比如一辆行进的车或一个人，最近的球机会自动锁定并跟踪人或车。

三、人工智能

在数字孪生应用中，需要在虚拟空间对现实物理映射做到多概率的仿真，这就离不开算法模型和人工智能的开发。非常复杂的设计模型放到神经网络中，借助深度学习可以把高自由度的模型削减为低自由度且仍能够提供我们所需要的模型能力。从原理上来说，所有物理映射的虚拟必须进行模拟，这些模拟非常耗时耗力。而使用人工智能可以高效的选择可用性最高的仿真选项。

数字孪生应用案例及常用技术

四、云渲染

云渲染是将3D程序放在远程的服务器中渲染，用户终端通过Web软件或者直接在本地的3D程序中点击一个“云渲染”按钮并借助高速互联网接入访问资源，指令从用户终端中发出，服务器根据指令执行对应的渲染任务，而渲染结果画面则被传送回用户终端中加以显示。

云渲染技术解放了时间和空间的限制，只要网络允许，在任何空间和时间内都可以实现随时随地操作服务器上的程序，查看效果，方便做各种演示和决策。因为实时云渲染技术的运用，可以支持多并发，尤其是围观模式更适合参与人数更多的场景下使用。

数字孪生应用案例及常用技术

五、高性能计算

数字孪生系统复杂功能的实现在很大程度上依赖其背后的算力平台，实时性是衡量数字孪生系统性能的重要指标。因此如何考量系统搭载的计算平台的性能、数据传输网络的时间延迟及云计算平台的算力能力，设计最优的系统计算架构，满足系统实时性分析要求，是应用数字孪生的重要内容。平台算力的高低直接决定系统的整体性能

数字孪生的模型在实际的项目中，目前采用比较多的落地方案有webgl和本地部署，这两个方案已经在市场上比较成熟了，也是三维可视化厂家目前给业主方推荐比较多的。但从用户角度来说，其实这两个方案都存在一些不能解决的弊端。比如本地部署的方案，在多并发用户下无法共享，而且受机器所在空间的限制，只能去特定的控制室才能使用。即使在某些机器闲置的时候，也没法共享给其他有需要的人员使用。如果想满足所有人员的使用，必须配备很多设备，这样在空闲的时候会造成浪费。

Webgl的方案虽从传统的C/S到了B/S架构，但是该技术还是有很多的限制，首先内容必须使用 OpenGL ES SL着色器语言生成，如果要部署基于实时引擎的内容，内容和交互元素必须符合WebGL的框架，可能某些功能的实现还是受制于该框架。其次，显示效果完全依赖于客户端浏览器功能以及客户端本身硬件性能；图像质量则取决于浏览器的显示能力。该方案适合一些数据量小、安全要求低以及画质要求不高的项目场景。

当然任何技术的发展都和时代相关，这两个方案在实际中确实也比以前的方案更好解决了一些问题。但随着科技的进步，新的技术也终会以更好的性能和效果，取代就的方案。很多用户对于实时云渲染技术很多还是不熟悉，其实该技术可以说是以上两个方案的升级方案，该方案是纯B/S架构，将三维可视化、UE\Unity模型放置在服务器，通过云渲染软件系统流化出可以在手机、电脑、平板、智慧屏等设备上可以直接访问的URL地址。

实时云渲染技术三维可视化

程序运行是在云端服务器上，本地设备无需提供任何算力，用户也不需安装任何插件，而且在网络OK的情况下在任何设备任何地点（办公室、家里等）都可随时打开。在模型建设的阶段也可以选择多种引擎，无论是精美度更高的UE5还是unity、3dmax 或者其他设计软件都是OK的。因为云流化的原理其实不改变程序的指令执行过程，而是把整个执行过程画面以视频流的方式传回给用户终端设备。而服务器的性能一般是比计算机优秀很多，而且显卡也可以插多张。总的来说使用实时云渲染技术方案，从业主方和用户方来说有以下好处：

一、对业主侧

集中管理各种服务器硬件设备，对于多用户同时使用的情况，可以集中建设，分配给不同的人员去使用，而且还可以错峰使用，使得资源的利用效率更高，而且统一建设节省成本。尤其是对于集团公司有类似需求的，可以由集团统一管理，减少重复采购。对于集团内部的沟通，因为摆脱了时间 和空间设备等的限制，可以提高工作协作效率。

二、对用户侧

对用户来说主要的问题则是使用方不方便，是否需要花费大量的学习成本。实时云渲染软件的使用和平时用户上网的使用习惯没什么区别，也是在浏览器里打开网页，或者点开客户端exe程序或者APP。不增加任何的学习成本，即点即用。这对很多行业的用户来说是非常便捷的。

专家解释：数字孪生是利用物理模型、传感器更新、运行 历史 等数据，为实体设备或系统创造数字版“克隆体”。好比在与现实平行的数字世界，你有一个一模一样的“双胞胎兄弟”，他与你完全同步，甚至会比你更快一步去未来世界看一看，告诉你未来会发生什么，如何提前应对。目前，该技术已在桥隧、地铁等复杂工程建设领域应用，并逐渐向工业品生产领域延伸。

在华科大教授李培根院士的眼中，数字孪生是智能装备的灵魂，数字孪生应用正逐渐成为新一代制造的重要趋势。

在数字孪生工厂中，利用动态场景监控、生产工艺联动、过程异常报警等功能，工厂产量、设备变化等情况能被高效管控。张青介绍，在维盈WINGplat工业互联网平台，数字孪生工厂将安全环保、设备 健康 、供应链协同、生产管控、应急管理实现五个一体化，让传统工业企业成功转型智能制造。在江西蓝星星火有机硅有限公司，借助数字孪生、5G无人机巡检等网络技术，企业生产管理成本降低20%，工艺安全预判效率增长80%。在中国中化南通星辰合成材料有限公司，以数字孪生为代表的应用技术助力企业生产管理效率提升六成多。

在烽火通信 科技 股份有限公司副总裁范志文看来，数字孪生是网络世界的“元宇宙”。通过数字孪生、人工智能、算力算法构筑的智慧光网体系，开放且高效，可实现一个重要价值——“随需”：消费者通过APP提出消费需求，“数字孪生”通过算力算法转换，驱动平台和现实随时满足需求。

数字孪生，还能帮助提升城市的精细化管理水平。软通智慧 科技 有限公司首席战略官叶毓平表示，通过建立数字孪生城市，能实时看到现实城市的运行状态，并灵活应对各种突发情况。

据了解，“ 探索 建设数字孪生城市”已被纳入我国“十四五”规划，多部委密集出台政策文件，规范引领数字孪生技术、应用、产业发展，上海、海南、浙江、北京、山东等省市已率先开展数字孪生城市建设实践。

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