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(yōu)锘科技的創(chuàng)業(yè)團隊開始做“數(shù)字真孿生”的時候，并不知道“數(shù)字孿生”這個詞。

當時兩個團隊在一個大型數(shù)據(jù)中心的3D監(jiān)控可視化項目中相遇，一個在2002年就開發(fā)過3D游戲引擎，一個有長期IT監(jiān)控軟件經(jīng)驗。在這個項目里，幾萬個3D模型構(gòu)成的、數(shù)據(jù)驅(qū)動的3D虛擬數(shù)據(jù)中心誕生了，對接了多套監(jiān)控和管理系統(tǒng)，可以查看實時的設備信息、動態(tài)指標、告警數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻、溫度云圖，資產(chǎn)系統(tǒng)中刪除一條資產(chǎn)數(shù)據(jù)，它對應的3D模型在虛擬空間中就自動消失，增加一條資產(chǎn)數(shù)據(jù)，它對應的3D模型就自動出現(xiàn)在數(shù)據(jù)指定的所屬機柜的所屬U位上。在配線表數(shù)據(jù)的驅(qū)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(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬空間里同期誕生的，還有以“萬物可視”為初創(chuàng)目標的UINO。經(jīng)過一年多的產(chǎn)品化研發(fā)，我們在2012年底推出了DCV數(shù)據(jù)中心可視化系統(tǒng)，到2015年已經(jīng)被應用在上百個數(shù)據(jù)中心，對接了上千套IT和基礎(chǔ)設施軟件，不僅數(shù)據(jù)驅(qū)動3D孿生場景，更已經(jīng)被用于反向控制各類設備，甚至啟停和切換應用系統(tǒng)。

但直到2017年，我們已經(jīng)進入數(shù)據(jù)中心之外的物聯(lián)網(wǎng)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(shù)字孿生，而且，從創(chuàng)業(yè)第一天起，就是在做有真實數(shù)據(jù)一一映射和雙向互動的，用于現(xiàn)實世界的認知、分析、管理和控制的，數(shù)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(lián)的從業(yè)者的目標。

1.真孿生

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

數(shù)字孿生，就是數(shù)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(shù)字孿生，長相相似是可視化，神秘遙感是實時數(shù)據(jù)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(chǔ)上，數(shù)字孿生系統(tǒng)還應該支持一系列靈活的內(nèi)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(shù)字化的現(xiàn)實世界之間的中間層，就如同計算機操作系統(tǒng)在應用軟件和底層硬件之間構(gòu)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(xiàn)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(lián)場景中構(gòu)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(chuàng)造真孿生的應用，從大量的實踐經(jīng)驗和技術(shù)積累中提煉出一套數(shù)字孿生技術(shù)棧，包括引擎層、API層、工具層、資源層、生態(tài)層等多個層級及眾多技術(shù)工具和組件，構(gòu)建成一個可以支持復雜業(yè)務場景的技術(shù)體系，這些針對數(shù)字孿生應用開發(fā)打造的系列技術(shù)和工具，正逐步通過ThingJS開放平臺提供給所有數(shù)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(shù)和工具打造上做了大量針對性的研發(fā)，比如以底層的3D引擎為例，由于瀏覽器去插件化，而數(shù)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(zhuǎn)向瀏覽器原生支持的WebGL引擎能力，在初期嘗試了threejs之后，發(fā)現(xiàn)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(shù)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(xiàn)和擴展。再比如數(shù)據(jù)處理部分，除了內(nèi)置大量數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)集成組件，我們實現(xiàn)了專用的數(shù)字孿生中臺，可以定義孿生體和孿生關(guān)系的數(shù)據(jù)模型，通過數(shù)據(jù)處理器形成數(shù)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(yè)務應用、可視化引擎和仿真預測分析組件提供數(shù)據(jù)API。這只是兩個例子，為了支持多樣化數(shù)字真孿生的應用場景，我們的技術(shù)棧中幾乎每個部分都做了大量針對性的設計和優(yōu)化。

UINO提供的ThingJS數(shù)字孿生平臺包括幾個部分：

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(chǎn)品的基石，我們在設計自研引擎時努力做到“概念領(lǐng)先，技術(shù)領(lǐng)先”，傾力打造一款面向數(shù)字孿生領(lǐng)域的渲染引擎，保證其在該領(lǐng)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(shù)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(yōu)化方案。
• 渲染器邏輯耦合嚴重，難以實現(xiàn)高性能的后期處理。
• 內(nèi)置材質(zhì)難以擴展，不容易基于PBR材質(zhì)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(yōu)化與改進：

提供針對大型物聯(lián)網(wǎng)場景的技術(shù)特性，如分層細節(jié)LOD、延遲加載、顯示與邏輯對象分離等。

針對海量動態(tài)物體創(chuàng)建和數(shù)據(jù)更新、海量靜態(tài)物體合并和單體拾取的優(yōu)化支持。

從渲染器抽離RenderPass的概念。可執(zhí)行粒度更低的渲染命令，實現(xiàn)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(zhì)繼承的機制，可快速實現(xiàn)對PBR材質(zhì)的定制化修改，實現(xiàn)掃光等材質(zhì)特效，提升渲染效果。

優(yōu)化場景圖的更新邏輯。通過實現(xiàn)內(nèi)置的矩陣標臟系統(tǒng)，提高場景更新效率。提供可擴展的渲染層級列表，滿足數(shù)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(shù)字孿生應用提供基礎(chǔ)平臺，要消除用戶在選擇技術(shù)平臺時的擔憂，增強在技術(shù)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(shù)能力的一種體現(xiàn)，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

3.開發(fā)API層

ThingJS API是基于JavaScript語法封裝的開發(fā)API類庫。
常見的3D開發(fā)庫，往往需要開發(fā)者掌握一定程度的3D開發(fā)經(jīng)驗。而在Web平臺，應用開發(fā)的主力軍通常是前端開發(fā)人員，比較熟悉Web開發(fā)，對3D圖形開發(fā)了解并不多，從頭學習3D開發(fā)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(shù)字孿生應用開發(fā)的門檻，所以在開發(fā)語言的選擇上，ThingJS API使用前端開發(fā)中最流行的JavaScript，而不是大多數(shù)前端開發(fā)者不熟悉的C++、C#等語言，便于前端開發(fā)者迅速上手。
在功能封裝方面，ThingJS API提供了1000+開發(fā)接口，針對數(shù)字孿生開發(fā)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(fā)風格，讓沒有接觸過3D開發(fā)的用戶可以快速搭建出成熟的數(shù)字孿生可視化應用。另外，ThingJS可運行在瀏覽器或node.js等環(huán)境中，可以支持瀏覽器自帶的調(diào)試工具，方便開發(fā)者實時調(diào)用和調(diào)試。

4.工具層
數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字孿生應用，涉及到前后端多個環(huán)節(jié)和多種資源，過程是非常復雜的。要對接多種物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，處理GIS、BIM和CAD數(shù)據(jù)，制作3D模型、3D場景和2D組態(tài)圖，做點位識別和數(shù)據(jù)綁定，開發(fā)各種數(shù)字孿生場景的交互控制功能等。
為降低數(shù)字孿生開發(fā)的成本，我們十年來積累和打磨了許多用于建設數(shù)字孿生系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理器等尚未開放，以下簡單介紹的是已經(jīng)開放或提供了公眾Beta版的工具：

ThingJS-X 0代碼應用配置工具

是否一定要程序員寫代碼才能開發(fā)數(shù)字孿生應用？我們在過去自己交付的上千個數(shù)字孿生項目中發(fā)現(xiàn)，按照孿生體–孿生體集合–孿生場景–孿生業(yè)務的基本范式，通過組裝孿生體數(shù)據(jù)、模型、界面和動作，可以滿足大多數(shù)數(shù)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(gòu)建數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)的工具平臺，內(nèi)置了一套項目中總結(jié)的系統(tǒng)和業(yè)務邏輯，集合了ThingJS技術(shù)棧提供的各種能力和資源，能夠集成多樣化物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)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(shù)字孿生場景和業(yè)務，支持復雜的交互和業(yè)務邏輯、多樣的場景和業(yè)務編排、豐富的組件和對象組合，打通數(shù)字孿生整個生產(chǎn)鏈，讓不具備開發(fā)能力的用戶也可以快速搭建復雜的數(shù)字孿生應用，支持地圖級、城市級、園區(qū)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(qū)、智慧工廠、智慧能源等眾多行業(yè)的大多數(shù)數(shù)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(tǒng)功能。

ThingJS-X大幅降低了數(shù)字孿生應用的構(gòu)建成本和門檻，沒有專業(yè)經(jīng)驗的人也可以在三天之內(nèi)上手，快速構(gòu)建一個數(shù)字孿生場景應用，從而讓更多人有機會創(chuàng)建和使用數(shù)字孿生系統(tǒng)。

CampusBuilder園區(qū)建筑級場景編輯工具

許多數(shù)字孿生應用開發(fā)團隊并沒有專業(yè)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(shù)據(jù)驅(qū)動應用開發(fā)過程也較為繁瑣和復雜。如何讓數(shù)字孿生的場景建模不再重度依賴專業(yè)美術(shù)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(yè)背景和經(jīng)驗的用戶都可以簡單拖拉拽完成各種園區(qū)和室內(nèi)場景的搭建。為方便數(shù)字孿生應用開發(fā)，內(nèi)置的模型庫已經(jīng)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(shù)據(jù)標識和數(shù)據(jù)屬性，可用于與現(xiàn)實對象的數(shù)據(jù)對接。在場景搭建過程中自動生成空間層級結(jié)構(gòu)，可以支持其它工具和開發(fā)者調(diào)用來實現(xiàn)復雜的空間層級操作。

CityBuilder城市及地理場景編輯工具

要采用GIS數(shù)據(jù)生成大范圍的3D城市場景，往往需要GIS專業(yè)人員、開發(fā)人員和設計師的協(xié)作，往往設計師出的概念設計圖與GIS數(shù)據(jù)和引擎的表現(xiàn)力并不匹配，開發(fā)人員在調(diào)效時也耗費大量資源。

我們?yōu)榻档痛笮?D場景的制作成本，提升場景調(diào)效的效率，提供了CityBuilder生產(chǎn)工具，可以讀取GIS數(shù)據(jù)實時秒級生成城市級和地球級的3D場景。開發(fā)者不需要專業(yè)的GIS和3D知識，簡單操作，就可以全自助創(chuàng)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(shù)據(jù)上系統(tǒng)性調(diào)配效果。能支持對多類圖層的實時動態(tài)效果編輯，包括常規(guī)點、海量點、熱力圖、點位聚合、網(wǎng)格聚合、插值圖、常規(guī)線、管狀線、道路線、3D圍欄、建筑面、區(qū)域面、水體效果、3D園區(qū)場景、粒子特效、動效掃光等。
支持全局環(huán)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(xiàn)效果模版替換，可以一鍵換膚。讓數(shù)字孿生應用開發(fā)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

數(shù)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(tài)圖，以表達孿生體之間的邏輯拓撲關(guān)系，并能對接外部數(shù)據(jù)，驅(qū)動拓撲圖中的對象狀態(tài)，實現(xiàn)組態(tài)監(jiān)控、場景聯(lián)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(tài)圖、拓撲圖、流程圖，并可以對接實時數(shù)據(jù)，獨立或內(nèi)置于3D場景中使用，用于數(shù)字孿生應用。編輯器內(nèi)置豐富的圖標圖元，每個對象都可以對接外部數(shù)據(jù)，適用于物聯(lián)網(wǎng)的廣泛行業(yè)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(xié)同工作，共同編輯，提供ThingJS API開發(fā)接口，支持在各種數(shù)字孿生應用中靈活使用。

ThingDepot 3ds Max插件

數(shù)字孿生世界離不開基礎(chǔ)的3D模型，開發(fā)者往往要自己去構(gòu)建大量模型并導入數(shù)字孿生場景開發(fā)中使用。
ThingDepot是ThingJS體系內(nèi)的模型資源庫和管理系統(tǒng)，提供了數(shù)萬個ThingJS官方模型，降低了場景構(gòu)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(chǎn)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(yōu)化、動畫切分、一鍵上傳等諸多能力，以解決過去模型用于數(shù)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(zhì)動畫系統(tǒng)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(diào)材質(zhì)，還要再退回到建模軟件調(diào)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(shù)人員通過使用該插件，可以提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量效果，縮短模型、特效、場景生產(chǎn)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(jīng)提供了ThingDepot模型庫，降低了開發(fā)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(fā)者還都要獨立開發(fā)實現(xiàn)，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(xiàn)資源的眾創(chuàng)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(tài)層

除了技術(shù)工具和虛擬資源，我們還正為物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)中的各家企業(yè)打造一個數(shù)字孿生的虛擬世界，物聯(lián)森友會，并將很快推出試用服務。在這個森世界里，物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)可以構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)方案闡述的數(shù)字孿生虛擬場景，和物聯(lián)網(wǎng)商品的數(shù)字孿生版本，一方面讓ThingJS用戶快速找到合適的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和方案，一方面為所有物聯(lián)網(wǎng)供應商提供一個能快速觸達產(chǎn)業(yè)上下游生態(tài)，并有效展示自己的方案和產(chǎn)品的數(shù)字化虛擬世界。物聯(lián)森友會的生態(tài)圈，將讓用戶不僅可以創(chuàng)建數(shù)字化的虛擬世界，還能實現(xiàn)高效資源匹配，解決物聯(lián)網(wǎng)應用場景和產(chǎn)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(chuàng)建數(shù)字化的現(xiàn)實世界。

現(xiàn)實世界有多大，數(shù)字孿生的世界就有多大，甚至，更大。數(shù)字孿生還是個在發(fā)展早期的領(lǐng)域，我們所做的，也還只是數(shù)字孿生里的一小部分，我們在努力把過去十年積累的技術(shù)和經(jīng)驗，轉(zhuǎn)化為能被更多人使用的能力和服務，希望能通過數(shù)字孿生，讓所有人都更好更容易地認知、管理和創(chuàng)造數(shù)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？