0 引言

数字孪生(Digital Twin)的概念由美国密歇根大学的Michael Grieves教授与美国国家航空航天局专家John Vickers在2003年首次提出。之后Gartner公司连续数年将数字孪生列为十大战略性科技发展趋势[1-3]。数字孪生作为新兴的前沿技术，目前被广泛应用于制造业，其是通过现实世界中产品的运行数据到虚拟空间中的映射来实现物理实体和虚拟模型之间的动态联系，不仅可以利用仿真技术在虚拟世界中建立产品的映射，模拟产品的全生命周期，更重要的是通过对现实世界的感知来指导物理实体准确执行其生命过程。目前数字孪生这一技术被广泛应用于各个行业：航空航天[4-7]、智能制造车间[8-10]、船舶制造[11，12]、地铁运维[13，14]、机器人控制[15]等领域。我国众多学者提出了数字孪生五维模型的概念[16]，探讨了数字孪生在十大领域中的应用。

数字孪生体作为物理实体的高维映射，包括几何模型和物理模型。几何模型从视觉上建立实体的可视化虚拟体，是几何形状的虚拟展现。几何模型的三维可视化是对物理实体的视觉检测，也是全生命周期下产品运行数据的直观表达，有助于用户把控产品的实时状态。物理模型包括动力学模型、有限元模型等物理分析模型，物理模型的准确建立可实现对实体物理特征的精准分析。动力学模型是描述物理实体最基本的物理模型，是宏观上对物理实体运行状态的准确映射，有助于分析产品的物理属性，指导其生命过程。

如前所述，由于数字孪生具有高保真性，要求孪生体的动力学特征与几何模型的可视化一致。因此，需要对动力学特征实时渲染，达到孪生体对物理实体的行为精准映射的效果，否则会出现信息传输滞后、特征映射紊乱的现象。针对这一亟待解决的问题，本文提出了基于VTK技术融合动力学特征实时仿真渲染的数字孪生平台架构，并以岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）的小车-吊重系统为例进行验证，说明了方法的有效性。

1 基于VTK技术的数字孪生平台架构

VTK（Visualization Toolkit）是以C++为内核，基于OpenGL的三维可视化工具库，其包含约2 000多个类，具有强大的图像处理功能，其作为跨平台、开源的图形编程函数库不仅封装了众多前沿的计算机图形学算法，还具备VTK特有的内存管理机制，支持并行处理。VTK的主要应用方向有三维计算机图形、图像处理及可视化。不同领域的研究人员(如土木、机械、气象、医学)将实验数据经过VTK渲染为可视化仿真模型，不仅为科研人员的研究带来方便，更为研究成果带来直观、深刻、具有观赏性的展示方式。

VTK可视化管线如图1所示。在数据集的组织结构中，几何结构描述了数据对象的空间位置关系，拓扑结构描述了数据对象间的连接构成形式。当几何结构和拓扑结构的数据容量无法满足需求时，属性数据可以作为补充，包括标量、矢量和张量，如空间某一点的运动方向为矢量，某一点的温度为标量。在本文所建系统中，主要以STL作为模型数据源。STL是描述三维物体表面几何形状的文件格式，数据模型被表达为由三角面片构成的三维壳体，而STL中存储了三角面片的法向量和面片的顶点数据，是可被VTK识别的多边形数据。

图1 VTK典型可视化管线

本文在Windows平台下基于图形界面库Qt与VTK，以C++面向对象的程序设计思想进行数字孪生平台软件的开发。如图2所示，所开发的软件平台有模型管理界面、视图界面等，与面向对象的设计思想相匹配。模型管理界面可以设置零件是否显示、展示各构件的体积、调节透明度和颜色。三维可视化界面将模型管理系统中的模型对象解析为VTK渲染管线特定的类型，并将模型对象渲染至三维主界面中。数据可视化界面将动力学系统输出的状态参数进行解析，将其转化为时域下的运行曲线，显示在数据可视化界面中。开发了人机交互系统，可通过鼠标在屏幕上的坐标得到所交互的模型对象，通过键盘可控制起重机的各机构运动。

图2 用户界面

图3所示为数字孪生平台（简化的），包括有三维可视化系统与动力学系统建模分析功能，二者协同作用。动力学系统是岸桥孪生体物理特征的驱动内核。孪生体物理特征的描述源于对物理实体的感知，动力学系统科学构建了物理实体的真实动力学模型，准确映射了岸桥实体的运行状态。三维可视化系统可以直观地监测物理实体的行为，不仅从视觉上描述了岸桥的外形特征，进行形态映射，还对岸桥的港口工作环境进行可视化，完成环境映射。