淺談數字孿生平臺三維底座的自主建設關鍵技術與應用

王典， 畢林， 朱木子， 揭臣兵， 朱玉偉， 李奕俊

（中建電子信息技術有限公司）

1 引言

本文所述研究以數字孿生平臺三維可視化為著眼點，一方面，研究異構模型數據采集、模型三維平臺構建、數據呈現與模型渲染等云渲染服務引擎應用，解決多元異構模型整合及平臺流暢度的難題；另一方面，研究三維引擎云渲染服務、云渲染服務平臺交互功能、云渲染平臺事件分析、云渲染平臺事件反饋等前后端交互技術，優化云渲染服務與業務平臺的交互展示能力；最后，以數據服務技術降低運維平臺三維可視化硬件資源占用率。

2 技術研究與應用背景

在以往的運維平臺建設中，對空間數字化雖然部分強調了GIS、BIM等三維信息技術的重要作用，但過程中對于這類技術的使用和發揮卻不盡如人意。其中很重要的一個原因是缺少可以高效兼容BIM、GIS 等三維數據和模型的承載平臺[1]，從而無法對要素進行全面的數字化。

BIM、GIS作為專業性技術工具雖在領域內擁有諸多優點，但其可視化交互僅局限于專業軟件內部，模型內數據利用率也因較高門檻的專業工具使用難度而大打折扣。

虛幻引擎初期是作為游戲開發者工具而產生，其三維引擎在開發者中有巨大影響力和受眾，在眾多開發者中，不乏BIM、GIS領域及其他數字孿生技術的開發者，因此BIM、GIS和游戲三維引擎的跨界融合將成為必然[2]。

由此，該技術研究目標為完成BIM 模型通過三維底座基礎技術整體導入三維引擎后，通過交互功能模塊低代碼開發，調取模型原數據聯動業務模塊直接進行展示。

3 總體設計目標和設計原則

3.1 設計目標

模型渲染處理：提高渲染效率 、改善圖形質量、實現可擴展性、降低成本；模型交互處理：實現數據集成與加載、支持實時交互操作、提供可定制化界面、實現多平臺兼容性[3]；模型數據處理：數據分區與劃分、空間數據查詢與索引、數據清洗與預處理、開放接口與標準、數據安全與隱私

3.2 設計原則

實際需求導向：以實際的運維需求為導向，確保研究成果能夠真正滿足運維實踐的需求。

數據集成和質量保證：關注如何有效地整合和處理來自不同數據源的信息，確保可視化平臺所使用的數據準確可靠，以支持有效的運維決策[4]。

可視化效果與用戶體驗：關注如何提高BIM 三維可視化的效果和用戶體驗。使運維人員能夠輕松導航、操作和分析三維模型。

4 底座建設的關鍵技術

4.1 快速構建和呈現數字孿生底座的技術

基于統一的空間坐標系進行模型數據采集，能夠快速構建涵蓋地上地下、室內室外的全要素城市信息模型基礎信息庫，作為城市數據體系的基底；以基礎信息庫為基礎，將包括三維模型、傾斜攝影、BIM模型、設備設施精細模型等在三維空間中布局，并結合專題業務數據，快速構建滿足業務應用的三維場景模型底座；利用游戲引擎UE4 作為三維模型渲染引擎底層技術框架進行三維渲染，展現數字孿生空間場景，為各類數字孿生應用場景提供高性能可視化呈現。

1）模型底座構建

模型底座構建模塊，以CIM基礎信息庫為基礎，通過三維場景搭建和編輯場景定義工具，就像搭積木一樣將三維模型、BIM模型、傾斜攝影模型在三維空間場景中布局，并結合專題業務數據快速構建滿足業務應用的三維可視化場景，輔助數字孿生應用工作者輸出三維空間場景（見圖1）。

圖1 底座建設多元數據融合效果圖

2）模型呈現與渲染

數據呈現與渲染模塊包括多源數據加載模塊、模型渲染模塊。多源數據加載模塊，用于空間數據的分層加載及顯示，如傾斜攝影數據、BIM 模型、設備設施三維精細模型數據的分層加載及展示；模型渲染模塊用于三維真實數據的一比一還原，實現三維場景高效、逼真、酷炫的渲染效果，利用UE4 游戲引擎作為所述三維模型可視化渲染引擎的底層技術框架。

4.2 低代碼構建三維可視化交互功能的技術

運用BIM 模型快速完成三維底座交互功能制作，通過在圖形引擎內進行低代碼邏輯算法開發，將BIM模型進入圖形引擎后統一完成展示業務與數據業務處理，具體包括：在圖形引擎內創建鼠標指針，并創建展示模型信息的UI界面；創建鼠標點擊事件對擊中對象進行信息識別；通過變量運算確定模型信息；對正確信息進行提取；生成UI界面；界面讀取點擊對象模型信息，從而達到模型數據層交互；通過創建高亮材質臨時替換擊中對象材質，達到展示層交互。避免了出現數模結合不匹配的情況，無需進行大量重復校驗工作，既可保持三維模型處理工作的持續性，又優化了工作流程，提升模型處理效率。

通過在圖形引擎內邏輯算法低代碼開發，調用并創建鼠標工作事件→創建鼠標指針點擊事件→獲取模型數據信息計算并分析→創建數據讀取界面→加載并保存模型數據→創建臨時展示材質→運用臨時材質對點擊對象進行展示→完成引擎內讀取BIM數據及交互（見圖2）。

圖2 圖形引擎讀取BIM數據交互模塊代碼圖

4.3 空間數據云服務技術

空間數據云服務技術（見圖3），不但具備云計算自身的特征，比如提供基于Docker云架構部署模式、提供基于微服務架構的多實例機制、提供多用戶高并發快響應能力、提供多種NoSql 數據庫類型支持能力，而且將云計算的特征用于支撐地理空間信息各要素的建模、存儲、處理，比如提供近實時的動態矢量切片技術、提供瓦片數據實時更新能力、提供空間數據一體化存儲管理能力等，讓平臺、軟件和地理空間信息方便、高效地部署到以云計算為支撐的“云”基礎設施之上，以彈性的、按需獲取的方式提供基于Web的服務。

圖3 空間數據云服務技術架構圖

5 實際應用情況

5.1 葛沽數字孿生CIM基礎平臺

本技術在天津津南葛沽鎮城市綜合開發PPP項目智慧城市建設項目中得到應用，以“城市信息模型CIM開放框架”為支撐，將物理城市中的道路、建筑、橋梁、水系、植被、基礎設施等對象，在數字孿生城市中一比一映射，真實還原城市的每一個細節，實現對城市建設、運行、管理和服務的流程再造、模式創新。通過與IOT 物聯網感知數據的融合，對城市進行全感知、全互聯、全分析、全響應、全應用，實現公共資源高效匹配、城市事件精準處置，全面提升城市治理精細化、智能化水平。

5.2 葛沽建筑運維管理平臺（規劃展示中心）

以規劃展示中心三維建筑模型為底座，在實現設備運行監測、設備故障自動預警、用電能耗智能分析等功能中，提供模型三維展示及交互，使每個操作在模型上有所反饋，為運維人員提供樓宇綜合運行態勢監測、協同指揮聯動，全景（三維）可視化展示，實現建筑運維的高效管理。

5.3 深惠城際鐵路二標段信息化建設

深惠二標項目智慧建造管理平臺及BIM協同平臺，應用三維底座，結合標段各工區三維模型成果，完成GIS、BIM、傾斜攝影模型的多元異構數據融合，為項目實施人員直觀展示項目建設進度，改變了傳統業務模塊展現形式（見圖4）。

圖4 平臺三維底座應用效果

6 結語

本文通過對城市數字孿生平臺三維底座的自主建設關鍵技術與應用的深入分析，我們深刻認識到數字孿生在城市管理和規劃中的巨大潛力。一系列關鍵技術和功能的研究與開發，使得公司城市數字孿生平臺在數據處理和可視化方面取得了顯著進展。通過充分發揮開源圖形引擎的優勢和多源數據的價值，我們為用戶提供了更為強大和全面的數字化城市體驗。這些技術創新為城市規劃、運維管理等領域的數字化發展帶來了新的機遇和可能性，為城市數字孿生平臺的建設和應用提供了堅實的技術支持。在未來，我們期待數字孿生技術在城市管理、規劃和服務優化方面發揮更大的作用，為城市發展帶來更多的智慧和可持續發展的可能性。