DigiTwin | 面向数字孪生设计与运维的Web可视化编程环境

A web-based visual programming environment for design and operation of digital twins

Maarten van Emmerik, Esther Waardenburg

Axxem B.V, Eindhoven, The Netherlands

摘要

数字孪生是一种虚拟表征技术，能够实现对城市、建筑或设施等物理资产的监控与控制。其通过可视化趋势以辅助决策、确保服务水平协议合规、提升运营效率并减少停机时间，从而支持设施管理的自动化。然而，数字孪生的应用常受限于传统三维软件的高成本与复杂性，以及对数字化三维模型的依赖。本研究提出一种更具可及性与成本效益的数字孪生技术路径，使其适用于预算或技术能力有限的中小型设施运营商。用户可通过基于块结构的可视化编程环境导入现有三维模型或生成参数化模型，该环境还提供用于规则定义、数据可视化、监控与控制的专用模块。所有构建与管理数字孪生的功能均可通过标准网页浏览器访问，并兼容手机、平板及工作站等多种设备。

内容简介

1. 引言

数字孪生由物理实体、虚拟表示及其间的数据连接构成，广泛应用于制造、建筑、医疗、智慧城市等领域。其核心功能包括生命周期信息整合、趋势可视化、性能分析与预测。尽管数字孪生技术受到云计算、物联网和人工智能的推动，但其广泛应用仍受限于高昂的三维建模软件成本和专业技能的缺乏。本文提出一种基于Web的集成环境，支持用户通过可视化编程方式构建和操作数字孪生，尤其适用于缺乏现有建筑信息模型或三维模型的情况。

2. 相关工作

本文所提出平台的核心挑战在于设计一个既成本高效又易于使用的系统，从而使数字孪生技术能够惠及预算有限且技术专业知识不足的用户。为此，本研究在3D建模、可视化以及监控与管理领域对相关工作进行了一项调研，涵盖了同行评审的科学论文、开源代码库以及包含最新技术和软件库信息的网站。此项调研的目的是寻找可集成至系统组件的部分解决方案，并为新功能的开发获取灵感和需求。

2.1 数字孪生平台现状

当前主流的数字孪生平台如Microsoft Azure Digital Twins、Siemens Xcelerator等功能全面但成本高昂；开源平台如Bentley iTwin、Eclipse Ditto等虽成本较低，但需较高技术能力。本文系统旨在在成本与易用性之间取得平衡。

2.2 三维建模

现有开源建模工具如Blender、FreeCAD、OpenSCAD等虽功能强大，但需本地安装，不适合Web环境。BlocksCAD和JSCAD虽支持Web，但前者依赖服务器渲染，后者缺乏可视化编程界面。本文系统结合Blockly、Three.js与Web-ifc，实现了浏览器端的可视化参数化建模。

2.3 数据可视化

传统可视化多依赖Unity、Revit等专业软件，难以在移动设备上使用。本文采用glTF格式与WebGL技术，支持在浏览器中高效渲染三维模型，并结合二维仪表盘实现混合式数据展示。

2.4 监控与控制

现有物联网平台如Node-RED、Home Assistant等支持自动化规则定义，但多依赖文本配置或有限的可视化界面。本文系统基于Blockly与JavaScript，提供统一的规则定义环境，支持监控与控制逻辑的可视化编程。

3. 系统概念

系统以glTF作为三维几何标准格式，采用“主题”结构存储物联网数据。每个主题包含名称与值，支持嵌套结构（如building.room.temperature）。系统支持从传感器或文件导入数据，并将其拆分为独立主题存储，便于管理与更新。用户可通过可视化编程定义数据转换规则、三维模型参数化生成逻辑及监控控制策略。

4.  实体建模

系统提供基于Blockly的可视化建模环境，用户可通过拖放块式语句构建三维几何体。除基础几何体（如立方体、圆柱体）外，还支持布尔运算、拉伸、旋转等高级操作。模型可通过参数驱动，如楼梯的高度与步数可由变量控制。系统将可视化脚本转换为JavaScript代码，结合Three.js在浏览器中生成glTF模型。

4.1 代码生成

系统将Blockly块转换为JavaScript代码，并动态执行以生成几何体。用户可选择可视化或文本模式进行建模，后者支持直接编写JavaScript代码。

4.2 布尔运算与部件库

支持通过布尔运算在墙体上开窗、开门，并支持部件库管理，便于重复使用标准构件（如门窗）。部件更新时可自动同步所有实例。

4.3 墙体、楼板与空间

提供符合IFC标准的专用块（如Wall、Slab、Space），用户可通过二维轮廓线生成三维墙体，并定义开口位置。模型元素可自动标记为IFC类型，便于后续过滤与可视化。

4.4 楼层管理

通过“Storey”块管理多层建筑，支持按楼层或元素类型过滤显示，便于用户聚焦特定区域或系统。

5.  数据转换与可视化

在数字孪生三维模型中可视化物联网数据，能辅助决策与成本控制。其实现有两种核心路径：一是“glTF文件重写”，通过动态修改模型颜色、位置等属性实现快速可视化，适用于模型结构固定的场景；二是“模型动态再生”，将传感器数据作为参数重新生成几何模型，适用于模型结构自身需变化的复杂场景。两种方法优势互补，共同满足不同可视化需求。

同时，用户可混合使用上传的glTF文件、内置建模器生成的模型及动态脚本生成的几何体，构建复杂的数字孪生场景。

6.  监控与控制

本段阐述了数字孪生中监控与控制功能的实现架构。系统通过专用可视化编程界面生成脚本，但为保证其作为后台服务持续运行，代码在服务器端的沙盒环境中执行，确保了安全性与独立性。监控脚本（只读）与控制脚本（可写）权限分离，并需进行严格的数据标准化。虽然复杂的物理连接由专家预设，但终端用户可通过可视化块轻松定制具体的监控规则与控制逻辑。

7.  监控与控制

该系统采用 TypeScript 与 Node.js 构建，利用 Three.js 等框架处理 3D 图形。其前端由三个基于微前端架构的独立应用组成，通过 REST 与 WebSocket 与后端通信，实现数据实时更新。后端使用 MongoDB 存储数据与文件。所有组件打包为Docker容器，支持在Raspberry Pi、云平台等多种环境中部署，确保了跨环境（从边缘设备到云端）的灵活部署与高效运维。

8.  结论与讨论

本文提出了一套完整的Web端数字孪生构建与操作框架，显著降低了技术门槛。系统支持从零开始构建参数化三维模型，实现物联网数据的实时可视化与设备控制，适用于建筑、机械、基础设施等多个领域。未来研究方向包括：

• 优化图形性能，如引入WebGPU、WebAssembly；

• 扩展二维图表与交互式流程图支持；

• 集成机器学习算法进行趋势预测；

• 结合大语言模型实现自然语言交互与脚本生成。

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