什么是“数字孪生平台”

在半年多的时间里,众多的数字平台项目,对项目需求有了更深入的了解,也积累了很多的经验教训。既有技术问题的解决,又有业务流程的优化。后续会陆续发布在本账号和Bentley官方账号上,敬请关注。

好,让我们回到主题上,在过去的2年里,经常被用户问到一个问题:

如何选择一个工程数据平台?

现在市场上有众多的可以称之为数据平台的产品,对于用户来讲,需要对各种平台进行评测,对比各种技术指标。“需求决定选择”,下面,我就针对需求分类,平台分类、核心指标和工作模式等方面和大家进行一些探讨。在这个过程中,不涉及具体产品的对比。

 

工程项目需求对数据平台的要求

基础设施行业数字化进行需要一个“数据平台”对项目实施、资产运维过程中的数据进行管理。追踪数据变更过程,对数据进行分析应用,提升项目实施的效率和资产的运维效率。整个过程我们称之为“数字孪生”。数字化的表达、同步信息。

什么是“数字孪生平台”插图

数字孪生工作流

所以,对于基础设施行业来讲,数据平台需要具有“数字孪生平台”的属性职能才能满足需求,而不只能是一个轻量化的展示平台。在下面的叙述中,我们仍然采用“数据平台”来描述,但这里的数据平台就是“数字孪生平台”的定位。

基础设施行业不同用户类型,对数据平台的要求也不同。对一些核心的指标的关注度也不同。我们大体可以将用户分为:设计院/工程公司、业主和软件开发商。其中设计院/工程公司代表了对数据平台的典型需求,面对的项目需求主要分为三类。

1. 自身项目的数字化需求

这种需求旨在提升传统项目实施的效率,从文件级协作升级为数据级协作。管理变化过程中的数据,让项目人员每时每刻都能得到最新的数据,需要集成不同类型的项目数据。关心的核心指标有:

  •  对不同类型数据的兼容能力;
  • 数据的转化效率和完整性;
  • 对数据变更的管理能力;
  • 基于Web的模型交流
  • 对浏览、测量、交流等功能性需求;
  • 数据分析能力,以优化设计和项目实施;
  • 对模型承载的性能型指标

 

什么是“数字孪生平台”插图1

iTwin对EPC项目的支持

2. 业主要求的数字化移交需求

项目完成后,设计院或工程公司,需要按照业主的数据要求,完成数字化的移交。数字化移交的目的是为了满足后期运营维护的需求。所以,其核心需求在于将设计施工过程中的“项目数据状态”,变成运营维护所需的“资产数据状态”。需要考虑如下的指标:

  • 数据综合能力,不同的坐标系、格式、数据结构。这比设计施工过程中面临的需求要广泛的多。
  • 工程数据标准化能力。这里面有两个过程,一是数据结构化过程,变成数据库格式;二是数据标准化,满足业主需求;
  • 行业标准数据的支持,例如IFC。
  • 数据开放性。满足业主不同的系统集成要求。某种意义上,业主希望得到开放的数据格式,以满足不同系统的集成需求。

3. 对外BIM咨询项目的需求

此种类型项目是传统基础设施行业的一种数字化转型。拓展了业务领域,大部分项目是为业主提供智能资产的咨询服务。其核心是根据业主的需求,确定资产运营维护所需的业务流程及功能模块。需要在数据平台已有功能的基础上,进行开发、定制以及后期的安装部署和平台运营。不同类型的BIM咨询项目,还会涉及到是提供PaaS还是SaaS服务。其核心需求在于

  • 系统开发扩展能力,是否提供足够的API;
  • 开源生态系统,数据库、数据格式是否开源
  • 不同云环境的支持,公有云,私有云及企业数据中心部署;
  • 原生云的支撑能力,是否可以使用先进的云计算能力。
  • 业务模式支撑PaaS,SaaS
  • 数据安全性,
  • B/S模式支持
  • 外部数据接口,例如IOT集成
  • 系统集成能力。

 

什么是“数字孪生平台”插图2

基于iTwin开发的资产风险管理平台

在实际项目实施过程中,各种需求都会交织在一起,以上只是对三种类型的核心需求做简单梳理。

对于业主来讲,需求与上面的“BIM咨询项目”的需求类似。需要集成不同的业务系统,我们这里讨论的数据平台可以作为底层的数据引擎来支撑整个业务系统。

对于软件开发商来讲,考虑平台的指标更多是对不同业务模式的支撑以及平台的开放性等因素。

数据平台分类

根据上面的需求分析,数据平台需要满足对数据集成同步管理,对数据变更进行分发同步,对数据进行显示浏览,需要对数据进行分析对比,以及后续的数据导出。在进行平台选型和指标对比时,我们首先需要将“数字孪生平台”和“游戏平台”、“BIM+GIM”平台区分开。

1. 工程数据平台和游戏平台

我们选择工程数据平台时,往往与一些游戏平台混淆。两者分属于不同的行业,定位不同,侧重点也不同。

如前面需求所述,对于工程行业来讲,数据承载了业务价值,模型是数据的载体,模型显示需要精细化、分层级,基于模型的应用体现了业务逻辑。

所以对于数据平台来讲,需要有数据管理引擎,图形引擎,渲染引擎组成。在体系结构上,是B/S结构,也就是“网页浏览器”实现交互。从开发上,也分为了前端的应用交互开发和后端的数据管理开发等。

而游戏平台更多的是是为游戏行业设计的。根据游戏类型不同,可能需要物理碰撞引擎,声音引擎、图形引擎的支持。例如Unity3D、CoCos2D-X就是比较常用的游戏开发引擎。

什么是“数字孪生平台”插图3

常见的游戏引擎/平台

游戏平台的体系结构,大体可以分为端游(PC端,游戏平台Xbox,Switch)、手游(手机游戏)、页游(网页游戏)。不同的体系结构交互方式也存在很大的差异。

游戏平台和工程数据平台在某些方面有共通之处,例如都需要图形引擎的支持。但在实现方式,需求重点上都有很大的不同。就像大型的游戏都需要本地按照特定的客户端和插件才能实现完美的效果。而这种方式对于工程数据平台是不适用的。

即使在图形引擎方面,游戏平台和工程数据平台也存在着巨大的差异。对于游戏平台来讲,是在一个粗糙的模型上,贴上精美的二维贴图。就像一个立体的三维对象,被拍摄成2D的照片,通过光影等效果,可以实现以假乱真。但对于模型来讲,无法体现更多的模型细节。

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游戏引擎通过贴图实现效果的逼真

工程数据平台的图形引擎表达的是精确的工程数据模型,每个点都有精确的位置和坐标。每个对象都有层级关系和详细的工程信息。如果把游戏引擎比作一张精美的图片,那么工程数据图形引擎就像一个“全息”的模型。

在构造模型的方法上,我们工程行业都需要用B样条曲线来构造精确的工程模型。而游戏引擎则更多使用的自由曲线构造游戏模型。后者无法获得精确的工程信息。这也是我们为何不用3D Max、Maya等游戏建模工具创建工程模型一样。

什么是“数字孪生平台”插图5

精确的工程模型

所以,游戏平台无法作为工程数据平台来管理、展现工程数据,更不可能实现数据的分析。当然,在有些应用上,可以进行集成。例如你可以通过将iTwin数字孪生平台与Unity 3D平台进行系统集成。将数据导出到Unity3D的平台上,做某种效果的展示和交互。实现某些工程上所需的模拟效果。

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Unity 3D读取iTwin数据

2.  “BIM+GIS”轻量化平台和数字孪生数据平台

“BIM+GIS”平台可以看做数字孪生平台的早期雏形,解决了数据集成、模型轻量化、模型展示以及部分业务功能。但对于工程行业的项目实施、资产的数字孪生来讲,这只是其中的一部分。

BIM+GIM平台管理的更多是某一个时间点的静态数据,对数据做相应的压缩,变成一种私有的格式。它的起源可能是来自BIM平台增加了地理信息功能,以便于将模型放置在具体的空间位置上。或者以GIS平台为核心,增加BIM模型导入、展示的功能。他们之间的差异主要体现在如下几个方面:

什么是“数字孪生平台”插图7

“BIM+GIS”轻量化平台与iTwin数字孪生平台对比

所以工程数据平台管理数据的核心为“BIM数据”,同时,需要具有与其他系统的集成能力。例如与GIS系统的集成能力,与IOT的信息交互等。

对于某些项目的需求,利用BIM+GIS的轻量化平台是可以满足需求的。但如果涉及如下的需求,就需要考虑选择一个真正的数字孪生平台。

  • 是否需要管理数据的变化。对于人的健康而言,我们需要结合当前的体检报告和过去的病历才能正确的对健康状况进行科学的评估,给出健康建议。工程项目更是如此。我们最常见的版本对比,其核心就是两个时间点的数据分析。所以这就涉及到数据的变更管理,具体的时间点都有唯一的数据,可以进行横向、纵向的数据分析。
  • 数据精确度和完整性。很多的轻量化平台都将原始数据做了压缩,做相应的网格化处理。这在一定程度上提升了浏览的速度。但是却丢失了必要的模型精度。特别是做一些大场景的市政工程时,这种差异更加明显。对于数字孪生平台来讲首先需要保证原始的模型精度,这也是数字化移交的基础条件,然后通过相应的模型加载技术来提升浏览速度。例如服务器端缓存、LOD精度自动调整。
  • 数据开放性。对于数据平台来讲,我们需要不同类型的数据能够进去,以开放的数据格式进行存储,然后可以根据需求导出所需数据。这需要存储格式为开源格式、转换工具开源、数据存储开源。
  •  数据安全性。数据平台是将不同的原生数据格式转换为结构化的开源数据格式,然后对数据进行利用。大多数BIM+GIS平台的工作过程为收集不同类型的原生数据,例如Dgn,RVT,DWG等。然后上传到服务器,然后转换为自己的数据格式。但很多项目由于数据安全性的考虑,不允许将原生数据上传到服务器上。而对于数字孪生平台来讲,需要支持本地转换原生数据的方式,只讲转换后的结构化数据传输到服务器。而且,可以有选择的转换相应的数据标准。

所以,当我们更加全面、长远的考虑数据平台时,我们的需求就会更加全面,也会考虑现在的BIM+GIM平台是否服务我们的需求。在后面的竞品分析选择上,有些平台本身为GIS平台,或者BIM+GIS平台,由于与数字孪生平台上有部分分享重合,我们也用平台类型来区分。

 

数据平台工作模式

如果我们将需求定位在数字孪生平台,对基础设施行业进行全生命周期的数据管理的话,我们就需要依据基础设施的工作流程来确定数据平台的职能和作用,也就绝对了平台的工作模式。在这个过程中需要考虑如下几个核心问题。

  • 平台是否具有修改数据的功能?
  • 数据是否可以回溯?
  • 数据以何种形式传输?
  • 数据变更如何快速进行分发?

1. 数字孪生平台保证数据正确性

基础设施行业的特点是不同专业、不同阶段的协作。从设计、施工阶段的项目数字孪生到运营维护的资产数字孪生。在这个全生命周期的过程中,不同的角色在不同的阶段对数据进行建立、修改、分析、验证。同时,我们需要对整个过程尽心管理,让所有人参与者实时得到最新的信息,我们称之为协同。然后对过去、现在以及未来的规划数据,进行分析,帮助我们提高项目实施和资产运维的效率。

数字孪生平台需要对这个过程中的数据进行管理,它管理的是随着时间推移,不断变化的数据。处理不同数据修改方提交的数据变更请求,然后将这种数据变化,分发给各个数据应用端,以保证每个数据的操作方可以及时得到这些数据变化。同时提供必要的数据浏览、分析的工具。

举个简单的例子,数字孪生平台对数据的管理,就像我们的银行账户,它不仅仅显示当前的余额,更重要的是提供了过去的财务记录。而这种财务的记录可能来源于淘宝消费,工资记录,稿费,携程消费等各个场合。银行没有权利也不能对这个财务记录进行修改。当你进行消费时,你首先得到的是账户当前的余额是否足够。当然对过去的消费记录的分析,也会帮助你分析当前的消费是否超出了承受能力。

现在很多的平台具有在线修改数据的功能,这有点类似“在线设计”的工具,从某种意义上,这相当于“设计工具”和“数据平台”功能合一。但是,对于一个多方协作的过程来讲。需要考虑两个问题:数据的修改会否经过了授权、验证。对于工程设计工具,在线设计是否能够满足要求。因为,平台上是经过转换的结构化数据,而非原始数据。同时,如何将这些数据同步到设计端,然后写入原始的设计文件中。

我们这里说的数据是指“BIM数据”,是与业务价值息息相关的信息。而非平台提供的批注、红线、显示等功能。这些数据是为便于数据分析、模型交流而设计的。

2.  数字孪生平台记录数据变化

我传统的设计流程中,我们通过文件版本来记录数据的变更,我们也经常提到版本回溯。数据随着时间的推移是不断变化的,对于数字孪生来讲,就需要记录这种变化,我们无法回到以前,也不能删除历史。我们将前天的版本变成今天的版本,系统就会记录这个数据变化的过程,而不会删除昨天的版本。

在数字孪生的工作过程中,我们维护的是数据变化的一条时间线,不同的版本是不同的时间点的快照。你可以随时查看过去任何时间点的数据状态。更可以不同时间点的数据进行分析对比。例如,通过对比去年和今年的运行记录,可以得出运营的成本比较,从而优化运维过程。

3. 数据以增量变更的结构化数据传输

基础设施行业很多数据具有高度的保密性以及对产权的考虑。如果直接传输原始数据,势必会带来很大的风险。

数字孪生平台管理的结构化的、标准化、转化后的数据。而非原始的设计数据。所以,从创建数据的设计端到数字孪生平台的管理端传输的不应该是原始的设计数据,而应该只传输数据的变更。虽然,我们看到很多的平台都具有上传原始文件、在线转化的功能。但从平台架构上,应该是分离的。同时,支持客户端转化的功能。

4. 数据变更队列管理与分发

不同的参与方,实时的修改数据,提交变更,数据平台需要将这种变更及时的分发到各个数据的应用端。

对于数字孪生平台来讲,需要进行多个系统的集成,这个过程中,有大量的数据请求。传统的单机工作模式,已经无法胜任。就需要利用现在的云计算技术。所以,数字孪生平台应该支持云原生的环境,充分利用云计算的效能优势。

所以,对于选择一个数据平台,我们需要关注的核心指标,然后再进行具体功能、性能的对比:

  • 支持多种云环境,可以利用云原生技术。而不仅仅是一个局域网部署的软件模块。
  • 兼容多种原生数据,开源API读取专有数据格式(取决于数据格式的开放性)。
  • 具备数据变更的管理能力,追溯数据的变化,可以实现不同时间点的数据对比分析。
  • 开源的数据存储格式,便于数据的读取和系统集成。
  • 开源的API,定义、拓展不同的应用程序。

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文章名称:什么是“数字孪生平台”

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