本期大神：Weiyan

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數(shù)字孿生

——為物理世界“復(fù)制”一個(gè)虛擬數(shù)字分身

數(shù)字孿生，就是針對(duì)物理世界的實(shí)體，即通過(guò)數(shù)字化手段構(gòu)建一個(gè)數(shù)字世界中的“完整分身”，能夠和物理實(shí)體保持實(shí)時(shí)的交互聯(lián)接。

借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及算法模型等，通過(guò)模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、控制物理實(shí)體全生命周期過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的了解、分析和優(yōu)化。

01

數(shù)字孿生工廠

數(shù)字孿生技術(shù)能夠迅速成為工業(yè)生產(chǎn)的寵兒，自然是因?yàn)樗兄谏a(chǎn)。

中國(guó)工程院院士譚建榮曾在2020年指出，數(shù)字孿生應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)資源調(diào)配、智能化生產(chǎn)，顯著提高生產(chǎn)效率。

把工廠搬到虛擬空間里，有什么用？

數(shù)字孿生虛擬出來(lái)的工廠，與真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境一一對(duì)應(yīng)。人在辦公室，就能看到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一舉一動(dòng)；在數(shù)字孿生的應(yīng)用中，管理人員能夠看到每一個(gè)車(chē)間的工作情況，通過(guò)搜索定位、“拖拉拽”等簡(jiǎn)單交互，就能定位到生產(chǎn)線的每一個(gè)細(xì)節(jié)。

基于生產(chǎn)制造過(guò)程的數(shù)字孿生應(yīng)用（樣例）

此外，數(shù)字孿生也降低了工人看懂?dāng)?shù)據(jù)的門(mén)檻。不需要你有什么CAD的經(jīng)驗(yàn)、也不需要有太多專(zhuān)業(yè)知識(shí)，就算擰螺絲的工人也看得懂。

除了實(shí)時(shí)性，“回放”也是數(shù)字孿生的重要功能。

生產(chǎn)監(jiān)管因此變得一目了然：借助數(shù)字孿生，工程師們可以快速追溯生產(chǎn)數(shù)據(jù)，甚至細(xì)化到當(dāng)時(shí)螺絲的力矩，更容易分析故障的原因；

但想讓這一切科幻感的事情在工廠里發(fā)生，并不容易。

感知、傳輸、計(jì)算、建模、仿真等一系列技術(shù)集成融合是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)。

02

數(shù)字孿生工廠關(guān)鍵技術(shù)——可視化

數(shù)字孿生的基本技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)和3D可視化兩大細(xì)分方向，其典型場(chǎng)景包括智能制造、智慧交通、智慧建筑、智慧城市、智慧能源、智慧健康等。數(shù)字化大屏是數(shù)字孿生最為直觀的產(chǎn)品級(jí)應(yīng)用。

如何實(shí)現(xiàn)3D可視化大屏？

一般來(lái)說(shuō)，3D可視化是指擁有3D效果的數(shù)據(jù)可視化，對(duì)于所要展示的數(shù)據(jù)可視化內(nèi)容還原出真實(shí)場(chǎng)景，并實(shí)時(shí)接入數(shù)據(jù)，在面對(duì)復(fù)雜操作時(shí)靈活應(yīng)對(duì)，使得整個(gè)場(chǎng)景在大屏上的展示更具立體、更具科技感、更具易用性。

在實(shí)際操作中，3D可視化開(kāi)發(fā)流程需要用到很多專(zhuān)業(yè)的3D工具，比如3DMAX、Unity 3D、Unreal Engine 4等等。

接下來(lái)，讓我們一起揭開(kāi)3D數(shù)據(jù)可視化的神秘面紗。

第一階段：3D建模材質(zhì)渲染

3D建模技術(shù)現(xiàn)如今已成為人們?cè)趧?chuàng)建工廠可視化設(shè)計(jì)中常用到的數(shù)字表現(xiàn)。

根據(jù)對(duì)3D對(duì)象的不同處理建模過(guò)程和制作方式，一般建模主要分為以下4種類(lèi)型：直接建模，參數(shù)化建模，BIM建模，點(diǎn)云建模。

在創(chuàng)建復(fù)雜的3D對(duì)象時(shí)，如果需要操作單獨(dú)的簡(jiǎn)單形狀拼接，那么直接建模的方式最適合。同時(shí)，當(dāng)你需要用CG對(duì)象渲染逼真圖像時(shí)，這種建模方式也很有用，它可以不拘泥于任何特定的參數(shù)，更靈活的更改3D對(duì)象。

對(duì)于直接建模，使用最廣泛的軟件有：3ds Max、Blender、和Maya等。

螺絲模型：白模（樣例）

生產(chǎn)線模型：白模（樣例）

在實(shí)際項(xiàng)目中對(duì)模型面數(shù)要求是比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模鏀?shù)越少越好，這樣導(dǎo)出的3D文件就會(huì)越小，負(fù)載也就越小。

第二階段：3D場(chǎng)景搭建

目前市面上可視化落地基本上都是基于：Unity3D，虛幻引擎（UE4）、Ventuz、threejs 等工具實(shí)現(xiàn)的。

它們的底層是由BS（Browser-Server）架構(gòu)和CS（Client-Server）架構(gòu)兩大架構(gòu)組成的。

這里使用Unity，在Unity里主要核心內(nèi)容為：還原效果，特效制作，及腳本編寫(xiě)等。

在Unity里把模型導(dǎo)入后，需要用Unity里自帶材質(zhì)重新貼好并燈光渲染。（Unity的材質(zhì)和其它3維軟件里的材質(zhì)兼容性不高，不能通用，只能兼容標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)。例如：3dsmax里的standard）。

模型導(dǎo)入（樣例）

貼材質(zhì)并調(diào)整燈光（樣例）

第三階段：交互腳本及展示

腳本這里已經(jīng)脫離了視覺(jué)設(shè)計(jì)部分，Unity腳本使用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，這里在可視化項(xiàng)目中主要實(shí)現(xiàn)通過(guò)用戶(hù)操作讓畫(huà)面動(dòng)起來(lái)和前后臺(tái)數(shù)據(jù)交互或者操作觸發(fā)事件等。

比如：AGV小車(chē)按軌跡運(yùn)動(dòng)，鼠標(biāo)點(diǎn)擊可查看一些關(guān)鍵KPI數(shù)據(jù)等。

交互腳本展示（樣例）

至此，一個(gè)簡(jiǎn)單的生產(chǎn)線可視化就基本完成了。

03

數(shù)字可視化大屏

對(duì)可視化大屏來(lái)說(shuō)就是對(duì)數(shù)據(jù)的可視化展示。是為了降低數(shù)據(jù)的閱讀成本，通過(guò)大屏，通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)解決問(wèn)題。所以需要我們對(duì)數(shù)據(jù)的類(lèi)型以及不同數(shù)據(jù)的展示方式要有深刻的理解。

在場(chǎng)景化設(shè)計(jì)中融入數(shù)據(jù)表達(dá)，不僅僅是浮于表面的數(shù)據(jù)整合。提到關(guān)鍵詞“場(chǎng)景化設(shè)計(jì)中融入數(shù)據(jù)表達(dá)”，最終達(dá)到的效果就是：參觀者看到大屏數(shù)據(jù)可視化的界面，有耳目一新的感覺(jué)，且能直觀獲取大屏的行業(yè)、用途等等。

可視化大屏的出現(xiàn)，從根本上為用戶(hù)提供了更加智能和快捷的數(shù)據(jù)分析，使得數(shù)據(jù)信息更加準(zhǔn)確的同時(shí)，也能夠更加及時(shí)有效。各位博世的同仁如果對(duì)3D可視化技術(shù)或數(shù)字孿生有相關(guān)感言或是想法，歡迎在評(píng)論區(qū)留言探討！