CN112925496A - 一种基于数字孪生的三维可视化设计方法及系统 - Google Patents

一种基于数字孪生的三维可视化设计方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的三维可视化设计方法及系统，该系统包括数据层、代理层，虚拟层、渲染层和桌面真三维显示层，数据层包括收发模块和数据平台，代理层包括数据注册池和数据响应池，虚拟层包括数字模块和交互模块，渲染层包括三维场景，桌面真三维显示层包括图像解码模块和DMD核心控制模块。该系统可以有效地帮助用户十分简便地设计出一套可视化数字孪生系统，还可以让用户更加清晰立体地了解物联网系统的全貌并实时查看，编辑和控制整个物联网系统。

Description

一种基于数字孪生的三维可视化设计方法及系统
技术领域
本发明涉及数字孪生和真三维显示技术领域，特别涉及一种基于数字孪生的三维可视化设计方法及系统。
背景技术
随着近年来物联网领域的发展，数字孪生技术越来越受到人们的重视。数字孪生是物联网设备的数字化，数字孪生通过使用传感器收集物联网中物理设备的实时数据，充当物理世界和数字世界的桥梁，这些数据被用于创建物联网的数字副本，从而允许人们对物联网进行理解、分析、操作和优化。
数字孪生技术需要进行数据感知、运行监测等，并且整合历史积累数据进行运算，同时还需要对数据和运算结果进行可视化呈现，这样才能方便人们直观地体验到数字与现实相互结合，而如何方便的将数字孪生以三维立体的方式可视化给人们，就是急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于数字孪生的三维可视化设计方法及系统。该系统可以有效地帮助用户十分简便地设计出一套可视化数字孪生系统，还可以让用户更加清晰立体地了解物联网系统的全貌并实时查看，编辑和控制整个物联网系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于数字孪生的三维可视化设计系统，包括数据层、代理层，虚拟层、渲染层和桌面真三维显示层，数据层包括收发模块和数据平台，代理层包括数据注册池和数据响应池，虚拟层包括数字模块和交互模块，渲染层包括三维场景，桌面真三维显示层包括图像解码模块和DMD核心控制模块。
本发明还提供一种基于数字孪生的三维可视化设计方法，包括以下步骤：
a、收发单元通过无线传感器网络来收集所有传感器传递的数据信息，包括传感器的工作状态和物联网设备工作信息，并将数据信息存储在数据平台中，用户可以对这些上传数据的传感器设置权限等级生成权限列表List存储在数据平台中；
b、数据平台根据权限列表List分门别类按照功能或区域来统计传感器的数据，计算总和环比同比等用户需要的数据结果，并对用户需要的数据进行分析预测，在对所有物联网设备里的传感器进行跟踪的同时模拟当前物联网设备的虚拟工作状态和工作进度，以便实时在线维护物联网设备；
c、数据平台将统计整理的数据和分析预测结果传递给代理层中的数据注册池，数据注册池根据解析出来的数据属性在虚拟层数字模块中给数据匹配对应的功能模块生成注册后的数字模块Prefab，用户再根据自己的需求给注册后的数字模块Prefab添加交互模块生成新的注册数字模块Prefab；
d、数据响应池给注册数字模块Prefab分配序列号和优先级，这样注册数字模块Prefab就可以通过自身的交互模块先在数据响应池订阅自己需要的传感器数据或平台分析预测数据等，再根据优先级顺序在响应池中依次接收到自己请求的相关数据；用户还可以通过交互模块中给数据响应池发出控制命令，数据响应池再传递给数据平台，数据平台读取权限列表List后在收发单元给权限内的传感器发送控制命令，已达到控制传感器的目的；
e、将所有注册数字模块Prefab在三维场景中渲染出来并生成虚拟物联网数字孪生系统，在三维场景中用户就可以查询所有物联网设备的工作状态和传感器数据等，还可以对现实中的物联网设备进行控制。
进一步的技术方案为，步骤a中用户在设置传感器权限生成权限列表Lis时，用户需要先读取传感器功能种类并预设传感器的工作区域，然后用户需要根据自己的需求对传感器设置不同的访问权限，以便后续一个或多个管理员分别管理不同功能种类和不同工作区域的传感器。
进一步的技术方案为，步骤a中传感器功能种类包括传感器功能原理种类和传输的数据种类，工作区域包括传感器物理位置，所属单位或部门，所在支路或站点。
进一步的技术方案为，步骤b中数据平台需要通过数据库来记录传感器上传的所有信息通常按照时间顺序记录，在对用户需要的数据进行分析预测时，需要构筑回归模型对数据进行拟合和插值来得到物联网设备能被监测到的工作模型，再对工作模型进行预测来模拟当前物联网设备的虚拟工作状态和工作进度等，帮助用户掌握物联网设备的工作状态，提前维护物联网设备。
进一步的技术方案为，步骤c中虚拟层数字模块中的功能模块包括图文、图表和模型功能模块，数据注册池需要对数据平台传递的信息内容进行解析，将信息内容转换为用户可以直接观看到的图片、文字，图表和三维模型。
进一步的技术方案为，步骤c中在虚拟层数字模块中，用户还可以添加交互模块生成新的注册数字模块Prefab，用户可以添加多个交互模块来生成新的注册数字模块Prefab，每个交互模块可以挂载不同的功能，用户可以在三维场景中同一个注册数字模块Prefab上切换交互模块用以显示不同的数据内容，也可以让多个Prefab实现同一个交互模块的功能，减少注册数字模块Prefab访问数据平台的次数。
进一步的技术方案为，步骤d中数据响应池负责给注册数字模块Prefab和数据平台传递数据信息，数据响应池给注册数字模块Prefab分配优先级后，注册数字模块Prefab每次请求或控制命令都会根据优先级在数据响应池排队，数据响应池就会按照优先级高低依次向数据平台发送请求或命令，当优先级高的请求或控制命令后到，数据响应池会将其插队到优先级低的请求或控制命令之前。
进一步的技术方案为，步骤d中请求或控制命令只会由数据平台通过收发单元发送给权限内的传感器，用户也可以在数据平台直接修改权限列表List，用以达到随时编辑全局物联网设备运行工作状态的目的。
进一步的技术方案为，步骤e中三维场景将所有注册数字Prefab三维渲染出来，构建出一个三维的虚拟物联网数字孪生系统，在这个系统中用户就可以实现随时查看，编辑和控制整个物联网系统。
桌面真三维显示系统中的高速投影机具有三块DMD芯片，DMD核心控制模块控制三块DMD芯片分别对应R、G、B三种信息图像，使用RGB三种颜色的LED光源对每块DMD芯片进行独立照明，再通过合色棱镜实现真三维显示。
与现有技术相比，本发明具有以下显著有益效果：该系统能够帮助用户十分简便地设计出一套可视化数字孪生系统，在该系统中用户可以实时查看，编辑和控制整个物联网系统；该系统采用实时可编辑三维渲染，不仅让用户更加清晰地了解物联网系统的全貌，还能方便用户进行多元化的二次开发。
附图说明
图1是本发明的一种基于数字孪生的三维可视化设计系统图。
具体实施方式
为了阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的描述，目的是使得本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
实施例1
如图1所示，图1为一种基于数字孪生的三维可视化设计系统，包括S101数据层、S102代理层，S103虚拟层和S104渲染层。S101数据层包括S201收发模块和S202数据平台，S102代理层包括S203数据注册池和S204数据响应池，S103虚拟层包括S205数字模块和S206交互模块，S104渲染层包括S207三维场景，S105桌面真三维显示层包含S208图像解码模块和S209DMD核心控制模块。
S201收发单元通过无线传感器网络来收集所有传感器传递的数据信息，包括传感器工作状态和物联网设备工作信息等，并将数据信息存储在S202数据平台中，用户可以对这些上传数据的传感器设置权限等级生成权限列表List存储在S202数据平台中。
上述步骤中用户在设置传感器权限生成权限列表Lis时，用户需要先读取传感器功能种类并预设传感器的工作区域，然后用户需要根据自己的需求对传感器设置不同的访问权限，以便后续一个或多个管理员分别管理不同功能种类和不同工作区域的传感器。
上述步骤中传感器功能种类包括传感器功能原理种类和传输的数据种类等，工作区域包括传感器物理位置，所属单位或部门，所在支路或站点等。
S202数据平台根据权限列表List分门别类按照功能或区域来统计传感器的数据，计算总和环比同比等用户需要的数据结果，并对用户需要的数据进行分析预测，在对所有物联网设备里的传感器进行跟踪的同时模拟当前物联网设备的虚拟工作状态和工作进度等，以便实时在线维护物联网设备；
上述步骤中数据平台需要通过数据库来记录传感器上传的所有信息通常按照时间顺序记录，在对用户需要的数据进行分析预测时，需要构筑回归模型对数据进行拟合和插值来得到物联网设备能被监测到的工作模型，再对工作模型进行预测来模拟当前物联网设备的虚拟工作状态和工作进度等，帮助用户掌握物联网设备的工作状态，提前维护物联网设备。
S202数据平台将统计整理的数据和分析预测结果传递给代理层中的S203数据注册池，S203数据注册池根据解析出来的数据属性在虚拟层S205数字模块中给数据匹配对应的功能模块生成注册后的数字模块Prefab，用户再根据自己的需求给注册后的数字模块Prefab添加S206交互模块生成新的注册数字模块Prefab。
上述步骤中虚拟层S205数字模块中的功能模块包括图文、图表和模型功能模块，S203数据注册池需要对S202数据平台传递的信息内容进行解析，将信息内容转换为用户可以直接观看到的图片、文字，图表和三维模型等。
上述步骤中在虚拟层S205数字模块中，用户还可以添加S206交互模块生成新的注册数字模块Prefab，用户可以添加多个S206交互模块来生成新的注册数字模块Prefab，每个S206交互模块可以挂载不同的功能，用户可以在三维场景中同一个注册数字模块Prefab上切换S206交互模块用以显示不同的数据内容，也可以让多个Prefab实现同一个交互模块的功能，减少注册数字模块Prefab访问S202数据平台的次数。
S204数据响应池给注册数字模块Prefab分配序列号和优先级，这样注册数字模块Prefab就可以通过自身的S206交互模块先在S204数据响应池订阅自己需要的传感器数据或平台分析预测数据等，再根据优先级顺序在S204数据响应池中依次接收到自己请求的相关数据；用户还可以通过S206交互模块中给S204数据响应池发出控制命令，S204数据响应池再传递给S202数据平台，S202数据平台读取权限列表List后在S201收发单元给权限内的传感器发送控制命令，已达到控制传感器的目的。
上述步骤中S204数据响应池负责给注册数字模块Prefab和S202数据平台传递数据信息，S204数据响应池给注册数字模块Prefab分配优先级后，注册数字模块Prefab每次请求或控制命令都会根据优先级在S204数据响应池排队，S204数据响应池就会按照优先级高低依次向S202数据平台发送请求或命令，当优先级高的请求或控制命令后到，S202数据响应池会将其插队到优先级低的请求或控制命令之前。
上述步骤中请求或控制命令只会由S202数据平台通过S201收发单元发送给权限内的传感器，用户也可以在S202数据平台直接修改权限列表List，用以达到随时编辑全局物联网设备运行工作状态的目的。
S207三维场景将所有注册数字模块Prefab渲染出来并生成虚拟物联网数字孪生系统，在S207三维场景中用户就可以查询所有物联网设备的工作状态和传感器数据等，还可以对现实中的物联网设备进行控制。
上述步骤中S207三维场景将所有注册数字Prefab三维渲染出来，构建出一个三维的虚拟物联网数字孪生系统，在这个系统中用户就可以实现随时查看，编辑和控制整个物联网系统。
S105桌面真三维显示层中，将虚拟物联网数字孪生系统的场景图导入数字软件Matlab中，在Matlab中实现R，G，B信息的分离得到三幅分别只包含R信息三维数据图，G信息三维数据图以及B信息三维数据图，并将该三幅图传输到真三维显示系统的解码模块。桌面真三维的图像解码模块分别对R，G，B三种信息进行解码，并将信息序列传输到DMD核心控制模块。DMD核心控制模块控制高速投影机三块DMD芯片分别对应的R、G、B三种信息图像，使用RGB三种颜色的LED光源对每块DMD芯片进行独立照明，再通过合色棱镜实现真三维显示。
上述步骤中桌面真三维显示系统的图像解码模块S208分别对R，G，B三种信息进行解码，并将信息序列传输到DMD核心控制模块具体实现方式为：图像解码电路是数据处理与传输系统最重要的部分，它是连接绘制端(显卡)与显示端(DMD)的桥梁。图像解码电路的包括FPGA芯片及其驱动电路和内存条，计算机显卡将所有可能用到的图像序列进行编码并R，G，B分离后传输给图像解码电路，图像解码电路对其解码后再根据外界信号决定投影哪一幅图像，附加的内存条即是为了存储由显卡传输来的数据。当图像解码电路通过双链路DVI线缆连接到显卡上时，这块内存会以扩展屏的形式显示在计算机中，为提升传输效率，内存的读写使用了双缓存技术。双缓存技术指对内存区域A和区域B进行异步读写，即在同步信号的驱动下，扩展屏上所绘制的图像数据被写入内存区域A的同时，内存区域B的图像数据拆包被分解成实际投影图像序列，传输给DMD核心控制模块。
上述步骤中桌面真三维显示系统中DMD核心控制模块S209控制高速投影机中的实现真三维显示，具体方式为：高速投影机具有三块DMD芯片，使用RGB三种颜色的LED光源对每块DMD芯片进行独立照明，再通过合色棱镜实现彩色显示。投影系统包括数据处理电路、RGB LED芯片、TIR棱镜、X-cube合色棱镜以及投影镜头等。红绿蓝三色LED光源通过TIR棱镜照射到相应的DMD芯片上。数据处理电路确保每个DMD芯片显示对应颜色通道的图像，三色图像通过X棱镜合色并通过投影镜头投影到屏幕上。RGB三色LED光源处于常亮状态，每个DMD芯片所显示的具体图像由各自控制板独立决定，为保证最终输出彩色图像的三通道的同步性，需要构建三块DMD控制板之间的通信或使用统一的外部信号进行触发。通过以上步骤，即可实现虚拟物联网数字孪生系统的真三维显示。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生的三维可视化设计系统，其特征在于，包括数据层、代理层，虚拟层、渲染层和桌面真三维显示层，数据层包括收发模块和数据平台，代理层包括数据注册池和数据响应池，虚拟层包括数字模块和交互模块，渲染层包括三维场景，桌面真三维显示层包括图像解码模块和DMD核心控制模块。
2.一种基于数字孪生的三维可视化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、收发单元通过无线传感器网络来收集所有传感器传递的数据信息，包括传感器的工作状态和物联网设备工作信息，并将数据信息存储在数据平台中，用户可以对这些上传数据的传感器设置权限等级生成权限列表List存储在数据平台中；
b、数据平台根据权限列表List分门别类按照功能或区域来统计传感器的数据，计算总和环比同比等用户需要的数据结果，并对用户需要的数据进行分析预测，在对所有物联网设备里的传感器进行跟踪的同时模拟当前物联网设备的虚拟工作状态和工作进度，以便实时在线维护物联网设备；
c、数据平台将统计整理的数据和分析预测结果传递给代理层中的数据注册池，数据注册池根据解析出来的数据属性在虚拟层数字模块中给数据匹配对应的功能模块生成注册后的数字模块Prefab，用户再根据自己的需求给注册后的数字模块Prefab添加交互模块生成新的注册数字模块Prefab；
d、数据响应池给注册数字模块Prefab分配序列号和优先级，这样注册数字模块Prefab就可以通过自身的交互模块先在数据响应池订阅自己需要的传感器数据或平台分析预测数据等，再根据优先级顺序在响应池中依次接收到自己请求的相关数据；用户还可以通过交互模块中给数据响应池发出控制命令，数据响应池再传递给数据平台，数据平台读取权限列表List后在收发单元给权限内的传感器发送控制命令，已达到控制传感器的目的；
e、将所有注册数字模块Prefab在三维场景中渲染出来并生成虚拟物联网数字孪生系统，在三维场景中用户就可以查询所有物联网设备的工作状态和传感器数据等，还可以对现实中的物联网设备进行控制。
3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的三维可视化设计方法，其特征在于，步骤a中用户在设置传感器权限生成权限列表Lis时，用户需要先读取传感器功能种类并预设传感器的工作区域，然后用户需要根据自己的需求对传感器设置不同的访问权限，以便后续一个或多个管理员分别管理不同功能种类和不同工作区域的传感器。
4.根据权利要求2所述的基于数字孪生的三维可视化设计方法，其特征在于，步骤a中传感器功能种类包括传感器功能原理种类和传输的数据种类，工作区域包括传感器物理位置，所属单位或部门，所在支路或站点。
5.根据权利要求2所述的基于数字孪生的三维可视化设计方法，其特征在于，步骤b中数据平台需要通过数据库来记录传感器上传的所有信息通常按照时间顺序记录，在对用户需要的数据进行分析预测时，需要构筑回归模型对数据进行拟合和插值来得到物联网设备能被监测到的工作模型，再对工作模型进行预测来模拟当前物联网设备的虚拟工作状态和工作进度等，帮助用户掌握物联网设备的工作状态，提前维护物联网设备。
6.根据权利要求2所述的基于数字孪生的三维可视化设计方法，其特征在于，步骤c中虚拟层数字模块中的功能模块包括图文、图表和模型功能模块，数据注册池需要对数据平台传递的信息内容进行解析，将信息内容转换为用户可以直接观看到的图片、文字，图表和三维模型。
7.根据权利要求2所述的基于数字孪生的三维可视化设计方法，其特征在于，步骤c中在虚拟层数字模块中，用户还可以添加交互模块生成新的注册数字模块Prefab，用户可以添加多个交互模块来生成新的注册数字模块Prefab，每个交互模块可以挂载不同的功能，用户可以在三维场景中同一个注册数字模块Prefab上切换交互模块用以显示不同的数据内容，也可以让多个Prefab实现同一个交互模块的功能，减少注册数字模块Prefab访问数据平台的次数。
8.根据权利要求2所述的基于数字孪生的三维可视化设计方法，其特征在于，步骤d中数据响应池负责给注册数字模块Prefab和数据平台传递数据信息，数据响应池给注册数字模块Prefab分配优先级后，注册数字模块Prefab每次请求或控制命令都会根据优先级在数据响应池排队，数据响应池就会按照优先级高低依次向数据平台发送请求或命令，当优先级高的请求或控制命令后到，数据响应池会将其插队到优先级低的请求或控制命令之前。
9.根据权利要求2所述的基于数字孪生的三维可视化设计方法，其特征在于，步骤d中请求或控制命令只会由数据平台通过收发单元发送给权限内的传感器，用户也可以在数据平台直接修改权限列表List，用以达到随时编辑全局物联网设备运行工作状态的目的。
10.根据权利要求2所述的基于数字孪生的三维可视化设计方法，其特征在于，步骤e中三维场景将所有注册数字Prefab三维渲染出来，构建出一个三维的虚拟物联网数字孪生系统，在这个系统中用户就可以实现随时查看，编辑和控制整个物联网系统。
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