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开启数字孪生之旅

David Weir-McCall |
2021年9月10日
如果你一直在关注可视化技术,那么很可能听说过数字孪生。数字孪生结合了物理实体的3D模型和实时数据流送,使用来自现实实体的实时数据驱动模型的动画和屏幕显示。

来自各行各业的众多虚幻引擎用户正在开发数字孪生,以应对运营、基础设施和规划方面的挑战。IMERZA是一家专注于房地产体验技术的公司。其联合创始人兼首席技术官Dorian Vee说:“实时技术让每个人都能看到同样的东西,并更快地做出决定,这就降低了成本,减少了变更单,提升了整体设计质量。”
图片由chen3d.com提供
尽管数字孪生的概念已经存在了一段时间,但创建这样的系统需要一个由程序员和开发者组成的团队,这使得数字孪生对许多人来说遥不可及。但是现在,虚幻引擎中的实时技术使得小型建筑可视化专业团队也能够创建和维护这个系统,而无需专业知识或工具。
图片由SPP和Imerza提供
在Epic Games,为了向不断成长的数字孪生社区给予支持,我们提供了一系列资源,如数字孪生中心《什么是数字孪生?》文章,以及最近在我们的视频系列节目The Pulse中与行业领袖展开的讨论。

The Pulse中的讨论包括在线问答环节,其中最常见的一个问题是“如何开始”。虽然功能完备的数字孪生项目通常需要许多利益相关方的投入,但你所在的小团队,甚至你自己也可以采取一些步骤,朝着这个方向前进。

在本文中,我们首先将概述开发你自己的数字孪生时,需要采取的所有步骤。之后,我们会讨论可立即创建原型的具体步骤。

确定目标

你的第一步是设置数字孪生项目的目标。你想通过它达到什么目标?目标可以是分析交通或运输模式,也可以是观察天气模式对资源的影响,还可以是研究机器或人工流程的效率。即使你不确定最终的目标,也应该为最初的工作选择一个大致的方向。

你的目标会自然而然地帮你划定项目范围。开始时,在整个项目中选择一小部分作为初始关注点。然后,随着技能的提升,你就能扩展到更大的范围了。

数字孪生的部分用例包括:
  • 设施管理
  • 城市规划
  • 自动驾驶车辆测试
  • 分析利用率、交通和工作流程

创建或取得3D模型

每个数字孪生项目都需要一个3D模型,有时在数字孪生的术语中也被称为“复制品”。如果你的建筑可视化的工作正在进行中,则代表你已拥有相关真实建筑的3D模型,或者你有办法创建或取得一个模型,因此,你可以在这个领域中立刻展开工作。

如果你已经拥有模型,可以开始删除多余的几何体,提升数字孪生的效率。例如,当计划评估建筑外部停车场的交通模式时,就不需要看到建筑内部。根据你的视觉需求,你也可以使用更快的解决方案替换代价高昂的纹理化,例如使用凹凸贴图替换法线贴图,或将它们全部移除。

第一次执行这个过程时,不用太在意视觉上的完美,因为随着在管线中的逐渐深入,你会发现一些通往解决方案的捷径。例如,虚幻引擎有一个健壮的植被系统,专为实时回放而设计。

你的第一个数字孪生模型可以只包含几个带有纹理的盒体以及一些低多边形的汽车,而所有人物都可以用带有纹理的简单卡片表示。在了解零件移动和数据显示的机制后,就可以使用更细节化的版本替换每个零件。通过此种工作方式,你将能够测试各类新型替换几何体,看看它如何影响实时回放。
图片由Lunas Inc.提供

确定数据集

在我们的视频系列The Pulse中,微软的数字孪生专家Salla Eckhardt注意到,在数字孪生中通常很难定位实时递送的数据。也许你的城市已经有传感器将实时数据递送至某处的数据库,但是你想要的数据不太可能全部都整齐地流经一个易于访问的管道。
在这个过程中,最好尽早开始寻找实时数据。因为数据可能表现为多种不同的形式,所以你应该开始熟悉可用的数据以及检索数据的方法。最常见的方法是将数据保存为JSON或XML格式,并通过RESTful API检索。

如果你找不到作为起点的实时数据,可以尝试搜索所在城市已收集并在网上公开发布的数据,例如犯罪统计数据或垃圾车的收运路线。这类数据通常以CSV或XLS格式提供,可在测试项目中方便地读取。

用于创建数字孪生的虚幻引擎功能

创建数字孪生需要使用几个关键的虚幻引擎功能:
  • 3D模型导入:Datasmith功能套件中包含的工具将简化所有主流CAD包的导入流程。你可以访问我们的虚幻在线学习门户网站,观看《Datasmith入门》课程了解Datasmith的使用方法。
  • 蓝图可视化脚本:使用虚幻引擎基于节点的脚本语言,你可以很容易地将通常只能通过编程获得的功能整合在一起。你需要知道如何将数据导入蓝图脚本,并使用它来驱动3D模型。首先,使用小型电子表格中的简单数据集进行测试。根据电子表格设置新的变换值,并借此移动一些场景对象,然后继续进行更高级的操作,如打开和关闭光源,或启动和停止动画。要了解如何使用蓝图系统,请观看《蓝图:基础概念》课程。
  • UI创建:无论利益相关方是否了解虚幻引擎的使用方法,你都需要为他们提供一个用户界面来与数字孪生互动。用户界面中可添加各种控件,用于放大场景的特定部分,或在上方角落中以文字或数字的形式显示实时数据。你可以通过《初识UMG》课程了解如何创建用户界面,该课程将介绍使用虚幻示意图形(UMG)UI设计器创建UI的步骤。
  • API插件:你需要一个虚幻引擎插件来启用API与实时数据的连接。首先你需要寻找合适的插件,在虚幻商城中就可以搜索到一些非常棒的数据连接工具。MongoDB、Firebase和SQL等插件在开发时都考虑了数字孪生解决方案的需要。

开始构建

现在你可以开始构建原型了。使用Datasmith将模型导入虚幻引擎,并设置蓝图脚本,使模型对数据作出反应。然后创建带有两三个选项的简单用户界面。将它展示给一些同事,收集反馈,并不断完善它,为评审做好准备。

要更全面地了解如何构建数字孪生,请观看Autodesk University的演示《我的第一个数字孪生》,其中的视频介绍了更多背景知识,并提供了创建基本数字孪生的确切步骤,其使用了虚幻商城的插件VaRest来将UE连接到外部API,可用来重现任何城市的天气状况。视频中的数字孪生会读取实时天气数据,并设置太阳的位置、云量以及演示任何形式的降水。创建测试项目所需的所有工具都可从该页面获取。请务必查看“下载”标签,其中说明了如何获取这些资源。

数字孪生创作者

以下是一系列能使用虚幻引擎结合实时数据与实时渲染,为客户创建交互式数字孪生的机构。
创建第一个数字孪生将是一个令人兴奋的过程,我们很想知道你在这个不断发展的领域中的所作所为。请通过下方联系我们,谈谈你的数字孪生之旅。

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