優锘UINO:十年磨一劍,All in 真孿生
2021-12-30 by uino 13.1K 數字孿生 CEO專欄

摘要:長相相似+神秘遙感+一對一,可以算是最基本的“真孿生”

10年前,UINO優锘科技的創業團隊開始做“數字真孿生”的時候,并不知道“數字孿生”這個詞。

當時兩個團隊在一個大型數據中心的3D監控可視化項目中相遇,一個在2002年就開發過3D游戲引擎,一個有長期IT監控軟件經驗。在這個項目里,幾萬個3D模型構成的、數據驅動的3D虛擬數據中心誕生了,對接了多套監控和管理系統,可以查看實時的設備信息、動態指標、告警數據、監控視頻、溫度云圖,資產系統中刪除一條資產數據,它對應的3D模型在虛擬空間中就自動消失,增加一條資產數據,它對應的3D模型就自動出現在數據指定的所屬機柜的所屬U位上。在配線表數據的驅動下,幾十萬設備端口和配線也都在虛擬空間中自動生成。

在這個實時數據驅動的虛擬空間里同期誕生的,還有以“萬物可視”為初創目標的UINO。經過一年多的產品化研發,我們在2012年底推出了DCV數據中心可視化系統,到2015年已經被應用在上百個數據中心,對接了上千套IT和基礎設施軟件,不僅數據驅動3D孿生場景,更已經被用于反向控制各類設備,甚至啟停和切換應用系統。

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但直到2017年,我們已經進入數據中心之外的物聯網市場,并推出公眾可以使用的“模模搭”孿生場景編輯工具的時候,才意識到自己做的就是數字孿生,而且,從創業第一天起,就是在做有真實數據一一映射和雙向互動的,用于現實世界的認知、分析、管理和控制的,數字“真”孿生。

從那天起,我們也立下了要把真孿生能力提供給所有致力于萬物互聯的從業者的目標。

1.真孿生

一切現實物體的虛擬化表達,都可以算是廣義的數字孿生,但行業公認的狹義數字孿生又有所不同,比如Autodesk在官網上就明確說,3D CAD不是數字孿生,為什么呢?解釋是說,他們認為數字孿生應該是有實時數據連接的,而CAD不是。Gartner在關于數字孿生的研究報告里,明確提出數字孿生體應該是與現實物體一對一映射、實時數據連接、有數據模型和對應的數據的。Microsoft、Amazon等描述的數字孿生,也都符合Gartner的這一基本定義。

數字孿生,就是數字雙胞胎。從大眾最樸素的認知角度來看,什么叫真雙胞胎?像好多電視劇演的,不僅長相相似,還有神秘的遙感,大家就認為是雙胞胎了。后者是不是真的存在,說不好,但在大眾觀念里確實接受這個說法。對應到數字孿生,長相相似是可視化,神秘遙感是實時數據連接,再加上一對一,可以算是最基本的“真孿生”了。在這個基礎上,數字孿生系統還應該支持一系列靈活的內置和擴展的分析、預測、仿真的能力,從而支持各種應用場景,最終形成上層應用和數字化的現實世界之間的中間層,就如同計算機操作系統在應用軟件和底層硬件之間構成的中間層,對應用和用戶屏蔽硬件的復雜性,帶來更高的實現效率,以及和用戶之間類似從DOS到Windows的更快捷的交互操作方式。

要在各種物聯場景中構建真孿生應用,其實是個相當復雜的工程。我們致力于要讓人人都能創造真孿生的應用,從大量的實踐經驗和技術積累中提煉出一套數字孿生技術棧,包括引擎層、API層、工具層、資源層、生態層等多個層級及眾多技術工具和組件,構建成一個可以支持復雜業務場景的技術體系,這些針對數字孿生應用開發打造的系列技術和工具,正逐步通過ThingJS開放平臺提供給所有數字世界的建設者和管理者。

為適應真孿生的要求,我們在底層技術和工具打造上做了大量針對性的研發,比如以底層的3D引擎為例,由于瀏覽器去插件化,而數字孿生應用要真正應用到管理場景中,與各種管理軟件和組件無縫整合,并可以跨平臺使用,我們從2014年開始轉向瀏覽器原生支持的WebGL引擎能力,在初期嘗試了threejs之后,發現也難以滿足復雜和大型場景中的許多需求,因此開始自研ThingJS的WebGL引擎,以提供對數字孿生可視化場景中許多獨特要求的支持,并通過自主引擎有力支撐上層工具的功能實現和擴展。再比如數據處理部分,除了內置大量數據接口的數據集成組件,我們實現了專用的數字孿生中臺,可以定義孿生體和孿生關系的數據模型,通過數據處理器形成數字孿生知識圖譜,提供物理空間和邏輯空間分析能力,為上層業務應用、可視化引擎和仿真預測分析組件提供數據API。這只是兩個例子,為了支持多樣化數字真孿生的應用場景,我們的技術棧中幾乎每個部分都做了大量針對性的設計和優化。

UINO提供的ThingJS數字孿生平臺包括幾個部分:

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2.引擎層

我們提供了自研的ThingJS 3D底層渲染引擎。底層渲染能力是所有可視化產品的基石,我們在設計自研引擎時努力做到“概念領先,技術領先”,傾力打造一款面向數字孿生領域的渲染引擎,保證其在該領域強大的渲染能力。

我們注意到目前很多3D可視化廠商在Web端使用的是開源的3D引擎,比如three.js等,但這些引擎也存在一些問題:

  • 缺乏數字孿生可視化應用中常用的功能。沒有提供大批量物體渲染的完整優化方案。
  • 渲染器邏輯耦合嚴重,難以實現高性能的后期處理。
  • 內置材質難以擴展,不容易基于PBR材質進行二次修改。
  • 渲染列表的生成與渲染邏輯深度耦合,容易造成性能浪費。

ThingJS 3D的渲染引擎則針對這些痛點,進行了優化與改進:

提供針對大型物聯網場景的技術特性,如分層細節LOD、延遲加載、顯示與邏輯對象分離等。

針對海量動態物體創建和數據更新、海量靜態物體合并和單體拾取的優化支持。

從渲染器抽離RenderPass的概念??蓤绦辛6雀偷匿秩久?,實現高性能的后期處理。另外,通用邏輯與底層渲染API解耦,可同時面向WebGL和WebGPU。

提供材質繼承的機制,可快速實現對PBR材質的定制化修改,實現掃光等材質特效,提升渲染效果。

優化場景圖的更新邏輯。通過實現內置的矩陣標臟系統,提高場景更新效率。提供可擴展的渲染層級列表,滿足數字孿生場景中的特定渲染需求。

ThingJS 3D引擎的2.0版本有計劃在明年開源。ThingJS希望為數字孿生應用提供基礎平臺,要消除用戶在選擇技術平臺時的擔憂,增強在技術可控性上的長期信心,開源是一種有效的手段,也是我們自己技術能力的一種體現,希望通過引擎開源,可以進一步拓寬用戶群體,降低用戶門檻

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3.開發API層

ThingJS API是基于JavaScript語法封裝的開發API類庫。
常見的3D開發庫,往往需要開發者掌握一定程度的3D開發經驗。而在Web平臺,應用開發的主力軍通常是前端開發人員,比較熟悉Web開發,對3D圖形開發了解并不多,從頭學習3D開發又需要投入大量精力和時間,致使項目難以推進。
ThingJS API則致力于降低數字孿生應用開發的門檻,所以在開發語言的選擇上,ThingJS API使用前端開發中最流行的JavaScript,而不是大多數前端開發者不熟悉的C++、C#等語言,便于前端開發者迅速上手。
在功能封裝方面,ThingJS API提供了1000+開發接口,針對數字孿生開發封裝了各種對象、效果和控制,最大程度封裝和簡化3D概念,并符合主流的前端開發風格,讓沒有接觸過3D開發的用戶可以快速搭建出成熟的數字孿生可視化應用。另外,ThingJS可運行在瀏覽器或node.js等環境中,可以支持瀏覽器自帶的調試工具,方便開發者實時調用和調試。

4.工具層
數據驅動的數字孿生應用,涉及到前后端多個環節和多種資源,過程是非常復雜的。要對接多種物聯網子系統的數據接口,處理GIS、BIM和CAD數據,制作3D模型、3D場景和2D組態圖,做點位識別和數據綁定,開發各種數字孿生場景的交互控制功能等。
為降低數字孿生開發的成本,我們十年來積累和打磨了許多用于建設數字孿生系統的編輯和配置工具,也正逐步開放給所有用戶使用。目前還有ThingUI界面編輯器、ThingJS Editor場景藍圖編輯器和DIX孿生數據處理器等尚未開放,以下簡單介紹的是已經開放或提供了公眾Beta版的工具:

ThingJS-X 0代碼應用配置工具
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是否一定要程序員寫代碼才能開發數字孿生應用?我們在過去自己交付的上千個數字孿生項目中發現,按照孿生體–孿生體集合–孿生場景–孿生業務的基本范式,通過組裝孿生體數據、模型、界面和動作,可以滿足大多數數字孿生應用的需求。

我們基于這套范式打造了ThingJS-X這樣一款0代碼構建數字孿生可視化系統的工具平臺,內置了一套項目中總結的系統和業務邏輯,集合了ThingJS技術棧提供的各種能力和資源,能夠集成多樣化物聯網數據和ThingJS工具生成的各種資源和場景,讓用戶能靈活配置組裝數字孿生場景和業務,支持復雜的交互和業務邏輯、多樣的場景和業務編排、豐富的組件和對象組合,打通數字孿生整個生產鏈,讓不具備開發能力的用戶也可以快速搭建復雜的數字孿生應用,支持地圖級、城市級、園區級、建筑級、設備級的多層級場景組合,可以覆蓋智慧城市、智慧園區、智慧工廠、智慧能源等眾多行業的大多數數字孿生應用需求。ThingJS-X還提供了資源組件和功能插件的擴展方式,可以靈活擴展系統功能。

ThingJS-X大幅降低了數字孿生應用的構建成本和門檻,沒有專業經驗的人也可以在三天之內上手,快速構建一個數字孿生場景應用,從而讓更多人有機會創建和使用數字孿生系統。

CampusBuilder園區建筑級場景編輯工具
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許多數字孿生應用開發團隊并沒有專業的3D建模人員,學習使用3ds Max等建模工具的門檻較高,大量模型自建的成本較高,讓模型場景用于數據驅動應用開發過程也較為繁瑣和復雜。如何讓數字孿生的場景建模不再重度依賴專業美術人員?如何降低場景建模的成本?

我們打造了一款場景編輯工具CampusBuilder,讓沒有3D專業背景和經驗的用戶都可以簡單拖拉拽完成各種園區和室內場景的搭建。為方便數字孿生應用開發,內置的模型庫已經提供上萬個3D模型資源,并支持用戶使用自有模型,每個模型對象都可以提供數據標識和數據屬性,可用于與現實對象的數據對接。在場景搭建過程中自動生成空間層級結構,可以支持其它工具和開發者調用來實現復雜的空間層級操作。

CityBuilder城市及地理場景編輯工具
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要采用GIS數據生成大范圍的3D城市場景,往往需要GIS專業人員、開發人員和設計師的協作,往往設計師出的概念設計圖與GIS數據和引擎的表現力并不匹配,開發人員在調效時也耗費大量資源。

我們為降低大型3D場景的制作成本,提升場景調效的效率,提供了CityBuilder生產工具,可以讀取GIS數據實時秒級生成城市級和地球級的3D場景。開發者不需要專業的GIS和3D知識,簡單操作,就可以全自助創建大型3D場景,設計師也可以用簡單的拖拉拽操作在真實的GIS數據上系統性調配效果。能支持對多類圖層的實時動態效果編輯,包括常規點、海量點、熱力圖、點位聚合、網格聚合、插值圖、常規線、管狀線、道路線、3D圍欄、建筑面、區域面、水體效果、3D園區場景、粒子特效、動效掃光等。
支持全局環境渲染設置,包括光照、后期、背景、大氣、霧效,以及底圖濾鏡效果、云層效果、漸變映射等,從而實現效果模版替換,可以一鍵換膚。讓數字孿生應用開發者可以自助獲得各種炫酷三維城市場景,以更低成本更高效率完成大范圍3D場景的項目需求。

TopoBuilder 2D拓撲圖編輯工具
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數字孿生應用中,往往不僅需要3D場景,也需要2D拓撲圖或組態圖,以表達孿生體之間的邏輯拓撲關系,并能對接外部數據,驅動拓撲圖中的對象狀態,實現組態監控、場景聯動等應用需求。

TopoBuilder提供了Web版的2D拓撲圖編輯工具,讓人人都可以制作各種組態圖、拓撲圖、流程圖,并可以對接實時數據,獨立或內置于3D場景中使用,用于數字孿生應用。編輯器內置豐富的圖標圖元,每個對象都可以對接外部數據,適用于物聯網的廣泛行業場景。采用拖拉拽的方式,兼容繪圖編輯器的主流操作,操控靈活,體驗流暢。支持多人協同工作,共同編輯,提供ThingJS API開發接口,支持在各種數字孿生應用中靈活使用。

ThingDepot 3ds Max插件
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數字孿生世界離不開基礎的3D模型,開發者往往要自己去構建大量模型并導入數字孿生場景開發中使用。
ThingDepot是ThingJS體系內的模型資源庫和管理系統,提供了數萬個ThingJS官方模型,降低了場景構建的門檻。同時為支持用戶靈活方便地使用自己的模型,我們提供了對接ThingDepot的3ds MAX插件,增加建模軟件本身不具備的功能,減少生產流的復雜性。

插件包含了模型和場景編輯、特效模型制作、模型自動查錯、模型優化、動畫切分、一鍵上傳等諸多能力,以解決過去模型用于數字孿生應用時的工作復雜性,比如:通過與3D引擎(thingjs、unity、ue等)材質動畫系統的直接對接,可直接輸出最終效果,不需要像過去那樣,在建完模型導入到引擎調材質,還要再退回到建模軟件調UV等復雜流程;再比如:對于模型貼圖等有不符合引擎要求的,提供自動化修復能力,省去人工查找修改工作;再比如:對需要對象化的模型場景提供自動化識別、拆分能力,不再像過去那樣還要到引擎里手動設置屬性,由程序員來代碼指定對象,大大提升效率。 美術人員通過使用該插件,可以提高生產效率和質量效果,縮短模型、特效、場景生產的制作和使用周期,提供方便、快捷、可靠的資源利用方式。

5.資源層

目前我們已經提供了ThingDepot模型庫,降低了開發者的建模成本。但在一些常用和通用的場景功能上,各個開發者還都要獨立開發實現,ThingJS明年上半年將推出AppDepot應用插件庫和UIDepot UI組件資源庫,通過資源商店實現資源的眾創眾享,讓ThingJS的用戶們能使用到更多資源,進一步降低使用門檻,拓展應用場景。

6.生態層

除了技術工具和虛擬資源,我們還正為物聯網生態中的各家企業打造一個數字孿生的虛擬世界,物聯森友會,并將很快推出試用服務。在這個森世界里,物聯網企業可以構建物聯網方案闡述的數字孿生虛擬場景,和物聯網商品的數字孿生版本,一方面讓ThingJS用戶快速找到合適的物聯網產品和方案,一方面為所有物聯網供應商提供一個能快速觸達產業上下游生態,并有效展示自己的方案和產品的數字化虛擬世界。物聯森友會的生態圈,將讓用戶不僅可以創建數字化的虛擬世界,還能實現高效資源匹配,解決物聯網應用場景和產品方案在供需兩端的碎片化、長尾化、不對稱等問題,更好更快更省地創建數字化的現實世界。

現實世界有多大,數字孿生的世界就有多大,甚至,更大。數字孿生還是個在發展早期的領域,我們所做的,也還只是數字孿生里的一小部分,我們在努力把過去十年積累的技術和經驗,轉化為能被更多人使用的能力和服務,希望能通過數字孿生,讓所有人都更好更容易地認知、管理和創造數字化的新世界。

十年磨一劍,霜刃未曾試。今日把示君,誰有孿生事?

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