浅谈数字孪生平台三维底座的自主建设关键技术与应用

王典， 毕林， 朱木子， 揭臣兵， 朱玉伟， 李奕俊

（中建电子信息技术有限公司）

1 引言

本文所述研究以数字孪生平台三维可视化为着眼点，一方面，研究异构模型数据采集、模型三维平台构建、数据呈现与模型渲染等云渲染服务引擎应用，解决多元异构模型整合及平台流畅度的难题；另一方面，研究三维引擎云渲染服务、云渲染服务平台交互功能、云渲染平台事件分析、云渲染平台事件反馈等前后端交互技术，优化云渲染服务与业务平台的交互展示能力；最后，以数据服务技术降低运维平台三维可视化硬件资源占用率。

2 技术研究与应用背景

在以往的运维平台建设中，对空间数字化虽然部分强调了GIS、BIM等三维信息技术的重要作用，但过程中对于这类技术的使用和发挥却不尽如人意。其中很重要的一个原因是缺少可以高效兼容BIM、GIS 等三维数据和模型的承载平台[1]，从而无法对要素进行全面的数字化。

BIM、GIS作为专业性技术工具虽在领域内拥有诸多优点，但其可视化交互仅局限于专业软件内部，模型内数据利用率也因较高门槛的专业工具使用难度而大打折扣。

虚幻引擎初期是作为游戏开发者工具而产生，其三维引擎在开发者中有巨大影响力和受众，在众多开发者中，不乏BIM、GIS领域及其他数字孪生技术的开发者，因此BIM、GIS和游戏三维引擎的跨界融合将成为必然[2]。

由此，该技术研究目标为完成BIM 模型通过三维底座基础技术整体导入三维引擎后，通过交互功能模块低代码开发，调取模型原数据联动业务模块直接进行展示。

3 总体设计目标和设计原则

3.1 设计目标

模型渲染处理：提高渲染效率 、改善图形质量、实现可扩展性、降低成本；模型交互处理：实现数据集成与加载、支持实时交互操作、提供可定制化界面、实现多平台兼容性[3]；模型数据处理：数据分区与划分、空间数据查询与索引、数据清洗与预处理、开放接口与标准、数据安全与隐私

3.2 设计原则

实际需求导向：以实际的运维需求为导向，确保研究成果能够真正满足运维实践的需求。

数据集成和质量保证：关注如何有效地整合和处理来自不同数据源的信息，确保可视化平台所使用的数据准确可靠，以支持有效的运维决策[4]。

可视化效果与用户体验：关注如何提高BIM 三维可视化的效果和用户体验。使运维人员能够轻松导航、操作和分析三维模型。

4 底座建设的关键技术

4.1 快速构建和呈现数字孪生底座的技术

基于统一的空间坐标系进行模型数据采集，能够快速构建涵盖地上地下、室内室外的全要素城市信息模型基础信息库，作为城市数据体系的基底；以基础信息库为基础，将包括三维模型、倾斜摄影、BIM模型、设备设施精细模型等在三维空间中布局，并结合专题业务数据，快速构建满足业务应用的三维场景模型底座；利用游戏引擎UE4 作为三维模型渲染引擎底层技术框架进行三维渲染，展现数字孪生空间场景，为各类数字孪生应用场景提供高性能可视化呈现。

1）模型底座构建

模型底座构建模块，以CIM基础信息库为基础，通过三维场景搭建和编辑场景定义工具，就像搭积木一样将三维模型、BIM模型、倾斜摄影模型在三维空间场景中布局，并结合专题业务数据快速构建满足业务应用的三维可视化场景，辅助数字孪生应用工作者输出三维空间场景（见图1）。

图1 底座建设多元数据融合效果图

2）模型呈现与渲染

数据呈现与渲染模块包括多源数据加载模块、模型渲染模块。多源数据加载模块，用于空间数据的分层加载及显示，如倾斜摄影数据、BIM 模型、设备设施三维精细模型数据的分层加载及展示；模型渲染模块用于三维真实数据的一比一还原，实现三维场景高效、逼真、酷炫的渲染效果，利用UE4 游戏引擎作为所述三维模型可视化渲染引擎的底层技术框架。

4.2 低代码构建三维可视化交互功能的技术

运用BIM 模型快速完成三维底座交互功能制作，通过在图形引擎内进行低代码逻辑算法开发，将BIM模型进入图形引擎后统一完成展示业务与数据业务处理，具体包括：在图形引擎内创建鼠标指针，并创建展示模型信息的UI界面；创建鼠标点击事件对击中对象进行信息识别；通过变量运算确定模型信息；对正确信息进行提取；生成UI界面；界面读取点击对象模型信息，从而达到模型数据层交互；通过创建高亮材质临时替换击中对象材质，达到展示层交互。避免了出现数模结合不匹配的情况，无需进行大量重复校验工作，既可保持三维模型处理工作的持续性，又优化了工作流程，提升模型处理效率。

通过在图形引擎内逻辑算法低代码开发，调用并创建鼠标工作事件→创建鼠标指针点击事件→获取模型数据信息计算并分析→创建数据读取界面→加载并保存模型数据→创建临时展示材质→运用临时材质对点击对象进行展示→完成引擎内读取BIM数据及交互（见图2）。

图2 图形引擎读取BIM数据交互模块代码图

4.3 空间数据云服务技术

空间数据云服务技术（见图3），不但具备云计算自身的特征，比如提供基于Docker云架构部署模式、提供基于微服务架构的多实例机制、提供多用户高并发快响应能力、提供多种NoSql 数据库类型支持能力，而且将云计算的特征用于支撑地理空间信息各要素的建模、存储、处理，比如提供近实时的动态矢量切片技术、提供瓦片数据实时更新能力、提供空间数据一体化存储管理能力等，让平台、软件和地理空间信息方便、高效地部署到以云计算为支撑的“云”基础设施之上，以弹性的、按需获取的方式提供基于Web的服务。

图3 空间数据云服务技术架构图

5 实际应用情况

5.1 葛沽数字孪生CIM基础平台

本技术在天津津南葛沽镇城市综合开发PPP项目智慧城市建设项目中得到应用，以“城市信息模型CIM开放框架”为支撑，将物理城市中的道路、建筑、桥梁、水系、植被、基础设施等对象，在数字孪生城市中一比一映射，真实还原城市的每一个细节，实现对城市建设、运行、管理和服务的流程再造、模式创新。通过与IOT 物联网感知数据的融合，对城市进行全感知、全互联、全分析、全响应、全应用，实现公共资源高效匹配、城市事件精准处置，全面提升城市治理精细化、智能化水平。

5.2 葛沽建筑运维管理平台（规划展示中心）

以规划展示中心三维建筑模型为底座，在实现设备运行监测、设备故障自动预警、用电能耗智能分析等功能中，提供模型三维展示及交互，使每个操作在模型上有所反馈，为运维人员提供楼宇综合运行态势监测、协同指挥联动，全景（三维）可视化展示，实现建筑运维的高效管理。

5.3 深惠城际铁路二标段信息化建设

深惠二标项目智慧建造管理平台及BIM协同平台，应用三维底座，结合标段各工区三维模型成果，完成GIS、BIM、倾斜摄影模型的多元异构数据融合，为项目实施人员直观展示项目建设进度，改变了传统业务模块展现形式（见图4）。

图4 平台三维底座应用效果

6 结语

本文通过对城市数字孪生平台三维底座的自主建设关键技术与应用的深入分析，我们深刻认识到数字孪生在城市管理和规划中的巨大潜力。一系列关键技术和功能的研究与开发，使得公司城市数字孪生平台在数据处理和可视化方面取得了显著进展。通过充分发挥开源图形引擎的优势和多源数据的价值，我们为用户提供了更为强大和全面的数字化城市体验。这些技术创新为城市规划、运维管理等领域的数字化发展带来了新的机遇和可能性，为城市数字孪生平台的建设和应用提供了坚实的技术支持。在未来，我们期待数字孪生技术在城市管理、规划和服务优化方面发挥更大的作用，为城市发展带来更多的智慧和可持续发展的可能性。