基于 HT 引擎铝型材挤压车间数字孪生技术实现

在工业数字化转型浪潮中，数字孪生技术成为连接物理世界与虚拟空间的核心纽带。图扑软件（Hightopo）基于自研的 HT 引擎，以 Web 3D 技术为核心，构建了铝型材挤压车间全要素数字孪生系统。该系统无需依赖任何第三方插件，通过轻量化架构、高逼真渲染及多维度数据融合能力，实现了铝型材挤压产线的全流程可视化管理，为智慧工业产线建设提供了技术范本。

核心技术架构与引擎特性

HT 引擎作为系统的技术底座，其自研特性决定了整个数字孪生系统的性能与扩展性。相较于传统工业可视化方案，HT 引擎在技术实现上具备三大核心优势：

l轻量化与跨平台兼容：采用 B/S 架构设计，基于 WebGL 标准开发，无需安装客户端或插件，仅通过浏览器即可在 PC、PAD、智能手机等终端运行。传统 GIS 软件往往依赖厚重的本地部署，而 HT 引擎通过代码优化将三维场景资源压缩至轻量化级别，使传统 Web 开发人员可快速上手，降低了工业数字化的技术门槛。

l高逼真渲染技术：融合 PBR（Physically Based Rendering）物理渲染材质系统，通过对光线反射、材质纹理、环境光遮蔽等物理特性的精确模拟，还原厂区建筑（办公楼、挤压车间、综合厂房）、周边设施（绿植、湖泊、道路、路灯）的真实质感。例如，挤压车间的金属设备表面通过 PBR 材质呈现出符合物理规律的高光与阴影，使虚拟场景与物理厂区的视觉差异趋近于零。

l多维度数据融合能力：支持 Web 2D、3D 与 GIS 技术的无缝融合，既能通过 3D 模型构建宏观厂区场景，又能通过 2D 面板实现数据的精细化展示（如产能柱状图、能耗折线图、设备状态列表）。这种 “3D 场景 + 2D 数据” 的混合模式，解决了工业场景中 “宏观态势” 与 “微观数据” 的可视化割裂问题。

厂区与车间的三维建模技术实现

厂区与车间的数字孪生建模是整个系统的基础，HT 通过 “物理空间数字化映射” 技术，实现了从物理实体到虚拟模型的精准复刻：

l全要素场景还原：基于厂区 CAD 图纸与实地采集数据，通过 Web 3D 技术构建 1:1 比例的虚拟厂区。建模范围覆盖生产核心区（挤压车间、工频加热炉区、退锭台）与辅助设施（办公楼、停车场、篮球场、湖泊），甚至包括绿植的分布密度、路灯的光照角度等细节，均通过参数化建模实现与物理世界的一致性。

l动态交互机制：支持场景的旋转、平移、缩放等基础操作，同时开发了 “第三人称漫游” 功能 —— 通过加载预设动作库（站立、行走、奔跑、跳跃、翻滚），实现虚拟人物在场景中的自由移动。用户可通过 WASD 键控制方向、SHIFT 键加速、SPACE 键跳跃，配合鼠标视角控制，获得类似沉浸式游戏的交互体验，使远程用户能直观 “遍历” 厂区每个角落。

l导航与定位技术：创新设计 “2D+3D” 融合导航图，在页面左上角嵌入基于厂区真实布局的 2D 导航面板，标注办公楼、挤压车间等关键点位。点击点位时，3D 场景视角可实时跳转至目标位置；同时，虚拟人物的位置与朝向会在 2D 导航图中同步更新，解决了大场景下的 “空间定位模糊” 问题。

产线全流程数字化孪生实现

铝型材挤压产线的工艺流程复杂且设备联动性强，HT 通过 “物理流程数字化重构” 技术，将冷锯切割至型材拉直的全流程转化为可交互的虚拟动画，实现了物理产线与虚拟产线的实时映射。

工艺流程的数字化建模

基于产线实际工序，HT 将铝型材挤压流程拆解为 8 个关键环节，通过动画帧同步与逻辑触发机制，实现虚拟流程与物理生产的精准匹配：

1.冷锯切割：通过几何建模还原冷锯床结构，基于物理切割原理模拟锯片旋转与铝锭进给动作，同时通过粒子特效模拟切割碎屑，确保虚拟动作与冷锯 “低应力、高精准” 的物理特性一致。

2.铝锭加热：针对工频加热炉的加热逻辑，在虚拟模型中嵌入温度场可视化模块 —— 通过颜色渐变（蓝色→红色）直观展示铝锭从常温到挤压温度（约 450-500℃）的升温过程，多余铝锭在退锭台的暂存逻辑也通过坐标定位算法实时更新。

3.挤压成型：根据挤压机物理参数（如挤压速度 10-60m/min），在虚拟场景中设置动态参数调节模块，当用户调整挤压速度时，虚拟挤压杆的推进速率会同步变化，并通过力反馈动画（如型材形变曲率）体现挤压力与速度的关联关系。

4.在线淬火：针对 6 系列铝合金的风冷淬火特性，通过粒子系统模拟气流运动，虚拟型材表面的温度变化（从挤压余热到室温）通过热成像效果可视化，且冷却速率与物理淬火工艺参数严格对应。

5.中段锯切：基于实际切割需求，虚拟中段锯可根据预设长度参数自动调整切割位置，锯片运动轨迹与物理设备的机械结构完全匹配，确保切割精度的数字化还原。

6.型材拉直：拉直机的虚拟模型严格遵循物理设备的 “多支点矫正” 原理，通过动画展示上 / 下牵引机的协作过程，拉直效果通过型材弯曲度的实时变化直观呈现。

设备状态与数据的实时可视化

为实现产线的精细化管理，HT 通过数据接口对接物理产线的传感器与控制系统，将设备运行数据转化为可视化信息：

l设备状态监测：构建设备数字孪生体，实时采集工频加热炉、挤压机、中段锯等关键设备的运行参数（累计运行时长、上次维保时间等）。例如，系统可自动统计 27 台运行设备、10 台待机设备的数量，并通过颜色标识（绿色 = 运行、黄色 = 待机、红色 = 异常）在 3D 场景中实时更新设备状态。

l能耗数据可视化：对接电力、天然气传感器，将月度用电量（kWh）、用气量（m?）等数据通过折线图动态展示。数据处理采用前端轻量化计算，避免占用服务器资源，确保能耗曲线的实时刷新（刷新频率与传感器采集频率一致）。

l报警机制实现：当设备温度、压力等参数超出阈值时，系统通过 “数据触发 - 视觉响应” 机制，在 3D 场景中高亮异常设备，并在 2D 面板按时间倒序排列报警信息（如 “2023-02-01 工频加热炉温度过高”）。报警逻辑通过 HT 引擎的事件监听模块实现，响应延迟控制在 100ms 以内。

视频融合与远程监控技术

为打破虚拟场景与物理现场的信息壁垒，HT 开发了基于 WebGL 的视频融合技术，实现了实时监控画面与 3D 模型的无缝叠加：

l视频流接入与渲染：通过 RTSP 协议对接现场监控摄像头，将 2D 视频流实时融合到 3D 场景的对应位置（如挤压车间入口、加热炉区域）。渲染过程利用 GPU 的并行计算能力，避免占用 CPU 资源，确保视频画面帧率稳定在 30fps 以上，解决了传统视频监控 “画面卡顿” 的问题。

l虚实交互控制：用户可点击 3D 场景中的监控点位，触发视频画面的放大、旋转操作；同时支持 “虚拟场景定位 - 物理摄像头联动”，当在 3D 场景中选中某设备时，对应的物理摄像头可自动转向目标区域，实现 “虚拟指引 - 物理监控” 的闭环。

技术价值与应用拓展

基于 HT 引擎的铝型材挤压车间数字孪生系统，通过 “无插件、轻量化、高逼真” 的技术特性，为工业产线数字化提供了可复用的技术框架：

l开发效率提升：HT 引擎的 API 接口简洁易用，传统 Web 开发人员无需掌握专业工业软件知识，即可完成三维场景搭建与数据对接，较传统工业可视化方案开发周期缩短 60% 以上。

l运维成本降低：B/S 架构与跨平台特性，使企业无需购置专用终端设备，通过现有浏览器即可实现远程监控与管理，硬件投入成本降低 40%；同时，设备状态的实时预警减少了非计划停机时间，运维效率提升 30%。

l技术扩展性：该技术框架可直接复用于其他工业场景（如汽车制造、钢铁冶炼），通过替换模型资产与数据接口，快速构建新场景的数字孪生系统，体现了 HT 引擎的泛用性与可扩展性。

未来，基于 HT 引擎的数字孪生技术将进一步深化与工业物联网（IIoT）、人工智能（AI）的融合，通过设备运行数据的持续训练，实现产线故障的预测性维护，推动铝型材挤压车间从 “可视化管理” 向 “智能化决策” 升级，为智慧工业的发展提供更坚实的技术支撑。

审核编辑 黄宇