《智能设备的数字孪生》 课件 第5章-数字孪生平台

智能设备的数字孪生开源平台商业平台课堂小结5.15.25.3第五章

数字孪生的实验平台开源平台5.1培养学生对知识的联想能力培养学生自学的方法与途径学习目标能力目标：知识目标：素养目标：掌握数字孪生实现的几个阶段了解数字孪生常见的开源平台能正确说出数字孪生实现的几个阶段能根据具体业务需要选择对应的数字孪生的开源平台课前思考请同学们思考：实现数字孪生需要几个阶段？5.1开源平台数字孪生实现的阶段通过高精度的3D扫描技术，将实物模型数字化。利用相应软件处理和优化数据，得到高精度的三维重建模型，准确地反映实物的几何形态和属性信息。数字化的过程在保证数据精度的同时，兼顾数据处理速度和成本效益。基于已数字化的物理模型，利用仿真软件进行建模和分析，建立数字孪生的对应模型，并对系统进行仿真，考虑其中的各种物理因素、器件和参数等，模拟系统运行的行为规律，以预测实际系统的性能和行为。建模仿真的结果可以为实际系统的设计、调试、优化提供重要的理论指导和预测结果。建模仿真阶段是数字孪生制作的第二步：数字化阶段是数字孪生制作的第一步：优化阶段是数字孪生制作的第三步：5.1开源平台数字孪生实现的阶段通过对建模仿真结果的分析，发现系统中存在的局限和问题，从而针对性地进行优化和改进，提升系统性能和效率。在优化阶段，不仅要考虑技术上的可行性和实验结果的统计学意义，还要考虑各个优化方案对成本、质量以及环境等因素的影响，寻找最佳的综合方案。5.1开源平台

感知层数据采集层计算层应用层数字孪生平台基本组成部分5.1开源平台

即机器人操作系统，是一个面向机器人的开源元操作系统。它能够提供类似传统操作系统的诸多功能，如硬件抽象、底层设备控制、进程间消息传递和程序包管理等。5.1.1ROS机器人软件开发次级操作系统ROS（RobotOperatingSystem）5.1.1ROS机器人软件开发次级操作系统

ROS是管道（消息传递）、开发工具、应用功能和生态系统的组合。ROS中有强大的开发工具，可以调试和可视化机器人数据。ROS具有内置的机器人应用功能，如机器人导航、定位、绘图、操作等。它们有助于创建强大的机器人应用程序。5.1.1ROS机器人软件开发次级操作系统ROS的组成ROS的主要功能消息传递接口、硬件抽象、软件包管理、第三方软件库集成、底层设备控制、分布式计算、代码复用、语言独立性、测试简单、开源等。5.1开源平台

ROS框架主要分成三个层级，分别是ROS文件系统、ROS计算图和ROS社区。ROS的文件系统：主要介绍了硬盘上ROS文件的组织形式，包括软件包、软件包清单、消息类型、服务类型。ROS的计算图：ROS处理数据的一种点对点的网络形式。它的基本功能包括节点、ROS控制器、参数服务器、消息和服务。ROS社区：ROS机器人开发者社区。5.1.1ROS机器人软件开发次级操作系统ROS框架ROS的文件系统：主要介绍了硬盘上ROS文件的组织形式，包括软件包、软件包清单、消息类型、服务类型。ROS的计算图：ROS处理数据的一种点对点的网络形式。它的基本功能包括节点、ROS控制器、参数服务器、消息和服务。ROS社区：ROS机器人开发者社区。5.1开源平台5.1.1ROS机器人软件开发次级操作系统ros框架5.1开源平台

ROS应用与开源5.1.1ROS机器人软件开发次级操作系统ROS广泛应用于机器人研发、教育、工业领域，已成为机器人如那件开发的实时标准之一。ROS是机器人领域开源的软件平台，它是基于Linux系统上开发，提供了一系列的功能库和工具，能够大大简化机器人软件开发流程，ROS可以运行在各种的硬件平台上，支持多种编程语言，提供一系列机器人领域的基本功能和服务，如导航、运动控制、感知、视觉处理等。5.1开源平台

Gazebo仿真平台是一个广泛应用于机器人研发、测试和教育等领域的开源软件。它可以模拟机器人的运动、感知和控制等行为，并提供了丰富的物理引擎、传感器模拟和ROS集成等功能，使得使用者可以高效地进行机器人仿真和开发.5.1.2Gazebo三维多机器人动力学仿真平台Gazebo仿真平台的特点：高度可定制化高度灵活性高度可视化Gazebo仿真平台简介5.1开源平台

5.1.2Gazebo三维多机器人动力学仿真平台分布式仿真、动态资源加载、可调性能等内容（见教材）Gazebo仿真平台使用仿真模型来描述机器人的物理特性和结构。仿真模型包括机器人的几何形状、质量、惯性、运动学、动力学等属性，可以通过简单的文本格式（如URDF、SDF等）进行描述和创建。Gazebo仿真平台提供了多种传感器模拟，包括激光雷达、摄像头、IMU等，可以模拟机器人的感知能力。Gazebo仿真平台提供了多种控制器，包括关节控制器、力控制器、轨迹控制器等，可以控制机器人的运动。用户可以通过编写控制器插件来实现自定义的控制算法。物理引擎（PhysicsEngineGazebo）仿真平台使用物理引擎来模拟机器人的运动和相互作用。它可以计算机器人在仿真环境中的运动、碰撞、摩擦、弹性等物理特性，从而实现真实的仿真效果、增强现实的特点。Gazebo仿真平台优点关键技术以及应用Gazebo仿真平台的基本概念：5.1开源平台Azure数字孪生平台简介

Azure数字孪生是一项平台即服务（PaaS）产品/服务，它能够创建基于整个环境的数字模型的孪生图，这些数字模型可以在建筑物、工厂、农场、能源网络、铁路、体育场馆，甚至整个城市中应用，并有洞察力，推动产品改进、运营优化、成本降低和客户体验突破等能力。

Azure数字孪生是一个物联网(IoT)平台5.1.3Azure数字孪生平台简介5.1开源平台5.1.3Azure数字孪生平台简介空间智能图谱技术广泛的API高级计算能力开放建模语言数字孪生对象建模

关键技术5.1开源平台Azure数字孪生构建解决方案为任何环境建模，并以可缩放且安全的方式将数字孪生引入生活。连接IoT设备和现有业务系统等资产，使用可靠的事件系统生成动态业务逻辑和数据处理。查询实时执行环境以从孪生图中提取实时见解。生成连接的环境3D可视化效果，以在上下文中显示业务逻辑和孪生数据查询历史记录化环境数据并与其他Azure数据、分析和AI服务集成，以更好地跟踪过去并预测未来5.1开源平台5.1.3Azure数字孪生平台简介主要功能定义业务流程将IoT和业务系统数据置于上下文中可视化3D场景工作室中的环境查询环境见解将孪生数据共享到其他Azure服务5.1开源平台Azure数字孪生平台的优点

其一，Azure数字孪生平台是世界首个端到端就绪的数字孪生服务，更是业界首先实现落地的数字孪生服务；

其二，Azure数字孪生平台是一个PaaS平台；

其三，Azure数字孪生平台能赋能开发者，为开发者提供建模语言和数字孪生图谱等服务5.1.3Azure数字孪生平台简介5.1开源平台OCC简介OpenCASCADE（简称为OCC）是由法国MatraDatavision公司开发的CAD/CAE/CAM软件平台，是世界上最重要的几何造型基础软件平台之一，主要用于开发二维和三维几何建模应用程序，包括计算机辅助设计系统、制造或分析领域的应用程序、仿真程序或图形演示工具。5.1.4OpenCASCADE数字孪生平台OpenCASCADE是一个功能强大的三维建模工具，提供了点、线、面、体和复杂形体的显示和交互操作，经过深度开发后可实现纹理、光照、图元填充、渲染等图形操作和放大、缩小、旋转、漫游、模拟飞行、模拟穿越等动态操作5.1开源平台OpenCASCADE的功能创建锥、柱、环等基本几何体对几何体进行布尔操作（相加，相减，相交运算）倒角，斜切，镂空，偏移，扫视几何空间关系计算（法线，点积，叉积，投影，拟合等）几何体分析（质心，体积，曲率等）空间变换（平移，缩放，旋转）应用框架服务数据交换服务5.1.4OpenCASCADE数字孪生平台商业平台5.2培养学生自学的方法与途径课程思政：通过商业平台的学习，了解我国在数字孪生平台上的发展。学习目标知识目标：能力目标：素养目标：掌握SenseMARS火星混合现实平台的特点及其适用场景掌握BIMWindows平台的特点及其适用场景能根据具体业务需要选择对应的数字孪生的商业平台培养学生对知识的联想能力课前复习ROS机器人软件开发次级操作系统Gazebo仿真平台优点的使用场景和各自优点OpenCASCADE平台和Azure平台的使用场景和各自优点010203课前思考请同学们思考：商业平台有哪些呢？国内的商业平台又有哪些呢？5.2商业平台SenseMARS火星混合现实平台是商汤科技打造元宇宙的技术赋能平台，搭载了多种关键能力，包括感知智能、决策智能、智能内容生成（如增强现实、混合现实）、软件智能体及其他基础设施（如云引擎等），为各类元宇宙应用提供支持。通过对三维空间的数字化重建，同时结合图像、物体识别等AI技术，SenseMARS可以做到理解场景中的人、事、物，进而将虚实融合的超现实互动变为可能。5.2.1SenseMARS火星混合现实平台SenseMARS火星混合现实平台5.2商业平台SenseMARS平台主要内容SenseMARS特效引擎SenseMARSDigitalHuman商汤AI数字人SenseMARSReconstruction三维空间重建5.2.1SenseMARS火星混合现实平台5.2商业平台5.2.2BIMWindows管理平台1.BIM简介建筑信息模型BIM（BuildingInformationModeling）是建筑学、工程学及土木工程的新工具。建筑信息模型或建筑资讯模型一词由Autodesk所创的。它是来形容那些以三维图形为主、物件导向、建筑学有关的电脑辅助设计。2.BIMWindows管理平台简介BIMWindows（简称BW）是北京跨世纪软件技术有限公司自主研发，基于BIM模型的轻量化展示、管理平台。5.2商业平台3.BIMWindows模块构成BIMWindows主要分为两大模块：协同管理和三维模型。其中协同管理是基于云端协同平台的，可以实现对设计及施工过程中的模型、图纸和数据进行全面的管控和维护，进行模型可视化