CN111950066B - 一种基于bim和gis技术的数字孪生数据驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统，属于数字孪生技术领域，其特征在于，至少包括：数字孪生模型制作单元，建立BIM+GIS模型数据库、制作动作模型数据；数据驱动单元，建立动作模型驱动数据库、数据监控驱动；通过采用上述技术方案，本发明为数字孪生以虚映实过程的实现提供完整解决方案。此方案可应用于铁路工程项目运维阶段，利用数字孪生模型实时检对物理实体的运动状态，为设备设施三维可视化运维管理或数字孪生平台研究提供关键技术支撑。

Description

一种基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统

技术领域

本发明属于数字孪生(Digital Twin)技术领域，具体涉及一种基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统。

背景技术

数字孪生是通过创建与物理实体对应的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据分析，为物理实体增加或扩展新的能力。作为一种充分利用模型、数据、智能分析并集成多学科的技术，数字孪生面向产品全生命周期过程，发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用，提供更加实时、高效、智能的服务。数字孪生包括以虚映实和以虚控实两个过程，其中以虚映实是指物理世界向数字世界的映射，实现以虚映实的关键技术是数字孪生模型制作及数据驱动技术。当前涉及数字孪生以虚映实过程的研究，仅能在虚拟模型上展示物理实体的几何信息和静态属性信息，尚不能将物理实体的实时运动状态映射到虚拟模型上，无法实现数字孪生以虚映实过程。为解决此问题，本发明提出了一种基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统。

发明内容

为解决虚拟模型无法展示物理实体实时运动状态的问题，本发明提出一种基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统，为数字孪生以虚映实过程的实现提供完整解决方案。此方案可应用于铁路工程项目运维阶段，利用数字孪生模型实时检对物理实体的运动状态，为设备设施三维可视化运维管理或数字孪生平台研究提供关键技术支撑。

本发明的目的是提供一种基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统，包括数字孪生模型制作单元和数据驱动单元两部分，其中数字孪生模型制作单元包括BIM+GIS模型数据库的建立和动作模型数据制作，数据驱动单元包括动作模型驱动数据库的建立和数据监控驱动。

数字孪生模型制作流程如下：

(1)BIM+GIS模型数据库建立：

1)根据实际物理实体场景，利用达索3D EXPERIENCE平台，建立实体场景的三维BIM模型，同时在建立模型的同时，定义模型的属性信息，其属性信息包括模型的通用属性信息和专用属性信息；

2)将BIM模型数据以3dxml数据格式导出，然后通过3dxml转UDB插件转换成UDB数据格式，最终以UDB数据导入SuperMap GIS数据源并加载到三维场景中；

3)利用SuperMap GIS软件对UDB数据进行实例化、多细节层次和轻量化处理，实例化处理是针对几何形状相同的模型，抽象其示例，储存在在内存中，减少内存空间的占用。轻量化处理，模型轻量化是根据BIM模型的语义信息，对模型的某些骨架进行删除或者简化，达到通过减少数据量提高渲染效率的目的。最后将经过实例化处理、多细节层次处理和轻量化处理的UDB数据进行切片缓存操作，以文件库的形式保存，完成BIM+GIS模型数据库的建立。

(2)动作模型数据制作：

1)动作模型动画制作及描述信息添加，位移类、刚体类和纹理替换类动作模型在SuperMap GIS软件中对应的模型以DAE格式文件导出，然后导入3D max软件中制作对应的位移动作，刚体动作和纹理贴图，动画制作完成后在描述信息中添加模型ID编号和数据集名称信息；骨骼类模型在3D max软件内创建人员骨骼模型，并制作人员的行走动作和肢体动作等运动。

2)动作模型整合到SuperMap GIS三维场景，在3D max软件中完成动画制作及描述信息添加后,位移类、刚体类和纹理替换类动作模型利用SGM插件导出SGM格式文件,删除SuperMap GIS三维场景中的原UDB数据模型，然后通过在相应SuperMap GIS三维场景新建KML图层，直接添加SGM格式文件到三维场景，实现模型替换；骨骼类模型利用Mesh插件导出Mesh格式文件，同样通过在对应SuperMap GIS三维场景新建KML图层加载Mesh格式文件到三维场景。

3)动作模型动作控制，位移类、刚体类、纹理替换类和骨骼类动作模型导入SuperMap GIS软件后，需根据现场实际情况，进行相应动作控制，如绑定运动路径、定义动作持续时间等。

4)动作模型属性添加，对于位移类、刚体类和纹理替换类动作模型，由于位移类、刚体类和纹理替换类动作模型导出的DAE格式文件是没有属性信息的，为解决此问题，首先将已删除动作模型对应的原UDB数据模型再次导入SuperMap GIS数据源而不加载到三维场景，然后将三维场景中的动作模型描述信息中的模型ID编号和数据集名称与数据源中的UDB数据通过C#开发的属性链接程序建立链接关系，最终实现属性添加。对于骨骼类动作模型，在开展虚实交互过程中，人员属性信息从业务数据库直接读取并以可视化界面显示。

数据驱动流程如下：

(1)动作模型驱动数据库建立

采集现场实时运行数据，并通过开发的数据驱动控制程序规则读取采集的数据，确保采集数据与模型动作具有映射关系，并进行数据存储，从而完成动作模型驱动数据库的创建。

(2)数据监控驱动

开启数据库监控程序，当动作模型驱动数据库的数据发生变化时,数字孪生模型发生相应动作。

本发明具有的优点和积极效果是：

采用上述技术方案，本发明为数字孪生以虚映实过程的实现提供完整解决方案。此方案可应用于铁路工程项目运维阶段，利用数字孪生模型实时检对物理实体的运动状态，为设备设施三维可视化运维管理或数字孪生平台研究提供关键技术支撑。

附图说明

图1为本发明优选实施例的系统框图；

图2为本发明优选实施例的系统创建流程图；

图3为本发明优选实施例中动作模型数据制作的流程图；

图4为本发明优选实施例中动作模型驱动数据库的创建流程图；

图5为本发明优选实施例中数据监控驱动的流程图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1至图5所示，本发明的技术方案为：

一种基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统，目的是实现数字孪生以虚映实过程，数字孪生数据驱动系统构成如图1所示。

数字孪生数据驱动系统包括数字孪生模型制作单元1和数据驱动单元2。数字孪生模型制作单元分为BIM+GIS模型数据库101建立和动作模型数据102制作；数字驱动单元分为动作模型驱动数据库201建立和数据监控驱动202。

图2为BIM+GIS模型数据库的创建流程：

根据实际物理实体场景，利用达索3D EXPERIENCE平台建立三维BIM模型。在软件内定义各个模型的通用属性和专用属性信息，通用属性包括名称、ID编号、生产厂家、联系方式、安装时间、小修周期、大修周期、使用寿命、质保期和相关技术文档等属性信息，专用属性是指物理实体的特有属性信息，如风、水、电接口参数；

将建立的三维BIM模型以3dxml格式文件按照实际需求分区域分专业导出；

将导出的3dxml格式文件通过3dxml转UDB插件转换成UDB格式文件，最终将UDB格式文件导入SuperMap GIS数据源并加载到三维场景。

利用SuperMap GIS软件对模型进行实例化、多细节层次和轻量化处理，实例化处理是针对几何形状相同的模型，抽象其示例，储存在在内存中，减少内存空间的占用，重复模型的渲染通过GPU中对实例进行矩阵变换实现。即GPU首先通过批量化指定绘制函数，对各个实例进行批次渲染，然后将相关实例化对象的特征数据内容传递给GPU，通过平移、缩放、旋转等得到与实例几何形象相同但位置、大小、角度存在差异的构件，避免超百万级构件同时加载，降低GPU等硬件设备的压力；多细节层次技术指根据模型的节点在显示环境中所处的位置和重要体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度，决定物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，从而获得高效率的渲染运算。当三维场景拉近看的时候，模型表现的非常精细，当浏览整个场景的时候，模型只需要以较粗糙的方式显示即可，这样最大程度的优化了资源的占用，提高了整个三维场景的性能；轻量化处理，模型轻量化是根据BIM模型的语义信息，对模型的某些骨架进行删除或者简化，达到通过减少数据量提高渲染效率的目的。

为节省数据库空间和提升效率，提高模型浏览流畅度，将经过实例化处理、多细节层次处理和轻量化处理的UDB数据进行切片缓存操作，以文件库的形式保存，完成BIM+GIS模型数据库的建立。

图3为动作模型数据制作的流程：

根据动作模型类型的不同将动作模型分为：位移类动作模型，刚体类动作模型，纹理替换类动作模型和骨骼类动作模型。位移类动作模型主要为具有线性动作的模型，如动车组运动，电梯设备运动等；刚体类动作模型主要为具有转动动作的模型，如隔离开关开合、电动接地杆开合等；纹理替换类动作模型主要为具有信号指示变化动作的模型，如报警灯、信号指示灯等；骨骼动作模型主要为作业人员动作的模型。

(1)动作模型动画制作及描述信息添加：

位移类、刚体类和纹理替换类动作模型在SuperMap GIS软件中对应的模型以DAE格式文件导出，并将DAE格式文件导入3D max软件，注意DAE格式文件仅包含模型的几何信息，而不包含属性信息；骨骼类模型在3D max软件内创建人员骨骼模型。

在3D max软件中完成不同类型动作模型的动画制作，位移类动作模型主要进行线性动作定义，刚体类动作模型主要进行转动动作定义，纹理替换类动作模型主要进行纹理贴图定义，骨骼类动作模型主要进行人员行走动作和肢体动作定义。

由于导入3D max软件中的DAE格式文件仅包含模型的几何信息，而不包含属性信息，在位移类、刚体类和纹理替换类动作模型描述信息中添加模型ID编号和数据集名称信息。

(2)动作模型整合到SuperMap GIS三维场景：

在3D max软件中完成动画制作及描述信息添加后,位移类、刚体类和纹理替换类动作模型利用SGM插件导出SGM格式文件；骨骼类模型利用Mesh插件导出Mesh格式文件。

对于位移类、刚体类和纹理替换类动作模型，删除SuperMap GIS三维场景中的原UDB数据模型。

在相应SuperMap GIS三维场景新建KML图层，然后直接添加位移类、刚体类和纹理替换类动作模型SGM格式文件到三维场景，实现模型替换；骨骼类模型同样通过在对应SuperMap GIS三维场景新建KML图层加载Mesh格式文件到三维场景。

(3)动作模型动作控制：

根据实际需求，位移类动作模型需要绘制物理实体的运动路径并将模型与此路径建立绑定关系，定义动作持续时间，实现位移动作控制。

根据实际需求，刚体类动作模型设置动作持续时间以控制模型的动作的快慢。

根据实际需求，纹理替换类动作模型修改MESH面的纹理属性以实现信号指示变化。

根据实际需求，骨骼类动作模型需要绘制人员的行走路径并将模型与此路径建立绑定关系，定义动作持续时间，完成人员模型动作快慢的控制。

(4)动作模型属性添加：

对于位移类、刚体类和纹理替换类动作模型，由于位移类、刚体类和纹理替换类模型导出的DAE格式文件是没有属性信息的，为解决此问题，首先将已删除动作模型对应的原UDB数据模型再次导入SuperMap GIS数据源而不加载到三维场景，然后将三维场景中的动作模型描述信息中的模型ID编号和数据集名称与数据源中的UDB数据通过C#开发的属性链接程序建立链接关系，最终实现属性添加。

对于骨骼类动作模型，在开展虚实交互过程中，人员属性信息从业务数据库直接读取并以可视化界面显示，包括人员姓名、年龄、工号等信息。

图4为动作模型驱动数据库的创建流程：

数据采集，包括业务报表数据、系统数据、移动数据、人员数据等。

通过C#和SuperMap iObjects开发组件开发的数据驱动控制程序规则读取采集的数据，确保采集数据与模型动作具有映射关系。

采集数据存储，完成动作模型驱动数据库的创建。

图5为数据监控驱动的流程：

开启数据库监控程序，通过ALTER DATABASE<DatabaseName>SET ENABLE_BROKER；语句让相应的数据库启用监控服务，以便支持SqlDependency特性，当动作模型驱动数据库的数据发生变化时,SqlDependency会自动触发OnChange事件来通知客户端应用程序。

数据库信号变化，且判定为正常信号时，数字孪生模型发生相应动作。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统，其特征在于，至少包括：

数字孪生模型制作单元，建立BIM+GIS模型数据库、制作动作模型数据；

数据驱动单元，建立动作模型驱动数据库、数据监控驱动；

所述数字孪生模型制作单元的制作方法包括如下步骤：

S1、建立BIM和GIS模型数据库；具体为：

S101、根据实际物理实体场景，利用达索3D EXPERIENCE平台，建立实体场景的三维BIM模型，同时定义模型的属性信息；

S102、将BIM模型数据以3dxml数据格式导出，然后通过3dxml转UDB插件转换成UDB数据格式，最终以UDB数据导入SuperMap GIS数据源并加载到三维场景中；

S103、利用SuperMap GIS软件对UDB数据进行实例化、多细节层次和轻量化处理；

S2、制作动作模型数据；具体为：

S201、动作模型动画制作及描述信息添加，位移类、刚体类和纹理替换类动作模型在SuperMap GIS软件中对应的模型以DAE格式文件导出，然后导入3D max软件中制作对应的位移动作，刚体动作和纹理贴图，动画制作完成后在描述信息中添加模型ID编号和数据集名称信息；骨骼类模型在3D max软件内创建人员骨骼模型，并制作人员的行走动作和肢体动作；

S202、动作模型整合到SuperMap GIS三维场景，在3D max软件中完成动画制作及描述信息添加后，位移类、刚体类和纹理替换类动作模型利用SGM插件导出SGM格式文件，删除SuperMap GIS三维场景中的原UDB数据模型，然后通过在相应SuperMap GIS三维场景新建KML图层，直接添加SGM格式文件到三维场景，实现模型替换；骨骼类模型利用Mesh插件导出Mesh格式文件，通过在对应SuperMap GIS三维场景新建KML图层加载Mesh格式文件到三维场景；

S203、动作模型动作控制，位移类、刚体类、纹理替换类和骨骼类动作模型导入SuperMap GIS软件后，根据实际需求，位移类动作模型需要绘制物理实体的运动路径并将模型与此路径建立绑定关系，定义动作持续时间，实现位移动作控制；或根据实际需求，刚体类动作模型设置动作持续时间以控制模型的动作的快慢；或根据实际需求，纹理替换类动作模型修改MESH面的纹理属性以实现信号指示变化；或根据实际需求，骨骼类动作模型需要绘制人员的行走路径并将模型与此路径建立绑定关系，定义动作持续时间，完成人员模型动作快慢的控制；

S204、动作模型属性添加，对于位移类、刚体类和纹理替换类动作模型，首先将已删除动作模型对应的原UDB数据模型再次导入SuperMap GIS数据源，然后将三维场景中动作模型描述信息中的模型ID编号和数据集名称与数据源中的UDB数据通过C#开发的属性链接程序建立链接关系，实现属性添加；对于骨骼类动作模型，在开展虚实交互过程中，人员属性信息从业务数据库直接读取并以可视化界面显示。

2.根据权利要求1所述基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统，其特征在于，所述模型的属性信息包括模型的通用属性信息和专用属性信息。

3.根据权利要求1所述基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统，其特征在于，

所述实例化处理是针对几何形状相同的模型，抽象其示例，储存在内存中；

所述轻量化处理是根据BIM模型的语义信息，对模型的骨架进行删除或者简化；

所述实例化处理、多细节层次处理和轻量化处理的UDB数据进行切片缓存操作，以文件库的形式保存，完成BIM+GIS模型数据库的建立。

4.根据权利要求1所述基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统，其特征在于，所述数据驱动单元的制作方法包括如下步骤：

（1）动作模型驱动数据库建立；具体为：

采集现场实时运行数据，并通过开发的数据驱动控制程序规则读取采集的数据，确保采集数据与模型动作具有映射关系，并进行数据存储，从而完成动作模型驱动数据库的创建；

（2）数据监控驱动；具体为：

开启数据库监控程序，当动作模型驱动数据库的数据发生变化时,数字孪生模型发生相应动作。

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