《智能建造數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)》課件 第5章 數(shù)據(jù)展現(xiàn)及數(shù)字孿生

《智能建造數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)》數(shù)據(jù)展現(xiàn)及數(shù)字孿生5章第XXX主講人指導(dǎo)人XXX時間指導(dǎo)人教材配套PPT學(xué)習(xí)導(dǎo)讀行業(yè)PPT模板/hangye/本章主要介紹數(shù)據(jù)展現(xiàn)及數(shù)字孿生技術(shù)及其在智能建造中的應(yīng)用。在學(xué)習(xí)過程中，需要掌握各類數(shù)據(jù)展現(xiàn)及數(shù)字孿生技術(shù)的基本原理；了解各種數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)、三維圖形展現(xiàn)及虛擬仿真、數(shù)字孿生技術(shù)在智能建造中的用途。目錄CONTENT01數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)行業(yè)PPT模板/hangye/02三維圖形展現(xiàn)及虛擬仿真03數(shù)字孿生STEPONE數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)01/數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)

數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)的主要類型數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)的主要軟件工具數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)是智能建造的重要組成部分，將數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理后通過圖像的形式呈現(xiàn)，可更直觀地洞察數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律。它可以幫助建造相關(guān)方實現(xiàn)對工程項目的全過程、全專業(yè)、全要素的系統(tǒng)化管控，并起到以下幾個方面的效果：（1）提高建筑效率和質(zhì)量通過數(shù)字化設(shè)計、機器人施工、BIM技術(shù)等手段，提高建筑效率和質(zhì)量，減少人工誤差和資源浪費。（2）增強協(xié)同合作和溝通通過網(wǎng)絡(luò)化交互、可視化認(rèn)知、高性能計算等手段，增強政府、業(yè)主、設(shè)計、總承包和專業(yè)分包等相關(guān)方的協(xié)同合作和溝通，實現(xiàn)工程項目的一體化集成和高效協(xié)同。（3）優(yōu)化決策支持和風(fēng)險管理通過智能化決策支持、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測等手段，優(yōu)化決策支持和風(fēng)險管理，實現(xiàn)工程項目的安全、綠色、可持續(xù)發(fā)展。數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)的主要類型柱狀圖柱狀圖（圖5-1）是一種通過柱形的高度來表現(xiàn)數(shù)據(jù)大小的一種常用圖表類型，可比較同一類別中的兩個或多個值，但不能分類過多。圖5-1基礎(chǔ)柱狀圖（左）與條形圖（右）數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)的主要類型折線圖折線圖（圖5-2）是用連續(xù)的折線反映一段時間內(nèi)某類指標(biāo)變化趨勢的圖形，通常由一條或者多條線組成，需要反映變化趨勢、關(guān)聯(lián)性的場景，能直觀的反映數(shù)據(jù)的變化趨勢。圖5-2基礎(chǔ)折線圖（左）與堆疊折線圖（右）數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)的主要類型散點圖散點圖（圖5-3）是數(shù)據(jù)點在直角坐標(biāo)系平面上的分布圖，用于發(fā)現(xiàn)各變量之間的關(guān)系。適用于存在大量數(shù)據(jù)點和回歸分析這樣的情形。圖5-3基礎(chǔ)散點圖數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)的主要類型餅地圖餅圖（圖5-4）通過弧度大小來表示不同分類的占比情況，可很好地幫助用戶快速了解數(shù)據(jù)的相對占比，但不適合于分類過多的情形。圖5-4基礎(chǔ)餅圖區(qū)域地圖區(qū)域地圖是用不同顏色，或顏色的深淺來展示區(qū)域范圍的數(shù)值大小，適合于展現(xiàn)呈面狀但屬分散分布的數(shù)據(jù)，如人口密度等。但數(shù)據(jù)分布和地理區(qū)域大小的不對稱，容易造成用戶對數(shù)據(jù)的誤解。數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)的主要類型熱力圖熱力圖（圖5-5）以特殊高亮或高溫的顏色顯示數(shù)值大小和位置分布，可直觀地看到每個區(qū)域的數(shù)值大小。圖5-5傳統(tǒng)熱力圖（左）及日歷熱力圖（右）數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)的主要類型矩形樹圖矩形樹圖（圖5-6）是展現(xiàn)同一層級不同分類的占比情況，以及同一個分類下子級的占比情況，如商品品類等。圖5-6基礎(chǔ)矩形樹圖數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)的主要類型雷達(dá)圖雷達(dá)圖（圖5-7）是將多個維度的數(shù)據(jù)量映射到起始于同一個圓心的坐標(biāo)軸上，然后將同一組的點使用線連接起來，用線條顏色區(qū)分系列。適合于了解同類別不同屬性的綜合情況，以及比較不同類別的相同屬性差異，但分類不宜過多。圖5-7顯型占比雷達(dá)圖數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)的主要類型漏斗圖漏斗圖（圖5-8）是用梯形面積表示某個環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)量與上一個環(huán)節(jié)之間的差異，適用于有固定流程并且環(huán)節(jié)較多的分析，可直觀地顯示轉(zhuǎn)化率和流失率，但不適用無序的類別或沒有流程關(guān)系的變量。圖5-8漏斗圖數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)的主要類型其它圖形展現(xiàn)類型圖包括箱形圖、旭日圖、瀑布圖、桑葚圖、和弦圖、詞云圖、K線圖、儀表盤、平行坐標(biāo)系、迷你圖等。箱形圖（左1）、旭日圖（左2）、詞云圖（右2）、桑葚圖（右1）數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)的主要軟件工具開源工具數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)工具可大體分為開源工具與商業(yè)工具。圖5-11ApacheEcharts示例界面代表性的開源工具有D3.js、Chartist.js、Cytoscape.js、Charticulator、RAWGraphs、ApacheEcharts（圖5-11）、AntV等。使用開源工具通常需要一定的編程能力,且在資源共享尚有不便之處，往往不適合企業(yè)用于商業(yè)用途。商業(yè)工具如Tableau、Splunk、Visual.ly、Excel、騰訊云圖、阿里云DataV、億信BI等，可幫助企業(yè)通過可視化圖表展示海量數(shù)據(jù)，如圖5-12。圖5-12數(shù)據(jù)圖形展現(xiàn)應(yīng)用案例STEPTWO

三維圖形展現(xiàn)及虛擬仿真02/三維圖形展現(xiàn)及虛擬仿真三維可視化概述BIM技術(shù)U3D技術(shù)3DMax技術(shù)三維展現(xiàn)技術(shù)在智能建造中的應(yīng)用三維展現(xiàn)技術(shù)在虛擬仿真教學(xué)中的應(yīng)用三維可視化概述數(shù)據(jù)的三維圖形展現(xiàn)是指利用計算機圖形學(xué)和可視化技術(shù)，將數(shù)據(jù)以三維模型和圖形的方式呈現(xiàn)，進(jìn)而增強數(shù)據(jù)的直觀性、交互性和分析性。數(shù)據(jù)的三維圖形展現(xiàn)的主要方法有以下兩大類：（1）二維圖形的簡單三維化。（2）基于虛擬建模（如BIM、Unity3D、3DMax等）的三維可視化。將更加利用物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信與傳感網(wǎng)絡(luò)、智能分析與多維聯(lián)動等最新技術(shù)，集成各種感知識別設(shè)備、現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)和各類數(shù)據(jù)，完成了多方位、跨平臺管理。將更加注重用戶體驗和交互設(shè)計，提供更加友好和易用的界面和功能，支持用戶在不同設(shè)備上進(jìn)行瀏覽和調(diào)試，支持PC和移動設(shè)備。將更加結(jié)合多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及三維鏡像技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的虛擬化，通過對物體進(jìn)行全方位的監(jiān)控，構(gòu)建基于現(xiàn)實的3D虛擬現(xiàn)實效果。數(shù)據(jù)的三維圖形展現(xiàn)趨勢發(fā)展：三維可視化概述三維圖形展現(xiàn)及虛擬仿真是融合多媒體技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及三維鏡像技術(shù)完成數(shù)據(jù)處理的虛擬化，搭建依據(jù)現(xiàn)實的3D虛擬模型及場景，讓數(shù)據(jù)呈現(xiàn)更加直觀和易于理解。目前常用三維圖形展現(xiàn)及虛擬仿真技術(shù)包括BIM技術(shù)、U3D技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)等。數(shù)據(jù)的三維圖形展現(xiàn)趨勢發(fā)展：圖5-13數(shù)據(jù)三維圖形展現(xiàn)BIM技術(shù)建筑信息模型（BuildingInformationModeling，簡稱BIM）是重要的虛擬建模的工具之一，特別是在工程建設(shè)領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。BIM的核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，如圖5-15，利用數(shù)字化技術(shù)，為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。該信息庫不僅包含描述建筑物構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構(gòu)件對象（如空間、運動行為）的狀態(tài)信息。借助BIM模型，可大大提高建筑工程的信息集成化程度，從而為項目相關(guān)方提供了一個工程信息交換和共享的平臺。圖5-14BIM虛擬施工BIM技術(shù)常用的BIM工具軟件：Autodesk公司的Revit系列軟件，多用于民用建筑領(lǐng)域；Bentley系列軟件，多用于工業(yè)（石油、化工、電力、醫(yī)藥等）和基礎(chǔ)設(shè)施（道路、橋梁、市政、水利等）領(lǐng)域；ArchiCAD軟件，最早的一個具有市場影響力的BIM核心建模軟件，具備智能化設(shè)計評估、變更管理一體化、團隊協(xié)同設(shè)計等特點，在我國多用于建筑設(shè)計領(lǐng)域。同時，BIM模型的輕量化（圖5-15）也日益受到關(guān)注。圖5-15BIM輕量化實施基本流程及應(yīng)用場景BIM技術(shù)圖5-16BIM輕量化應(yīng)用實例-智能監(jiān)測系統(tǒng)BIM輕量化主要是指通過相關(guān)算法對模型中的相關(guān)信息進(jìn)行提取、壓縮和簡化等操作，使其可以脫離專業(yè)的BIM建模軟件，應(yīng)用于各種各樣的信息化系統(tǒng)、軟件平臺、網(wǎng)頁、手機平板等移動端設(shè)備，進(jìn)而大大拓展了BIM的應(yīng)用范圍，如智能監(jiān)測系統(tǒng)（圖5-16）。U3D技術(shù)Unity3D是一個跨平臺的實時3D開發(fā)平臺，它可以讓設(shè)計師和開發(fā)者合作創(chuàng)建令人驚嘆的沉浸式和交互式體驗。它可以在Windows，Mac和Linux上工作，并支持多種AR，VR，移動，桌面和游戲機平臺。Unity3D的特點（1）強大而易用的編輯器Unity3D提供了一個可定制的編輯器，還與其他流行的工具如Maya或Blender無縫地協(xié)作。（2）高性能的C#代碼Unity3D允許開發(fā)者使用C#語言編寫高效且可移植的代碼。（3）豐富的資源和服務(wù)Unity3D擁有一個龐大而活躍的社區(qū)，提供了大量的教程、文檔、論壇、博客和視頻，幫助創(chuàng)作者學(xué)習(xí)和提升自己的技能。3DMax技術(shù)3Dmax是一款由Autodesk公司開發(fā)的三維建模、動畫和渲染軟件，主要用于設(shè)計、影視、游戲、建筑等領(lǐng)域。它可以創(chuàng)建各種類型和風(fēng)格的三維模型，并提供豐富的材質(zhì)、燈光、動畫和特效工具。3Dmax的特點（1）強大而靈活的建模工具3Dmax提供了多種建模方式，如多邊形建模、樣條線建模、NURBS建模等，可以滿足不同的建模需求和風(fēng)格。3Dmax還支持布爾運算、細(xì)分曲面、多重UV坐標(biāo)等高級建模功能。（2）豐富而逼真的材質(zhì)和渲染器3Dmax內(nèi)置了多種材質(zhì)類型，如標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)、射線跟蹤材質(zhì)、體積材質(zhì)等，可以創(chuàng)建各種效果的材質(zhì)。3Dmax還支持多種渲染器，如掃描線渲染器、光線跟蹤渲染器等，可以實現(xiàn)高質(zhì)量的渲染效果。（3）完善而專業(yè)的動畫和特效工具3Dmax擁有強大的動畫系統(tǒng)，可以創(chuàng)建關(guān)鍵幀動畫、表情動畫、骨骼動畫、物理動畫等。3Dmax還提供了多種特效工具，如粒子系統(tǒng)、布料系統(tǒng)、毛發(fā)系統(tǒng)、煙霧系統(tǒng)等，可以制作各種逼真的特效。三維展現(xiàn)技術(shù)在智能建造中的應(yīng)用在環(huán)境復(fù)雜的工程建設(shè)過程中，三維展現(xiàn)技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。例如，Unity3D平臺強大的整合功能可將BIM模型轉(zhuǎn)換成VR格式，并支持模型交互，將BIM模型功能發(fā)揮到極致，使用者通過VR設(shè)備進(jìn)行720°漫游、查看及模型交互，身臨其境地體驗施工過程。應(yīng)用優(yōu)勢從項目的設(shè)計階段到施工階段、驗收階段，運行階段，或施工工序的小板塊、小構(gòu)件都能通過Unity3D/3DMax平臺來提前體驗并操作施工建成后的效果。通過計劃與現(xiàn)狀情況的對照、分析、及時發(fā)現(xiàn)實施中的偏差，采取有效措施，提前整改，保證工期順利完成，避免資源浪費，為項目施工各個階段的安全、優(yōu)質(zhì)提供了保證。工程檢測實施過程中，檢測數(shù)據(jù)的大多都是基于表格統(tǒng)計的方式進(jìn)行管理，可視性較差，不便于觀察。通過三維可視化技術(shù)，將檢測數(shù)據(jù)、待測構(gòu)件三維模型進(jìn)行結(jié)合，并與智能檢測設(shè)備進(jìn)行物聯(lián)，在智慧檢測平臺實現(xiàn)了檢測結(jié)果可視化，所見即所得，實現(xiàn)了工程檢測的數(shù)字化、信息化、智能化。三維展現(xiàn)技術(shù)在智能建造中的應(yīng)用案例例如在鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測過程中，通過U3D技術(shù)實現(xiàn)檢測信息三維可視化，可全方位觀測隧道的檢測情況，便于查看及管理，通過點選可查看每個測點的具體監(jiān)測結(jié)果，以可視化的方式進(jìn)行展示，同時展示每條測線的整體測試情況及檢測結(jié)果，也可模擬人員在隧道中行進(jìn)的視角，身臨其境觀測查看檢測數(shù)據(jù)，如圖5-17。圖5-17U3D技術(shù)應(yīng)用案例-鐵路隧道襯砌質(zhì)量信息三維可視化三維展現(xiàn)技術(shù)在虛擬仿真教學(xué)中的應(yīng)用不足在高等教育改革不斷深入的背景下，傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)對于現(xiàn)代化教學(xué)適應(yīng)性不足，“高投入、高損耗、高風(fēng)險及難實施、難觀摩、難再現(xiàn)”的實踐課程難以在真實環(huán)境實現(xiàn)教學(xué)，傳統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)及簡單的二維視頻動畫不具有實踐操作性、交互性等，難以完成實訓(xùn)教學(xué)任務(wù)。圖5-18U3D技術(shù)應(yīng)用案例-工程檢測虛擬仿真實訓(xùn)平臺優(yōu)勢基于Unity3D技術(shù),以3DMax、Maya等建模軟件為輔助工具，構(gòu)建仿真三維場景，并增加交互內(nèi)容，形成一個集專業(yè)性、沉浸感、交互性、趣味性等特點的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動性，實現(xiàn)寓教于樂，提升高校實踐教學(xué)的多元化和多樣化，如工程檢測虛擬仿真實訓(xùn)平臺的搭建（圖5-18）。STEPTHREE數(shù)字孿生03/數(shù)字孿生

數(shù)字孿生的概念數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用數(shù)字孿生的概念數(shù)字孿生（DigitalTwin），也被稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像，是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程?？梢岳斫鉃閿?shù)字孿生是在一個設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造一個數(shù)字版的“克隆體”，這個“克隆體”，也被稱為“數(shù)字孿生體”，它被創(chuàng)建在信息化平臺上，是虛擬的。美國國防部最早提出利用DigitalTwin技術(shù)（圖5-19），用于航空航天飛行器的健康維護與保障。首先在數(shù)字空間建立真實飛機的模型，并通過傳感器實現(xiàn)與飛機真實狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和過往載荷，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務(wù)載荷等。圖5-19數(shù)字孿生飛機應(yīng)用案例數(shù)字孿生的概念數(shù)字孿生體是對實體對象的動態(tài)仿真，是會“動”的，“動”的依據(jù)來自本體的物理設(shè)計模型，還有本體上面?zhèn)鞲衅鞣答伒臄?shù)據(jù)，以及本體運行的歷史數(shù)據(jù)。如果需要做系統(tǒng)設(shè)計改動，或者想要知道系統(tǒng)在特殊外部條件下的反應(yīng)，可以在孿生體上進(jìn)行“實驗”。既避免對本體的影響，又可提高效率、節(jié)約成本。特點（1）全生命周期數(shù)字孿生可以貫穿產(chǎn)品包括設(shè)計、開發(fā)、制造、服務(wù)、維護乃至報廢回收的整個周期。它并不僅限于幫助企業(yè)把產(chǎn)品更好地造出來，還包括幫助用戶更好地使用產(chǎn)品。（2）實時/準(zhǔn)實時本體和孿生體之間，可建立全面的實時或準(zhǔn)實時聯(lián)系。兩者并不是完全獨立的，映射關(guān)系也具備一定的實時性。（3）雙向本體和孿生體之間的數(shù)據(jù)流動可以是雙向的,并不是只能本體向?qū)\生體輸出數(shù)據(jù)，孿生體也可以向本體反饋信息。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用數(shù)