《智能建造数字技术基础》课件 第5章 数据展现及数字孪生

《智能建造数字技术基础》数据展现及数字孪生5章第XXX主讲人指导人XXX时间指导人教材配套PPT学习导读行业PPT模板/hangye/本章主要介绍数据展现及数字孪生技术及其在智能建造中的应用。在学习过程中，需要掌握各类数据展现及数字孪生技术的基本原理；了解各种数据图形展现、三维图形展现及虚拟仿真、数字孪生技术在智能建造中的用途。目录CONTENT01数据图形展现行业PPT模板/hangye/02三维图形展现及虚拟仿真03数字孪生STEPONE数据图形展现01/数据图形展现

数据图形展现的主要类型数据图形展现的主要软件工具数据的可视化展现数据的可视化展现是智能建造的重要组成部分，将数据进行必要的处理后通过图像的形式呈现，可更直观地洞察数据的内在联系和规律。它可以帮助建造相关方实现对工程项目的全过程、全专业、全要素的系统化管控，并起到以下几个方面的效果：（1）提高建筑效率和质量通过数字化设计、机器人施工、BIM技术等手段，提高建筑效率和质量，减少人工误差和资源浪费。（2）增强协同合作和沟通通过网络化交互、可视化认知、高性能计算等手段，增强政府、业主、设计、总承包和专业分包等相关方的协同合作和沟通，实现工程项目的一体化集成和高效协同。（3）优化决策支持和风险管理通过智能化决策支持、大数据分析、物联网监测等手段，优化决策支持和风险管理，实现工程项目的安全、绿色、可持续发展。数据图形展现的主要类型柱状图柱状图（图5-1）是一种通过柱形的高度来表现数据大小的一种常用图表类型，可比较同一类别中的两个或多个值，但不能分类过多。图5-1基础柱状图（左）与条形图（右）数据图形展现的主要类型折线图折线图（图5-2）是用连续的折线反映一段时间内某类指标变化趋势的图形，通常由一条或者多条线组成，需要反映变化趋势、关联性的场景，能直观的反映数据的变化趋势。图5-2基础折线图（左）与堆叠折线图（右）数据图形展现的主要类型散点图散点图（图5-3）是数据点在直角坐标系平面上的分布图，用于发现各变量之间的关系。适用于存在大量数据点和回归分析这样的情形。图5-3基础散点图数据图形展现的主要类型饼地图饼图（图5-4）通过弧度大小来表示不同分类的占比情况，可很好地帮助用户快速了解数据的相对占比，但不适合于分类过多的情形。图5-4基础饼图区域地图区域地图是用不同颜色，或颜色的深浅来展示区域范围的数值大小，适合于展现呈面状但属分散分布的数据，如人口密度等。但数据分布和地理区域大小的不对称，容易造成用户对数据的误解。数据图形展现的主要类型热力图热力图（图5-5）以特殊高亮或高温的颜色显示数值大小和位置分布，可直观地看到每个区域的数值大小。图5-5传统热力图（左）及日历热力图（右）数据图形展现的主要类型矩形树图矩形树图（图5-6）是展现同一层级不同分类的占比情况，以及同一个分类下子级的占比情况，如商品品类等。图5-6基础矩形树图数据图形展现的主要类型雷达图雷达图（图5-7）是将多个维度的数据量映射到起始于同一个圆心的坐标轴上，然后将同一组的点使用线连接起来，用线条颜色区分系列。适合于了解同类别不同属性的综合情况，以及比较不同类别的相同属性差异，但分类不宜过多。图5-7显型占比雷达图数据图形展现的主要类型漏斗图漏斗图（图5-8）是用梯形面积表示某个环节业务量与上一个环节之间的差异，适用于有固定流程并且环节较多的分析，可直观地显示转化率和流失率，但不适用无序的类别或没有流程关系的变量。图5-8漏斗图数据图形展现的主要类型其它图形展现类型图包括箱形图、旭日图、瀑布图、桑葚图、和弦图、词云图、K线图、仪表盘、平行坐标系、迷你图等。箱形图（左1）、旭日图（左2）、词云图（右2）、桑葚图（右1）数据图形展现的主要软件工具开源工具数据图形展现工具可大体分为开源工具与商业工具。图5-11ApacheEcharts示例界面代表性的开源工具有D3.js、Chartist.js、Cytoscape.js、Charticulator、RAWGraphs、ApacheEcharts（图5-11）、AntV等。使用开源工具通常需要一定的编程能力,且在资源共享尚有不便之处，往往不适合企业用于商业用途。商业工具如Tableau、Splunk、Visual.ly、Excel、腾讯云图、阿里云DataV、亿信BI等，可帮助企业通过可视化图表展示海量数据，如图5-12。图5-12数据图形展现应用案例STEPTWO

三维图形展现及虚拟仿真02/三维图形展现及虚拟仿真三维可视化概述BIM技术U3D技术3DMax技术三维展现技术在智能建造中的应用三维展现技术在虚拟仿真教学中的应用三维可视化概述数据的三维图形展现是指利用计算机图形学和可视化技术，将数据以三维模型和图形的方式呈现，进而增强数据的直观性、交互性和分析性。数据的三维图形展现的主要方法有以下两大类：（1）二维图形的简单三维化。（2）基于虚拟建模（如BIM、Unity3D、3DMax等）的三维可视化。将更加利用物联网、数据通信与传感网络、智能分析与多维联动等最新技术，集成各种感知识别设备、现有业务系统和各类数据，完成了多方位、跨平台管理。将更加注重用户体验和交互设计，提供更加友好和易用的界面和功能，支持用户在不同设备上进行浏览和调试，支持PC和移动设备。将更加结合多媒体技术、网络技术以及三维镜像技术，实现数据处理的虚拟化，通过对物体进行全方位的监控，构建基于现实的3D虚拟现实效果。数据的三维图形展现趋势发展：三维可视化概述三维图形展现及虚拟仿真是融合多媒体技术、互联网技术及三维镜像技术完成数据处理的虚拟化，搭建依据现实的3D虚拟模型及场景，让数据呈现更加直观和易于理解。目前常用三维图形展现及虚拟仿真技术包括BIM技术、U3D技术、数字孪生技术等。数据的三维图形展现趋势发展：图5-13数据三维图形展现BIM技术建筑信息模型（BuildingInformationModeling，简称BIM）是重要的虚拟建模的工具之一，特别是在工程建设领域中发挥着越来越重要的作用。BIM的核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，如图5-15，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。该信息库不仅包含描述建筑物构件的几何信息、专业属性及状态信息，还包含了非构件对象（如空间、运动行为）的状态信息。借助BIM模型，可大大提高建筑工程的信息集成化程度，从而为项目相关方提供了一个工程信息交换和共享的平台。图5-14BIM虚拟施工BIM技术常用的BIM工具软件：Autodesk公司的Revit系列软件，多用于民用建筑领域；Bentley系列软件，多用于工业（石油、化工、电力、医药等）和基础设施（道路、桥梁、市政、水利等）领域；ArchiCAD软件，最早的一个具有市场影响力的BIM核心建模软件，具备智能化设计评估、变更管理一体化、团队协同设计等特点，在我国多用于建筑设计领域。同时，BIM模型的轻量化（图5-15）也日益受到关注。图5-15BIM轻量化实施基本流程及应用场景BIM技术图5-16BIM轻量化应用实例-智能监测系统BIM轻量化主要是指通过相关算法对模型中的相关信息进行提取、压缩和简化等操作，使其可以脱离专业的BIM建模软件，应用于各种各样的信息化系统、软件平台、网页、手机平板等移动端设备，进而大大拓展了BIM的应用范围，如智能监测系统（图5-16）。U3D技术Unity3D是一个跨平台的实时3D开发平台，它可以让设计师和开发者合作创建令人惊叹的沉浸式和交互式体验。它可以在Windows，Mac和Linux上工作，并支持多种AR，VR，移动，桌面和游戏机平台。Unity3D的特点（1）强大而易用的编辑器Unity3D提供了一个可定制的编辑器，还与其他流行的工具如Maya或Blender无缝地协作。（2）高性能的C#代码Unity3D允许开发者使用C#语言编写高效且可移植的代码。（3）丰富的资源和服务Unity3D拥有一个庞大而活跃的社区，提供了大量的教程、文档、论坛、博客和视频，帮助创作者学习和提升自己的技能。3DMax技术3Dmax是一款由Autodesk公司开发的三维建模、动画和渲染软件，主要用于设计、影视、游戏、建筑等领域。它可以创建各种类型和风格的三维模型，并提供丰富的材质、灯光、动画和特效工具。3Dmax的特点（1）强大而灵活的建模工具3Dmax提供了多种建模方式，如多边形建模、样条线建模、NURBS建模等，可以满足不同的建模需求和风格。3Dmax还支持布尔运算、细分曲面、多重UV坐标等高级建模功能。（2）丰富而逼真的材质和渲染器3Dmax内置了多种材质类型，如标准材质、射线跟踪材质、体积材质等，可以创建各种效果的材质。3Dmax还支持多种渲染器，如扫描线渲染器、光线跟踪渲染器等，可以实现高质量的渲染效果。（3）完善而专业的动画和特效工具3Dmax拥有强大的动画系统，可以创建关键帧动画、表情动画、骨骼动画、物理动画等。3Dmax还提供了多种特效工具，如粒子系统、布料系统、毛发系统、烟雾系统等，可以制作各种逼真的特效。三维展现技术在智能建造中的应用在环境复杂的工程建设过程中，三维展现技术已经得到了广泛的应用。例如，Unity3D平台强大的整合功能可将BIM模型转换成VR格式，并支持模型交互，将BIM模型功能发挥到极致，使用者通过VR设备进行720°漫游、查看及模型交互，身临其境地体验施工过程。应用优势从项目的设计阶段到施工阶段、验收阶段，运行阶段，或施工工序的小板块、小构件都能通过Unity3D/3DMax平台来提前体验并操作施工建成后的效果。通过计划与现状情况的对照、分析、及时发现实施中的偏差，采取有效措施，提前整改，保证工期顺利完成，避免资源浪费，为项目施工各个阶段的安全、优质提供了保证。工程检测实施过程中，检测数据的大多都是基于表格统计的方式进行管理，可视性较差，不便于观察。通过三维可视化技术，将检测数据、待测构件三维模型进行结合，并与智能检测设备进行物联，在智慧检测平台实现了检测结果可视化，所见即所得，实现了工程检测的数字化、信息化、智能化。三维展现技术在智能建造中的应用案例例如在铁路隧道衬砌质量检测过程中，通过U3D技术实现检测信息三维可视化，可全方位观测隧道的检测情况，便于查看及管理，通过点选可查看每个测点的具体监测结果，以可视化的方式进行展示，同时展示每条测线的整体测试情况及检测结果，也可模拟人员在隧道中行进的视角，身临其境观测查看检测数据，如图5-17。图5-17U3D技术应用案例-铁路隧道衬砌质量信息三维可视化三维展现技术在虚拟仿真教学中的应用不足在高等教育改革不断深入的背景下，传统实训教学对于现代化教学适应性不足，“高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现”的实践课程难以在真实环境实现教学，传统的理论学习及简单的二维视频动画不具有实践操作性、交互性等，难以完成实训教学任务。图5-18U3D技术应用案例-工程检测虚拟仿真实训平台优势基于Unity3D技术,以3DMax、Maya等建模软件为辅助工具，构建仿真三维场景，并增加交互内容，形成一个集专业性、沉浸感、交互性、趣味性等特点的虚拟仿真教学系统，激发学生学习兴趣和主动性，实现寓教于乐，提升高校实践教学的多元化和多样化，如工程检测虚拟仿真实训平台的搭建（图5-18）。STEPTHREE数字孪生03/数字孪生

数字孪生的概念数字孪生技术的应用数字孪生的概念数字孪生（DigitalTwin），也被称为数字映射、数字镜像，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。可以理解为数字孪生是在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的“克隆体”，这个“克隆体”，也被称为“数字孪生体”，它被创建在信息化平台上，是虚拟的。美国国防部最早提出利用DigitalTwin技术（图5-19），用于航空航天飞行器的健康维护与保障。首先在数字空间建立真实飞机的模型，并通过传感器实现与飞机真实状态完全同步，这样每次飞行后，根据结构现有情况和过往载荷，及时分析评估是否需要维修，能否承受下次的任务载荷等。图5-19数字孪生飞机应用案例数字孪生的概念数字孪生体是对实体对象的动态仿真，是会“动”的，“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。如果需要做系统设计改动，或者想要知道系统在特殊外部条件下的反应，可以在孪生体上进行“实验”。既避免对本体的影响，又可提高效率、节约成本。特点（1）全生命周期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/准实时本体和孪生体之间，可建立全面的实时或准实时联系。两者并不是完全独立的，映射关系也具备一定的实时性。（3）双向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。数字孪生技术的应用数