在工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型浪潮中，數(shù)字孿生技術(shù)成為連接物理世界與虛擬空間的核心紐帶。圖撲軟件（Hightopo）基于自研的 HT 引擎，以 Web 3D 技術(shù)為核心，構(gòu)建了鋁型材擠壓車間全要素?cái)?shù)字孿生系統(tǒng)。該系統(tǒng)無(wú)需依賴任何第三方插件，通過輕量化架構(gòu)、高逼真渲染及多維度數(shù)據(jù)融合能力，實(shí)現(xiàn)了鋁型材擠壓產(chǎn)線的全流程可視化管理，為智慧工業(yè)產(chǎn)線建設(shè)提供了技術(shù)范本。

核心技術(shù)架構(gòu)與引擎特性

HT 引擎作為系統(tǒng)的技術(shù)底座，其自研特性決定了整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的性能與擴(kuò)展性。相較于傳統(tǒng)工業(yè)可視化方案，HT 引擎在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上具備三大核心優(yōu)勢(shì)：

l輕量化與跨平臺(tái)兼容：采用 B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)，基于 WebGL 標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，無(wú)需安裝客戶端或插件，僅通過瀏覽器即可在 PC、PAD、智能手機(jī)等終端運(yùn)行。傳統(tǒng) GIS 軟件往往依賴厚重的本地部署，而 HT 引擎通過代碼優(yōu)化將三維場(chǎng)景資源壓縮至輕量化級(jí)別，使傳統(tǒng) Web 開發(fā)人員可快速上手，降低了工業(yè)數(shù)字化的技術(shù)門檻。

l高逼真渲染技術(shù)：融合 PBR（Physically Based Rendering）物理渲染材質(zhì)系統(tǒng)，通過對(duì)光線反射、材質(zhì)紋理、環(huán)境光遮蔽等物理特性的精確模擬，還原廠區(qū)建筑（辦公樓、擠壓車間、綜合廠房）、周邊設(shè)施（綠植、湖泊、道路、路燈）的真實(shí)質(zhì)感。例如，擠壓車間的金屬設(shè)備表面通過 PBR 材質(zhì)呈現(xiàn)出符合物理規(guī)律的高光與陰影，使虛擬場(chǎng)景與物理廠區(qū)的視覺差異趨近于零。

l多維度數(shù)據(jù)融合能力：支持 Web 2D、3D 與 GIS 技術(shù)的無(wú)縫融合，既能通過 3D 模型構(gòu)建宏觀廠區(qū)場(chǎng)景，又能通過 2D 面板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精細(xì)化展示（如產(chǎn)能柱狀圖、能耗折線圖、設(shè)備狀態(tài)列表）。這種 “3D 場(chǎng)景 + 2D 數(shù)據(jù)” 的混合模式，解決了工業(yè)場(chǎng)景中 “宏觀態(tài)勢(shì)” 與 “微觀數(shù)據(jù)” 的可視化割裂問題。

廠區(qū)與車間的三維建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)

廠區(qū)與車間的數(shù)字孿生建模是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，HT 通過 “物理空間數(shù)字化映射” 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從物理實(shí)體到虛擬模型的精準(zhǔn)復(fù)刻：

l全要素場(chǎng)景還原：基于廠區(qū) CAD 圖紙與實(shí)地采集數(shù)據(jù)，通過 Web 3D 技術(shù)構(gòu)建 1:1 比例的虛擬廠區(qū)。建模范圍覆蓋生產(chǎn)核心區(qū)（擠壓車間、工頻加熱爐區(qū)、退錠臺(tái)）與輔助設(shè)施（辦公樓、停車場(chǎng)、籃球場(chǎng)、湖泊），甚至包括綠植的分布密度、路燈的光照角度等細(xì)節(jié)，均通過參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)與物理世界的一致性。

l動(dòng)態(tài)交互機(jī)制：支持場(chǎng)景的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等基礎(chǔ)操作，同時(shí)開發(fā)了 “第三人稱漫游” 功能 —— 通過加載預(yù)設(shè)動(dòng)作庫(kù)（站立、行走、奔跑、跳躍、翻滾），實(shí)現(xiàn)虛擬人物在場(chǎng)景中的自由移動(dòng)。用戶可通過 WASD 鍵控制方向、SHIFT 鍵加速、SPACE 鍵跳躍，配合鼠標(biāo)視角控制，獲得類似沉浸式游戲的交互體驗(yàn)，使遠(yuǎn)程用戶能直觀 “遍歷” 廠區(qū)每個(gè)角落。

l導(dǎo)航與定位技術(shù)：創(chuàng)新設(shè)計(jì) “2D+3D” 融合導(dǎo)航圖，在頁(yè)面左上角嵌入基于廠區(qū)真實(shí)布局的 2D 導(dǎo)航面板，標(biāo)注辦公樓、擠壓車間等關(guān)鍵點(diǎn)位。點(diǎn)擊點(diǎn)位時(shí)，3D 場(chǎng)景視角可實(shí)時(shí)跳轉(zhuǎn)至目標(biāo)位置；同時(shí)，虛擬人物的位置與朝向會(huì)在 2D 導(dǎo)航圖中同步更新，解決了大場(chǎng)景下的 “空間定位模糊” 問題。

產(chǎn)線全流程數(shù)字化孿生實(shí)現(xiàn)

鋁型材擠壓產(chǎn)線的工藝流程復(fù)雜且設(shè)備聯(lián)動(dòng)性強(qiáng)，HT 通過 “物理流程數(shù)字化重構(gòu)” 技術(shù)，將冷鋸切割至型材拉直的全流程轉(zhuǎn)化為可交互的虛擬動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)了物理產(chǎn)線與虛擬產(chǎn)線的實(shí)時(shí)映射。

工藝流程的數(shù)字化建模

基于產(chǎn)線實(shí)際工序，HT 將鋁型材擠壓流程拆解為 8 個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過動(dòng)畫幀同步與邏輯觸發(fā)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)虛擬流程與物理生產(chǎn)的精準(zhǔn)匹配：

1.冷鋸切割：通過幾何建模還原冷鋸床結(jié)構(gòu)，基于物理切割原理模擬鋸片旋轉(zhuǎn)與鋁錠進(jìn)給動(dòng)作，同時(shí)通過粒子特效模擬切割碎屑，確保虛擬動(dòng)作與冷鋸 “低應(yīng)力、高精準(zhǔn)” 的物理特性一致。

2.鋁錠加熱：針對(duì)工頻加熱爐的加熱邏輯，在虛擬模型中嵌入溫度場(chǎng)可視化模塊 —— 通過顏色漸變（藍(lán)色→紅色）直觀展示鋁錠從常溫到擠壓溫度（約 450-500℃）的升溫過程，多余鋁錠在退錠臺(tái)的暫存邏輯也通過坐標(biāo)定位算法實(shí)時(shí)更新。

3.擠壓成型：根據(jù)擠壓機(jī)物理參數(shù)（如擠壓速度 10-60m/min），在虛擬場(chǎng)景中設(shè)置動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)模塊，當(dāng)用戶調(diào)整擠壓速度時(shí)，虛擬擠壓桿的推進(jìn)速率會(huì)同步變化，并通過力反饋動(dòng)畫（如型材形變曲率）體現(xiàn)擠壓力與速度的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

4.在線淬火：針對(duì) 6 系列鋁合金的風(fēng)冷淬火特性，通過粒子系統(tǒng)模擬氣流運(yùn)動(dòng)，虛擬型材表面的溫度變化（從擠壓余熱到室溫）通過熱成像效果可視化，且冷卻速率與物理淬火工藝參數(shù)嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。

5.中段鋸切：基于實(shí)際切割需求，虛擬中段鋸可根據(jù)預(yù)設(shè)長(zhǎng)度參數(shù)自動(dòng)調(diào)整切割位置，鋸片運(yùn)動(dòng)軌跡與物理設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)完全匹配，確保切割精度的數(shù)字化還原。

6.型材拉直：拉直機(jī)的虛擬模型嚴(yán)格遵循物理設(shè)備的 “多支點(diǎn)矯正” 原理，通過動(dòng)畫展示上 / 下牽引機(jī)的協(xié)作過程，拉直效果通過型材彎曲度的實(shí)時(shí)變化直觀呈現(xiàn)。

設(shè)備狀態(tài)與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化

為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的精細(xì)化管理，HT 通過數(shù)據(jù)接口對(duì)接物理產(chǎn)線的傳感器與控制系統(tǒng)，將設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化信息：

l設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)：構(gòu)建設(shè)備數(shù)字孿生體，實(shí)時(shí)采集工頻加熱爐、擠壓機(jī)、中段鋸等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)（累計(jì)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、上次維保時(shí)間等）。例如，系統(tǒng)可自動(dòng)統(tǒng)計(jì) 27 臺(tái)運(yùn)行設(shè)備、10 臺(tái)待機(jī)設(shè)備的數(shù)量，并通過顏色標(biāo)識(shí)（綠色 = 運(yùn)行、黃色 = 待機(jī)、紅色 = 異常）在 3D 場(chǎng)景中實(shí)時(shí)更新設(shè)備狀態(tài)。

l能耗數(shù)據(jù)可視化：對(duì)接電力、天然氣傳感器，將月度用電量（kWh）、用氣量（m3）等數(shù)據(jù)通過折線圖動(dòng)態(tài)展示。數(shù)據(jù)處理采用前端輕量化計(jì)算，避免占用服務(wù)器資源，確保能耗曲線的實(shí)時(shí)刷新（刷新頻率與傳感器采集頻率一致）。

l報(bào)警機(jī)制實(shí)現(xiàn)：當(dāng)設(shè)備溫度、壓力等參數(shù)超出閾值時(shí)，系統(tǒng)通過 “數(shù)據(jù)觸發(fā) - 視覺響應(yīng)” 機(jī)制，在 3D 場(chǎng)景中高亮異常設(shè)備，并在 2D 面板按時(shí)間倒序排列報(bào)警信息（如 “2023-02-01 工頻加熱爐溫度過高”）。報(bào)警邏輯通過 HT 引擎的事件監(jiān)聽模塊實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)延遲控制在 100ms 以內(nèi)。

視頻融合與遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

為打破虛擬場(chǎng)景與物理現(xiàn)場(chǎng)的信息壁壘，HT 開發(fā)了基于 WebGL 的視頻融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面與 3D 模型的無(wú)縫疊加：

l視頻流接入與渲染：通過 RTSP 協(xié)議對(duì)接現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)z像頭，將 2D 視頻流實(shí)時(shí)融合到 3D 場(chǎng)景的對(duì)應(yīng)位置（如擠壓車間入口、加熱爐區(qū)域）。渲染過程利用 GPU 的并行計(jì)算能力，避免占用 CPU 資源，確保視頻畫面幀率穩(wěn)定在 30fps 以上，解決了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控 “畫面卡頓” 的問題。

l虛實(shí)交互控制：用戶可點(diǎn)擊 3D 場(chǎng)景中的監(jiān)控點(diǎn)位，觸發(fā)視頻畫面的放大、旋轉(zhuǎn)操作；同時(shí)支持 “虛擬場(chǎng)景定位 - 物理攝像頭聯(lián)動(dòng)”，當(dāng)在 3D 場(chǎng)景中選中某設(shè)備時(shí)，對(duì)應(yīng)的物理攝像頭可自動(dòng)轉(zhuǎn)向目標(biāo)區(qū)域，實(shí)現(xiàn) “虛擬指引 - 物理監(jiān)控” 的閉環(huán)。

技術(shù)價(jià)值與應(yīng)用拓展

基于 HT 引擎的鋁型材擠壓車間數(shù)字孿生系統(tǒng)，通過 “無(wú)插件、輕量化、高逼真” 的技術(shù)特性，為工業(yè)產(chǎn)線數(shù)字化提供了可復(fù)用的技術(shù)框架：

l開發(fā)效率提升：HT 引擎的 API 接口簡(jiǎn)潔易用，傳統(tǒng) Web 開發(fā)人員無(wú)需掌握專業(yè)工業(yè)軟件知識(shí)，即可完成三維場(chǎng)景搭建與數(shù)據(jù)對(duì)接，較傳統(tǒng)工業(yè)可視化方案開發(fā)周期縮短 60% 以上。

l運(yùn)維成本降低：B/S 架構(gòu)與跨平臺(tái)特性，使企業(yè)無(wú)需購(gòu)置專用終端設(shè)備，通過現(xiàn)有瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，硬件投入成本降低 40%；同時(shí)，設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)預(yù)警減少了非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，運(yùn)維效率提升 30%。

l技術(shù)擴(kuò)展性：該技術(shù)框架可直接復(fù)用于其他工業(yè)場(chǎng)景（如汽車制造、鋼鐵冶煉），通過替換模型資產(chǎn)與數(shù)據(jù)接口，快速構(gòu)建新場(chǎng)景的數(shù)字孿生系統(tǒng)，體現(xiàn)了 HT 引擎的泛用性與可擴(kuò)展性。

未來(lái)，基于 HT 引擎的數(shù)字孿生技術(shù)將進(jìn)一步深化與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）、人工智能（AI）的融合，通過設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的持續(xù)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線故障的預(yù)測(cè)性維護(hù)，推動(dòng)鋁型材擠壓車間從 “可視化管理” 向 “智能化決策” 升級(jí)，為智慧工業(yè)的發(fā)展提供更堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

審核編輯 黃宇