五百米口径球面射电望远镜（FAST）数字孪生模型的创建与应用

摘 要
五百米口径球面射电望远镜(Five-Hundred-Meter Aperture Spherical Radio Telescope，简称FAST)，于2016年在中国贵州落成启用，超过美国阿雷西博望远镜，成为世界上最大的射电望远镜。

FAST地处偏远山区，为避免电磁污染，不便实地观看。

并且FAST结构复杂，运行维护精度高、工作量大且维护周期长。

阿雷西博望远镜因运营管理单位的变化和缺乏资金等问题，年久失修而面临被关闭的风险。

如何避免我国FAST望远镜遭遇同样的困境，促进FAST工程信息得到有效传承与保护，满足长期运行管理和维护的需要，成为亟待解决的问题。

近年来许多国家推出制造业转型战略，数字孪生技术作为实现物理和信息世界交互融合的关键技术成为研究热点。

为了推动FAST科普教育及成果推广，保护FAST设施信息传承以及辅助FAST使用维护及发展规划，本文在分析FAST 六大组成系统的基础上，对FAST主动反射面系统和馈源支撑系统进行了数字孪生模型的创建及可视化，并探讨了它的应用方面。

FAST主动反射面主要由反射面单元面板、反射面单元背架、索网、圈梁、格构柱和促动器组成。

FAST馈源支撑系统主要由馈源舱、舱停靠平台、馈源支撑塔和索驱动构成。

本文采用的开发环境为中标麒麟国产操作系统，利用Blender三维开源工具，结合Python编程语言，对FAST这两大系统进行了手工三维建模和代码自动建模。

代码建模是将物理模型抽象为几何模型，分析数学关系，再利用编程实现建模，能够提高建模效率和精度。

最后将各部分模型集成整合，利用Blender游戏引擎对FAST数字孪生模型进行虚拟漫游可视化，并提出了其模型在科普教育、信息传承与保护和数字孪生工业智造方面的应用。

通过以上研究，基于中标麒麟国产操作系统，利用Blender软件，结合Python 代码自动创建FAST数字孪生模型，为复杂结构模型的三维创建在技术和理论层面提供了一种快速有效的方法。

将数字孪生技术应用于大型科研设施的科普推广、信息传承保护和使用维护中，对数字孪生技术的应用发展提供了参考。

关键词：FAST；数字孪生；三维建模；Blender；Python
Abstract
Five-Hundred-Meter Aperture Spherical Radio Telescope, called FAST for short, was completed and put into operation in 2016 in Guizhou, China, surpassing the Arecibo telescope of the United States to become the largest radio telescope in the world. In order to avoid electromagnetic pollution, FAST project is located in a remote mountainous area, which is inconvenient to visit the site. The structure of FAST is complex, with high operation and maintenance accuracy, large workload and long maintenance cycle. Arecibo Telescope is at risk of being shut down, because it has fallen into disrepair due to changes in management and lack of funds. How to avoid the same dilemma, promote the effective inheritance and protection of FAST equipment information, and meet the needs of long term operation management and maintenance has become an urgent problem to be solved.
In recent years, many countries have launched manufacturing transformation strategies, and digital twinning technology has become a research hotspot as a key technology to realize the interaction and fusion between the physical and information world. In order to promote the popularization of FAST science education and achievements, protect the inheritance of FAST facility information, and assist FAST in the use, maintenance and development planning of FAST, this paper analyzes the six components of FAST system, creates and visualizes the digital twin model of FAST active reflector system and feed support system, and discusses its application. The active reflector system of FAST is mainly composed of reflecting element, steel cable, perimeter beam, lattice column and actuator. FAST feed cabin suspension system is mainly composed of feed cabin, cabin docking platform, feed support tower and cable drive. The development environment adopted in this paper is NeoKylin domestic operating system, and the 3d manual modeling and automatic code modeling are carried out for these two systems by using Blender 3d open source tools combined with Python programming language. Code modeling abstracts the physical model into the geometric model, analyzes the mathematical relationship, and realizes the modeling by
programming, which can improve the modeling efficiency and accuracy. Finally, this paper integrates all models of FAST, visualizes FAST digital twin model through Blender game engine, and puts forward its application in popular science education, information inheritance and protection, and digital twin industrial intelligence.
Through the above research, based on NeoKylin domestic operating system, FAST digital twin model is automatically created by Blender software and Python code, which provides a quick and effective method for 3d modeling of complex structures in both technical and theoretical aspects.The application of digital twin technology in the popularization of science, information inheritance, protection and maintenance of large-scale scientific research facilities provides a reference for the application and development of digital twinning technology.
Key words: FAST; Digital Twin; 3D modeling; Blender; Python
目 录
第一章绪论 (1)
1.1 研究背景及意义 (1)
1.1.1 研究背景 (1)
1.1.2 研究意义 (2)
1.2 国内外研究现状 (3)
1.2.1 数字孪生技术研究现状 (3)
1.2.2 三维建模技术研究现状 (4)
1.3 论文组织结构 (5)
第二章相关概念技术及开发环境 (6)
2.1 FAST工程概况 (6)
2.2 三维建模技术 (7)
2.3 中标麒麟国产操作系统 (8)
2.4 Blender三维开源工具 (9)
2.5 算法实现方法 (10)
2.5.1 Python编程语言 (10)
2.5.2 Blender与Python的交互 (10)
2.6 本章小结 (11)
第三章FAST主动反射面系统三维建模 (12)
3.1 反射面单元三维建模 (12)
3.1.1 反射面单元结构分析 (12)
3.1.2 反射面单元面板模型的创建 (15)
3.1.3 反射面单元背架模型的创建 (18)
3.2 索网三维建模 (23)
3.2.1 索网结构分析 (23)
3.2.2 索网模型的创建 (25)
3.3 圈梁三维建模 (27)
3.3.1 圈梁结构分析 (27)
3.3.2 圈梁模型的创建 (28)
3.4 格构柱三维建模 (31)
3.4.1 格构柱结构分析 (31)
3.4.2 格构柱模型的创建 (32)
3.5 促动器三维建模 (35)
3.6 本章小结 (36)
第四章FAST馈源支撑系统三维建模 (37)
4.1 馈源舱三维建模 (37)
4.1.1 馈源舱结构分析 (37)
4.1.2 馈源舱模型的创建 (38)
4.2 舱停靠平台三维建模 (39)
4.2.1 舱停靠平台结构分析 (39)
4.2.2 舱停靠平台模型的创建 (40)
4.3 馈源支撑塔三维建模 (41)
4.3.1 馈源支撑塔结构分析 (41)
4.3.2 馈源支撑塔模型的创建 (43)
4.4 索驱动三维建模 (45)
4.4.1 索驱动结构分析 (45)
4.4.2 索驱动模型的创建 (45)
4.5 本章小结 (47)
第五章FAST数字孪生模型的应用 (48)
5.1 FAST数字孪生模型的集成 (48)
5.2 FAST数字孪生模型可视化 (50)
5.3 FAST数字孪生模型应用方案 (53)
5.3.1 FAST天文科普及成果推广 (53)
5.3.2 大型科研设施信息保护与传承 (54)
5.3.3 FAST数字孪生工业智造 (55)
5.4 本章小结 (55)
第六章总结与展望 (56)
6.1 研究结论 (56)
6.2 研究展望 (57)
参考文献 (58)
致谢 (62)
附录 (63)
个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文 (66)
第一章 绪 论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
射电天文学作为天文学科的重要分支之一，取得了20世纪天文学的“四大发现”：脉冲星、类星体、3k宇宙微波背景辐射和星际分子，丰富了人们对宇宙的认知并且成就了6项诺贝尔物理学奖，这些重大发现的背后离不开射电望远镜的贡献。

大型射电望远镜是观测和研究天体无线电波的基本设备，具有探测微弱天体和观测更广阔的宇宙的能力。

1994年天文学家南仁东提出在贵州省喀斯特地形建造五百米口径球面射电望远镜FAST[1]的工程方案，以期推动中国天文学的发展。

FAST的外观模型如图1-1所示，历经22年，于2016年落成启用，2020年通过国家验收运行。

FAST建成后，超越美国口径305米的阿雷西博望远镜，成为世界上最大的射电望远镜[2]。

截至2019年，FAST发现了132颗优秀的候选脉冲星，其中93颗是新发现的脉冲星。

图1-1 五百米口径球面射电望远镜FAST示意图
美国阿雷西博望远镜自1963年建造成功以来，在太阳系天体研究、脉冲星等方面贡献卓著。

但近些年来，阿雷西博几经易主，缺乏研究经费的支持，面临
关闭的风险。

2017年，飓风玛丽亚导致阿雷西博望远镜天线断裂，并砸坏了主反射面，需要高达1 430万美元的费用维修，进一步给阿雷西博的未来蒙上了阴影[3]。

阿雷西博望远镜已经57岁了，曾经风光无限，如今饱经风雨、年久失修，远远望去犹如大型垃圾场，令人唏嘘不已。

FAST的项目地处偏远的山地，而且为了避免电磁污染，不便实地考察观看。

并且FAST覆盖面积大，工程结构复杂，运行维护精度高、工作量大而且维护周期长[4]。

2016年FAST接力阿雷西博成为世界第一大望远镜，阿雷西博的困境不得不引起对大型科研设施保护的注意。

如何避免我国FAST遭遇同样问题，促进FAST设施的信息得到有效保护和长远发展，方便FAST信息科普推广，是亟待解决的问题。

近年来，以人工智能、云计算、物联网、虚拟/增强/混合现实等为代表的信息技术飞速发展，促进了其与制造业的融合应用，各国纷纷将研究焦点转向智能制造[5]，并发起了制造业转型升级战略，如德国“工业4.0”、美国“工业互联网”和“中国制造2025”。

在这场浪潮中，数字孪生技术作为融合物理世界与信息世界的关键技术，引起了广泛研究[6]。

美国Gartner公司在2016至2017年将数字孪生技术列入年度十大战略技术趋势之一，认为它具有巨大颠覆性潜力。

2017年，数字孪生技术被LMT公司列为未来国防及航天工业的六大技术之首。

2017年，中国科协智能制造学术联合体在世界智能制造大会上将数字孪生技术列为世界智能制造十大科技进步之一[7]。

借助数字孪生技术，可以在信息化平台内了解物理实体的状态并对其进行控制，搭建起了物理世界与信息世界沟通的桥梁[8]。

数字孪生技术面向产品的生命全周期，将物理信息与数字信息联合，可以提供更智能高效的服务。

因此本文提出将数字孪生技术应用到FAST设施信息的数字化建设中。

数字孪生技术为FAST的信息传承与保护提供了新的途径，这是大型科研设施保护工作的福音，也是数字孪生技术的创新应用。

1.1.2 研究意义
FAST被誉为“中国天眼”，也是第一批全国中小学生研学实践教育基地。

然而FAST位于贵州省平塘县的喀斯特山地中，地处偏僻，而且为了避免电磁污染，不允许携带通信设备进入观测区内，非常不便。

为抓住这个历史的机遇，将数字孪生技术应用于天文科普建设，搭建FAST的数字孪生模型，提供FAST设施最直观的表现形式，可以方便大众熟悉FAST内部构造，对FAST信息的访问，让
更多的人对整个FAST工程有清晰的认识。

基于FAST数字孪生模型，普及天文知识，提高民众的科学素养，对于广大群众尤其是青少年群体十分必要。

此外，借助现代信息技术，使FAST物理实体资源被数字化，创建数字孪生模型以形成数字空间，将可朽坏物质资源变为不朽的信息资源，可以有效的长期保存与传承FAST的信息。

同时，将数字孪生技术应用到FAST的数字化建设中，可以面向FAST设施信息的保护、开发与利用的生命周期全过程，充分挖掘和利用FAST数字信息，这可以用来辅助解决FAST使用维护及发展规划中的一些问题，基于模型仿真从而寻找更好的解决方案，如健康状态检测和设备故障的预测分析等，促进FAST的建设发展，满足FAST的数字化管理需求。

1.2 国内外研究现状
1.2.1 数字孪生技术研究现状
数字孪生，又称为数字映射。

最早将“孪生”概念引入制造领域的是美国航空航天局NASA，在当时的阿波罗项目中，制造了两架一模一样的飞行器，放置在实验室的飞行器被称为孪生体，通过仿真实验和数据分析，以此来监控实际飞行器的状态[9]。

2003年，Michael Grieves教授在密歇根大学的课堂上指出数字复制品能够抽象地代表真实物体，而且基于此复制品能够模拟真实物体，这个概念被认为是数字孪生的雏形[10]。

2011年，为了解决飞行器健康与保障问题，美国空军实验室明确提出了数字孪生的概念，并提出了数字孪生技术中的主要技术挑战[11]。

在逐渐成熟的概念和框架的基础之上，数字孪生技术得到了国内外企业和学者的研究重视，取得了迅速发展。

在国外相关研究中，达索公司构建了数字孪生3D体验平台，通过用户反馈的信息，对产品模型不断进行调整，最后反馈到物理实体的设计改进中[12]。

西门子提出了一种生产系统模型，该模型集成了制造过程，基于模型和自动化技术形成了虚拟企业和企业镜像，并已成功应用于其工业设备Nanobox PC的生产过程中。

利用数字孪生技术，美国电气公司实现了对发动机的实时监控和检查维护[13]。

2015年，Rios[14]等人发表了数字孪生技术在制造业的研究报告，为其在行业中的应用奠定了理论基础，并阐述了数字孪生建模的基本流程。

2016年，Schroeder GN[15]提出对工业组件进行建模和模拟，证明提出的模型对于不同系统之间的数
据交换是可行的。

2017年，Schleich B[16]等人提出了数字孪生参考模型，处理了数字孪生模型在产品生命周期中的表示和应用问题，提升了产品性能，加快了产品上市。

在国内相关研究中，2016年，面对物联网制造车间，Wang Junqiang[17]等基于工件和机器的主观能动性提出了一种主动调度模型，探讨了主动调度的交互体系、响应机制、运作模式和互调度行为。

2017年，庄存波[18]等人系统地论述了产品数字孪生体的内涵，建立了产品数字孪生体的体系结构，并详细阐述了产品数字孪生体在全生命周期各阶段的实施途径。

2018年，陶飞[19]等提出了数字孪生车间概念，基于数字孪生五维结构模型，提出了6条数字孪生驱动应用准则，并探索了数字孪生在应用中的关键问题。

2018年，陈振[20]在组装飞机零件时使用了数字孪生技术，并提出了一种新的生产控制模式。

数字孪生技术在国外发展迅猛，并且成功应用到了一些企业的实际生产中。

而国内数字孪生起步较晚，实际应用较少，近几年才出现些许理论研究案例，推动了我国数字孪生技术的发展[21]。

1.2.2 三维建模技术研究现状
为了在信息平台内模拟真实环境中的人和物体的行为，需要借助三维建模技术来实现。

物理实体的三维建模就是描述目标对象在三维信息空间中的形状、纹理、照明和运动等信息以实现三维再现的过程[22]。

建模首先涉及模型的数据，由于现实世界的复杂性，模型数据也各种各样。

而从数据源来看，模型数据主要有实测、数学生成和人工构造三种[23]。

针对需要建模物体的不同方面，可将三维建模分为几何建模、物理建模和行为建模等。

几何建模技术发展较早，已经非常成熟，根据数据驱动的三维建模技术成为当下研究热点。

比如基于特征结构保持的三维建模[24]、基于图像数据的人体服装和室内场景演化生成等[25]。

伴随着多核图像处理器的发展，基于物理实体的自动化模拟成为研究热点，朝着更复杂规模、更精细的实时模拟发展。

人脸表情识别模拟、虚拟物体智能行为等，涉及人工智能和生物学等多学科交叉领域，成为重要的研究方向[26]。

目前三维建模技术问题集中在几何建模与物理建模上。

如何建立拓扑结构可变的物理模型，甚至创建具有自我演化能力的智能模型成为需要解决的关键问题。

另外，随着海量复杂数据的不断生成，如何实时精准采集数据并自动高效地建模，保持虚拟物体与物理实体的状态同步，是需要研究的
问题。

三维模型最早应用于三维动画，现在已经推广到很多领域[27]。

在游戏行业，用于创建游戏模型和仿真动画场景；在影视方面，利用三维模型表现人物动作和虚拟场景；在医疗领域，创建器官三维模型，用于教学、虚拟手术等。

在建筑行业，使用3D景观技术方便用户参观和交互式设计；在工程界，利用三维模型设计创新产品，可视化产品生命周期等。

综上所述，三维建模技术的应用已经逐渐实现普及化，在各种专业的软件和仪器广泛利用的今天，建模的过程逐渐呈现出体系化和精细化的趋势。

通过各种软件协调利用和建模体系的完善提供新型的建模产品，提高建模的效率，这就对建模人员的专业化水平提出了更高要求。

1.3 论文组织结构
论文共分为六章，章节内容组织结构如下：
第一章绪论。

介绍了本文的研究背景和研究意义，分析了数字孪生技术和三维建模技术的国内外研究现状，阐述了论文的组织结构。

第二章相关概念技术及开发环境。

介绍了FAST工程概况和常用的三维建模技术，并介绍了系统开发环境中标麒麟国产操作系统。

最后介绍了Blender三维开源工具及Python编程语言，分析了Blender与Python的交互原理。

第三章FAST主动反射面系统三维建模。

对FAST主动反射面系统的反射面单元、主体支撑结构和促动器结构进行了分析。

并在中标麒麟国产操作系统下，利用Blender软件，结合Python编程语言，完成了其数字孪生模型的创建。

第四章FAST馈源支撑系统三维建模。

对FAST馈源支撑系统的馈源舱、舱停靠平台、索驱动及索支撑塔结构进行了分析。

在Blender平台内，通过几何建模技术，完成了FAST馈源支撑系统数字孪生模型的创建。

第五章FAST数字孪生模型的应用。

整合了FAST数字孪生模型，并利用Blender的游戏渲染引擎，实现FAST模型的虚拟漫游。

分析了FAST数字孪生模型在天文科普、数字保护和工业智造方面的应用。

第六章总结与展望。

归纳论证了文章的主要研究内容，并对FAST数字孪生模型作出了研究展望。

第二章 相关概念技术及开发环境
2.1 FAST工程概况
FAST工程由台址勘察与开挖系统、主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端系统和观测基地建设六个系统[28]组成，如图2-1所示，对每个系统的简要分析如下。

(1) 台址勘察与开挖系统。

对所选地区的水文地形环境等进行考察、对FAST 所占地域的土石挖掘以及设计洼地排水通道等。

(2) 主动反射面系统。

包括索网、反射面、圈梁、格构柱和促动器等装置。

上万根主索构成口径500米的球面网格，由圈梁和格构柱支撑，索网上面铺设反射面单元，下方下拉索与促动器连接，构成主动反射面系统。

(3) 馈源支撑系统。

在FAST周围山势均匀分布6座馈源支撑塔，通过索驱动装置，支撑馈源舱于反射面上方，实现馈源舱空间位置一级调整。

在馈源舱中通过Stewart平台实现二级控制。

馈源舱降落时，可停在反射面中心的舱停靠平台。

(4) 测量与控制系统。

建立由几十个毫米级精度基准站组成的测量基准网、激光跟踪仪和激光跟踪系统等，以实现对馈源舱的实时监控。

(5) 接收机与终端系统。

FAST观测频率为70-3 000 MHz，根据不同频率的波段，设置了7套接收机。

FAST反射面汇集的电磁波经各级接收机处理后，最终传输到实验室终端。

(6) 观测基地建设。

为了方便FAST运行维护和工作人员的日常需要，在基地建设实验室、综合楼和办公楼等建筑。

由于FAST工程浩大，历时弥久而建成，其中主动反射面系统及馈源支撑系统组成了FAST物理实体的最主要部分，本文也主要对这两个系统进行创建了其数字孪生模型。

图2-1 FAST 系统构成示意图（图片来源：FAST 工程）
2.2 三维建模技术
数字孪生落地应用的首要任务是创建应用对象的数字孪生模型。

当前数字孪生模型多沿用Grieves 教授最初定义的三维模型，即物理实体、虚拟实体及二者间的连接。

对FAST 数字孪生模型的创建需要用到三维建模技术，它主要包括几何建模、物理建模与行为建模[29]，对这几个模块的研究如下。

几何建模是建模的最基本形式，它在三维建模中占有十分重要的位置。

几何建模研究需要建模物体的几何信息表示与处理，又分为层次建模和属主建模。

层次建模方法主要以树形结构的形式表达，十分适合用在运动继承关系中。

比如，手臂可表示为由肩关节、大臂、肘关节、小臂和手掌等构成，肘关节转动会带动小臂和手掌，而肩关节的转动又会改变大臂、小臂的位置。

属主建模方法是同一种类物质创建统一属主关系，包括属主模型结构的建立。

当创建一个通用的属主
实例时，将其余对象指针复制即可，每个实例彼此独立，而且其指针变化也是独立的。

为了加强物体表面真实感，对物体的质量、惯性和纹理等物理属性进行描述，需要用到物理建模，它常见的是分形技术和粒子系统。

分形技术用来表示具有自相似特征的数据集，并可用于对具有复杂和不规则结构的对象进行建模。

它最初用于创建山川流水模型，虽然操作简单，但计算量大，只适用于静态原景建模。

粒子系统使用简单的体素来模拟复杂的运动，它由许多被称为粒子的简单体素构成，每个粒子都有位置、速度和寿命等特性，这些特性可以通过随机过程和动力学计算得到。

粒子系统常用于火焰、流水和雨雪等的建模[30]。

除了模型的外观纹理外，行为建模还需要考虑场景中物体的方向移动、形状变化和碰撞扭曲等行为，和同时产生的反应力作用。

例如，将课桌上的书本推到桌子外面，书本不是悬浮在空中，而是落向地面，作自由落体运动。

在建模的过程中要充分考虑行为建模，使物理的运动表现符合客观规律，否则就达不到仿真的效果。

在创建物体的三维模型时，应充分利用几何建模、物理建模及行为建模技术，不仅要构建物体的外表形状，也要考虑其物理特征及行为属性变化，以此达到在计算机环境中逼真模拟物理实体的效果。

2.3 中标麒麟国产操作系统
Windows为现今市场上使用最多的操作系统，然而经常受到病毒攻击，安全性差。

2013年棱镜门和2014年微软XP系统停服事件，引发了人们对信息安全的重视。

为了实现信息安全自主可控，近年来，我国大力发展国产操作系统，公开发布了深度Linux、银河麒麟和中标普华等操作系统，这些系统大多是基于Linux内核开发的[31]。

2010年，中标普华与银河麒麟宣布合并，更名为中标麒麟，专注于安全性和兼容性，成为最优秀的国产操作系统之一，目前已广泛应用到金融、交通、政府等领域。

同Windows操作系统相比，国产的中标麒麟系统具有很多优势[32]：
(1) 系统采用架构不同，运行在Windows上的病毒在中标麒麟上并不适用，所以被攻击的可能性很小。

(2) 中标麒麟基于开源的Linux系统，当系统出现漏洞时可以及时更新补丁，
从而保障系统安全。

(3) 中标麒麟能够分享Linux的生态系统。

大量开源的应用程序能够代替Windows应用程序，并且用户可以针对自己需要自定义调控应用程序。

(4) 中标麒麟系统拥有可靠的多任务管理和设备管理能力，比较少会出现死机崩溃现象。

(5) Linux 系统对硬件需求很低，在硬件配置较低的设备上可以获得较好的性能体验。

FAST作为重大科技基础设施，其相关研发环境需要保证信息安全自主可控。

若基于Windows平台开发，受到病毒攻击和系统受制于人的威胁性大，信息安全性差。

而通过对比，国产操作系统中标麒麟比Windows更具优势，信息安全度高，系统运行更加流畅，因此成为研发国家重大项目的很好选择。

故本文基于此操作系统对FAST数字孪生模型进行创建。

2.4 Blender三维开源工具
三维建模的工具软件有很多，常见的有3dsMax、Maya、SketchUp和SolidWorks等。

经典的三维动画开发工具有Unity3D、Virtools、VRP和Cult3D 等。

本文选取的Blender是集建模与开发为一身的工具，其详细介绍如下。

2002年，Blender公布源代码，成为自由软件。

Blender完全免费，能在官网直接下载，功能强大，可以和3dsMax媲美，它支持建模、动画、渲染和后期处理等功能，并且可以在Linux、Mac OS X和Windows等不同的计算机操作系统上运行。

此外，Blender提供了非常强大的Python API支持，可以通过编辑代码来实现自动建模，并且Blender在BPY库中封装了UI界面的开发代码，用户可以通过Python脚本自定义界面[33]，简化源程序的编写，缩短开发时间，非常方便。

Blender不仅是一个三维动画制作软件，并且自带的虚拟现实开发工具为Blender游戏引擎(Blender Game Engine BGE)，功能强大，可以很好的实现可视化仿真。

它有很强的兼容性与可移植性，集成了实时物理运算和逻辑运算引擎，结合Python提供特定的建模功能与动画效果，可以仿真碰撞、粒子和加速度等，方便开发PC、手机游戏和虚拟展示产品[34]。

由于本文的开发环境为中标麒麟操作系统，Blender凭借其跨平台性、开源。