基于数字孪生的实验室资源共享平台设计与实现

摘要：介绍了为铁路协同创新共享实验室而设计的可视化信息系统，目的是提高实验室的试验管理水平和数据应用能力，为试验基地的科研、技术升级和产品能力验证等提供信息化支持。该系统包括实景看板、智慧管理、试验能力和智慧楼宇四个部分，覆盖了实验室管理的各个方面，为用户提供了丰富的信息和数据展示方式。其中，重点实验成果可视化功能可以对试验数据价值进行深入挖掘，实验室管理可视化、实验数据、科研过程动态模拟和沉浸式场景漫游等功能为实验室管理和科研工作提供可视化技术支持。

关键词：可视化信息系统；数据管理；实验室数据；BIM服务

一、前言

（一）研究背景

协同创新共享实验室由数字铁路实验室、地理地质实验室、智能建造实验室、灾害预警和防控实验室等组成，为铁路建设提供系统性综合研发实验环境[1]。实验室一方面研发先进技术和应用新型材料，另一方面为科技人才发展提供空间和机遇。

（二）研究目的与意义

在实验室的建设过程中，各实验室的设计、资源配置与使用、数据管理等方面都需要展现出高度的综合性和协同性。创新系统的目的是提高铁路协同创新共享实验室的试验管理水平和数据应用能力，为试验基地的科研、技术升级和产品能力验证等提供全流程信息化支持。

二、需求分析

第一，需要搭建统一高效的一体化平台，对试验数据进行有效的管理和深化应用，避免数据和业务孤岛的出现。创新平台应该具备数据统一存储和治理的能力，即如何利用数据库和服务器技术将数据和可视化三维模型进行存储和管理。

第二，需要结合数据，有效管理试验计划、试验运行和资源配置，整体提升实验基地的试验管理能力和水平。平台可以完成试验状态虚拟仿真及动态模拟，将技术手段和专业科研过程结合。

第三，基于新技术，支撑多业务应用场景的运行，应该提供数字大屏、PC端、移动端等多种应用方式，对试验基地内不同场景的可视化展示，为管理者决策提供数据支持。

三、总体设计

（一）系统开发环境

1.系统开发配置

包括硬件环境和软件环境。具体配置见表1。

2.系统开发引擎

系统采用Cesium作为开发引擎。作为一款先进的虚拟地球引擎，其优点在于：

首先，作为一个开源项目，支持可以高度定制和灵活配置，根据不同应用场景的需求进行功能扩展。其次，Cesium支持多种数据格式和地图服务，可以用于创建高质量的地球模型、地理信息系统和地球科学应用程序，让虚拟地球数据的管理和应用更高效[2]。最后，成熟的软件开发工具包，支持导入图片，甚至三维模型等多种数据可视化展示，可用于动态数据可视化并提供良好的触摸支持。

（二）总体架构

创新系统主要由三个部分组成，分别为网络层、数据服务层和应用层，如图1所示。

网络层是系统的基础，综合了云平台和网络传输技术以实现数据的快速传输和高效存储。数据服务层是指系统中负责数据存储、管理和分析的层级，其关键是为用户提供快速、可靠、安全、高效的数据服务。以三维可视化系统为主体的应用层是实验室管理数据与各级用户实时化交互的重要工具。

1.网络架构

在网络传输方面，创新系统的网络架构设计应用了多种技术，包括无线射频识别（RFID）、蓝牙、近场通信（NFC）、宽带、IPv6、光传输等技术，以达到支持数据快速传输和存储的目的。

在数据存储方面，系统采用了云平台服务器存储的方式，可以随时随地访问数据，防止数据丢失。

2.数据架构

数据服务层是试验基地中负责数据存储、管理和分析的层次之一，为用户提供安全、高效的数据服务。

大数据技术可以对试验数据进行挖掘和分析，基础数据管理对数据进行分类、编码、标准化、整合、清洗、筛选，以保证数据的质量和规范性[3]。

智能计算服务通过自然语言处理技术，快速识别出关键问题和优化建议，以提高试验效率和质量[4]。

BIM技术将BIM模型与试验数据、传感器数据、GIS数据和其他数据相关联，可以实现数据的集成和分析，方便管理人员查看设备的位置、状态和历史记录。

四、系统构建关键技术

（一）技术路线

为了实现铁路行业协同创新共享实验室资源的信息化资源管控和数字可视化展示，促进信息共享，提高技术创新效率而设计的技术路线，主要包括五个阶段：现场需求、架构设计、功能研发、试运行和应用功能完善。

（二）技术创新

采用高精度实景建模技术实现创新中心建筑的视觉呈现。传统的实景建模技术借助SketchUp、3Dsmax等软件从CAD图纸出发翻模创建三维模型。然而，从特殊形状的截面创建模型可能会很具有挑战性，是因为需要将材料映射到模型表面上以达到所需要的颜色效果。不仅如此，生成的模型数据量很大，对服务器和用户端设备的配置要求高。

倾斜摄影和近距离多基线摄影技术相比传统技术提供了更有效的现实建模方法。此方法易于操作，只需要符合某些规则的高质量照片就可以创建高质量的三维模型。

在BIM建模中创建现实模型的技术是使用二次开发API的平台。方法涉及使用Cesium引擎，可以快速调用一个三维地球模拟球面来执行需求函数的二次开发。现实场景模型的轻量化处理主要涉及优化三角形网格、压缩材料、烘烤纹理颜色以及使用GIS和BIM模型。可分离加载的可视层次结构可以缓解设备配置问题，显著提高模型产量和交互体验。

高精度现实建模技术可以提高BIM建模过程的效率和准确性。传统的BIM建模需要大量的人工操作，生成的模型质量取决于拍摄质量和照片之间的重叠参数[5]。相比之下，现实建模技术可以有效节省人力和时间，只需要使用多台计算机进行联合计算。

随着技术的不断发展，高精度现实建模技术在BIM建模中的应用预计将变得更加广泛和先进。

（三）场景模拟方法

实景模型的产出方法是先使用已有的CAD二维图纸构建BIM三维模型，通过加入属性信息和拓扑关系，产出分楼层管理模型和LOD切片，之后运用3Dtiles技术加入实景图片，通过位姿计算空间位置和空间姿态后转换成虚拟场景[6]。

五、系统功能应用

（一）系统功能架构

系统功能架构图由实景看板、实验能力、智慧管理和动态模拟四部分组成，结合实际需求延伸出多种实际功能，包括对试验园区从外部景观展示到楼宇结构解析、视频监控动态可视化，再到实验相关数据、成果的多种形式展示，全面场景沉浸式漫游等功能。

（二）系统功能介绍

1.可视化场景

创新系统的三维可视化场景构建功能可帮助用户快速构建与实景一致的研发基地三维场景和空间布局，更加直观地了解实验室的空间布局和设备分布情况。

该功能具有以下特点：

轻量化处理BIM模型并进行模型渲染，以还原空间数据，实现智慧园区的三维场景构建，使用户可以直观了解实验室情况。

将研发基地结构精细化到板卡级别，实现高度精细的三维场景展示，呈现研发基地的结构细节，包括建筑物的外观设计和内部结构等。

通过鼠标灵活进行360度旋转、平移、放大、缩小等操作，实现任意缩放且不失真的三维视图。向用户提供了自由探索实验室三维场景的功能。

2.园区实景看板

实景看板包括创新中心简介、发展历程、创新中心风采和沉浸式漫游等功能，用来展示实验室的基本信息和环境，方便用户更好地了解实验室的发展历程和特色。在构建好的研发基地三维场景主图上，可以展示研发基地的概述信息，包括基地的概况、占地面积、基地领导、基地人员数量，人才情况，进行的科研项目等信息。

3.楼宇功能介绍

创新系统的三维可视化部分是实验室管理的重要工具和平台，提供了实验室的全方位信息和数据可视化，注重楼宇功能的设计和实现。

在研发基地的三维场景内，用户可以轻松地点击任意一栋楼宇，该楼宇会高亮显示，让用户更加专注于所选楼宇的信息和展示。

在楼宇三维模型上可以放置展示视频和文字内容的poi，为用户提供更加详细和丰富的信息内容。

4.楼层分布与功能规划

创新系统可以根据CAD图纸和现场照片高度还原建筑物内部装修风格，支持还原每层楼不同大小和功能的房间、走廊、物品等，还可以展示楼层内的精细模型。

在楼层规划方面，系统展示每层楼的功能规划。通过标识每个房间的用途，展示房间的实际布局和大小，标注每个区域的用途和位置，帮助用户规划和利用楼层内的可用资源和空间。

5.视频监控可视化

创新系统的视频监控可视化功能为实验室的安全管理提供了一个重要的工具和平台，包括关键区域的动态监控、自动异常检测和电梯的实时监控几个主要功能。

视频监控可视化功能旨在帮助实验室内部进行安全监控并预防实验中可能发生的事故，提供设备详细信息和状态监控，方便管理人员维护设备。视频监控可视化功能可以在三维空间中监控关键区域，并使用AI识别检测异常甚至触发报警，自动定位异常位置并显示相关录像视频。

6.重点科研项目、成果可视化

重点科研项目和成果可视化功能可以帮助实验室管理人员了解和管理研发项目，包括项目进度、成果展示等功能模块。

科研项目成果可视化功能将研发项目和成果数据以图形化的方式展示，帮助实验室管理人员查看研发工作，发现和解决问题。在研发内容先进性的说明及研发成果的归属方面，可视化系统可以展示系列研发成果，凸显项目的先进性。同时，研发基地也可以向外部展示研发成果，让公众更好地了解研发基地项目所体现出的贡献和价值。

重点实验成果可视化呈现功能让用户可以在三维可视化系统中浏览实验室的科研项目和成果，了解实验室的研究方向和研究成果。

7.实验室管理可视化

（1）设备检测

设备检测模块提供了全方位的设备监测功能，能够实现设备运行状态的实时和远程监测，并充分挖掘IoT设备的功能应用，核心是将设备的动态和静态等业务数据与设备三维模型关联，实现设备状态和数据的可视化。具体操作方法是鼠标点击任意一台设备，会弹出该设备相关的动态和静态信息，包括设备的运行状态、设备的使用情况、设备的维修记录等。

除了实时监测设备状态外，该模块还具有预警功能，以防设备发生故障或出现异常，模块还提供了设备的历史数据和趋势分析功能，帮助管理人员优化决策。

（2）重点设备使用率

在实验室的三维场景中，管理人员可以通过不同的颜色展示实验室中重点设备的实时使用状态，结合重点设备的实时监控数据和实验室管理相关数据，直观获知实验室设备的使用情况。

（3）实验数据

将实验设备的实时测试数据系统与对应的三维模型关联，当用户点击正在进行实验的设备的三维模型时，屏幕上会展示该设备当前测试的相关数据，如测试的项目、测试的结果、测试人员、所用的耗材数量等。

8.科研过程动态模拟

在实验室的科研过程中，实验的设计和执行是非常重要的环节。实验过程动态模拟功能可以以三维动画的方式呈现科研项目在实验过程中的三维可视化仿真模拟，为研发人员对实验过程进行科学合理的制定提供参考依据，包括实验器材的使用、实验步骤的执行以及实验结果的展示，还可以分析不同实验条件下的实验结果，筛选方案。

9.沉浸式场景漫游

创新系统提供的沉浸式场景漫游功能，可以让用户像身临其境一般地探索研发基地的各个角落。用户可以通过第一人称操作，自由地探索研发基地或基地楼宇内部的各个场景，了解实验室的工作流程和业务特点。

除了手动探索，系统还提供了路径设置功能，可以实现对研发基地或基地楼宇内部自动漫游。

（三）应用效果

系统应用产生的效益主要体现在以下几个方面：

第一，通过构建创新系统的方式，实现了铁路行业实验室资源的信息化管控、数字化和可视化展示，为铁路行业的信息化发展提供了应用实例。

第二，实现了数据信息的全面互联与流动，为行业内外的技术交流提供桥梁。铁路协同创新共享实验室可视化信息系统的设计，基于新技术，支撑多业务应用场景的运行，为不同角色的使用者提供了相对应的操作和认知模式，提升参与度。

第三，铁路协同创新实验室的资源具有共享合作的需求，需要借助信息化手段研发、协同创新共享实验室可视化信息系统，为实现优化实验室资源配置和协同各方实验室资源的策略提供决策支持，促进专家交流、提高技术创新效率。

六、结语

本文介绍了铁路行业协同创新共享实验室可视化信息系统的设计和实现，包括实景看板、智慧管理、试验能力和智慧楼宇等四个部分。其中，实验数据的可视化呈现功能是该系统的一个重要组成部分。除此之外，系统还提供了实验室管理可视化、科研过程动态模拟和沉浸式场景漫游等功能，为实验室管理和科研工作提供了可视化技术支持。虽然本文的研究已经取得了一定的成果，但是仍然存在一些问题和不足。本文的研究仅仅局限于铁路行业协同创新共享实验室，未考虑其他行业实验室的情况。研究仅涉及可视化信息系统的设计和实现，对于系统的优化和改进方面的探讨还有待深入研究。未来，在铁路行业协同创新共享实验室的实验管理和数据应用方面，可视化信息系统将成为不可或缺的重要工具，为实验室的科研工作和技术升级提供更加全面和精准的数据支撑。

参考文献

[1]张婷，姚之洁，王冠云，等.创新导向的设计实验室开放式管理探索[J].实验技术与管理，2018，35（05）：247-249.

[2]Paolo Ciuccarelli，Giorgia Lupi，Luca Simeone. Visualizing the Data City[M].Springer， Cham：2014.

[3]姜芳.大数据在工程建设招投标中的应用[J].中国建筑装饰装修，2022（11）：56-58.

[4]刘芳.信息可视化技术及应用研究[J].软件，2019，40（11）：156-157+181.

[5]张小可. 基于BIM技术的高精度实景建模方法应用研究[D].桂林：桂林电子科技大学，2021.

[6]黎新川，方艺，方涛，等.倾斜摄影在实景建模精细化处理中的运用[J].建筑设计，2022，51（12）：206-207.

作者单位：中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所

责任编辑：王颖振、郑凯津