王典， 畢林， 朱木子， 揭臣兵， 朱玉偉， 李奕俊

（中建電子信息技術(shù)有限公司）

1 引言

本文所述研究以數(shù)字孿生平臺(tái)三維可視化為著眼點(diǎn)，一方面，研究異構(gòu)模型數(shù)據(jù)采集、模型三維平臺(tái)構(gòu)建、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與模型渲染等云渲染服務(wù)引擎應(yīng)用，解決多元異構(gòu)模型整合及平臺(tái)流暢度的難題；另一方面，研究三維引擎云渲染服務(wù)、云渲染服務(wù)平臺(tái)交互功能、云渲染平臺(tái)事件分析、云渲染平臺(tái)事件反饋等前后端交互技術(shù)，優(yōu)化云渲染服務(wù)與業(yè)務(wù)平臺(tái)的交互展示能力；最后，以數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)降低運(yùn)維平臺(tái)三維可視化硬件資源占用率。

2 技術(shù)研究與應(yīng)用背景

在以往的運(yùn)維平臺(tái)建設(shè)中，對(duì)空間數(shù)字化雖然部分強(qiáng)調(diào)了GIS、BIM等三維信息技術(shù)的重要作用，但過(guò)程中對(duì)于這類技術(shù)的使用和發(fā)揮卻不盡如人意。其中很重要的一個(gè)原因是缺少可以高效兼容BIM、GIS 等三維數(shù)據(jù)和模型的承載平臺(tái)[1]，從而無(wú)法對(duì)要素進(jìn)行全面的數(shù)字化。

BIM、GIS作為專業(yè)性技術(shù)工具雖在領(lǐng)域內(nèi)擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其可視化交互僅局限于專業(yè)軟件內(nèi)部，模型內(nèi)數(shù)據(jù)利用率也因較高門檻的專業(yè)工具使用難度而大打折扣。

虛幻引擎初期是作為游戲開(kāi)發(fā)者工具而產(chǎn)生，其三維引擎在開(kāi)發(fā)者中有巨大影響力和受眾，在眾多開(kāi)發(fā)者中，不乏BIM、GIS領(lǐng)域及其他數(shù)字孿生技術(shù)的開(kāi)發(fā)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(shù)研究目標(biāo)為完成BIM 模型通過(guò)三維底座基礎(chǔ)技術(shù)整體導(dǎo)入三維引擎后，通過(guò)交互功能模塊低代碼開(kāi)發(fā)，調(diào)取模型原數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)業(yè)務(wù)模塊直接進(jìn)行展示。

3 總體設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)原則

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

模型渲染處理：提高渲染效率 、改善圖形質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性、降低成本；模型交互處理：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成與加載、支持實(shí)時(shí)交互操作、提供可定制化界面、實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)兼容性[3]；模型數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)分區(qū)與劃分、空間數(shù)據(jù)查詢與索引、數(shù)據(jù)清洗與預(yù)處理、開(kāi)放接口與標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)安全與隱私

3.2 設(shè)計(jì)原則

實(shí)際需求導(dǎo)向：以實(shí)際的運(yùn)維需求為導(dǎo)向，確保研究成果能夠真正滿足運(yùn)維實(shí)踐的需求。

數(shù)據(jù)集成和質(zhì)量保證：關(guān)注如何有效地整合和處理來(lái)自不同數(shù)據(jù)源的信息，確保可視化平臺(tái)所使用的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，以支持有效的運(yùn)維決策[4]。

可視化效果與用戶體驗(yàn)：關(guān)注如何提高BIM 三維可視化的效果和用戶體驗(yàn)。使運(yùn)維人員能夠輕松導(dǎo)航、操作和分析三維模型。

4 底座建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 快速構(gòu)建和呈現(xiàn)數(shù)字孿生底座的技術(shù)

基于統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系進(jìn)行模型數(shù)據(jù)采集，能夠快速構(gòu)建涵蓋地上地下、室內(nèi)室外的全要素城市信息模型基礎(chǔ)信息庫(kù)，作為城市數(shù)據(jù)體系的基底；以基礎(chǔ)信息庫(kù)為基礎(chǔ)，將包括三維模型、傾斜攝影、BIM模型、設(shè)備設(shè)施精細(xì)模型等在三維空間中布局，并結(jié)合專題業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，快速構(gòu)建滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用的三維場(chǎng)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(shù)框架進(jìn)行三維渲染，展現(xiàn)數(shù)字孿生空間場(chǎng)景，為各類數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景提供高性能可視化呈現(xiàn)。

1）模型底座構(gòu)建

模型底座構(gòu)建模塊，以CIM基礎(chǔ)信息庫(kù)為基礎(chǔ)，通過(guò)三維場(chǎng)景搭建和編輯場(chǎng)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(chǎng)景中布局，并結(jié)合專題業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)快速構(gòu)建滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用的三維可視化場(chǎng)景，輔助數(shù)字孿生應(yīng)用工作者輸出三維空間場(chǎng)景（見(jiàn)圖1）。

圖1 底座建設(shè)多元數(shù)據(jù)融合效果圖

2）模型呈現(xiàn)與渲染

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與渲染模塊包括多源數(shù)據(jù)加載模塊、模型渲染模塊。多源數(shù)據(jù)加載模塊，用于空間數(shù)據(jù)的分層加載及顯示，如傾斜攝影數(shù)據(jù)、BIM 模型、設(shè)備設(shè)施三維精細(xì)模型數(shù)據(jù)的分層加載及展示；模型渲染模塊用于三維真實(shí)數(shù)據(jù)的一比一還原，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)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(shù)框架。

4.2 低代碼構(gòu)建三維可視化交互功能的技術(shù)

運(yùn)用BIM 模型快速完成三維底座交互功能制作，通過(guò)在圖形引擎內(nèi)進(jìn)行低代碼邏輯算法開(kāi)發(fā)，將BIM模型進(jìn)入圖形引擎后統(tǒng)一完成展示業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理，具體包括：在圖形引擎內(nèi)創(chuàng)建鼠標(biāo)指針，并創(chuàng)建展示模型信息的UI界面；創(chuàng)建鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件對(duì)擊中對(duì)象進(jìn)行信息識(shí)別；通過(guò)變量運(yùn)算確定模型信息；對(duì)正確信息進(jìn)行提取；生成UI界面；界面讀取點(diǎn)擊對(duì)象模型信息，從而達(dá)到模型數(shù)據(jù)層交互；通過(guò)創(chuàng)建高亮材質(zhì)臨時(shí)替換擊中對(duì)象材質(zhì)，達(dá)到展示層交互。避免了出現(xiàn)數(shù)模結(jié)合不匹配的情況，無(wú)需進(jìn)行大量重復(fù)校驗(yàn)工作，既可保持三維模型處理工作的持續(xù)性，又優(yōu)化了工作流程，提升模型處理效率。

通過(guò)在圖形引擎內(nèi)邏輯算法低代碼開(kāi)發(fā)，調(diào)用并創(chuàng)建鼠標(biāo)工作事件→創(chuàng)建鼠標(biāo)指針點(diǎn)擊事件→獲取模型數(shù)據(jù)信息計(jì)算并分析→創(chuàng)建數(shù)據(jù)讀取界面→加載并保存模型數(shù)據(jù)→創(chuàng)建臨時(shí)展示材質(zhì)→運(yùn)用臨時(shí)材質(zhì)對(duì)點(diǎn)擊對(duì)象進(jìn)行展示→完成引擎內(nèi)讀取BIM數(shù)據(jù)及交互（見(jiàn)圖2）。

圖2 圖形引擎讀取BIM數(shù)據(jù)交互模塊代碼圖

4.3 空間數(shù)據(jù)云服務(wù)技術(shù)

空間數(shù)據(jù)云服務(wù)技術(shù)（見(jiàn)圖3），不但具備云計(jì)算自身的特征，比如提供基于Docker云架構(gòu)部署模式、提供基于微服務(wù)架構(gòu)的多實(shí)例機(jī)制、提供多用戶高并發(fā)快響應(yīng)能力、提供多種NoSql 數(shù)據(jù)庫(kù)類型支持能力，而且將云計(jì)算的特征用于支撐地理空間信息各要素的建模、存儲(chǔ)、處理，比如提供近實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)矢量切片技術(shù)、提供瓦片數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新能力、提供空間數(shù)據(jù)一體化存儲(chǔ)管理能力等，讓平臺(tái)、軟件和地理空間信息方便、高效地部署到以云計(jì)算為支撐的“云”基礎(chǔ)設(shè)施之上，以彈性的、按需獲取的方式提供基于Web的服務(wù)。

圖3 空間數(shù)據(jù)云服務(wù)技術(shù)架構(gòu)圖

5 實(shí)際應(yīng)用情況

5.1 葛沽數(shù)字孿生CIM基礎(chǔ)平臺(tái)

本技術(shù)在天津津南葛沽鎮(zhèn)城市綜合開(kāi)發(fā)PPP項(xiàng)目智慧城市建設(shè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，以“城市信息模型CIM開(kāi)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(chǔ)設(shè)施等對(duì)象，在數(shù)字孿生城市中一比一映射，真實(shí)還原城市的每一個(gè)細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市建設(shè)、運(yùn)行、管理和服務(wù)的流程再造、模式創(chuàng)新。通過(guò)與IOT 物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)的融合，對(duì)城市進(jìn)行全感知、全互聯(lián)、全分析、全響應(yīng)、全應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)公共資源高效匹配、城市事件精準(zhǔn)處置，全面提升城市治理精細(xì)化、智能化水平。

5.2 葛沽建筑運(yùn)維管理平臺(tái)（規(guī)劃展示中心）

以規(guī)劃展示中心三維建筑模型為底座，在實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)、設(shè)備故障自動(dòng)預(yù)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(gè)操作在模型上有所反饋，為運(yùn)維人員提供樓宇綜合運(yùn)行態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)、協(xié)同指揮聯(lián)動(dòng)，全景（三維）可視化展示，實(shí)現(xiàn)建筑運(yùn)維的高效管理。

5.3 深惠城際鐵路二標(biāo)段信息化建設(shè)

深惠二標(biāo)項(xiàng)目智慧建造管理平臺(tái)及BIM協(xié)同平臺(tái)，應(yīng)用三維底座，結(jié)合標(biāo)段各工區(qū)三維模型成果，完成GIS、BIM、傾斜攝影模型的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，為項(xiàng)目實(shí)施人員直觀展示項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度，改變了傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模塊展現(xiàn)形式（見(jiàn)圖4）。

圖4 平臺(tái)三維底座應(yīng)用效果

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)城市數(shù)字孿生平臺(tái)三維底座的自主建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用的深入分析，我們深刻認(rèn)識(shí)到數(shù)字孿生在城市管理和規(guī)劃中的巨大潛力。一系列關(guān)鍵技術(shù)和功能的研究與開(kāi)發(fā)，使得公司城市數(shù)字孿生平臺(tái)在數(shù)據(jù)處理和可視化方面取得了顯著進(jìn)展。通過(guò)充分發(fā)揮開(kāi)源圖形引擎的優(yōu)勢(shì)和多源數(shù)據(jù)的價(jià)值，我們?yōu)橛脩籼峁┝烁鼮閺?qiáng)大和全面的數(shù)字化城市體驗(yàn)。這些技術(shù)創(chuàng)新為城市規(guī)劃、運(yùn)維管理等領(lǐng)域的數(shù)字化發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇和可能性，為城市數(shù)字孿生平臺(tái)的建設(shè)和應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。在未來(lái)，我們期待數(shù)字孿生技術(shù)在城市管理、規(guī)劃和服務(wù)優(yōu)化方面發(fā)揮更大的作用，為城市發(fā)展帶來(lái)更多的智慧和可持續(xù)發(fā)展的可能性。