iTwin数字孪生创建基础设施“元宇宙”

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赵  老  师  小  课  堂

赵 顺 耐

Bentley 软件

高级技术经理

赵老师是 Bentley 软件的技术大咖之一，偶尔喜欢写一些技术文章，简明易懂，别有见解。“赵老师小课堂”将不定期分享赵老师写的一些技术内容。

1992年，美国作家Neal Stephenson出版了《Snow Crash》（雪崩），这是一本科幻小说，在里面提到了“元宇宙”Metaverse“。元宇宙是一个与现实世界平行的世界。利用物联网、互联网、虚拟现实、增强现实技术，现实世界可以投射到元宇宙。这非常像基础设施行业的数字孪生，或者说，利用数字孪生技术，就可以打造基础设施领域的“元宇宙”。

在上篇文章里，我们讨论了《如何选择“工程数据平台”》（点击查看），这个平台就是用来创建基础设施行业的“数字孪生”Digital Twin，也就是基础设施行业的“元宇宙”。

“需求决定选择”，当我们的需求非常明确的时候，选择的方向也就更加清晰，也会指定一些关键的评测指标。总体来讲，可以归结为如下几点来保证数据的开放性，安全性，完整性，以及有必要的模式来保证同步、集成数据。

• 支持多种云环境，可以利用云原生技术。而不仅仅是一个局域网部署的软件模块。

• 兼容多种原生数据，开源API读取专有数据格式（取决于数据格式的开放性）。

• 具备数据变更的管理能力，追溯数据的变化，可以实现不同时间点的数据对比分析。

• 开源的数据存储格式，便于数据的读取和系统集成。

• 开源的API，定义、拓展不同的应用程序。

如果初步展开，评判数据平台的指标如下。当然需要根据自己的投入、实施阶段、未来业务策略等因素再进一步细化。我们也结合iTwin的一些特点，进行描述。

部署方式

是否支持公有云、私有云、企业数据中心部署。这三者的区别可能更多不是技术，而是业务模式。也就是取决于你要管理什么？你需要别人提供什么？

云架构下不同的业务模式

例如，如果你是一个软件开发商、或者行业数字服务提供商。你的业务诉求可能是建立一个SaaS平台，向终端用户提供数字服务。而这些服务就需要放置在云上，然后根据业务来确定是公有云还是私有云。

Bentley的iTwin数字孪生平台支持各种云平台。它首先实现的是基于Azure的公有云部署，它的核心组件就是iModel Hub来管理数据。

iTwin Platform支持公有云部署

利用iModel Hub的API用来支持私有云部署的就是iModel Bank，也就是现在中国用户使用的iTwin的核心组件。连同数据转换组件Connectors和开源的开发工具包iTwin.js，我们称之为iTwin Stack。

利用iTwin Stacks实现私有云部署

Bentley正在开发一个基于iTwin Stack的中国云产品，暂时的名称为iTwin Project Center。它未来可以部署在私有云上，我们已经做出了一个产品原型，部署在阿里云上，（http://www.itwin365.cn)，后续也会支持国内的各种云平台。

基于iTwin Stack开发的云数据平台

如果你是一个企业用户，想体会iTwin数字孪生解决方案的话，请发送邮件到[e-mail] 申请试用。在邮件中，标题请遵循如下格式“iTwin申请试用-单位名称”。并在邮件中提供如下信息，以让我们的技术人员与您联系。

• 单位名称：

• 您的姓名/职务/联系方式：

• 简要说明贵单位现在云部署现状及对云平台的要求。

另外，我们也正在建立一个iTwin的开发测试平台，以让用户可以评测iTwin的API开发能力。

元原生Cloud-Native

不管何种部署方式，都需要云原生架构的支持（Cloud-Native）。云服务不同于传统的桌面端产品，他需要分布式计算，持续性交付升级，容器化部署等。

Cloud-Native原生云架构

容器化，对象存储，分布式调用。这些内容其实是Cloud-Native的内容。应该能够充分的利用云计算带来的效率提升。数字化是让数据产生更多价值，会被大量的应用场合访问，而且还要支持这些场合的数据同步。所以，云平台需要具有利用这些云技术的能力。

iTwin支持容器化部署、对象存储及分布式调用。特别是iModel Bank模块对数据同步的管理和分发，这对于数据集成及密集访问尤其重要。

在iTwin Stack上，各种功能模块以微服务的形式存在（microservice）。这非常有利于业务系统的建立和管理。

iTwin Stack的微服务（部分）

开源生态系统

开源，意味着平台的可扩展性及生态系统。如果再展开，还要分，数据存储格式是否开源，开发工具开源，数据转换开源等。

iTWin BIM数据存储采用SQLite数据库

iTwin的BIM数据存储采用开源SQLite数据库，简单高效。而对于存储数据的架构，Bentley称之为BIS（Base Infrastracture Schema)，也就是如何描述一个对象、项目等。你可以通过https://www.itwinjs.org/bis/了解更多内容。

BIS系列

除了数据库采用开源数据，存储结构开放，iTwin同时提供了开源的开发工具包iTwin.js，你可以利用这些API扩展各种各样的应用程序。详情访问http://www.itwinjs.org/

iTwin.js开源API（itwinjs.org)

数据同步方式

很多数据平台是将原始数据传输到服务器上，然后在服务器进行转化。虽然，对于SaaS应用模式来讲，非常常见。但这也带来了原始数据的泄露隐患。我们后面会讲到。数据分为了同步Synchronization和集成Federation。

数据同步是指同步不断变化的BIM数据，数据集成是指集成外部系统的实时数据

同步是指同步变化的数据，而不是整个文件。而且原始的设计数据组织方式也不适用于后期的数据利用。所以，数据的转换应该支持在本地，或者支持两种模式。

MicroStation集成iTwin Synchronizer，用于将数据变更同步到数据平台

数据加载

对于Web GL模式来讲，浏览器最后显示的是三维瓦片（3D Tiles）。这个过程是浏览器对平台提出视图显示请求，平台从数据库中提取视图所需BIM数据，然后把BIM数据转换成3D Tile，然后发送给浏览器。浏览器将这些数据显示出来，当我们转换视图时，平台会重复这一过程。这里面涉及两项技术：

服务器端缓存：数据平台提前将BIM数据视图转换为3D tile，访问时，直接读取3D tile，而省去了转换的时间。

LOD自动调整：模型精细度根据视图的大小来决定加载的颗粒度，如果视图很大范围，模型加载的颗粒度就大，从而提升加载速度。如果缩小视图时，系统就会再去加载更多的细节。

当然，最终的浏览速度还涉及到Viewer如何加载Tile Tree。这是个不断优化的过程。例如在最新的iTwinjs3.0版本中，浏览的速度提升了一倍。

数据导出

包括了导出为标准的数据格式，例如IFC，或者有读取数据的方式。这对于数据集成来讲非常重要，对于iTwin来讲，数据库是开源的，数据结构是开放的，同时提供了数据库查询读取的工具。所以，你可以根据自己的需要来提取数据。 

在iTwin中，将某一具体的时间点的数据状态，导出为标准数据格式

iTwin提供的数据查询API

数据兼容

这是所有用户关心的问题。因为对于数据平台来讲，需要集成、同步不同类型的数据。我们之所以使用同步Synchronization，而没有用转换Conversion是因为这是一个持续的过程。也就意味着，我们不能使用一个工具来阶段性的转换数据，而是要实时的同步数据。

iTwin转换原生数据的Connectors(部分）

iTwin Synchronizer根据不同类型的BIM数据，调用Connectors来同步数据变更，不管是Dgn，Revit，DWG还是各种工厂、地理信息数据。

多种类型的原生数据加入到iTwin Synchronizer

iTwin Synchronizer检测到数据类型，调用不同的Connectors进行数据同步

Bentley不断扩展支持的原生数据类型。同时，用户也可以利用Connector的API来转换独有的数据格式。例如，国内CAD的二次开发商，都采用了自定义实体的方式描述专业对象。这类数据，虽然也是DWG格式，但是，如果没有插件，CAD也无法识别。这种情况下，就可以利用Connector的API来解析这类数据。当然，你需要知道这类特殊数据的数据结构，也就是，它得让你读，Connector才能同步数据的变化到iTwin。 

很多数据是被参考到Dgn文件中放的，这类数据的同步是通过MicroStation的Connector转换的。例如SketchUp文件。同时这些文件也需要在一个“工程文件”中，对齐进行地理信息定位。

功能指标

上面，我们已经列举了选择数据平台的的核心指标，但是，我们并没有列举具体的功能模块指标。在这里可以给你一些参考：

如果你选择的是一个开箱即用的数字孪生产品，现有功能是非常重要的考量内容。这时你需要考虑：

• 实景地图
  

• 模型浏览

• 局部显示

• 模型渲染

• 模型特效
  

• 对象捕捉
  

• 对象属性

• 视图操作

• 模型分析

• 标记标签
  

• 系统集成

• 模型特效
  

当然每项内容还需要更加详细的列出来。

具体的性能指标对比

而如果你是一个集成商、开发商，你需要看中就是API的能力，因为你需要利用API来开发业务系统，或者进行系统集成。你可能会关系是否有如下类似的API。

API对比

这些评测的指标，可以帮助我们更加细致的选择我们的数据平台，在此基础上我们再进行定量的性能测试，例如对模型的支撑能力、加载速度、浏览速度、展示效果等。当然也会看到iTwin在这些指标上的优势。

通过上面的介绍，我们理解了数字孪生平台的核心要素，我们可以同步数据、管理数据变更，利用数据，建立一个与物理世界同步的平行世界，在这个世界里，项目、资产以数字化的形式存在，它有血、有肉、会说话、能交互。我们任何大数据的使用，正是建立在这样的体系下。所以，我们需要的不仅仅是一个能看现在的数据平台，而是需要一个可以建立“元宇宙”的数字孪生平台。

Jacobs数字孪生项目

在后续的文章里，我们将对iTwin的具体工作流程做专题介绍，例如，iTwin数据变更管理，iTwin数据集成同步等。

上期回顾：如何选择“工程数据平台”

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