《智能設(shè)備的數(shù)字孿生》 課件 第5章-數(shù)字孿生平臺

智能設(shè)備的數(shù)字孿生開源平臺商業(yè)平臺課堂小結(jié)5.15.25.3第五章

數(shù)字孿生的實驗平臺開源平臺5.1培養(yǎng)學生對知識的聯(lián)想能力培養(yǎng)學生自學的方法與途徑學習目標能力目標：知識目標：素養(yǎng)目標：掌握數(shù)字孿生實現(xiàn)的幾個階段了解數(shù)字孿生常見的開源平臺能正確說出數(shù)字孿生實現(xiàn)的幾個階段能根據(jù)具體業(yè)務需要選擇對應的數(shù)字孿生的開源平臺課前思考請同學們思考：實現(xiàn)數(shù)字孿生需要幾個階段？5.1開源平臺數(shù)字孿生實現(xiàn)的階段通過高精度的3D掃描技術(shù)，將實物模型數(shù)字化。利用相應軟件處理和優(yōu)化數(shù)據(jù)，得到高精度的三維重建模型，準確地反映實物的幾何形態(tài)和屬性信息。數(shù)字化的過程在保證數(shù)據(jù)精度的同時，兼顧數(shù)據(jù)處理速度和成本效益。基于已數(shù)字化的物理模型，利用仿真軟件進行建模和分析，建立數(shù)字孿生的對應模型，并對系統(tǒng)進行仿真，考慮其中的各種物理因素、器件和參數(shù)等，模擬系統(tǒng)運行的行為規(guī)律，以預測實際系統(tǒng)的性能和行為。建模仿真的結(jié)果可以為實際系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試、優(yōu)化提供重要的理論指導和預測結(jié)果。建模仿真階段是數(shù)字孿生制作的第二步：數(shù)字化階段是數(shù)字孿生制作的第一步：優(yōu)化階段是數(shù)字孿生制作的第三步：5.1開源平臺數(shù)字孿生實現(xiàn)的階段通過對建模仿真結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的局限和問題，從而針對性地進行優(yōu)化和改進，提升系統(tǒng)性能和效率。在優(yōu)化階段，不僅要考慮技術(shù)上的可行性和實驗結(jié)果的統(tǒng)計學意義，還要考慮各個優(yōu)化方案對成本、質(zhì)量以及環(huán)境等因素的影響，尋找最佳的綜合方案。5.1開源平臺

感知層數(shù)據(jù)采集層計算層應用層數(shù)字孿生平臺基本組成部分5.1開源平臺

即機器人操作系統(tǒng)，是一個面向機器人的開源元操作系統(tǒng)。它能夠提供類似傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的諸多功能，如硬件抽象、底層設(shè)備控制、進程間消息傳遞和程序包管理等。5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)ROS（RobotOperatingSystem）5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)

ROS是管道（消息傳遞）、開發(fā)工具、應用功能和生態(tài)系統(tǒng)的組合。ROS中有強大的開發(fā)工具，可以調(diào)試和可視化機器人數(shù)據(jù)。ROS具有內(nèi)置的機器人應用功能，如機器人導航、定位、繪圖、操作等。它們有助于創(chuàng)建強大的機器人應用程序。5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)ROS的組成ROS的主要功能消息傳遞接口、硬件抽象、軟件包管理、第三方軟件庫集成、底層設(shè)備控制、分布式計算、代碼復用、語言獨立性、測試簡單、開源等。5.1開源平臺

ROS框架主要分成三個層級，分別是ROS文件系統(tǒng)、ROS計算圖和ROS社區(qū)。ROS的文件系統(tǒng)：主要介紹了硬盤上ROS文件的組織形式，包括軟件包、軟件包清單、消息類型、服務類型。ROS的計算圖：ROS處理數(shù)據(jù)的一種點對點的網(wǎng)絡形式。它的基本功能包括節(jié)點、ROS控制器、參數(shù)服務器、消息和服務。ROS社區(qū)：ROS機器人開發(fā)者社區(qū)。5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)ROS框架ROS的文件系統(tǒng)：主要介紹了硬盤上ROS文件的組織形式，包括軟件包、軟件包清單、消息類型、服務類型。ROS的計算圖：ROS處理數(shù)據(jù)的一種點對點的網(wǎng)絡形式。它的基本功能包括節(jié)點、ROS控制器、參數(shù)服務器、消息和服務。ROS社區(qū)：ROS機器人開發(fā)者社區(qū)。5.1開源平臺5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)ros框架5.1開源平臺

ROS應用與開源5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)ROS廣泛應用于機器人研發(fā)、教育、工業(yè)領(lǐng)域，已成為機器人如那件開發(fā)的實時標準之一。ROS是機器人領(lǐng)域開源的軟件平臺，它是基于Linux系統(tǒng)上開發(fā)，提供了一系列的功能庫和工具，能夠大大簡化機器人軟件開發(fā)流程，ROS可以運行在各種的硬件平臺上，支持多種編程語言，提供一系列機器人領(lǐng)域的基本功能和服務，如導航、運動控制、感知、視覺處理等。5.1開源平臺

Gazebo仿真平臺是一個廣泛應用于機器人研發(fā)、測試和教育等領(lǐng)域的開源軟件。它可以模擬機器人的運動、感知和控制等行為，并提供了豐富的物理引擎、傳感器模擬和ROS集成等功能，使得使用者可以高效地進行機器人仿真和開發(fā).5.1.2Gazebo三維多機器人動力學仿真平臺Gazebo仿真平臺的特點：高度可定制化高度靈活性高度可視化Gazebo仿真平臺簡介5.1開源平臺

5.1.2Gazebo三維多機器人動力學仿真平臺分布式仿真、動態(tài)資源加載、可調(diào)性能等內(nèi)容（見教材）Gazebo仿真平臺使用仿真模型來描述機器人的物理特性和結(jié)構(gòu)。仿真模型包括機器人的幾何形狀、質(zhì)量、慣性、運動學、動力學等屬性，可以通過簡單的文本格式（如URDF、SDF等）進行描述和創(chuàng)建。Gazebo仿真平臺提供了多種傳感器模擬，包括激光雷達、攝像頭、IMU等，可以模擬機器人的感知能力。Gazebo仿真平臺提供了多種控制器，包括關(guān)節(jié)控制器、力控制器、軌跡控制器等，可以控制機器人的運動。用戶可以通過編寫控制器插件來實現(xiàn)自定義的控制算法。物理引擎（PhysicsEngineGazebo）仿真平臺使用物理引擎來模擬機器人的運動和相互作用。它可以計算機器人在仿真環(huán)境中的運動、碰撞、摩擦、彈性等物理特性，從而實現(xiàn)真實的仿真效果、增強現(xiàn)實的特點。Gazebo仿真平臺優(yōu)點關(guān)鍵技術(shù)以及應用Gazebo仿真平臺的基本概念：5.1開源平臺Azure數(shù)字孿生平臺簡介

Azure數(shù)字孿生是一項平臺即服務（PaaS）產(chǎn)品/服務，它能夠創(chuàng)建基于整個環(huán)境的數(shù)字模型的孿生圖，這些數(shù)字模型可以在建筑物、工廠、農(nóng)場、能源網(wǎng)絡、鐵路、體育場館，甚至整個城市中應用，并有洞察力，推動產(chǎn)品改進、運營優(yōu)化、成本降低和客戶體驗突破等能力。

Azure數(shù)字孿生是一個物聯(lián)網(wǎng)(IoT)平臺5.1.3Azure數(shù)字孿生平臺簡介5.1開源平臺5.1.3Azure數(shù)字孿生平臺簡介空間智能圖譜技術(shù)廣泛的API高級計算能力開放建模語言數(shù)字孿生對象建模

關(guān)鍵技術(shù)5.1開源平臺Azure數(shù)字孿生構(gòu)建解決方案為任何環(huán)境建模，并以可縮放且安全的方式將數(shù)字孿生引入生活。連接IoT設(shè)備和現(xiàn)有業(yè)務系統(tǒng)等資產(chǎn)，使用可靠的事件系統(tǒng)生成動態(tài)業(yè)務邏輯和數(shù)據(jù)處理。查詢實時執(zhí)行環(huán)境以從孿生圖中提取實時見解。生成連接的環(huán)境3D可視化效果，以在上下文中顯示業(yè)務邏輯和孿生數(shù)據(jù)查詢歷史記錄化環(huán)境數(shù)據(jù)并與其他Azure數(shù)據(jù)、分析和AI服務集成，以更好地跟蹤過去并預測未來5.1開源平臺5.1.3Azure數(shù)字孿生平臺簡介主要功能定義業(yè)務流程將IoT和業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)置于上下文中可視化3D場景工作室中的環(huán)境查詢環(huán)境見解將孿生數(shù)據(jù)共享到其他Azure服務5.1開源平臺Azure數(shù)字孿生平臺的優(yōu)點

其一，Azure數(shù)字孿生平臺是世界首個端到端就緒的數(shù)字孿生服務，更是業(yè)界首先實現(xiàn)落地的數(shù)字孿生服務；

其二，Azure數(shù)字孿生平臺是一個PaaS平臺；

其三，Azure數(shù)字孿生平臺能賦能開發(fā)者，為開發(fā)者提供建模語言和數(shù)字孿生圖譜等服務5.1.3Azure數(shù)字孿生平臺簡介5.1開源平臺OCC簡介OpenCASCADE（簡稱為OCC）是由法國MatraDatavision公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM軟件平臺，是世界上最重要的幾何造型基礎(chǔ)軟件平臺之一，主要用于開發(fā)二維和三維幾何建模應用程序，包括計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)、制造或分析領(lǐng)域的應用程序、仿真程序或圖形演示工具。5.1.4OpenCASCADE數(shù)字孿生平臺OpenCASCADE是一個功能強大的三維建模工具，提供了點、線、面、體和復雜形體的顯示和交互操作，經(jīng)過深度開發(fā)后可實現(xiàn)紋理、光照、圖元填充、渲染等圖形操作和放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、漫游、模擬飛行、模擬穿越等動態(tài)操作5.1開源平臺OpenCASCADE的功能創(chuàng)建錐、柱、環(huán)等基本幾何體對幾何體進行布爾操作（相加，相減，相交運算）倒角，斜切，鏤空，偏移，掃視幾何空間關(guān)系計算（法線，點積，叉積，投影，擬合等）幾何體分析（質(zhì)心，體積，曲率等）空間變換（平移，縮放，旋轉(zhuǎn)）應用框架服務數(shù)據(jù)交換服務5.1.4OpenCASCADE數(shù)字孿生平臺商業(yè)平臺5.2培養(yǎng)學生自學的方法與途徑課程思政：通過商業(yè)平臺的學習，了解我國在數(shù)字孿生平臺上的發(fā)展。學習目標知識目標：能力目標：素養(yǎng)目標：掌握SenseMARS火星混合現(xiàn)實平臺的特點及其適用場景掌握BIMWindows平臺的特點及其適用場景能根據(jù)具體業(yè)務需要選擇對應的數(shù)字孿生的商業(yè)平臺培養(yǎng)學生對知識的聯(lián)想能力課前復習ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)Gazebo仿真平臺優(yōu)點的使用場景和各自優(yōu)點OpenCASCADE平臺和Azure平臺的使用場景和各自優(yōu)點010203課前思考請同學們思考：商業(yè)平臺有哪些呢？國內(nèi)的商業(yè)平臺又有哪些呢？5.2商業(yè)平臺SenseMARS火星混合現(xiàn)實平臺是商湯科技打造元宇宙的技術(shù)賦能平臺，搭載了多種關(guān)鍵能力，包括感知智能、決策智能、智能內(nèi)容生成（如增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實）、軟件智能體及其他基礎(chǔ)設(shè)施（如云引擎等），為各類元宇宙應用提供支持。通過對三維空間的數(shù)字化重建，同時結(jié)合圖像、物體識別等AI技術(shù)，SenseMARS可以做到理解場景中的人、事、物，進而將虛實融合的超現(xiàn)實互動變?yōu)榭赡堋?.2.1SenseMARS火星混合現(xiàn)實平臺SenseMARS火星混合現(xiàn)實平臺5.2商業(yè)平臺SenseMARS平臺主要內(nèi)容SenseMARS特效引擎SenseMARSDigitalHuman商湯AI數(shù)字人SenseMARSReconstruction三維空間重建5.2.1SenseMARS火星混合現(xiàn)實平臺5.2商業(yè)平臺5.2.2BIMWindows管理平臺1.BIM簡介建筑信息模型BIM（BuildingInformationModeling）是建筑學、工程學及土木工程的新工具。建筑信息模型或建筑資訊模型一詞由Autodesk所創(chuàng)的。它是來形容那些以三維圖形為主、物件導向、建筑學有關(guān)的電腦輔助設(shè)計。2.BIMWindows管理平臺簡介BIMWindows（簡稱BW）是北京跨世紀軟件技術(shù)有限公司自主研發(fā)，基于BIM模型的輕量化展示、管理平臺。5.2商業(yè)平臺3.BIMWindows模塊構(gòu)成BIMWindows主要分為兩大模塊：協(xié)同管理和三維模型。其中協(xié)同管理是基于云端協(xié)同平臺的，可以實現(xiàn)對設(shè)計及施工過程中的模型、圖紙和數(shù)據(jù)進行全面的管控和維護，進行模型可視化