数字孪生平台功能设计
致力于数字孪生体技术的研究与发展
通过解决方案和工程化应用造福人类
来源：《数字孪生系统设计与实践》
1.孪生体设计器
孪生体设计器提供对设备实体的属性、模型、事件指令、可视化规则等数字化定义，实现设备的数字建模。工具提供孪生体实例管理和孪生资产管理功能，接收资源数据、运行数据，并根据交互规则和可视规则进行单体化模型、几何外观模型的呈现。
孪生体规格查询：提供对孪生体规格进行查询检索，提供孪生体规格目录，提供对检索的结果进行详情查看、修改、删除操作。
新建孪生体规格：提供对孪生体规格进行新建操作。
-新建孪生体规格—基础信息：提供对孪生体规格基础信息的输入能力，主要包括孪生体规格名称、孪生体规格示意图、孪生体规格所属规格目录、孪生体描述信息。
-新建孪生体规格—属性：提供对孪生体属性的定义能力，包括新建属性字段，设置属性字段类型、字段长度、字段默认值、是否可编辑、是否必填等，提供对属性字段的增加、修改和删除等操作。
-新建孪生体规格—模型：提供对孪生体模型的定义能力，通过选择对应的三维模型，来描述孪生体规格的可视内容。
-新建孪生体规格—指令：提供对孪生体指令的设计能力，能够输入指令。
-新建孪生体规格—事件：提供对孪生体事件的设计能力，能够输入事件。
-新建孪生体规格—可视化：提供对孪生体的可视化定义能力，能够针对模型定义可视化能力，用来展示孪生体不同的可视化形态，用来表示孪生体不同的运行形态。
功能接口管理：在孪生体设计器中增加孪生体功能接口管理，接口管理包括功能接口的新增、编辑和删除。在孪生体设计阶段可以对接口的名称和接口的类型进行管理。孪生实例编辑阶段可以对功能接口进行实例化，将功能接口和数据服务进行映射。
功能接口列表：在孪生体设计器中通过列表形式展示功能接口，包括功能接口的名称、类型、数据服务（实例化后展示）、数据服务接口名称（实例化后展示）、数据服务编码（实例化后展示），并在列表中提供功能接口的编辑和删除入口。
功能接口映射和绑定：在实例管理功能中，在实例编辑界面中实现功能接口和相关数据服务的映射和绑定。
实例接口服务卡批量绑定：通过条件批量查询实例，对查询结果中的实例功能接口进行实例化。
2.场景构建工具
孪生场景构建平台通过对数字孪生体进行组合设计，实现面向业务的孪生场景构建和编排。实现在数字孪生城市模拟、仿真、交互、推演，并得以在物理城市完成精准治理。通过可视化的编排设计器，简化业务设计复杂度，提升灵活性，并形成能支持决策的知识图谱，通过注入AI 能力，支持对模型的训练和优化，提升智慧城市快速响应能力和辅助决策效率。
孪生场景构建器是基于低代码可视化操作功能，实现对孪生体实例、拓扑资源实例、面向城市级大场景空间模型的加载和二、三维可视化渲染，实现面向应用的自主式构建和编排，满足应用的快速搭建需求。
在场景构建中，根据客户的不同需求，以及展示场景的实际成本和时间要求、成本要求，背景需要选用不同类型的三维场景，例如三维精模、白模、矢量地图、卫星地图、倾斜摄影等。选用倾斜摄影为背景的优势在于，数据获取方式较为自主、成本较低。采用无人机等方式获取航拍数据后，进行较短时间的三维视图构建，即可达到较好的展示效果。倾斜摄影对建筑物的描绘贴近真实，细节逼真，能够满足孪生大场景的能力。
地图服务列表展示：在场景构建器中增加地图服务菜单，单击地图服务菜单在左侧展示所有的地图服务，以图文形式展示，并能够通过服务类型进行筛选过滤。
倾斜摄影加载：支持在场景构建编排器中加载倾斜摄影处理后发布的GIS服务。
倾斜摄影服务设置：在场景构建编排器右侧属性框中支持对服务的设置，包括服务的透明度、颜色、海拔高度等。
倾斜摄影服务选中和删除：在子场景资源列表中展示场景中加载的倾斜摄影服务，在资源列表中支持对服务的选中和删除操作。
菜单权限控制：根据场景画布中的3D模型类型来控制场景构建器的菜单权限。当拖曳3Dtiles服务到场景时，默认切换到地理三维引擎，并且禁用地理引擎无法支持的菜单。当场景中没有三维模型或者地图服务时，启用构建器中的全部菜单。
为帮助用户快速搭建业务场景，平台需要提供地理数据加载和编排能力，实现对有地理坐标的业务数据进行批量导入和加载能力。
场景构建编排器支持使用地理引擎来加载和渲染三维场景，从而具备大场景的搭建能力。在地理引擎渲染的场景中，用户可以载入有经纬度的地理数据，并根据经纬度自动把数据放置到相应的位置。
地理数据载入：在实例管理中载入有经纬度的孪生实例，系统会把孪生实例放置到经纬度对应的位置。
地理数据属性设置：选中场景中的实例，在实例属性框中设置实例三维属性。
地理数据交互设置：通过场景编辑器能够设置地理数据的交互动作，比如能够配置鼠标单击交互，根据孪生体设计中的图表卡片展示详细信息。
地理数据定位和删除：在场景资源列表中展示载入到场景中的实例数据，通过单击列表上的数据能够在画布上进行定位，并且能够对实例数据进行删除。
场景管理：在同一个页面下实现子场景的新增、编辑和删除功能。
场景编排：在每个子场景中能够提供独立的场景画布，用户能够在每个子场景画布中对场景模型、孪生体实例、图表组件、滤镜效果进行自由编排和设计。
场景切换：
-在场景列表中提供子场景的切换功能。
-通过设置组件属性达到子场景切换能力。
场景保存和预览：对每个子场景组件中的场景模型、孪生体实例、图表组件、滤镜效果设置进行保存，并且保存后能够对子场景进行查看和预览。
场景设置：在每个子场景中提供相机设置和通用设置能力，如图1所示。
场景发布：图2为“我的项目”界面，可在场景操作菜单中发布场景，支持对未发布的场景进行发布操作，并更改场景的状态。
场景取消发布：在场景操作按钮菜单中可取消发布场景（只有已发布的场景才有该功能），实现场景状态的更新。
场景权限控制：
-数字线程根据场景的运行状态进行数据权限控制。
-对已发布的场景启动数据推送线程。
-在前端页面上也需要实现场景权限控制，当场景是已发布状态时无法进行编辑，需要先取消发布。
-查看场景时需要根据场景状态控制场景是否能够进行单点登录操作，对未发布的场景无法进行单点登录。
3.自动拓扑工具
针对网络数字孪生场景，数字孪生拓扑编辑器实现对网络拓扑自动化创建、半自动化布局，支持绑定孪生体资源、对算网拓扑的路径搜索、关联查询、透视图查找等功能。基于场景测试规则，构建算网孪生实时仿真环境。通过算网编排中心接口请求，提供预规划测试和仿真计算能力，根据编排策略对现网影响进行评估，并返回预测结果。
拓扑是为了真实反映网络中各类实体、设备、终端等的布局关系，体现构成网络的成员之间特定连接关系和从属关系，这些关系可能是物理的，即真实的；也可能是逻辑的，即虚拟的。
网络拓扑编辑器，需要通过网络孪生体的拖曳，以及各类点、线、面、分层、标注、平铺关系、堆叠关系、可视化效果等的编辑操作，将实际的算力网络的节点、链路、通路等拓扑关系在孪生世界进行构建。
通过网络拓扑的可视化编辑和表达，可以形象体现对算力的感知、触达、编排、调度能力，展示算网拓扑的接入节点对计算任务的灵活、实时、智能匹配。
拓扑图是对实体符号图形的简单化与规则化表示，并借此图形显示量化信息，图形大小一般与实体面积无关。拓扑图数量对比直观，简单易绘，以图形传递量化信息为目的，是量化地图的一种有效表现形式。
（1）星状结构。这是最古老的一种连接方式，网络有中央节点，其他节点（工作站、服务器）都与中央节点直接相连，这种结构以中央节点为中心，因此又称为集中式网络。
（2）环状结构。环状结构中的传输媒体从一个端用户到另一个端用户，直到将所有的端用户连成环状。数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输，信息从一个节点传到另一个节点。
（3）树状网络。在实际建造一个大型网络时，往往是采用多级星状网络，将多级星状网络按层次方式排列即形成树状网络。
通常在拓扑工具中需要定义以下功能：
网络拓扑管理：以卡片的形式展示网络拓扑信息，用户能够直观查看网络拓扑信息，包括网络拓扑的名称、拓扑图以及拓扑的缩略图，并提供网络拓扑的新建和编辑入口。
网络拓扑关系管理：以列表的形式管理孪生体实例之间的连接关系，支持根据孪生体名称进行查询拓扑关系。
符号库：在创建网络拓扑时需要使用图元符号来标识网络设备、网络资源、网络节点之间的连接关系。平台需要预设若干通用的算网对象图标，在拓扑编辑页面中通过拖曳的方式绘制单个算网对象，可以对不同的网络内置一套相关设备类型和资源的符号库。符号支持名称筛选过滤。
拓扑编辑：支持用户通过拖曳符号库中的符号到拓扑编辑画布中，进行网络拓扑编辑，支持鼠标灵活调整网络图标位置，支持各类节点、连接线、面、分层、标注等的编辑。
网络拓扑属性设置：支持对网络拓扑中符号、拓扑连接进行设置，包括符号的尺寸、颜色、透明度、符号和线的样式、标注等设置。
算网孪生体绑定：需要支持将算网对象与已经定义的算网孪生体进行绑定，形成映射关系。
实例列表：提供网络拓扑中已绑定的实例列表展示，单击实例能够在网络拓扑中进行选中和定位。实例列表支持根据名称进行筛选过滤。
网络拓扑保存：支持用户创建好的网络拓扑进行保存，并可以将已创建好的网络拓扑保存为模板。
网络拓扑模板：提供网络拓扑模板功能，平台针对不同的网络类型可以内置一部分网络拓扑模板。用户可以通过使用模板进行网络拓扑的快速搭建。同时用户可以对权限内的模板进行删除操作。
4.地理三维能力
系统实现对空间孪生体和事物孪生体的开发，简化空间三维建模、终端设备管理的复杂度。通过融合倾斜摄影模型、BIM、精模、矢量、地形等多源数据，快速自动化构建大规模数字孪生城市模型，实现大场景动态实时渲染。同时，融合物联网平台能力，对物模型数字孪生体可视化定义，提供能够可视、仿真、交互、决策的智能孪生体，形成企业内的数字资产，满足重复利用和价值运营的要求。
3D 建模是利用三维生产软件通过虚拟三维空间构建具有三维数据的模型，从简单的几何模型到复杂的角色模型；从静态单个产品显示，到动态复杂的场景。许多行业需要3D 建模，如影视动画、游戏设计、工业设计、建筑设计、室内设计、产品设计、景观设计等。
三维建模是计算机图形学中的一种技术，用于生成任何对象或曲面的三维数字表示。这些3D 对象可以通过变形网格或其他方式自动生成或操纵顶点。
3D 建模和绘画的区别在于一个是在二维平面上绘制，而3D 建模是在三维空间中多方位构建模型。
三维建模的应用场景主要包括：
游戏建模。主要分为3D场景建模和3D角色建模。3D场景建模师的工作是根据原画设置和规划要求制作符合要求的3D场景模型；3D角色建模师的工作是根据游戏角色的原画设计图纸构建游戏角色等的3D模型。
影视建模。根据影视原画设计师给出的影视剧中人物、动物、怪物、道具、机械、环境等物体构建模型。
工业建模。工业建模分为室内和室外两种。与游戏建模相比，制作模型的过程更简单，但更注重尺寸标签和制造标准。
二代场景建模。使用3Dmax.maya.Ps，根据项目要求中的文字描述和场景原画，制作高精度3D静物模型。
根据实际需要制作三维模型，如人体器官三维模型、VR游戏模型。面对地理范围比较大的孪生场景构建和编排时，平台通过使用地理引擎来渲染，通常需要地图服务作为三维场景的底座或者背景。
地图服务加载：平台场景构建器中提供地图服务信息展示能力，在GIS服务列表中选择地图服务（WMTS、WMS等），筛选出平台支持的地图服务。拖曳地图服务卡片到场景编辑器中，场景编辑器对地图服务进行加载。
地图服务属性设置：在场景构建编排器右侧提供地图服务属性设置面板，支持对地图的垂直高度、透明度进行设置。
地图服务选中和删除：在子场景资源列表中展示场景中加载的地图服务，在资源列表中支持对地图的选中和删除操作。
5.模型资产管理
在一些孪生场景中需要以矢量地图、影像地图、倾斜摄影作为底座，并且结合业务数据快速搭建基于地理引擎的孪生场景。平台需要提供地图服务注册功能，将需要用到的GIS 服务登记到系统中，以便在场景构建时直接拖曳使用。
GIS服务注册：新增GIS服务注册功能，通过填写服务名称、URL和地图服务类型（支持WMTS服务、3Dtiles服务、WMS服务、天地图服务等），单击“提交”，保存GIS服务到系统中。
GIS服务编辑：能够对已经注册到系统中的GIS服务进行修改，包括服务名称、URL以及服务类型的修改。
服务预览：在GIS服务注册时可以预览GIS服务，在GIS服务列表中通过单击“查看”也可以预览GIS服务。
GIS服务列表：以列表的形式展示平台登记的GIS服务，列表支持分页功能。
GIS服务删除：提供GIS服务删除功能。
6.可视化能力
1）天气组件，天气组件包括：
天气效果：支持设置雨、雪、雾天气效果；支持设置雨天的地面积水效果；支持设置雪天的地面积雪效果。
水体效果：支持设置水面动态投影及反射效果；支持设置水面动态波纹效果。
粒子效果：支持设置喷泉效果；支持设置模拟火灾中的火焰效果；支持设置动态线发光及炫光效果。
2）光影滤镜
场景构建编排器是一个通用的场景制作工具，需要支持众多的业务场景，进而也会提出很多个性化的需求。用户通常对场景光照设置能力关注比较多，需要根据实际场景需求，支持对场景光照效果进行自定义设置功能，以便更好地调整场景光照效果，提升场景展示效果。
24小时实时光照模拟：通过滑动条绑定24小时时间，拖动滑动条实现实时光照效果。
白天黑夜模式切换：支持切换白天模式和黑夜模式。
动态阴影设置：支持为建筑物、植物、城市部件设置动态阴影效果。
光照反射效果：支持水面的实时光线反射效果、材质表面的光线反射效果。
在场景制作过程中需要新增光源设置能力，光源包括平行光、点光源、聚光灯、环境光。用户可以根据场景需要，在任意位置添加光源来设置场景的光照效果。光源位置支持通过鼠标拖曳，也支持通过辅助线进行移动（包括上下、左右、前后）。同时光源应支持光源颜色、强度的设置。
光源列表：在场景构建器滤镜效果列表中增加光照组件，光照组件包括点光源、平行光、聚光灯和环境光。
点光源设置：在场景编辑器中支持从左侧光源列表中拖曳点光源到场景中，对场景局部光照进行渲染，并支持通过鼠标调整光源的位置，同时在右侧点光源属性面板中可以对光源属性进行设置，包括点光源的颜色、光照强度、光源位置。
平行光设置：在场景编辑器中支持从左侧光源列表中选择平行光光源载入到场景中，并作用于同一个方向被照射到的场景。支持通过鼠标调整平行光光源位置和平行光的照射方向，同时在右侧光源属性面板中支持对平行光的颜色、强度、位置进行设置。
聚光灯设置：在场景编辑器中支持从左侧光源列表中载入聚光灯，并能够对场景局部效果进行光照渲染。支持鼠标对光源位置进行调整，同时也支持在属性面板中对光源的颜色、强度、距离、光源角度、光源位置、目标位置进行调整。
环境光设置：在场景编辑器中支持从左侧光源列表中选择环境光加入到场景中，对场景全局生效。同时支持属性面板对环境光的颜色和强度进行设置。
3）云渲染
平台需要实现3D 模型服务端加载、渲染能力，并通过像素流向客户端浏览器提供3D 视图的能力，在浏览器端支持三维场景漫游、操作、渲染能力，降低客户端模型下载、渲染等压力。
3D模型服务在服务端渲染和配置，能够在后端通过服务器的GPU提前对3D模型进行渲染，实现大场景的快速加载能力。
客户端通过像素流来访问后端渲染好的场景。
4）场景相机
在实际应用场景中，需要根据客户需求，设置页面第一次载入时主场景的视角位置，并且为保证场景效果，通常会限制场景相机的漫游距离、垂直视角和水平视角。因此，平台需提供相机初始化视角、相机漫游距离、相机垂直视角范围、相机水平旋转范围设置功能。
初始化视角设置：支持用户手动调整场景视角，并支持手动截图保存，作为场景的效果图展示。
漫游距离设置：支持相机漫游最小和最大距离设置，并且在场景运行时能够生效。
垂直视角设置：支持相机垂直角度设置，设置范围为0°～90°，并在场景编辑和场景预览时能够生效。场景编辑时垂直视角设置值和场景能够实时交互。
水平视角设置：支持相机水平角度设置，设置范围为-360°～360°，并在场景编辑和场景预览时能够生效。场景编辑时水平视角设置值和场景能够实时交互。
5）模型材质
能够实现对模型整体的材质进行设置，包括材质颜色、透明度、渲染方式、粗糙度、金属度。
能够提供模型材质高级设置功能，能够对模型里的每个材质进行单独设置。
模型材质配置重置，能够实现对已配置的材质样式进行还原操作。
对模型设置的材质能够进行保存，并且在场景预览时进行生效。
7.图表卡片
图表卡片管理：可对孪生体规格相应的图表卡片进行增删改，并且可以根据应用场景定制孪生体的名片。在孪生体实例化后可以根据孪生体实例的当前属性数据和历史数据填充卡片内容。平台为每个孪生体类型内置一个通用的属性卡片。
图表卡片设计工具：提供孪生体名片设计工具，提供图表卡片代码编辑器，用户可以在编辑器中自定义卡片内容。
图表卡片交互设置：在场景构建器中配置孪生体实例鼠标交互事件时可以配置需要展示的卡片，并且在场景预览时能够单击孪生体实例展示对应的卡片。
8.组件管理
组件管理主要包含组件的新增、修改和删除操作。系统使用人员可通过编写HTML、CSS、JS 自定义组件，并能在平台实时预览查看组件效果。组件包含图表组件、功能组件和滤镜效果，支持自定义组件，如图3、图4 所示。
（1）打开组件管理。
（2）单击新建自定义组件。
（3）输入组件名称。
（4）选择组件类型。
（5）选择组件图标。
（6）编写静态HTML、CSS 页面。
（7）编写逻辑JS 代码。
（8）单击“运行”按钮预览。
（9）编辑调试单击“运行”按钮查看。
（10）单击“保存”提交组件。
（11）提示：创建组件成功。
9.运行规则管理
在实际应用场景中，用户需要对孪生体进行自动化、智能化的指令控制和事件响应。因此，需要支持为孪生体定义运行规则，从而实现当孪生体的属性数据符合运行规则时，孪生体可以进行对物理实体的反馈控制，达到虚实结合的效果。
新增运行规则：在孪生体设计器中增加运行规则的设计，一个孪生体类型支持配置多个运行规则。每个运行规则包含触发条件和响应动作两部分。运行规则是孪生体属性自由组合的条件，属性之间可以进行与和或逻辑运算。属性条件支持大于、小于、等于等常用的运算符。响应动作包括事件和指令两类，即运行规则中条件满足时可以触发上报事件和通过指令操作物理实体设备。
运行规则编辑：在孪生体设计器中对已配置的运行规则进行修改。可以对已配置的触发条件进行修改，包括属性阈值、条件的运行逻辑等，同时也可以响应动作。
运行规则删除：实现已配置的运行规则的删除操作。
运行规则重置：对已编辑未保存或者已新增未保存的运行规则可以使用重置功能还原操作之前的规则。
运行规则保存：在运行规则新增、编辑完成后的运行规则进行保存。
