数字孪生基础方案

数字孪生基础方案——目 录

• 一、数字孪生总体架构

• • 1、物联网层
  • 2、模型层
  • 3、仿真算法层
  • 4、应用展示层

• 二、技术路线

• • 1、基于引擎或框架划分
  • 2、基于BS/CS架构来划分

• 第三部分主要阐述基于地理信息系统（GIS）的数据分析方法。

  • 1. 首先利用 GIS 地理信息系统技术进行数据整合与处理
    • 2. 将研究重点聚焦于城市规划与管理中具有显著意义的区域
    • 3. 对于特别关注的城市发展与经济规划问题进行深入分析

一、数字孪生总体架构

该解决方案全面涵盖了数字孪生项目建设的关键环节与技术流程。从项目建设与成本评估角度出发，在综合分析的基础上初步划分出四个核心层面：物联网层面、模型构建层面、仿真运算层面以及应用展示界面。其中，在物联网层面的主要工作内容包括对所需物联网设备进行精确对接与管理：一方面负责解析各类设备协议规范；另一方面则负责接收并处理设备实时运行中的工作状态数据与环境状态信息等多维度信息。在模型构建层面，则主要围绕项目需求开展工作：建立并完善基础地理信息系统（GIS）底图与专题图；开发并实现三维模型构建功能；完成基础模型架构设计；并制作相应的动画演示以增强理解效果；最后还需记录与整理模型相关的属性信息等基础数据支持工作。仿真运算层面的核心任务是将实时更新中的GIS地图数据、三维模型数据以及物联网设备的数据整合分析：一方面通过动态计算模拟物理世界的运行规律；另一方面则基于先进的人工智能算法对可能出现的状态变化进行预测预警，并提供相应的决策支持建议

1、物联网层

实时数据获取：通过技术手段收集物联网设备运行状况的数据信息。这些真实反馈可以通过孪生平台准确呈现当前物理设备及其流程的实际运行状态。
设备数据模拟：基于各设备的工作状态与属性特征进行模拟生成相应的操作参数值序列，并在此基础上完成系统仿真运行过程及故障现象再现任务，在此基础上实现对潜在问题进行诊断并预测其发展走向的能力。

2、模型层

三维模型：利用CAD图纸生成技术构建多种表现形式的方式实现三维模型的基础搭建工作，并将其作为平台的基础数据支撑结构进行应用。 数字模型：基于对物理世界中设备及其相关物体的完整属性描述，在虚拟环境中准确体现其存在的状态及动态行为特征，并记录其运动轨迹及相互作用关系等关键参数信息。 GIS数据：通过将三维模型数据与空间参考坐标系进行关联处理，在虚拟环境中建立起与其现实空间位置一一对应的数据孪生体系。

3、仿真算法层

实时计算：根据设备状态的变化，在线动态地生成高精度三维场景模型并同步虚拟世界的运行状态。规则引擎：基于物理世界运行流程搭建虚拟世界的规则逻辑框架。AI引擎：通过人工智能算法提供多维度的状态评估与解决方案，在线预测潜在风险并制定应对策略。

4、应用展示层

效果展示：通过模拟真实的物理环境及其状态进行展示；直观地查看不同情况下的潜在情况；有助于进一步的问题识别、预案制定以及系统决策。

二、技术路线

1、基于引擎或框架划分

一种是依赖于三维引擎或框架进行开发与封装的类型, 其中包括虚幻引擎（UE）、Unity3D引擎以及Three.js等多种技术. 另一个则依赖于GIS相关的软件或框架进行开发与封装, 其中包括Cesium、ArcGIS API for JavaScript以及Skyline等多种工具和技术.

2、基于BS/CS架构来划分

采用BS架构的技术包括Cesium、ArcGis API For JS、ThreeJS和BabylonJS；而UE和Untiy3D则采用CS架构

三、实现路线

以数字孪生城市为例。数字孪生城市的底板根据显示效果与涵盖范围的不同，在功能划分上可分为三大类：一是城市全局展示（白模实现），二是常规关注（平面扫描实现），三是重点监测（BIM建模实现）。基于数字孪生城市底座系统，在业务接驳方面通常会接入城市运行的关键数据（经济指标、民生数据、运营数据等），用于展示城市发展动态及运行状态；或者通过接入视频监控与物联网设备运行状态数据进行实时管理；或者对流程进行跟踪与管理；此外还可以构建应急预案体系并开展应急指挥调度；在显示布局上通常左右两侧各设两组数据展示区，并根据屏幕尺寸灵活设置为单双列显示模式；中间区域则提供孪生场景交互界面，在此界面用户可自由操作：移动观察、平面扫描、缩放视图、定位坐标、点击标注等功能

以上是基于原文核心信息的重新表述版本

1、通过GIS地理信息数据

包含量数据、高程数据、影像数据等多种异构数据源，在此基础上构建一个城市的数字孪生底座平台（暂定），该平台具有广泛适用性，并能有效模拟城市建筑布局、道路网络、水域景观及绿化区域（含植被带）。然而由于当前模型精确度尚有提升空间（类似于地图导航软件中的建筑模块化建模效果），仍需进一步完善细节表现（如材质特性与结构组成）。按照CIM标准系统定位目前处于CIM2阶段水平（CIM1标准仅限于植被带的表现能力）。通常情况下各相关方通过各自的技术体系实现模块化建模（基于程序自动生成），而后经统一技术平台整合并进行必要的人工优化（如有必要）。在此基础上对建筑体实施智能贴图处理（采用同类样式的建筑外立面表现效果），最终可达到CIM2水平。随后借助游戏引擎渲染技术或基于GIS软件的可视化渲染方法（如加入天光照射等细节效果），便能够实现对整个城市空间信息系统的完整呈现效果

当下

2、对于城市⽐较关注的区域

⼀般会采⽤斜扫的⽅式（倾斜摄影、实景还原等）。

该系统的技术实现高度依赖于数字孪⽣公司在技术实力上的投入与支撑。在实际应用中需注意以下三点关键要素：其⼀是⼿动采集过程中的数据质量（⼿动采集的数据质量较差时会导致模型呈现歪曲、模糊或失真现象），其⼆是⼿动采集过程中的数据处理能力（⼿动采集的数据可视为⾼精度扫描⽪资料包，在实际操作中需要实现单体化处理），第三是系统⽀持⼿动扫描建模的能力（⼿动扫描建⽴的模型可还原建筑体形特征及其贴图信息，在CIM标准下表现⽔平与CIM3标准基本持平）。

斜扫技术对于⽂物古迹的还原还是⾮常有意义的（还是省⼈⼯的）。

3、对于重点关注的区域

采用高精度建模技术进行还原, 包括但不限于BIM建模、CAD结合拍照重建等方式, 主要是为了呈现人工建模渲染出的效果也非常逼真这一项技术在行业内较为熟悉, 因此不再深入展开说明接下来是CIM4和CIM5阶段, 在此之后则是建筑内部构件的详细刻画. 需要注意的是, 在拆除工程时按照楼层展示也是一种常见的做法

基于数字孪生城市的框架进行具体阐述，在其核心结构中包含底座、数据以及应用整合的模块体系。其中园区内部可能还集成有物联网设备和楼控系统等类似内容，此处不再赘述。

当前数字孪生企业在这方面已经较为成熟，并没有技术上的差距。主要关注的是效能和服务能力，并已进入激烈的红海市场阶段。要如何脱颖而出呢？我觉得还是应该跳出孪生的表现层吧？因为说到底嘛，在这一领域目前竞争还是很激烈啊！使用起来的话总是不太合适