技术干货丨数字孪生基于数据驱动的三维组态可视化技术解析
导读：可视化（Visualization），是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。常见的可视化应用形态，大致可以分为三种：科学可视化、信息可视化和三维组态可视化
01 三维动态可视化感性认识
科学可视化主要关注的是三维现象的可视化，如建筑学、气象学、医学或生物学方面的各种系统，重点在于对体、面以及光源等等的逼真渲染。科学可视化是许多科学技术工作的一个构成要素。这些工作之中通常会包括对于科学技术数据和模型的解释、操作与处理。科学工作者对数据加以可视化，旨在寻找其中的种种模式、特点、关系以及异常情况；换句话说，也就是为了帮助理解。
信息可视化是对抽象数据进行直观视觉呈现的研究，抽象数据既包含数值数据，也包含非数值数据（如文本信息、地图信息等），通过利用图形图像处理、人机交互、人工智能等技术与方法，帮助人们理解和分析数据。与科学可视化相比，信息可视化则侧重于抽象数据集，帮助用户理解、分析繁杂的数据信息。在工业自动化水平迅速提高的背景下，人们对工业自动化的要求越来越高，三维组态可视化作为能够解决传统工业控制繁琐、困难的新应用，脱颖而出。三维组态可视化是对三维模型进行抽象，转换成可以数据驱动的模型对象结构。通过模型定义、数据绑定、可视化等技术步骤，实现数据驱动三维模型精准运转。三维组态可视化解决的问题是：单体三维模型对象如何由数据驱动进行相应的变化，能够在三维可视化空间内模拟、仿真、展现真实世界的运动状态、效果状态，使得用户能够根据自己控制目的对模型对象进行任意组态属性绑定并实现可视化。“数字孪生”是针对现实世界中的实体对象，在数字化世界中构建完全一致的对应模型，通过数字化的手段对实体对象进行动态仿真、监测、分析和控制。这与三维组态可视化的技术、功能特性不谋而合。与数字孪生相同，“三维组态可视化”强调仿真、建模、分析和辅助决策，侧重的是物理世界对象在数据世界的仿真、监测、分析，实现对物理世界的真实复现和决策支持。随着物联网、5G、大数据、云计算、人工智能等技术的发展与应用，数字孪生的应用空间正不断扩展。然而影响数字孪生实际发挥效用的，是数字模型对象的真实、可信行性，是是否能够高度还原真实物理对象的特征。三维组态可视化，是实现数字孪生、推进数字孪生落地应用的关键手段。这也就要求三维组态可视化必须满足模型对象复杂结构定义、数据驱动模型关节定义、实时状态数据报文定义、三维组态可视化交互分析等功能、技术要求。三维组态可视化技术主要是通过可视化手段对模型对象进行仿真，并通过数据驱动模拟、反映、展现对象的内部结构、运动状态、工艺流程、外观效果等。从技术实现层面讲，主要包括模型对象复杂结构定义、数据驱动模型关节定义、实时状态数据报文定义、三维组态可视化交互分析几个方面。模型对象复杂结构定义，是对创建的模型与其自身各种要素之间的相互关联和相互作用的关系进行仿真，包括构成要素的数量比例、排列次序、结合方式和因发展而引起的变化。通过模型对象复杂结构定义，可实现模型外观、内部结构的真实复现，辅助决策人员根据业务需求进行模型对象进行结构剖分与推演研究。数据驱动模型关节定义能够非常真实地复现目标物体的运动行为特征，打造高还原度、高逼真的数据驱动模型，可辅助查看、分析模型对象关节特点，对设备进行研究改进。实时状态数据报文定义能够通过动态定义结构、关节、动作，为三维模型赋予实时数据驱动能力，通过接入实时数据，对模型姿态、动作、状态变化进行复杂控制，真实反映物理对象的运转过程和工作原理。三维组态可视化交互分析通过友好易用的人机交互的形式、手段，如设备剖分、上卷、下钻、切片、切块、旋转以及点选交互等，对控制对象进行监测、研究、分析，辅助用户清楚、直观地了解设备运作态势，便于多角度了解设备的结构与运转详情。
航天战场武器装备的可视化仿真、模拟对于作战行动预案和部署有重要意义。对武器装备精密细节进行三维建模，可高度还原装备的外形、材质、纹理细节；对装备内部零部件、管线、传感器等复杂结构定义，可高度还原装备复杂机械结构；对装备可动结构、结构动作定义，可逼真刻画装备运动细节；接入实时/历史数据、真实/模拟数据，可动态驱动装备模型姿态及复杂动作，真实再现装备的运转过程及工作原理。通过三维建模，对电厂各类设备设施的外观、复杂机械结构等进行三维仿真显示，集成视频监控、设备运行监测、环境监测以及其他传感器实时上传的监测数据，对设备位置分布、类型、运行环境、运行状态进行实时监控，并对设备运行异常（故障、短路冲击、过载、过温等）实时告警以及设备详细信息查询，可辅助管理者直观掌握设备运行状态，及时发现设备安全隐患。通过对园区供水、供电、供热、空调、新风、照明、电梯等各类设备设施进行三维建模，对设备的外观、复杂机械结构等进行三维仿真显示，集成视频监控、设备运行监测以及其他传感器实时上传的监测数据，对设备具体位置、运行环境、运行状态，能耗态势等进行监控，并对设备运行异常（故障、短路冲击、过载、过温等）以及高能耗运行等情况进行实时告警以及设备详细信息查询，辅助管理者直观掌握楼宇各类设备运行状态以及能耗的实时态势，提升基础设施运维效率，为资源合理调配、节能减排提供有力的数据支持。作为大数据可视化领域的代表企业，数字冰雹十余年来深耕核心技术，坚持自主创新。三维组态可视化是数字孪生落地应用的关键技术手段，站在数字化建设、新基建风口，我们希望依赖于十余年的技术、经验累积，借助数据可视化，助力数字孪生落地应用，真正帮助各行业决策者运筹帷幄，决策千里。
