数字孪生理念与应用 - 优锘科技

数字孪生理念与应用

近几年来,数字孪生理念慢慢走进了人们的视野。所谓数字孪生(Digital Twins),是指用计算机程序模拟现实世界中的物理实体或物理实体组成的系统,类似这些实体或系统在计算机程序中的双胞胎。两者不仅外观相同,而且心灵相通,任何一方发生变化,另外一方都能够马上体现出来。利用这个特点,用户通过计算机就可以了解物理实体的真实状况,并通过预定义的接口对物理实体进行控制。

孪生(Twin)理念的实际应用,最早可追溯到美国国家航空航天局(NASA)的阿波罗项目。在该项目中,NASA需要制造两个完全一样的空间飞行器,留在地球上的飞行器被称为孪生体(Twin),用来反映正在执行任务的空间飞行器的状态。

在飞行准备期间,孪生体空间飞行器被广泛应用于训练;在任务执行期间,利用该孪生体尽可能精确地反映和预测正在执行任务的空间飞行器的状态,从而让地面人员协助航天员在紧急情况下做出最正确的决策。从这个角度可以看出,孪生应用具备两个显著特点:

1、孪生体与其所要反映的对象在外表(指产品的几何形状和尺寸)、内容(指产品的结构组成及其宏观微观物理特性)和性质(指产品的功能和性能)上基本完全一样;

2、允许通过仿真等方式来镜像/反映真实的运行情况/状态。

需要指出的是,此时的孪生体还是实物。

而数字孪生的概念最初由Michael Grieves教授于2003在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上提出,并被定义为三维模型,包括实体产品、虚拟产品以及二者间的连接。由于当时技术和认知上的局限,数字孪生的概念并没有得到重视。

直到2011年,美国空军研究实验室和NASA合作提出了构建未来飞行器的数字孪生体,并定义数字孪生为一种面向飞行器或系统的高度集成的多物理场、多尺度、多概率的仿真模型,能够利用物理模型、传感器数据和历史数据等反映与该模型对应·实体的功能、实时状态及演变趋势等,数字孪生才真正引起关注。

2017~2019连续三年,数字孪生都被Gartner列为十大战略技术发展趋势之一。

由于直观和易于操作的特性,基于数字孪生理念的系统在管理复杂对象方面具有传统系统无法比拟的优势,逐渐被人们重视并大规模应用。

北京优锘科技有限公司是国内最早开始应用数字孪生的理念进行软件研发并投入实际应用的公司之一,从2012年开始,优锘科技率先在IT管理领域发布了数据中心可视化产品DCV(DataCenter Visualizer),将数据中心作为一个整体对象进行了数字化孪生转换,让用户能够方便的通过计算机程序完成从宏观上的数据中心园区到微观上设备乃至板卡的管理。

在接下来的几年中,优锘科技在专业上不断精进,逐步将数字孪生技术的应用范围从数据中心扩展到了各行各业,包括智能楼宇,数字监所,应急预案,智慧城市以及校园、港口、仓库、医院等等,在积累了丰富的项目建设经验同时,也探索出一套成熟的数字孪生系统建构方法论。

优锘科技的数字孪生系统建构方法论中,自下而上分成七个层面,每一层都是上一层的基础支撑。接下来就详细解释一下各个层面的含义和相应的产品工具或实际应用。

-、管道融合 

管道融合是数字孪生系统建构的最底层基础,其目标就是打通物理实体和孪生系统之间的隔阂并建立一座桥梁,保证物理实体的所有信息都能够完整、准确和有效地反映到孪生系统上。

物理实体或者系统包含的组件数量众多,五花八门。比如一幢智能楼宇中,可能有几台通过古老的串口传输数据的不间断电源,也可能有成百上千个通过最新的LoRa无线协议传输数据的门禁设备。所以,管道融合本质上就是要解决物理实体组件多样化、海量化和标准化的问题。

对于多样化和标准化问题,优锘科技提供了兼容多种采集协议和硬件接口的ThingJet分布式采集模块,将分布于物理实体中不同位置的数据。对于海量化问题,则采用了DIX集群式数据汇聚模块来响应和处理大规模、高并发的数据。

 

层、 环境融合 

任何一个物理实体都不是孤立存在的,丰富的环境信息有助于用户快速和体系化地了解物理实体的概况。数字孪生系统也是如此。环境融合的能力,就是把物理实体周边的环境信息进行数字化,再和物理实体融合在一起。就如同对某个摄像头而言,它所在的建筑及建筑周围的道路、绿化信息,都是必不可少的环境信息。

优锘科技的相应产品能够支撑两种不同的环境场景。

对于大规模数据的环境场景,比如智慧城市,我们采用的是CityBuilder解决方案。简而言之,能够解析电子地图的数据,自动生成3D城市。同时,还提供不同的主题风格,能根据不同的应用场景进行转换。

 对于规模较小的环境场景,比如一个学校或者社区,我们采用CampusBuiler解决方案。这个产品提供一个所见即所得的3D场景搭建工具,使用户利用它快速绘制真实场景。

额外介绍一个有趣的全景图功能(ThingPano)。就是将360度的全景图与环境数据进行整合。用户在孪生系统中漫游的时候,随时可以看到对应的真实环境的全景图,是不是很酷。

层、布局融合 

在涉及到建筑物的应用中,楼层的布局信息非常重要,它不仅仅是还原了物理场所的建筑构造,更重要的是为一些上层应用打下基础,比如人员定位,运动轨迹追踪,自动巡检等等。

在布局融合方面,用户除了复用CampusBuiler工具人工进行楼层布局的搭建外,还能通过布局自动生成工具ThingLayout,将楼层的CAD文件自动转换成了系统可以识别的3D布局数据格式。

 

 

层、模型融合 

物理实体的数字孪生体,归根结底就是一个个的模型或者模型集合,所以建设数字孪生系统的关键也在于模型。优锘科技通过近十年时间,上百个项目,积累了上千种不同的物体模型数据,使得我们在后续的项目中能够复用它们并最终快速交付。

优锘科技的ThingDepot就是用来管理这些模型的产品模块。

 

层、数据融合 

很多用户经常有这样的疑问:你们优锘的产品和BIM软件有什么区别?坦率地说,BIM软件现在也在发展,很可能到未来的某一天,两者之间已经因为功能相互交叉而无从分辨了。但从当下大家的普遍认知上来说,BIM软件还是面向于设计用途的,它注重孪生体的外观形状尺寸与物理实体一致性;而真正的数字孪生应用,不仅仅要考虑孪生体外观的一致性(至少是肉眼可见的一致性),还要通过数据反映出孪生体的静态和动态(简称双态)状况。甚至在很多管理者看来,孪生体双态数据的重要性已经超过了孪生体外观的重要性。
了解到双态数据的重要性,大家自然也就明白了数据融合能力的重要性。同时,在计算机图形技术高度发展的今天,我们还可以通过增加额外的界面特效来让交互手段及表现力更加得丰富。

如下图,我们在某数字医院项目中,利用黄色亮线的密度和速度分别表示车流量和车辆速度,利用不同颜色表示楼层的温度高低。

 

层、管理融合 

一个数字孪生系统,如果简单的把环境、布局、模型和数据这些信息拼凑到一起,那么带给用户的只能是噪音。想让它真正发挥价值,还需要根据不同的管理维度和场景,有条件的选取展示内容和展示方式。

在智能楼宇类型的应用中,针对配电管理和电梯管理,系统呈现的内容就迥然不同。在对配电系统进行管理时,不仅仅要关注具体的配电设备,还要呈现设备之间的关联关系。而对电梯进行管理时,系统就要动态呈现每部电梯的运行状况。

 

层、业务融合 

在一些复杂的数字孪生应用中,把物理实体和相关数据进行呈现,甚至上面提及的管理融合,都已经无法满足业务的要求。用户希望进行更深度的人机交互,将数字孪生的真实性和计算机程序的虚构性结合起来,模拟现实中成本过高或者无法实现的活动,我们称之为业务融合。

业务融合最典型的应用是在消防领域广泛使用的应急预案,也就是依托数字孪生系统构建消防重点单位3D场景,包括室内外的市政消火栓、水泵接合器、周边道路、天然水源等信息,然后针对突发或设定火灾进行动态推演,并以动画形式播放推演结果,从而形成直观立体的三维电子预案。

这其中,用户可根据标准步骤,绘制逃生路线、救援路线、标注救援提示信息(含语音),实现三维预案的自主制作;还可以用动画方式自动播放推演步骤,方便用户查看推演过程。播放过程中可随时暂停,进行周边消防信息查询、查看,还可进行回播和快进播放。

介绍完这七个层面的融合,想必您对数字孪生系统的建设有了基本的了解。从某种程度上说,它如同苹果公司的图形化操作系统一样,进行大量的幕后工作,屏蔽众多的技术细节,呈现易用的操作界面。

我们有理由相信,数字孪生技术在未来相当长的一段时间内必将越发成熟和壮大,也相信北京优锘科技有限公司能够为市场和客户开发出更多更好的数字孪生应用。