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          數字孿生應用開發分享 ――? 人與數據的交互新紀元 發布于

          2020 年,被業內普遍認為是“數字孿生元年”,基于數字孿生技術的需求噴薄而出,在數據價值、 空間結合、應用智慧和一圖感知等方面發揮巨大能量。 


          因此,作為數字孿生建設者,應當充分認識數字孿生應用建設過程中所蘊含的特殊性和關鍵點, 保障數字孿生真正地產生價值。


          經過多年的開發經驗,我們發現數字孿生開發的全過程鏈條,與經典軟件開發過程相似,但每 個關鍵步驟均有其特性和注意事項。本文將全面介紹數字孿生應用的開發流程,從需求、設計、 系統、開發、部署等環節,加以展開。


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          五一廣場站智慧運營仿真平臺在智慧乘客服務、智能運輸組織、智能運營 服務、應急聯動響應等方面先行先試,為長沙軌道運營探索了一條創新引領的智慧之路。


          正形成兩大體系平行發展、相互作用, 數字世界為了服務物理世界而存在,物 理世界因為數字世界變得高效有序。 


          數字孿生技術賦能于城軌運營,將實現 運營全程的可知、可視、可管、可控, 構建起全新的運營組織業態,產生數據 和信息的協同作用,助推城軌運營實現 數智化轉型。 


          “智慧運營仿真平臺,一平臺 實現數據融通,提升運營、管 理效率,提升乘客體驗” 


          長沙軌道交通運營有限公司聯合湖南信 達通和 51WORLD,結合信息化發展實 際需求,在長沙軌道試點智慧城軌相關 業務,運用數字孿生技術聯合打造了長 沙地鐵五一廣場站智慧運營仿真平臺。 


          該平臺基于數字孿生底座,實現了全站日常運營管理和客流仿真推演 的雙模驅動,成為城軌交通智慧運營的標桿案例。 


          《國民經濟和社會發展“十四五”規劃和 2035 年遠景目標》對城軌交 通提出了高質量發展的要求,“十四五”期間城軌交通的發展戰略, 技術智能化是技術發展的主方向,以新一代信息技術于城軌交通深度 融合為主線,推進城軌信息化、發展智能系統,建設智慧城軌是實現城軌交通高質量發展的技術推動力;依托數據孿生技術,城軌智慧化 運營將為城市運行穩定有序、群眾出行精準可控提供可靠保障。成為 城軌交通高質量發展的具體實踐。 


          湖南省“十四五”信息化發展總體規劃中也明確提出公眾服務的智慧 出行內容,要求全力推動交通基礎設施從規劃設計到建設運營的全要 素、全周期數字化,實現三維數字化呈現并構建相關綜合管理平臺, 著力打造一批試點示范。 


          五一廣場站智慧運營仿真平臺在智慧乘客服務、智能運輸組織、智能 運營服務、應急聯動響應等多個方面先行先試,為長沙軌道運營探索 出了一條創新引領的智慧之路,在湖南交通強省征程上彰顯出長沙軌道新擔當。


          一、需求收集:客戶調研的三個邏輯視點


          數字孿生應用,是一種充分結合虛擬空 間和數據融合的展示型應用。數據構建 方面,需要符合目標用戶的認知邏輯, 認知直覺和業務邏輯。因此,我們會按 照業務、數據和環境來進行收集和設計 調研提綱。 


          首先,業務方面以目標客戶為核心: 


          1.目標客戶及用戶的群體特征是什么?


          2. 目標客戶的痛點問題是什么?是基于 哪些業務需求串聯而得到的? 


          3. 目標客戶對于數字孿生本身有什么樣 的要求?是以應用為主、推進業務工作 優化為要求,還是以展示為主、強調整 體工作亮點為要求? 


          其次,聚焦數據的實際情況: 


          1,涉及到相關業務數據的底層應用系 統,目前的開發進度如何?系統的成熟 度將直接決定了業務數據存在著多少的 變更幾率。 


          2. 涉及到接入融合數據的,是否有數據中臺這樣的角色,承擔起數據 匯聚、管控、對外服務的職責? 


          3. 涉及到接入物聯傳感數據的,是否 有 IOT 平臺這樣的角色,打通各 種類型設備的數據,形成統一的數據資源平臺? 4. 數據接口是否有既定的交換標準和技術協議? 


          最后,了解環境部署需求: 


          1.在網絡環境上,項目最終的部署環境在什么位置?是否存在數據被 網絡隔斷的問題?如果數據不能通過網閘的方式實現互通 , 需要制定具 體的解決方案。


          2. 在部署策略上,用戶運行環境的情況是怎樣的?包括:網絡環境、 用戶并發需求、部署設備環境及機器運行配置等。 


          3. 在投放環境上,最終投放是電腦顯示器還是大屏?是否為標準的分 辨率?是否存在多分辨率的適配需求? 


          完成收集后,針對需求材料進行整理,形成較為原始的需求說明書。 然而,基調沒有確定的需求說明書,難以支撐有效的結構化分析;在 正式進入結構化分析前,跟目標客戶的確認是非常重要的。因此,我 們需要借助高保真的方法來推動需求的確認。 


          二、高保真設計:推動目標客戶需求再確認 


          當前的主流軟件開發領域,為了以最少的時間成本推動需求確認工作, 人們往往采用快速原型法(RapidPrototype),但我們發現,高保真原型的設計在數字孿生領域有很強的必要性。其優勢如下: 


          1.進行視覺層面抽象和重構:能夠充分發現不夠明確的需求和需求內 容矛盾的地方,從而把整個系統的脈絡清晰地梳理出來。


          2.系統整體分析和架構選型的重要基礎:通過高保真設計,圖形設計 師能夠與架構設計人員和工程師共同完成整個項目在技術難度和視覺 效果上的平衡。 


          3. 與目標客戶對最終成果形成統一的畫面感:一方面能夠暴露溝通過 程中的認知誤差,另一方面,高保真的確認是一種最為行之有效的需 求確認方式。 


          另外,在此基礎上,作為用戶視覺表達的設計師,應當站在經典 UED 設計的角度去做好準備工作: 


          最終面向的目標客戶,所處行業是否有對應的公眾型視覺映射?是否 有自己的一套 VI 視覺系統?若沒有 VI 視覺系統,其已有的信息系統是 否具有相對統一的視覺方案或顏色方案,或偏好的風格及參考對象? 


          在設計上要推敲和考慮客戶的潛在審美。做好充分的設計準備后,就 能按照需求調研的材料進行高保真的圖面設計。 


          首先,要做到視覺表達和技術難度的和諧而統一;通俗的說,UED 設 計師必須在不額外增加研發團隊實施工作的前提下,最大限度地呈現 出最優秀的設計方案,并且在視覺表達、特效展示、資源消耗和性能 提升多個方面找準最佳的平衡點。 


          其次,在視覺表達方面,要注重視覺表達、認知邏輯和交互體驗的相 互制衡,例如面板的組合方式(左右布局、單側布局)和順序結構(面 板的組合能夠形成一個完整的“故事”)。 


          另外,與傳統的 UED 設計不同,數字 孿生的 UED 需要跟場景的視覺效果結 合——UED 設計師完成的圖形設計必 須確保覆蓋在孿生場景之上的 UED 元 素,能夠和孿生場景本身的視覺結構互 補 ;風格結合上,還要充分考慮孿生 場景中自然光照變化所造成的主色調變 化,使 UED 與早晨、中午、黃昏、夜 晚的孿生場景形成視覺統一。 


          三、系統設計:三層架構,降本增效 


          我們認為,當前階段的數字孿生應用開 發,在架構上自頂向下,應當劃分為視 圖層、數據層和場景層,層與層之間均 保持著高內聚、低耦合的結構關系。


          1.視圖層: 從視圖構建的工具鏈開始著手進行 分 析 和 選 型, 包 括 前 端 框 架(Vue/ React)、包管理工具(NPM/Yarn)、 構 建 工 具(Webpack/Vite)、UI 框 架 (ViewDesign/Antd/Vuetify)、 可 視 化圖表組件(ECharts/HighCharts)等。 這些工具鏈都應當基于團隊內部的研發 模式和項目資產,保持高度的平滑特性 和可復用能力。


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          接著在確定工具鏈的前提下,依據最終 的高保真設計方案,推演整個孿生應用 的視圖邏輯,其中包括視圖的切換方 式、場景聯動的交互方式等。然后依據 推演的結果,通過偽代碼等方式,檢查 推演的視圖邏輯是否是封閉且可回溯的 (即每一個視圖都有一個以上的入口和 出口),并最終完成視圖的組件分類和 抽象,包括組件的內部邏輯處理、接口 設計和組件的類別劃分。 


          我們往往還會在這個階段,重點去考慮 哪些組件可以通過現有的項目資產去做 二次開發,哪些組件可以通過 UI 框架 去解決功能問題,盡可能地減少項目的 復雜程度。 


          2. 數據層: 


          我們會根據數據需求的調研結果,設計 數據的 fetcher,包括接口驗證、權限驗證和業務接口。 


          我們認為,在傳統的 MVVM/MVC 研發模式中,視圖層的邏輯代碼修改 是人力資源消耗的大頭,而這類修改往往都是由于數據結構和數據字 段更改導致的;因此我們納入數據直驅的概念(DataDirectDrive,D3), 確保視圖層的所有呈現都是由數據層傳遞的數據驅動。 


          此外,由于數字孿生應用擁有極強的展示能力,往往需要接待領導現 場參觀,準備一份本地化的模擬數據來保障匯報工作的進行也是十分 必要的,在接口上分別設計本地接口和線上接口,能夠方便臨時按需 進行切換。 


          3. 場景層: 由于 B/S 端和孿生場景的互動是采用 WebSocket 方式進行,場景互動 的事件機制是維系面板和場景的唯一紐帶,我們會根據視圖邏輯進行 事件的劃分和管理。例如,在云渲染的事件注冊函數中,需要根據回 調類型,在場景層上覆蓋事件控制機制,確保孿生場景的事件都能夠 通過相關的事件總線送往各個組件。


          四、開發實施:“四部曲”保障質量,減低復雜性 


          系統設計完成后,數字孿生應用正式進入開發階段,通過場景包獲取、 工程建構、數據模擬、數據接入四部分的緊密協作進行開發實施。 


          1.場景包獲?。?一旦渲染包可以通過云渲染平臺獲取,我們需要將精度較低、但 API 功能齊備的數字孿生場景包進行單獨備份,作為開發包使用。這種類 型的場景包雖然視覺效果簡陋,但對于開發者機器的配置要求較低, 能流暢開發過程中的操作、快速加載場景包內容,提升效率;最終完 成開發并進入測試階段后,再使用最新版本的場景包,確保場景的整 體效果符合用戶的最終要求。


          2. 工程構建: 我們使用藍湖工具,將高保真設計圖進行切片標記上傳。利用藍湖工具, 前端工程師可以便捷地下載相應圖片切片并把握高保真里的元素細節, 包括字體、字號、色彩編號(HEX/HEXA)、尺寸等。頁面結構構建完 成后,再根據架構設計階段的組件清單,進行依賴收集和創建,整合、 導入到工程文件里,對每個組件進行初始值設定;并確保整個面板的 呈現效果和頁面的切換邏輯,符合高保真和系統架構設計的要求。 


          3. 數據模擬: 通過對高保真的觀察,我們通過本地 JSON 的方式,將高保真上所涉 及到的數據內容依次完成構建,并存儲在靜態資源目錄下,在數據層 的工程構建上,我們會先寫讀取本地 JSON 數據的 fetcher,再傳遞到 各個組件。 因為數字孿生項目的實施速度通常會比業務系統和數據中臺快,在視 圖邏輯完成時幾乎拿不到可以立即使用的接口,甚至數據中臺需要我 們來提出具體的接口需求。這種情況下,可以通過直接提供 JSON 數 據文件,直觀地向數據中臺反饋數據需求。 另一方面,本地 JSON 數據的讀取能夠 有效地驗證面板邏輯和頁面邏輯是否正 確,一旦基于本地 JSON 的邏輯是正確 的,未來接入線上數據后出現邏輯錯誤, 就能把錯誤源聚焦在數據接口層面,減 少復雜項目排除錯誤的難度。 


          4. 數據接入: 通過我們構建的模擬 JSON 數據,跟數 據中臺提供的數據接口結果進行比對。 若比對通過,就復制一份本地請求的 fetcher,將本地地址替換為線上地址, 即可完成線上數據的接入工作;比對若 不通過,則修改接口或者 fetcher,再 替換地址完成數據接入。得益于數據直 接驅動的理念,在整個實施周期內,數 據接入的工作會相對清晰簡單。 完成項目實施開發后,需要針對項目 進行一系列的測試工作,包括性能測 試、安全測試、邏輯測試。其中,孿生 場景運行的流暢性跟幀數有非常密切 的關系,因此數字孿生應用的開發不 僅需要注重 request 的優化,還需要在 rendering、repaint、scripting 進 行 綜 合平衡,盡可能減少 CPU 的占用,以 提高整體的流暢度。 


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          五、項目部署:力求用戶體驗 及復用性提升


          最后,根據需求收集階段得到的部署環 境信息,我們通常使用包構建工具來進 行打包。其中,對于替換性極強的配置 性質的數據文件,我們建議將其納入靜 態資源,盡可能地減少項目的打包次數, 其打包文件的復用能力將大大提高。 


          以本地化部署為例,首先通過遠程的 方式,為目標機器安裝 Cloud、場景包 以及 IIS 等容器來承載孿生應用,通過 web 容器管理工具來進行站點創建和 端口號分配;


          其次,通過網盤或郵件等 方式,幫助用戶把孿生應用的代碼包部 署到本地磁盤,通過瀏覽器讀取地址的 方式來驗證孿生應用能否通過 URL 地址訪問,場景包能否被正確加載。 


          為了提高用戶使用體驗,我們會在桌面上創建快捷方式,并設置打開 自動全屏,用戶在需要使用數字孿生應用時,只需要雙擊快捷方式即可。  


          數據可視化發展的新風口 


          我們認為,數字孿生應用是未來數據可視化技術發展的下一個方向。 數字孿生不僅通過更加直觀和形象的方式呈現現實世界,技術本身也 讓用戶最終能以更加“人性”的方式和數據相處—— 這是每一個從業 者的愿景和夢想。 同時,我們也相信數字孿生應用的生態,在我們這一代逐夢人的手中, 能夠走得越來越遠大和輝煌。




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