基于數(shù)字孿生的實驗室資源共享平臺設計與實現(xiàn)

摘要：介紹了為鐵路協(xié)同創(chuàng)新共享實驗室而設計的可視化信息系統(tǒng)，目的是提高實驗室的試驗管理水平和數(shù)據(jù)應用能力，為試驗基地的科研、技術升級和產品能力驗證等提供信息化支持。該系統(tǒng)包括實景看板、智慧管理、試驗能力和智慧樓宇四個部分，覆蓋了實驗室管理的各個方面，為用戶提供了豐富的信息和數(shù)據(jù)展示方式。其中，重點實驗成果可視化功能可以對試驗數(shù)據(jù)價值進行深入挖掘，實驗室管理可視化、實驗數(shù)據(jù)、科研過程動態(tài)模擬和沉浸式場景漫游等功能為實驗室管理和科研工作提供可視化技術支持。

關鍵詞：可視化信息系統(tǒng)；數(shù)據(jù)管理；實驗室數(shù)據(jù)；BIM服務

一、前言

（一）研究背景

協(xié)同創(chuàng)新共享實驗室由數(shù)字鐵路實驗室、地理地質實驗室、智能建造實驗室、災害預警和防控實驗室等組成，為鐵路建設提供系統(tǒng)性綜合研發(fā)實驗環(huán)境[1]。實驗室一方面研發(fā)先進技術和應用新型材料，另一方面為科技人才發(fā)展提供空間和機遇。

（二）研究目的與意義

在實驗室的建設過程中，各實驗室的設計、資源配置與使用、數(shù)據(jù)管理等方面都需要展現(xiàn)出高度的綜合性和協(xié)同性。創(chuàng)新系統(tǒng)的目的是提高鐵路協(xié)同創(chuàng)新共享實驗室的試驗管理水平和數(shù)據(jù)應用能力，為試驗基地的科研、技術升級和產品能力驗證等提供全流程信息化支持。

二、需求分析

第一，需要搭建統(tǒng)一高效的一體化平臺，對試驗數(shù)據(jù)進行有效的管理和深化應用，避免數(shù)據(jù)和業(yè)務孤島的出現(xiàn)。創(chuàng)新平臺應該具備數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲和治理的能力，即如何利用數(shù)據(jù)庫和服務器技術將數(shù)據(jù)和可視化三維模型進行存儲和管理。

第二，需要結合數(shù)據(jù)，有效管理試驗計劃、試驗運行和資源配置，整體提升實驗基地的試驗管理能力和水平。平臺可以完成試驗狀態(tài)虛擬仿真及動態(tài)模擬，將技術手段和專業(yè)科研過程結合。

第三，基于新技術，支撐多業(yè)務應用場景的運行，應該提供數(shù)字大屏、PC端、移動端等多種應用方式，對試驗基地內不同場景的可視化展示，為管理者決策提供數(shù)據(jù)支持。

三、總體設計

（一）系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

1.系統(tǒng)開發(fā)配置

包括硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。具體配置見表1。

2.系統(tǒng)開發(fā)引擎

系統(tǒng)采用Cesium作為開發(fā)引擎。作為一款先進的虛擬地球引擎，其優(yōu)點在于：

首先，作為一個開源項目，支持可以高度定制和靈活配置，根據(jù)不同應用場景的需求進行功能擴展。其次，Cesium支持多種數(shù)據(jù)格式和地圖服務，可以用于創(chuàng)建高質量的地球模型、地理信息系統(tǒng)和地球科學應用程序，讓虛擬地球數(shù)據(jù)的管理和應用更高效[2]。最后，成熟的軟件開發(fā)工具包，支持導入圖片，甚至三維模型等多種數(shù)據(jù)可視化展示，可用于動態(tài)數(shù)據(jù)可視化并提供良好的觸摸支持。

（二）總體架構

創(chuàng)新系統(tǒng)主要由三個部分組成，分別為網絡層、數(shù)據(jù)服務層和應用層，如圖1所示。

網絡層是系統(tǒng)的基礎，綜合了云平臺和網絡傳輸技術以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸和高效存儲。數(shù)據(jù)服務層是指系統(tǒng)中負責數(shù)據(jù)存儲、管理和分析的層級，其關鍵是為用戶提供快速、可靠、安全、高效的數(shù)據(jù)服務。以三維可視化系統(tǒng)為主體的應用層是實驗室管理數(shù)據(jù)與各級用戶實時化交互的重要工具。

1.網絡架構

在網絡傳輸方面，創(chuàng)新系統(tǒng)的網絡架構設計應用了多種技術，包括無線射頻識別（RFID）、藍牙、近場通信（NFC）、寬帶、IPv6、光傳輸?shù)燃夹g，以達到支持數(shù)據(jù)快速傳輸和存儲的目的。

在數(shù)據(jù)存儲方面，系統(tǒng)采用了云平臺服務器存儲的方式，可以隨時隨地訪問數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)丟失。

2.數(shù)據(jù)架構

數(shù)據(jù)服務層是試驗基地中負責數(shù)據(jù)存儲、管理和分析的層次之一，為用戶提供安全、高效的數(shù)據(jù)服務。

大數(shù)據(jù)技術可以對試驗數(shù)據(jù)進行挖掘和分析，基礎數(shù)據(jù)管理對數(shù)據(jù)進行分類、編碼、標準化、整合、清洗、篩選，以保證數(shù)據(jù)的質量和規(guī)范性[3]。

智能計算服務通過自然語言處理技術，快速識別出關鍵問題和優(yōu)化建議，以提高試驗效率和質量[4]。

BIM技術將BIM模型與試驗數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)相關聯(lián)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成和分析，方便管理人員查看設備的位置、狀態(tài)和歷史記錄。

四、系統(tǒng)構建關鍵技術

（一）技術路線

為了實現(xiàn)鐵路行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新共享實驗室資源的信息化資源管控和數(shù)字可視化展示，促進信息共享，提高技術創(chuàng)新效率而設計的技術路線，主要包括五個階段：現(xiàn)場需求、架構設計、功能研發(fā)、試運行和應用功能完善。

（二）技術創(chuàng)新

采用高精度實景建模技術實現(xiàn)創(chuàng)新中心建筑的視覺呈現(xiàn)。傳統(tǒng)的實景建模技術借助SketchUp、3Dsmax等軟件從CAD圖紙出發(fā)翻模創(chuàng)建三維模型。然而，從特殊形狀的截面創(chuàng)建模型可能會很具有挑戰(zhàn)性，是因為需要將材料映射到模型表面上以達到所需要的顏色效果。不僅如此，生成的模型數(shù)據(jù)量很大，對服務器和用戶端設備的配置要求高。

傾斜攝影和近距離多基線攝影技術相比傳統(tǒng)技術提供了更有效的現(xiàn)實建模方法。此方法易于操作，只需要符合某些規(guī)則的高質量照片就可以創(chuàng)建高質量的三維模型。

在BIM建模中創(chuàng)建現(xiàn)實模型的技術是使用二次開發(fā)API的平臺。方法涉及使用Cesium引擎，可以快速調用一個三維地球模擬球面來執(zhí)行需求函數(shù)的二次開發(fā)。現(xiàn)實場景模型的輕量化處理主要涉及優(yōu)化三角形網格、壓縮材料、烘烤紋理顏色以及使用GIS和BIM模型。可分離加載的可視層次結構可以緩解設備配置問題，顯著提高模型產量和交互體驗。

高精度現(xiàn)實建模技術可以提高BIM建模過程的效率和準確性。傳統(tǒng)的BIM建模需要大量的人工操作，生成的模型質量取決于拍攝質量和照片之間的重疊參數(shù)[5]。相比之下，現(xiàn)實建模技術可以有效節(jié)省人力和時間，只需要使用多臺計算機進行聯(lián)合計算。

隨著技術的不斷發(fā)展，高精度現(xiàn)實建模技術在BIM建模中的應用預計將變得更加廣泛和先進。

（三）場景模擬方法

實景模型的產出方法是先使用已有的CAD二維圖紙構建BIM三維模型，通過加入屬性信息和拓撲關系，產出分樓層管理模型和LOD切片，之后運用3Dtiles技術加入實景圖片，通過位姿計算空間位置和空間姿態(tài)后轉換成虛擬場景[6]。

五、系統(tǒng)功能應用

（一）系統(tǒng)功能架構

系統(tǒng)功能架構圖由實景看板、實驗能力、智慧管理和動態(tài)模擬四部分組成，結合實際需求延伸出多種實際功能，包括對試驗園區(qū)從外部景觀展示到樓宇結構解析、視頻監(jiān)控動態(tài)可視化，再到實驗相關數(shù)據(jù)、成果的多種形式展示，全面場景沉浸式漫游等功能。

（二）系統(tǒng)功能介紹

1.可視化場景

創(chuàng)新系統(tǒng)的三維可視化場景構建功能可幫助用戶快速構建與實景一致的研發(fā)基地三維場景和空間布局，更加直觀地了解實驗室的空間布局和設備分布情況。

該功能具有以下特點：

輕量化處理BIM模型并進行模型渲染，以還原空間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智慧園區(qū)的三維場景構建，使用戶可以直觀了解實驗室情況。

將研發(fā)基地結構精細化到板卡級別，實現(xiàn)高度精細的三維場景展示，呈現(xiàn)研發(fā)基地的結構細節(jié)，包括建筑物的外觀設計和內部結構等。

通過鼠標靈活進行360度旋轉、平移、放大、縮小等操作，實現(xiàn)任意縮放且不失真的三維視圖。向用戶提供了自由探索實驗室三維場景的功能。

2.園區(qū)實景看板

實景看板包括創(chuàng)新中心簡介、發(fā)展歷程、創(chuàng)新中心風采和沉浸式漫游等功能，用來展示實驗室的基本信息和環(huán)境，方便用戶更好地了解實驗室的發(fā)展歷程和特色。在構建好的研發(fā)基地三維場景主圖上，可以展示研發(fā)基地的概述信息，包括基地的概況、占地面積、基地領導、基地人員數(shù)量，人才情況，進行的科研項目等信息。

3.樓宇功能介紹

創(chuàng)新系統(tǒng)的三維可視化部分是實驗室管理的重要工具和平臺，提供了實驗室的全方位信息和數(shù)據(jù)可視化，注重樓宇功能的設計和實現(xiàn)。

在研發(fā)基地的三維場景內，用戶可以輕松地點擊任意一棟樓宇，該樓宇會高亮顯示，讓用戶更加專注于所選樓宇的信息和展示。

在樓宇三維模型上可以放置展示視頻和文字內容的poi，為用戶提供更加詳細和豐富的信息內容。

4.樓層分布與功能規(guī)劃

創(chuàng)新系統(tǒng)可以根據(jù)CAD圖紙和現(xiàn)場照片高度還原建筑物內部裝修風格，支持還原每層樓不同大小和功能的房間、走廊、物品等，還可以展示樓層內的精細模型。

在樓層規(guī)劃方面，系統(tǒng)展示每層樓的功能規(guī)劃。通過標識每個房間的用途，展示房間的實際布局和大小，標注每個區(qū)域的用途和位置，幫助用戶規(guī)劃和利用樓層內的可用資源和空間。

5.視頻監(jiān)控可視化

創(chuàng)新系統(tǒng)的視頻監(jiān)控可視化功能為實驗室的安全管理提供了一個重要的工具和平臺，包括關鍵區(qū)域的動態(tài)監(jiān)控、自動異常檢測和電梯的實時監(jiān)控幾個主要功能。

視頻監(jiān)控可視化功能旨在幫助實驗室內部進行安全監(jiān)控并預防實驗中可能發(fā)生的事故，提供設備詳細信息和狀態(tài)監(jiān)控，方便管理人員維護設備。視頻監(jiān)控可視化功能可以在三維空間中監(jiān)控關鍵區(qū)域，并使用AI識別檢測異常甚至觸發(fā)報警，自動定位異常位置并顯示相關錄像視頻。

6.重點科研項目、成果可視化

重點科研項目和成果可視化功能可以幫助實驗室管理人員了解和管理研發(fā)項目，包括項目進度、成果展示等功能模塊。

科研項目成果可視化功能將研發(fā)項目和成果數(shù)據(jù)以圖形化的方式展示，幫助實驗室管理人員查看研發(fā)工作，發(fā)現(xiàn)和解決問題。在研發(fā)內容先進性的說明及研發(fā)成果的歸屬方面，可視化系統(tǒng)可以展示系列研發(fā)成果，凸顯項目的先進性。同時，研發(fā)基地也可以向外部展示研發(fā)成果，讓公眾更好地了解研發(fā)基地項目所體現(xiàn)出的貢獻和價值。

重點實驗成果可視化呈現(xiàn)功能讓用戶可以在三維可視化系統(tǒng)中瀏覽實驗室的科研項目和成果，了解實驗室的研究方向和研究成果。

7.實驗室管理可視化

（1）設備檢測

設備檢測模塊提供了全方位的設備監(jiān)測功能，能夠實現(xiàn)設備運行狀態(tài)的實時和遠程監(jiān)測，并充分挖掘IoT設備的功能應用，核心是將設備的動態(tài)和靜態(tài)等業(yè)務數(shù)據(jù)與設備三維模型關聯(lián)，實現(xiàn)設備狀態(tài)和數(shù)據(jù)的可視化。具體操作方法是鼠標點擊任意一臺設備，會彈出該設備相關的動態(tài)和靜態(tài)信息，包括設備的運行狀態(tài)、設備的使用情況、設備的維修記錄等。

除了實時監(jiān)測設備狀態(tài)外，該模塊還具有預警功能，以防設備發(fā)生故障或出現(xiàn)異常，模塊還提供了設備的歷史數(shù)據(jù)和趨勢分析功能，幫助管理人員優(yōu)化決策。

（2）重點設備使用率

在實驗室的三維場景中，管理人員可以通過不同的顏色展示實驗室中重點設備的實時使用狀態(tài)，結合重點設備的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)和實驗室管理相關數(shù)據(jù)，直觀獲知實驗室設備的使用情況。

（3）實驗數(shù)據(jù)

將實驗設備的實時測試數(shù)據(jù)系統(tǒng)與對應的三維模型關聯(lián)，當用戶點擊正在進行實驗的設備的三維模型時，屏幕上會展示該設備當前測試的相關數(shù)據(jù)，如測試的項目、測試的結果、測試人員、所用的耗材數(shù)量等。

8.科研過程動態(tài)模擬

在實驗室的科研過程中，實驗的設計和執(zhí)行是非常重要的環(huán)節(jié)。實驗過程動態(tài)模擬功能可以以三維動畫的方式呈現(xiàn)科研項目在實驗過程中的三維可視化仿真模擬，為研發(fā)人員對實驗過程進行科學合理的制定提供參考依據(jù)，包括實驗器材的使用、實驗步驟的執(zhí)行以及實驗結果的展示，還可以分析不同實驗條件下的實驗結果，篩選方案。

9.沉浸式場景漫游

創(chuàng)新系統(tǒng)提供的沉浸式場景漫游功能，可以讓用戶像身臨其境一般地探索研發(fā)基地的各個角落。用戶可以通過第一人稱操作，自由地探索研發(fā)基地或基地樓宇內部的各個場景，了解實驗室的工作流程和業(yè)務特點。

除了手動探索，系統(tǒng)還提供了路徑設置功能，可以實現(xiàn)對研發(fā)基地或基地樓宇內部自動漫游。

（三）應用效果

系統(tǒng)應用產生的效益主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，通過構建創(chuàng)新系統(tǒng)的方式，實現(xiàn)了鐵路行業(yè)實驗室資源的信息化管控、數(shù)字化和可視化展示，為鐵路行業(yè)的信息化發(fā)展提供了應用實例。

第二，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的全面互聯(lián)與流動，為行業(yè)內外的技術交流提供橋梁。鐵路協(xié)同創(chuàng)新共享實驗室可視化信息系統(tǒng)的設計，基于新技術，支撐多業(yè)務應用場景的運行，為不同角色的使用者提供了相對應的操作和認知模式，提升參與度。

第三，鐵路協(xié)同創(chuàng)新實驗室的資源具有共享合作的需求，需要借助信息化手段研發(fā)、協(xié)同創(chuàng)新共享實驗室可視化信息系統(tǒng)，為實現(xiàn)優(yōu)化實驗室資源配置和協(xié)同各方實驗室資源的策略提供決策支持，促進專家交流、提高技術創(chuàng)新效率。

六、結語

本文介紹了鐵路行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新共享實驗室可視化信息系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)，包括實景看板、智慧管理、試驗能力和智慧樓宇等四個部分。其中，實驗數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)功能是該系統(tǒng)的一個重要組成部分。除此之外，系統(tǒng)還提供了實驗室管理可視化、科研過程動態(tài)模擬和沉浸式場景漫游等功能，為實驗室管理和科研工作提供了可視化技術支持。雖然本文的研究已經取得了一定的成果，但是仍然存在一些問題和不足。本文的研究僅僅局限于鐵路行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新共享實驗室，未考慮其他行業(yè)實驗室的情況。研究僅涉及可視化信息系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)，對于系統(tǒng)的優(yōu)化和改進方面的探討還有待深入研究。未來，在鐵路行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新共享實驗室的實驗管理和數(shù)據(jù)應用方面，可視化信息系統(tǒng)將成為不可或缺的重要工具，為實驗室的科研工作和技術升級提供更加全面和精準的數(shù)據(jù)支撐。

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作者單位：中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所

責任編輯：王穎振、鄭凱津