数字孪生

利用物理模型、传感器数据、历史数据等在虚拟空间中完成映射，反映相对应实体装备的全生命周期过程。

1、开发工具.NET或者Unity

  • Windows 使用WPF (windows Present Framework)
  • macOS/linux使用maui (multi platform application UI)是WPF的扩展
  • 安装maui
    • dotnet workload install maui

2、通信仿真

3、创建项目

  • 创建解决方案（一个解决方案下可以有多个项目）

dotnet new sln -n 解决方案名

  • 创建maui项目

dotnet new maui -n 项目名

  • 配置task.json和launch.json 配置时参考命令

  • task.json

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{
	"version": "2.0.0",
	"tasks": [
		{
			"label": "build maui-ios",
			"command": "dotnet",
			"type": "shell",
			"args": [
				"build",
				"-t:Build",//target
				// "-p:Configuration=Debug",//Property
				"-c", "Debug",//configuration 和上边的等价
				"-f", "net10.0-ios", //framework
				"-r", "iossimulator-arm64",//runtime 运行时架构,ios模拟器设备
				// "--runtime", "ios-arm64",
				// "-p:MauiTargetProject=${workspaceFolder}/FirstProject/FirstProject.csproj", //项目配置文件，指定 MAUI 目标项目文件路径
				// "-p:XamlTools=/Users/liuchuanxi/.vscode/extensions/ms-dotnettools.csharp-2.110.4-darwin-arm64/.xamlTools",//指定 C# 扩展提供的 XAML 工具路径
				// "-p:EnableDiagnostics=True", //启用诊断功能
				// "-p:EnableMauiXamlDiagnostics=True",
				"${workspaceFolder}/FirstProject/FirstProject.csproj"//要构建的项目文件完整路径
			],
			"problemMatcher": "$msCompile"
		},
		{
			"label": "build maui-mac",
			"command": "dotnet",
			"type": "shell",
			"args": [
				"build",
				"-t:Build",//target
				// "-p:Configuration=Debug",//Property
				"-c", "Debug",//configuration 和上边的等价
				"-f", "net10.0-maccatalyst", //framework
				"-r", "maccatalyst-arm64",//runtime 运行时架构
				// "-p:MauiTargetProject=${workspaceFolder}/FirstProject/FirstProject.csproj", //项目配置文件，指定 MAUI 目标项目文件路径
				// "-p:XamlTools=/Users/liuchuanxi/.vscode/extensions/ms-dotnettools.csharp-2.110.4-darwin-arm64/.xamlTools",//指定 C# 扩展提供的 XAML 工具路径
				// "-p:EnableDiagnostics=True", //启用诊断功能
				// "-p:EnableMauiXamlDiagnostics=True",
				"${workspaceFolder}/FirstProject/FirstProject.csproj"//要构建的项目文件完整路径
			],
			"problemMatcher": "$msCompile"
		},
		// {
		// 	"label": "build Lesson-snl",
		// 	"command": "dotnet",
		// 	"type": "shell",
		// 	"args": [
		// 		"build",
		// 		"${workspaceRoot}/CSharp-Lesson.slnx"
		// 	],
		// 	"problemMatcher": "$msCompile"
		// }
	]
}
  • launch.json
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{
    // 使用 IntelliSense 了解相关属性。 
    // 悬停以查看现有属性的描述。
    // 欲了解更多信息，请访问: https://go.microsoft.com/fwlink/?linkid=830387
    "version": "0.2.0",
    "configurations": [
        {
            "name": "Run iOS Simulator",
            "type": "coreclr",
            "request": "launch",
            "preLaunchTask": "build maui-ios",
            "program": "dotnet",
            "args": [
                "build",
                "-t:run", //运行，需要提前构建项目
                // "--project",
                // "${workspaceFolder}/FirstProject/FirstProject.csproj", //不使用--project开关
                "--framework",
                "net10.0-ios",
                // "-p:RuntimeIdentifier=ios-arm64",
                "-r", "iossimulator-arm64",//此处要和task构建的运行时架构一致否则报错
                "-p:_DeviceName=:v2:udid=6E2F2C58-D041-4097-BF2E-791E169DC1B9"//模拟器udid, 通过xcode->windows->simulor查udid
            ],
            "cwd": "${workspaceFolder}",
            "console": "integratedTerminal"
        },
        {
            "name": "Run Mac Catalyst",
            "type": "coreclr",
            "request": "launch",
            "preLaunchTask": "build maui-mac",
            "program": "dotnet",
            "args": [
                "run", //一键式构建+运行
                "--project",
                "${workspaceFolder}/FirstProject/FirstProject.csproj",
                "--framework",
                "net10.0-maccatalyst",
                "--runtime",
                "maccatalyst-arm64"
            ],
            "cwd": "${workspaceFolder}",
            "console": "integratedTerminal"
        }
        // {
        //     "name": "iOS Simulator",
        //     "type": "dotnet-maui",
        //     "request": "launch",
        //     "project": "${workspaceFolder}/FirstProject/FirstProject.csproj",
        //     "target": "ios-simulator",
        //     "framework": "net10.0-ios",
        //     "runtimeIdentifier": "iossimulator-arm64",
        //     "preLaunchTask": "build maui-ios"
        // },
        // {
        //     "name": "Mac Catalyst",
        //     "type": "dotnet-maui",
        //     "request": "launch",
        //     "project": "${workspaceFolder}/FirstProject/FirstProject.csproj",
        //     "target": "maccatalyst",
        //     "framework": "net10.0-maccatalyst",
        //     "runtimeIdentifier": "maccatalyst-arm64",
        //     "preLaunchTask": "build maui-mac"
        // }
    ]
}

  • 常用命令

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    dotnet workload install <工作负荷> --version 10.0.1 #安装平台应用
    dotnet workload uninstall <工作负荷> #卸载平台应用
    dotnet workload search #查询可用平台应用
    dotnet workload list #已安装的平台
    dotnet --info #dotnet信息
    dotnet new globaljson --sdk-version 10.0.100 --force #切换dotnet版本

4、vscode创建项目

5、（1）创建项目时要联网，否则一些依赖配置无法下载

​ （2）运行环境macos系统是15+，.Net10+, Xcode 26+

​ (3) 各类型项目（例如maui）sdk的版本要和dotnet sdk版本一致否则报错

​ （4）MAUI 采用‌原生控件渲染‌，直接利用平台特定的 UI 组件（如 Android 的 Android.Views 或 iOS 的 UIKit），从而实现接近原生的性能和外观，但需为每个平台编写或适配特定代码；而 MAUI Blazor 将 Blazor（一种基于 Web 技术的框架）集成到 MAUI 中，使用‌HTML/CSS/JavaScript 渲染 UI‌，通过 WebView 在原生外壳中显示内容，使 UI 保持跨平台一致性，但可能引入 Web 技术的性能开销。‌

工程项目讲解

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  • App.xaml

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  • MainPage.xaml主窗口

3D空间

  • 概念：坐标系，点线面，三角顶点网格，材质（贴图），光源，相机
  • 模型结构：MeshGemetry3D, Positions, TriangleIndices, Material
  • 相机：透视相机、正交相机
  • 光源：环境光、平行光、点光源、聚光灯
  • 对象容器：ViewPort3D

Unity数字孪生

数字孪生：数字化方式拷贝工厂的物理对象，模拟对象在现实场景中的行为，提高研发效率提前预判错误可能，节约生产成本。

  • 设备同步：以生产线为基础搭建一套虚拟生产线，对生产线上的设备3D建模并放置到虚拟场景中，实现真实和虚拟生产线一一对应
  • 数据同步：生产线设备通过PLC驱动实现既定动作，采集PLC数据驱动虚拟环境下设备模型实现同样既定动作，实现真实和虚拟设备实时联动

数字孪生需要哪些技术

  1. 建模：物理世界模型化
    • 几何模型（壳子）
    • 本构关系模型，物理规律
    • 流程模型
    • 逻辑模型
  2. 物联网技术：将离线模型与真实数据连接，将真实的设备状态上传到模型，操作模型的指令下达到真实设备
  3. 仿真模拟（核心）：建模和仿真是一对孪生体，建模是对物理世界的理解，仿真则是模型验证理解的内容是否符合物理世界，对已有规律的理解
  4. 机器学习：对未知规律的预测
  5. 云计算、大数据、多源数据融合

数字孪生软件介绍

  • 数字孪生~={green}平台=~软件: 解决数字孤岛问题，通过统一数据源来实现，数据格式是什么实现数据互通
    *
  • 数字孪生~={green}建模=~软件：在计算机上更加直观的了解我们的模拟对象
    • 三维GIS（Esri,Skyline）
  • 数字孪生~={green}仿真=~软件：将确定的规律和完整的机理转化成软件的方式来模拟物理世界

vscode .NET环境

  1. 安装：.NET Core SDK, .NET Core Runtime, Visual Studio Code, C# for Visual Studio Code
  2. 安装WPF项目模版：dotnet new install Microsoft.DotNet.Wpf.ProjectTemplates
  3. 创建WPF项目：dotnet new wpf -n <ProjectName>
  4. VScode打开WPF项目
  5. 运行项目：dotnet run
  6. C#和XAML开发
    技术要点：
  • WPF布局（只能在windows中）
  • 界面处理
  • 图表控件
  • 3D模型
  • 3D交互：告警
  • 设备通信：数据和控制命令

创建项目

  • visual studio WPF应用程序对应.NET Core, 项目名、解决方案名
  • 入口程序App.xaml中StartupUri="MainWindow.xaml"指向资源MainWindow.xaml

WPF框架3D支持

  • 坐标系、点线面、三角顶点网格、材质、光源、相机
  • 模型结构：MeshGeometry3D, Positions, TriangleIndices, Material
  • 相机：环境光、平行光、点光源、聚光灯
  • 对象容器：ViewPort3D:放置3D对象,是所有对象的根结点，放所有模型、相机、光源等对象
    MainWindow.xaml文件
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<Window x:Class="Factory_demo_v1.MainWindow"

        xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"

        xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"

        xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008"

        xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006"

        xmlns:local="clr-namespace:Factory_demo_v1"

        mc:Ignorable="d"

        Title="MainWindow" Height="450" Width="800">

    <Viewport3D>

        <!--相机观察-->

        <Viewport3D.Camera>

            <!-- 相机坐标、朝向、相机开关方向 视场大小 -->

            <PerspectiveCamera Position="10,10,10" LookDirection="-10,-10,-10" FieldOfView="30"/>

        </Viewport3D.Camera>

        <!-- 当前是黑色因为没有光源 -->

        <!--模型-->

        <ModelUIElement3D>

            <ModelUIElement3D.Model>

                <GeometryModel3D>

                    <!-- 模型顶点与面 -->

                    <GeometryModel3D.Geometry>

                        <!-- Positions几何顶点，TriangleIndices几何上显示的三角面 -->

                        <MeshGeometry3D

                            Positions="

                               0,0,0 0,0,-2 3,1,-2 3,1,0

                                3,0,0 3,0,-2 0,1,-2 0,1,0

                            "

                            TriangleIndices="

                                0,4,7 4,3,7

                                7,3,6 6,3,2

                            "  

                        />  

                        <!-- 三角面中顶点顺序决定方向 当前看不到几何 -->

                    </GeometryModel3D.Geometry>

                    <!-- 表面材质 -->

                    <GeometryModel3D.Material>

                        <DiffuseMaterial Brush="Orange"/>

                    </GeometryModel3D.Material>

                </GeometryModel3D>

            </ModelUIElement3D.Model>

        </ModelUIElement3D>

  

        <!--不同模型才能设置不同颜色-->

        <ModelUIElement3D>

            <ModelUIElement3D.Model>

                <GeometryModel3D>

                    <!-- 模型顶点与面 -->

                    <GeometryModel3D.Geometry>

                        <!-- Positions几何顶点，TriangleIndices几何上显示的三角面 -->

                        <!--(x右下【左右】,y上[上下],z左下【前后】)-->

                        <MeshGeometry3D

                            Positions="

                               0,0,0 0,0,-2 3,1,-2 3,1,0

                                3,0,0 3,0,-2 0,1,-2 0,1,0

                            "

                            TriangleIndices="

                                3,4,2 2,4,5

  

                            "  

                        />  

                        <!-- 三角面中顶点顺序决定方向 当前看不到几何 -->

                    </GeometryModel3D.Geometry>

                    <!-- 表面材质 -->

                    <GeometryModel3D.Material>

                        <DiffuseMaterial Brush="Green"/>

                    </GeometryModel3D.Material>

                </GeometryModel3D>

            </ModelUIElement3D.Model>

        </ModelUIElement3D>

        <!-- <ModelVisual3D>

            <ModelVisual3D.Content>

                <GeometryModel3D>

                </GeometryModel3D>

            </ModelVisual3D.Content>

        </ModelVisual3D> -->

        <!--光源-->

        <ModelVisual3D>

            <ModelVisual3D.Content>

                <AmbientLight Color="White"/>

            </ModelVisual3D.Content>

        </ModelVisual3D>

  

    </Viewport3D>

</Window>

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复杂模型搭建过程

  • 方法一：使用C#代码来计算出规则的表面点位置，以及组织面域
  • 方法二：使用专业建模工具，比如SolidWorks，3DMax，Blender，UE，AutoCAD等等，建模后导出特定格式，再将这特定格式的模型加载到WPF程序里

C#代码

partial 的作用是：允许同一个类 MainWindow 的代码分散写在多个文件中，编译时再合并成一个完整的类。
你的 MainWindow 实际上由两部分组成: 1) 自己写的 MainWindow.xaml.cs;2)MainWindow.xaml,WPF 会根据 XAML 自动生成另一部分 MainWindow 类
InitializeComponent()加载并初始化 MainWindow.xaml 中定义的界面，把 XAML 中的控件真正创建出来，并与 MainWindow.xaml.cs 连接起来。


仿照xaml的标签写C#代码，每个标签对应一个类，标签属性对应该类下的属性

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using System.Text;

using System.Windows;

using System.Windows.Controls;

using System.Windows.Data;

using System.Windows.Documents;

using System.Windows.Input;

using System.Windows.Media;

using System.Windows.Media.Imaging;

using System.Windows.Media.Media3D;

using System.Windows.Navigation;

using System.Windows.Shapes;

  

namespace Factory_demo_v1;

  

/// <summary>

/// Interaction logic for MainWindow.xaml

/// </summary>

public partial class MainWindow : Window

{

    public MainWindow()

    {

        InitializeComponent();

    }

    private void GeometryCreate()

    {

        ModelUIElement3D modelUIElement3D = new ModelUIElement3D();

        GeometryModel3D model3D = new GeometryModel3D();

        modelUIElement3D.Model = model3D;

        MeshGeometry3D mesh = new MeshGeometry3D();

        model3D.Geometry = mesh;

        DiffuseMaterial material = new DiffuseMaterial();

        model3D.Material = material;

    }

}

Unreal Engine数字孪生