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摘要：海洋经济的兴起改变了全球竞争格局,提高了海洋产业数据管理的科学化、规范化,在规范产业管理制度的同时,以“孪生海洋”为代表的可视化技术得到了广泛应用,其中就包括可视化管理软件。本文对“孪生海洋”可视化管理软件的基本架构与组成进行了详细介绍,以期能够推动新时期海洋经济的创新发展。
关键词：数字孪生；可视化；管理软件；海洋经济
Design of Visual Management Software for"Twin Seas"
JIA Siyang,WANG Xu,WANG Chunxiao,LIU Changhua
(Institute of Oceanology,the Chinese Academy of Sciences,Qingdao Shandong 266071)
【Abstract】：The rise of the marine economy has changed the global competitive landscape.In order to improve the scientific and standardized data management of the marine industry,while standardizing the industrial management system,visualization technologies represented by the"Twin Oceans"have been widely used,including visualization management software.This article introduces the basic architecture and composition of the"Twin Seas"visual management software in detail,with a view to promoting the innovative development of the marine economy in the new era.
【Key words】：digital twin;visualization;management software;marine economy
0引言
孪生系统打造的数据共享平台是开放的、多层面多接口的,基于多样的界面和简便的终端,技术专家可以通过专业术语来建构数据信息,获得现实问题的实时信息。在此基础上,结合海洋经济发展过程中大规模数据采集、处理等工作的需要,“孪生海洋”可视化管理软件将加速数字海洋建设进程,为海洋科研、产业规划等提供支撑。
1“孪生海洋”可视化管理软件设计目标
充分利用黄海站和东海站观测的原始数据,构建多尺度、多类型、多模态科研数据融合分析基础,实现空间GIS、三维设计、多层水质、视觉特效、BI套件的“五合一”数据融合展示。同时打破数据孤岛,减少平台构建冗余,突破传统多个基础能力平台需要配套多个可视化平台的展示模式,为未来5G/B5G环境下的实时性“克隆海洋”提供技术支撑。
1.1构建海洋底板孪生场景
数字孪生技术囊括了真实海洋全过程,而且建立起面向不同服务对象的数字平台。海洋底板孪生场景加大了海洋数据的公开化与透明化,展示海洋信息的可视化和完整性,同时可在线传输文件、屏幕共享、在线互动,实现了海洋问题在多页面多场景之间的互动与灵活切换。
1.2建造基于浮标装备体高精度模型
通过仿真、实测等多样化手段对物理世界进行感知和诊断,集成多元技术保证数字的保真性、实时性与闭环性,打造一个可以自组织发展的浮标装备体高精度世界[1]。数字治理中所有信息都加载在浮标装备体高精度模型上,以视频类数据为重点形成全景视图和各领域视图,依靠人工智能量化索引海洋问题,通过深度学习等技术自动检测、分割、跟踪数字变化,做到全局可观看、可量化、可推演,以此实现精准化的“孪生海洋”。
2“孪生海洋”可视化管理软件关键问题及对策
2.1多元非结构化数据的资源汇聚问题及对策
“孪生海洋”可视化管理软件涉及到海洋地理空间框架(GIS)数据、浮标等对象模型(OIM)数据、物联网(IoT)数据、视频数据等多元非结构化的数据,具有格式不统一、数据难融合的问题。该管理软件设计将采用数据协议转换技术,支持OPC、Modbus、MQTT、HTTP、Restful API、WebService等多种网络协议和Modbus、GB28181、RTSP、RTMP、HLS、FLV等多种视频格式协议,实现资源的汇聚。
2.2高精度数字孪生三维场景构建问题及对策
高精度场景的生成体现是数字孪生项目质量的关键问题,模型的细致程度决定了数字孪生体和现实体之间的相似程度。“孪生海洋”可视化管理软件将对接地理信息部分大数据平台、自然资源调查数据平台等,将分级分类后可共享的数据内容,以数据服务方式或定期离线拷贝至汇聚区,通过业界领先的数字模型渲染技术,应用高弹性云渲染资源集群,提供快速、稳定、安全、逼真的渲染效果。
2.3抽象科学数据的增强现实展示问题及对策
将抽象的海洋科学数据通过直观的感官体验方式呈现,能够帮助科研人员基于基本感官探索和分析数据的关系、特点以及内部隐藏的模式,从而深刻理解现象之间的内在机理和变化规律[2]。“孪生海洋”可视化管理软件依托海洋信息模型,建立业务数据与地理要素之间的映射关系,并提供多种以上的三维效果库、界面图标库、建筑贴图库及多种数据指标卡片,将传统静态的数字海洋升级为可感知、动态在线、虚拟交互、连接真实的孪生海洋。
3“孪生海洋”可视化管理软件整体架构
“孪生海洋”可视化管理软件通过数字孪生技术和XR技术,打造海洋信息模型“孪生海洋”沉浸式科研平台,基于Unity开发,从而赋予平台一定的扩展性。“孪生海洋”可视化管理软件部署在PC端,系统数据监控的数据集成自海洋浮标,和数字孪生进行绑定映射,实现数字孪生和数字驱动。该管理软件的总体架构如图1所示,总体分成数据层、工具层、应用层三个层面。
3.1数据层
数据层主要和海洋浮标观测的原始数据以及其他重要数据为原料实现数据汇聚、数据处理、数据管理等基本功能。数据类型涵盖GIS、BIM、IOT、海洋空间规划数据、应用设计数据等；数据处理的模块包括不同类型数据之间的格式统一、轻量化处理、地质数据处理、海洋设施空间化处理、时空数据空间化处理等；场景管理的内容包括数据资源管理与分析、孪生场景构建工具、场景编辑工具等。
3.2工具层
工具层中聚合了基于数据分析模型的中间件。总体上细分为海洋孪生可视引擎与控制管理工作台两个小层级。海洋孪生可视引擎中的内容包含时空数据可视化、海洋模型可视化、多层地址可视化、多维属性可视化、视觉特效和交互可视化特效等；模拟数据与分析模块能够完成漫游、GIS量测、日照分析、挖填方分析、淹没分析、视域分析等空间分析,灾害应急模拟、职住分析、通勤分析、事件热力分析、交通运行仿真、遥感影像对比分析等地理运行模拟,三维碰撞检测等模拟计算。
工具层为管理员用户和开发者提供的应用构件工具包括图表可视化配置、效果可视化互配置、业务数据配置、业务流程配置、Web应用框架(权限、日志、登陆、消息)等；同时还提供行业业务资产分析工具,如海洋专题样板间(指标体系)、可视化业务资产库(图表+效果)及海洋1+6管理等。
3.3应用层
根据实际的业务需求,用户可在应用层使用底层的工具和接口按照需求搭建定制化的应用程序,并且选择数字孪生的体验方式。典型的应用包括规划成果管理、规划审查等海洋规划应用,海洋体验、数据大脑、水务环境及大陆架的建模以及设计方案审查应用。此类效果能够在超大屏、个人电脑、智能手机以及XR设备上进行多方位的展示。
4“孪生海洋”可视化管理软件业务模型标准
数字孪生本质是在于结合组织自身价值流的端到端、以及围绕组织供应链的业务、信息、数据流的贯通,从而实现组织的数字化转型。“孪生海洋”可视化管理软件在进行信息系统整合、数据交换、主数据管理建设过程中应当遵循以下行业业务模型标准。
4.1产品数据交换服务模型
“孪生海洋”可视化管理软件涉及大规模的数据采集、处理等业务,因此,为保证关联数据组件可以连接到总线,则需要降低数据交换服务的复杂性,尤其是管理软件在不同标准之间进行数据模型交换时,数据交换效率和质量就显得尤为重要[3]。“孪生海洋”可视化管理软件采用产品数据交换服务模型(OMG PLM Service 2.0)进行模块单元协议和数据模型聚合,保证了基于总线的数据交互稳定性、可靠性和安全性。
4.2数据域关联关系模型
由于“孪生海洋”可视化管理软件采用了数字孪生主体方式,因此,传统产品生命周期管理(Product Lifecycle Management,PLM)技术将无法保证数据的单一性,模块级数据的多样化增加了数据管理的难度,极易导致虚实映射过程中数据发生畸变。数据域关联关系模型(PLM Relationship HUB)为“孪生海洋”可视化管理软件提供了更加安全的数据映射通道,在保证数据单一性的基础上,能够提供更加开放的数据交互空间,实现端到端的数据协同。
4.3工程变更参考流程、数据模型
基于数字孪生技术的“孪生海洋”可视化管理软件需要根据业务动态变化对管理机制、数据协同等进行更改,相关过程涉及大量数据,因此,为保证“孪生海洋”可视化管理软件工程变更的规范性,在设计工程变更参考流程、数据模型过程中严格遵守了VDA 4965标准[4]。VDA 4965标准对PLM数据进行了区分(如图2所示),这便于大规模数据管理,减轻工程变更的业务量,使“孪生海洋”可视化管理软件的可靠性得到显著提升。
5结语
“孪生海洋”可视化管理软件改变了传统海洋数据的管理模式,通过人机交互快速供给公共服务,实现了数据交互的实时化、高速化和可视化。同时,开放性的数字建构最终反映在公共服务供给端上,区块链技术与人工智能在多样化的组装中生产出不同于实体表现形式的新的服务类别,表现为多元化的具有差异性的服务供给方案,从而推动数字海洋经济高质量发展。
参考文献
[1]聂蓉梅,周潇雅,肖进,等.数字孪生技术综述分析与发展展望[J].宇航总体技术,2022,6(1):1-6.
[2]惠记庄,周涛,丁凯,等.基于数字孪生的智能制造单元仿真实验系统[J].实验技术与管理,2023,40(2):92-97+102.
[3]严敏,何庆.基于大数据平台敏感数据流转全生命周期监控的研究与应用[J].信息安全研究,2018,4(2):145-149.
[4]任保平.数字经济引领高质量发展的逻辑、机制与路径[J].西安财经大学学报,2020,33(2):5-9.
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