数字孪生产品升级——游戏引擎！

数字孪生这个概念多年以前就被提出了，怎么理解数字孪生的概念、价值及应用呢？这篇文章里，作者做了梳理和概述，并对“数字孪生产品升级”做了自己的分享，一起来看看吧。

1. 数字孪生的起源

1）美国空军研究实验室

“数字孪生”概念提出者，是美国空军研究实验室（AFRL，Air Force Research Laboratory）。

2011年3月，美国空军研究实验室结构力学部门的Pamela A. Kobryn和Eric J. Tuegel，做了一次演讲，题目是“Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM SI) & the Airframe Digital Twin（基于状态的维护 结构完整性&战斗机机体数字孪生）”，首次明确提到了数字孪生。

当时，AFRL希望通过数字化的方式维护战斗机，而数字孪生是他们想出来的创新方法。

2）美国通用电气公司

当美国空军意识到数字孪生具有很强实用意义的同时，另一家企业也对数字孪生产生了浓厚的兴趣，它就是美国通用电气公司（GE），该公司希望通过数字的能力，提升对产品生产过程的监管效率，进而减少企业成本。

3）德国西门子德国西门子（德国工业4.0的代表企业）也跟着拥抱了数字孪生，将其奉为至宝。

4）中国

2015年左右，中国也开始跟进。当时包括工业4.0研究院在内的多家国内研究机构和企业，纷纷启动了数字孪生相关的研究课题。

2. 数字孪生是什么

数字孪生的官方定义：

数字孪生，是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

相比于设计图纸，数字孪生体最大的特点在于：它是对实体对象的动态仿真。进一步阐述，数字孪生体是会“动”的。

数字孪生体不是随便乱“动”。它“动”的依据，来自本体的物理设计模型，还有本体上面传感器反馈的数据，以及本体运行的历史数据。

数字孪生的特点：

1. 全生命周期：指数字孪生可以贯穿产品包括设计、开发、制造、服务、维护乃至报废回收的整个生命周期。它并不仅限于帮助企业把产品更好地造出来，还包括帮助用户更好地使用产品。
2. 实时/准实时：指本体和孪生体之间，可以建立全面的实时或准实时联系。两者并不是完全独立的，映射关系具备实时性。
3. 双向：指本体和孪生体之间的数据流动可以是双向的。并不是只能本体向孪生体输出数据，孪生体也可以向本体反馈信息。企业可以根据孪生体反馈的信息，对本体采取进一步的行动和干预。

3. 为什么使用数字孪生

数字和虚拟孪生给每个公司带来的好处，它们正迅速成为许多行业的主流。尤其是制造业和物流业可以从这些技术中受益，这得益于大大缩短了交付周期，并有助于高效规划。

从制造业角度分析：

1. 减少意外事件：数字孪生不仅仅在于它复刻真实世界，其特点是是可以与物理物体互动，甚至反向控制物理实体。比如你工作所在的大楼，它的数字孪生体可以记录它运行的历史信息，反馈大楼当下的运行状态，能比它先行一步，预估可能发生的火灾、电梯故障，模拟风险，把关键信息及时反馈到物理世界中，让你所处的工作环境更加安全。
2. 精进传统产品生产链：近年来，人们越来越关注可持续制造和循环经济，真正强调的是提高生产过程的整体生产效率。与此同时，制造业老板们也发生了真正的转变，企业家寻求对生产的更多控制，同时也可以把成本降至最低。数字孪生使制造商能够在维护和改进工作流程的同时，获得有关削减成本的数据信息。
3. 优化内部业务体系：为了真正强调虚拟孪生技术的有效性，在一个案例研究中，某工厂在安装了虚拟孪生后，工厂的效率提高了250%。孪生提供了对低效率的深入分析，并为制造商提供了有助于克服这些低效率的模拟模型。与此同时，员工的安全和满足感在节省时间方面提高了5%。
4. 优化外部业务生态链：某企业司由于更好的计划和技术，交货准时率提高了50%。此外，交付时间也减少了50%，这使企业能够保持高水平的订单，同时将更高比例的货物按时送到消费者手中。

4. 数字孪生的价值

如果分析数字孪生的价值，需要把具体的业务和数字孪生技术结合分析，单独谈论数字孪生是没有意义的，数字孪生是赋能型技术，无法构成单独的价值链，因此我们要具体业务具体分析。

数字孪生的宏观价值如下：

数字孪生对于智慧城市行业的价值案例：

1. 提高城市生产效率
2. 提升城市综合治理能力
3. 提升市民幸福感
4. ……

5. 数字孪生的弊端

专业团队去实现数字孪生的过程，会发现：懂数字化呈现的不懂行业业务，而懂行业业务的又不懂数字化呈现。沟通成本高、效率低、孪生质量差，同时制作成本也居高不下。目前，大部分的数字孪生应用只停留在“好看”阶段。

1）实现周期长

数字孪生应用涉及技术多，从几何、图形、开发、设计、研发到业务分解，如果团队没有2-3年的试错过程难以快速稳定的交付项目；

2）投入成本大

从传统的WEB引擎到游戏引擎，需要组建从游戏引擎、模型数据、设计、代码、测试和产品等一个完整团队，需要大量的人力和资金储备；

3）技术门槛高

在交付过程中需要实时适应项目需求的变化，想要打造一个科技感十足还原应用场景，且应用场景丰富的数字孪生应用对技术人员、地理信息数据有着很高的要求。

1. 政策支持

2. 行业发展

1）数字孪生是大型智慧项目的技术底座

数字孪生是大规模智慧项目的技术底座之一，例如数字工厂、智慧机场、智慧市政、智慧工地，再往大一些的角度来看，包括智慧城市内在的所有既需要收集底层数据来分析计算以及推演和运行，又不可能在实际的生产生活环境里完全实现上述目标的场景，都是数字孪生的用武之地。

2）数字孪生是元宇宙的技术底座

数字孪生同时会是元宇宙的技术底座。可能在未来很长一段时间里，数字孪生能够给社会的生产、生活的直接效益并不明显，这意味着数字孪生从业者，可能不会在未来几年获得充足的回报，但是与云计算和人工智能一样，数字孪生必然会成为数字世界的基础设施，跟水电暖一样，成为数字世界无法离开的必要元素。

目前数字孪生主要应用领域汇总：

1. 为什么要使用3D渲染引擎

来源：http://3d.jzsc.net/

数字孪生体简单来说就是通过数字化手段对物理对象进行描述，这种描述可以分成不同层级，最基本的就是描述几何模型，包括物理对象的大小、形状、内部结构、空间位置以及不同零件间的位置关系等等，这也是将物理对象可视化的过程。因此需要渲染器。

可视化可以分为2D和3D，比起2D可视化，3D可视化能够更加直接地将各行业的数据立体化地呈现出来，因此现在大多数字孪生都是通过3D可视化表达。我们可以简单理解为，3D可视化其实是数字孪生成果的一种常见表达工具。

2. 3D引擎的分类

常见的3D引擎可以分成两大类，一类是Native3D引擎（客户端），这类引擎以Unity、UE4等游戏引擎为主，另一类是Web3D引擎（浏览器），以T3D为代表的基于WebGL和WebGPU开发的渲染引擎为主。

Cesium是基于Web GL、Web GPU做的渲染

3. 引擎使用的考虑因素

来源：https://www.uino.com/

根据需求的不同选择不同的渲染引擎：

Native 3D和WEB 3D都能实现数字孪生，但是适配性有所不同。

1）仿真度、扩展性：

Unity、UE

2）便携性：

Web GL、WebGPU

目前游戏引擎也支持浏览器实现很好的仿真度效果：采用像素流送技术，直接运行在浏览器中。

引擎选用参考指标：

1. 便携性
2. 仿真度
3. 使用群体数量（并发量）
4. 兼容性
5. 开发周期
6. 开发预算

1. 游戏引擎是什么

引擎属于支撑性技术。

游戏引擎包含以下系统：渲染引擎（即“渲染器”，含二维图像引擎和三维图像引擎）、物理引擎、碰撞检测系统、音效、脚本引擎、电脑动画、人工智能、网络引擎以及场景管理。

2. 游戏引擎的特点

1）渲染

是引擎最重要的功能之一，当3D模型制作完毕之后，设计师会按照不同的面把材质贴图赋予模型，这相当于为骨骼蒙上皮肤，最后再通过渲染引擎把模型、动画、光影、特效等所有效果实时计算出来并展示在屏幕上。渲染引擎在引擎的所有部件当中是最复杂的，它的强大与否直接决定着最终的输出质量。

2）光影效果

即场景中的光源对处于其中的人和物的影响方式。游戏的光影效果完全是由引擎控制的，折射、反射等基本的光学原理以及动态光源、彩色光源等高级效果，都是通过引擎的不同编程技术实现的。

3）动画

游戏所采用的动画系统可以分为两种：一是骨骼动画系统，二是模型动画系统，前者用内置的骨骼带动物体产生运动，比较常见，后者则是在模型的基础上直接进行变形。引擎把这两种动画系统预先植入游戏，方便动画师为角色设计丰富的动作造型。

4）物理系统

使物体的运动遵循固定的规律。 例如：当角色跳起的时候，系统内定的重力值将决定他能跳多高，以及他下落的速度有多快，子弹的飞行轨迹、车辆的颠簸方式也都是由物理系统决定的。

5）碰撞探测

物理系统的核心部分，它可以探测游戏中各物体的物理边缘。当两个3D物体撞在一起的时候，这种技术可以防止它们相互穿过，这就确保了当物体撞在墙上的时候，不会穿墙而过，也不会把墙撞倒，因为碰撞探测会根据物体和物体之间的特性确定两者的位置和相互的作用关系。

6）协同

引擎还有一个重要的职责就是负责玩家与电脑之间的沟通，处理来自键盘、鼠标、摇杆和其它外设的信号。如果游戏支持联网特性的话，网络代码也会被集成在引擎中，用于管理客户端与服务器之间的通信。

3. 主流游戏引擎介绍

Unity

概述：

在Apple应用商店和Google Play上排名最靠前的1000款游戏中，53%都是用Unity创作。75%与AR/VR相关的内容为Unity引擎创建，比较知名的游戏包括：《城市天际线》、《王者荣耀》、《原神》、《炉石传说》、《神庙逃亡》、《纪念碑谷》、《崩坏》系列等等。

Unity 中国正式成立，包括阿里巴巴、中国移动、抖音（字节）、米哈游、OPPO、佳都科技等将参与投资。

在VR/AR，影视，动漫，建筑，工业等行业领域也用处颇多，戴姆勒、宝马、Skanska都是他的大客户。国内包括蔚来、小鹏、理想等14家车厂都在使用Unity提供的智能座舱等解决方案，在建筑建造领域，Unity的数字孪生解决方案已应用至海尔、香港机场、上海安亭汽车城在内的企业。

优势：

1. 生态完善，从业者最多。
2. 原生支持B/S架构。
3. 开发相对简单（采用C#）
4. VR、AR、MR支持度高。

unity现有应用：

目前GIS软件中，SuperMap、ArcGIS、Mapbox均推出了Untiy3D的GIS插件。国内可视化厂商基于Unity做的比较好的公司是光启元

虚幻引擎Unreal Engine

虚幻引擎是全球最开放、最先进的实时3D创作平台，可创建逼真的视觉画面和沉浸式体验，几乎是3A工作室的首选，相比Unity，虚幻引擎在图形保真度方面表现更好，在UE中，使用C 进行游戏代码的编写，虽有一定开发难度，但UE中蓝图也很友好。UE设计目的非常明确，每一个方面都具有比较高的易用性，尤其侧重于数据生成和程序编写的方面。而UE5，也凭借着其Nanite和Lumen等突破性的新功能，让虚幻引擎再次吸引了所有人的瞩目。

比较知名的游戏包括：《绝地求生》、《堡垒之夜》、《战争机器》 、《彩虹六号》等。

目前GIS软件中，SuperMap、Cesium、ArcGIS、MapGIS均推出了UE的插件。国内可视化厂商基于UE做的比较好的包括51World、飞渡、数字冰雹、光辉城市、四方伟业等。

1. 三维GIS的发展

地理信息产业大会上提到三维GIS的五次浪潮，其中第五次就是游戏引擎。

三维GIS发展的五次浪潮：

1. 地形三维
2. 三维体
3. 二三维一体化
4. 面向业务的WEB 3D
5. 游戏引擎 GIS

2. 三维GIS与游戏引擎的联系

游戏引擎不具备地理信息的解决方案。

游戏地图通常是虚构的，虽然可以展现故事发生的时代、地域、文化特点和人物生存氛围，但它并非真实的地理环境，也不包含真实的地理坐标。因此，三维GIS技术可以将具有真实地理坐标的GIS数据导入游戏引擎中。通过在游戏中创建一个与真实世界一致的数字孪生地理空间，使得游戏故事发生在真实的地理环境中。

3. 游戏引擎的呈现效果

游戏引擎可以加载多种数据格式的地理信息文件。

基于S3M标准，游戏引擎能够动态加载大规模、多源异构的在线/离线3D GIS数据，包括倾斜摄影模型、激光点云、手工建模数据、BIM模型等。同时，通过超图提供的三维GIS插件，游戏引擎还可以支持动态加载地形和影像数据。此外，超图还在游戏引擎中引入了三维地球，可展示本地/在线的地形和影像数据。这些数据不仅提供室外地理环境信息，还包含地形、地物（水系、居民地、交通、地貌、植被等地理要素），以及建筑内部信息和物联网实时数据，为游戏引擎提供了具有真实坐标的三维地理底图，有助于创建与现实一致的虚拟孪生平行世界。

Cesium加载GIS数据

UE4加载GIS数据

Unreal Engine4通过SuperMap GIS动态加载本地/在线的3D GIS数据