2022年4月27日

數字孿生 基于數據驅動的三維組態可視化 技術解析

三維組態可視化感性認識

可視化（Visualization），是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。常見的可視化應用形態，大致可以分為三種：科學可視化、信息可視化和三維組態可視化。

（一） 科學可視化

科學可視化主要關注的是三維現象的可視化，如建筑學、氣象學、醫學或生物學方面的各種系統，重點在于對體、面以及光源等等的逼真渲染。科學可視化是許多科學技術工作的一個構成要素。這些工作之中通常會包括對于科學技術數據和模型的解釋、操作與處理。科學工作者對數據加以可視化，旨在尋找其中的種種模式、特點、關系以及異常情況；換句話說，也就是為了幫助理解。

（科學可視化）

（二） 信息可視化

信息可視化是對抽象數據進行直觀視覺呈現的研究，抽象數據既包含數值數據，也包含非數值數據（如文本信息、地圖信息等），通過利用圖形圖像處理、人機交互、人工智能等技術與方法，幫助人們理解和分析數據。與科學可視化相比，信息可視化則側重于抽象數據集，幫助用戶理解、分析繁雜的數據信息。

（信息可視化）

（三） 三維組態可視化

在工業自動化水平迅速提高的背景下，人們對工業自動化的要求越來越高，三維組態可視化作為能夠解決傳統工業控制繁瑣、困難的新應用，脫穎而出。

三維組態可視化是對三維模型進行抽象，轉換成可以數據驅動的模型對象結構。通過模型定義、數據綁定、可視化等技術步驟，實現數據驅動三維模型精準運轉。三維組態可視化解決的問題是：單體三維模型對象如何由數據驅動進行相應的變化，能夠在三維可視化空間內模擬、仿真、展現真實世界的運動狀態、效果狀態，使得用戶能夠根據自己控制目的對模型對象進行任意組態屬性綁定并實現可視化。

（機械臂-三維組態可視化）

三維組態可視化即數字孿生

“數字孿生”是針對現實世界中的實體對象，在數字化世界中構建完全一致的對應模型，通過數字化的手段對實體對象進行動態仿真、監測、分析和控制。

這與三維組態可視化的技術、功能特性不謀而合。與數字孿生相同，“三維組態可視化”強調仿真、建模、分析和輔助決策，側重的是物理世界對象在數據世界的仿真、監測、分析，實現對物理世界的真實復現和決策支持。

隨著物聯網、5G、大數據、云計算、人工智能等技術的發展與應用，數字孿生的應用空間正不斷擴展。然而影響數字孿生實際發揮效用的，是數字模型對象的真實、可信行性，是是否能夠高度還原真實物理對象的特征。

三維組態可視化，是實現數字孿生、推進數字孿生落地應用的關鍵手段。這也就要求三維組態可視化必須滿足模型對象復雜結構定義、數據驅動模型關節定義、實時狀態數據報文定義、三維組態可視化交互分析等功能、技術要求。

三維組態可視化技術解析

三維組態可視化技術主要是通過可視化手段對模型對象進行仿真，并通過數據驅動模擬、反映、展現對象的內部結構、運動狀態、工藝流程、外觀效果等。從技術實現層面講，主要包括模型對象復雜結構定義、數據驅動模型關節定義、實時狀態數據報文定義、三維組態可視化交互分析幾個方面。

（一） 模型對象復雜結構定義

模型對象復雜結構定義，是對創建的模型與其自身各種要素之間的相互關聯和相互作用的關系進行仿真，包括構成要素的數量比例、排列次序、結合方式和因發展而引起的變化。通過模型對象復雜結構定義，可實現模型外觀、內部結構的真實復現，輔助決策人員根據業務需求進行模型對象進行結構剖分與推演研究。

（二） 數據驅動模型關節定義

數據驅動模型關節定義能夠非常真實地復現目標物體的運動行為特征，打造高還原度、高逼真的數據驅動模型，可輔助查看、分析模型對象關節特點，對設備進行研究改進。

（數據驅動模型關節定義）

（三） 實時狀態數據報文定義

實時狀態數據報文定義能夠通過動態定義結構、關節、動作，為三維模型賦予實時數據驅動能力，通過接入實時數據，對模型姿態、動作、狀態變化進行復雜控制，真實反映物理對象的運轉過程和工作原理。

（四） 三維組態可視化交互分析

三維組態可視化交互分析通過友好易用的人機交互的形式、手段，如設備剖分、上卷、下鉆、切片、切塊、旋轉以及點選交互等，對控制對象進行監測、研究、分析，輔助用戶清楚、直觀地了解設備運作態勢，便于多角度了解設備的結構與運轉詳情。

三維組態可視化的行業應用

（一） 航天戰場

航天戰場武器裝備的可視化仿真、模擬對于作戰行動預案和部署有重要意義。對武器裝備精密細節進行三維建模，可高度還原裝備的外形、材質、紋理細節；對裝備內部零部件、管線、傳感器等復雜結構定義，可高度還原裝備復雜機械結構；對裝備可動結構、結構動作定義，可逼真刻畫裝備運動細節；接入實時/歷史數據、真實/模擬數據，可動態驅動裝備模型姿態及復雜動作，真實再現裝備的運轉過程及工作原理。

（航天戰場-武器裝備三維組態可視化）

（二） 電廠運維

通過三維建模，對電廠各類設備設施的外觀、復雜機械結構等進行三維仿真顯示，集成視頻監控、設備運行監測、環境監測以及其他傳感器實時上傳的監測數據，對設備位置分布、類型、運行環境、運行狀態進行實時監控，并對設備運行異常（故障、短路沖擊、過載、過溫等）實時告警以及設備詳細信息查詢，可輔助管理者直觀掌握設備運行狀態，及時發現設備安全隱患。

（智慧電力-風電機三維組態可視化）

（三） 智慧樓宇

通過對園區供水、供電、供熱、空調、新風、照明、電梯等各類設備設施進行三維建模，對設備的外觀、復雜機械結構等進行三維仿真顯示，集成視頻監控、設備運行監測以及其他傳感器實時上傳的監測數據，對設備具體位置、運行環境、運行狀態，能耗態勢等進行監控，并對設備運行異常（故障、短路沖擊、過載、過溫等）以及高能耗運行等情況進行實時告警以及設備詳細信息查詢，輔助管理者直觀掌握樓宇各類設備運行狀態以及能耗的實時態勢，提升基礎設施運維效率，為資源合理調配、節能減排提供有力的數據支持。

（智慧樓宇-電梯三維組態可視化）

技術深耕，助力科學決策

作為大數據可視化領域的代表企業，數字冰雹十余年來深耕核心技術，堅持自主創新。三維組態可視化是數字孿生落地應用的關鍵技術手段，站在數字化建設、新基建風口，我們希望依賴于十余年的技術、經驗累積，借助數據可視化，助力數字孿生落地應用，真正幫助各行業決策者運籌帷幄，決策千里。