CN113111201B - 一种数字孪生模型轻量化方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字孪生模型轻量化方法和系统，该方法包括如下步骤：步骤(1)、数字孪生模型分类存储，首先将数字孪生模型中的几何、物理、行为、规则子模型以特定帧格式分别存储在片外Flash中的不同偏移地址处，然后将其加载进FPGA内部四个BRAM中；步骤(2)、数字孪生模型动态校验，在FPGA内部划分出四个动态重构区，即几何、物理、行为、规则子模型动态校验区，完成对应BRAM中子模型数据的校验；步骤(3)、进行数字孪生模型传输控制，一方面接收外部数字孪生可视化系统下发的控制指令，另一方面完成待显示的不同类型模型的组帧和发送。本发明通过对数字孪生不同子模型的分类存储、动态校验和传输控制，控制不必要模型的显示，能够在一定程度上实现数字孪生模型的轻量化。

Description

一种数字孪生模型轻量化方法和系统

技术领域

本发明属于电子工程和计算机科学领域，具体涉及一种数字孪生模型轻量化方法和系统。

背景技术

数字孪生技术目前在三维可视化方面应用较多，对于一个大型系统而言，系统包含的数字孪生模型也越多，导致可视化系统出现卡顿和锯齿化，其主要原因是众多的数字孪生模型对计算机处理能力要求较高，但是不是所有人、所有场合均能够有高性能计算机来完成大型数字孪生三维可视化系统的展现，那么如何对数字孪生模型进行一定程度的轻量化处理，是很有必要的。基于此，本发明公开了一种数字孪生模型轻量化方法，通过对数字孪生几何、物理、行为、规则不同子模型的分类存储、动态校验和传输控制，控制不必要模型的显示，能够在一定程度上实现数字孪生模型的轻量化。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：提供一种数字孪生模型轻量化方法，该方法涵盖了数字孪生模型分类存储模块设计、数字孪生模型动态校验模块设计和数字孪生模型传输控制模块设计，通过对数字孪生几何、物理、行为、规则不同子模型的分类存储、动态校验和传输控制，控制不必要模型的显示，能够在一定程度上实现数字孪生模型的轻量化。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种数字孪生模型轻量化方法，包括如下步骤：

步骤(1)、数字孪生模型分类存储，首先将数字孪生模型中的几何、物理、行为、规则子模型以特定帧格式分别存储在片外Flash中的不同偏移地址处，然后将其加载进FPGA内部四个BRAM中；

步骤(2)、数字孪生模型动态校验，在FPGA内部划分出四个动态重构区，即几何、物理、行为、规则子模型动态校验区，完成对应BRAM中子模型数据的校验；

步骤(3)、进行数字孪生模型传输控制，一方面接收外部数字孪生可视化系统下发的控制指令，另一方面完成待显示的不同类型模型的组帧和发送。

进一步的，所述步骤(1)、数字孪生模型分类存储，首先将数字孪生模型中的几何、物理、行为、规则子模型以特定帧格式分别存储在片外Flash中的不同偏移地址处，然后将其加载进FPGA内部四个BRAM中，具体实现如下：

(1.1)从几何属性、物理属性、行为属性和规则属性四个方面构建数字孪生模型，几何属性刻画三维轮廓，物理属性刻画材料老化、变形、碰撞，行为属性刻画生产加工动作，规则属性刻画工艺规程；

(1.2)将数字孪生模型中的几何、物理、行为、规则子模型分类组帧，帧结构包括帧头字段、类型字段、序号字段、载荷字段、校验字段和帧尾字段，其中类型字段表示不同类型的子模型，序号字段表示相同类型子模型的序号，即数字孪生可视化系统中存在众多模型，每个模型又可细分为几何、物理、行为、规则子模型，载荷字段表示子模型数据；

(1.3)将(1.2)中的各帧模型数据存储进FPGA片外Flash的不同偏移地址出，实现数字孪生子模型的分类存储；同时在FPGA内部构建四个BRAM，当数字孪生可视化系统运行时，将片外Flash中的各帧子模型数据加载进相对应的BRAM中。

进一步的，所述步骤(2)、数字孪生模型动态校验，在FPGA内部划分出四个动态重构区，即几何、物理、行为、规则子模型动态校验区，完成对应BRAM中子模型数据的校验，具体实现如下：

(2.1)在FPGA内部构建四个动态重构区，即第一动态重构区用于动态校验几何子模型BRAM数据、第二动态重构区用于动态校验物理子模型BRAM数据、第三动态重构区用于动态校验行为子模型BRAM数据、第四动态重构区用于动态校验规则子模型BRAM数据；

(2.2)基于各动态重构区中的模型数据校验逻辑完成相对应BRAM中子模型数据的校验，即按照(1.2)中的帧结构判断子模型数据的准确性，当某帧数据不准确时，模型数据校验逻辑完成该帧数据从片外Flash到BRAM的重新加载和再校验。

进一步的，所述步骤(3)、数字孪生模型传输控制，一方面接收外部数字孪生可视化系统下发的控制指令，另一方面完成待显示的不同类型模型的组帧和发送，具体实现如下：

(3.1)接收外部数字孪生可视化系统下发的控制指令，包括可视化系统中摄像机的三维空间坐标和子模型显示指令，根据可视化系统中摄像机的三维空间坐标即可判断出当前需要呈现出的数字孪生模型，即可确定(1.2)帧结构中的序号字段；根据子模型显示指令即可判断出数字孪生子模型中哪些显示、哪些不显示，即可确定(1.2)帧结构中的类型字段；

(3.2)根据(3.1)即确定待显示的数字孪生子模型，读取对应的BRAM并将其重新组帧，帧结构包括帧头字段、类型字段1、序号字段1、载荷字段1、…、类型字段4、序号字段n、载荷字段n、校验字段和帧尾字段，最终发送给外部数字孪生可视化系统。

根据本发明的另一方面，提出一种数字孪生模型轻量化系统，包括：

数字孪生模型分类存储模块，该模块用于首先将数字孪生模型中的几何、物理、行为、规则子模型以特定帧格式分别存储在片外Flash中的不同偏移地址处，然后将其加载进FPGA内部四个BRAM中；

数字孪生模型动态校验模块，该模块用于在FPGA内部划分出四个动态重构区，即几何、物理、行为、规则子模型动态校验区，完成对应BRAM中子模型数据的校验；

数字孪生模型传输控制模块，该模块用于一方面接收外部数字孪生可视化系统下发的控制指令，另一方面完成待显示的不同类型模型的组帧和发送。

进一步的，所述数字孪生模型分类存储模块，首先将数字孪生模型中的几何、物理、行为、规则子模型以特定帧格式分别存储在片外Flash中的不同偏移地址处，然后将其加载进FPGA内部四个BRAM中，具体实现如下：

(1.1)从几何属性、物理属性、行为属性和规则属性四个方面构建数字孪生模型，几何属性刻画三维轮廓，物理属性刻画材料老化、变形、碰撞，行为属性刻画生产加工动作，规则属性刻画工艺规程；

(1.2)将数字孪生模型中的几何、物理、行为、规则子模型分类组帧，帧结构包括帧头字段、类型字段、序号字段、载荷字段、校验字段和帧尾字段，其中类型字段表示不同类型的子模型，序号字段表示相同类型子模型的序号，即数字孪生可视化系统中存在众多模型，每个模型又可细分为几何、物理、行为、规则子模型，载荷字段表示子模型数据；

(1.3)将各帧模型数据存储进FPGA片外Flash的不同偏移地址出，实现数字孪生子模型的分类存储；同时在FPGA内部构建四个BRAM，当数字孪生可视化系统运行时，将片外Flash中的各帧子模型数据加载进相对应的BRAM中。

进一步的，所述数字孪生模型动态校验模块，用于在FPGA内部划分出四个动态重构区，即几何、物理、行为、规则子模型动态校验区，完成对应BRAM中子模型数据的校验，具体实现如下：

(2.1)在FPGA内部构建四个动态重构区，即第一动态重构区用于动态校验几何子模型BRAM数据、第二动态重构区用于动态校验物理子模型BRAM数据、第三动态重构区用于动态校验行为子模型BRAM数据、第四动态重构区用于动态校验规则子模型BRAM数据；

(2.2)基于各动态重构区中的模型数据校验逻辑完成相对应BRAM中子模型数据的校验，即按照帧结构判断子模型数据的准确性，当某帧数据不准确时，模型数据校验逻辑完成该帧数据从片外Flash到BRAM的重新加载和再校验。

进一步的，所述数字孪生模型传输控制模块，用于一方面接收外部数字孪生可视化系统下发的控制指令，另一方面完成待显示的不同类型模型的组帧和发送，具体实现如下：

(3.1)接收外部数字孪生可视化系统下发的控制指令，包括可视化系统中摄像机的三维空间坐标和子模型显示指令，根据可视化系统中摄像机的三维空间坐标即可判断出当前需要呈现出的数字孪生模型，即可确定帧结构中的序号字段；根据子模型显示指令即可判断出数字孪生子模型中哪些显示、哪些不显示，即可确定帧结构中的类型字段；

(3.2)确定待显示的数字孪生子模型，读取对应的BRAM并将其重新组帧，帧结构包括帧头字段、类型字段1、序号字段1、载荷字段1、…、类型字段4、序号字段n、载荷字段n、校验字段和帧尾字段，最终发送给外部数字孪生可视化系统。

有益效果：

本发明与现有技术相比的优点在于：传统的数字孪生三维可视化系统因数量众多的数字孪生模型导致卡顿、锯齿化严重等问题，而本发明能够通过对数字孪生几何、物理、行为、规则不同子模型的分类存储、动态校验和传输控制，控制三维可视化系统中摄像机视角内的模型的呈现，视角外模型不呈现；在此基础上，也可根据用户子模型显示指令，进一步控制当前视角内呈现的数字孪生模型中的哪类子模型呈现，两种方式的结合能够在一定程度上减轻可视化系统的负担。

附图说明

图1为本发明的一种数字孪生模型轻量化系统结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明涉及一种数字孪生模型轻量化方法，针对当前数字孪生三维可视化系统因数量众多的数字孪生模型导致卡顿、锯齿化严重等问题，通过对数字孪生几何、物理、行为、规则不同子模型的分类存储、动态校验和传输控制，控制不必要模型的显示，能够在一定程度上实现数字孪生模型的轻量化。该方法涵盖了数字孪生模型分类存储模块设计、数字孪生模型动态校验模块设计和数字孪生模型传输控制模块设计。

根据本发明的实施例，一种数字孪生模型轻量化方法，包括如下步骤：

步骤(1)、数字孪生模型分类存储，首先将数字孪生模型中的几何、物理、行为、规则子模型以特定帧格式分别存储在片外Flash中的不同偏移地址处，然后将其加载进FPGA内部四个BRAM中；

步骤(2)、数字孪生模型动态校验，在FPGA内部划分出四个动态重构区，即几何、物理、行为、规则子模型动态校验区，完成对应BRAM中子模型数据的校验；

步骤(3)、进行数字孪生模型传输控制，一方面接收外部数字孪生可视化系统下发的控制指令，另一方面完成待显示的不同类型模型的组帧和发送。

根据本发明的又一实施例，提出一种数字孪生模型轻量化系统，其结构框图如图1所示，具体实施方式如下：

图1中的1表示数字孪生模型分类存储模块，图1中的2表示数字孪生模型动态校验模块，图1中的3表示数字孪生模型传输控制模块；

设计数字孪生模型分类存储模块，首先将数字孪生模型中的几何、物理、行为、规则子模型以特定帧格式分别存储在片外Flash中的不同偏移地址处，然后将其加载进FPGA内部四个BRAM中，具体实现如下：

①从几何属性、物理属性、行为属性和规则属性四个方面构建物理实体的数字孪生模型，几何属性刻画物理实体三维轮廓，物理属性刻画物理实体材料老化、变形、碰撞等，行为属性刻画物理实体生产加工动作，规则属性刻画物理实体工艺规程；

②将数字孪生模型中的几何、物理、行为、规则子模型分类组帧，帧结构包括帧头字段、类型字段、序号字段、载荷字段、校验字段和帧尾字段，其中类型字段表示不同类型的子模型，序号字段表示相同类型子模型的序号，即数字孪生可视化系统中存在众多模型，每个模型又可细分为几何、物理、行为、规则子模型，载荷字段表示子模型数据；

③将②中的各帧模型数据存储进FPGA片外Flash的不同偏移地址出，实现数字孪生子模型的分类存储；同时在FPGA内部构建四个BRAM，当数字孪生可视化系统运行时，将片外Flash中的各帧子模型数据加载进相对应的BRAM中；

设计数字孪生模型动态校验模块，在FPGA内划分四个动态重构区，即几何、物理、行为、规则子模型动态校验区，完成对应BRAM中子模型数据的校验，具体实现如下：

①在FPGA内部构建四个动态重构区，即第一动态重构区用于动态校验几何子模型BRAM数据、第二动态重构区用于动态校验物理子模型BRAM数据、第三动态重构区用于动态校验行为子模型BRAM数据、第四动态重构用于动态校验规则子模型BRAM数据；

②基于各动态重构区中的模型数据校验逻辑完成相对应BRAM中子模型数据的校验，即按照帧结构判断子模型数据的准确性，当某帧数据不准确时，模型数据校验逻辑完成该帧数据从片外Flash到BRAM的重新加载和再校验；

设计数字孪生模型传输控制模块，一方面接收外部数字孪生可视化系统下发的控制指令，另一方面完成待显示的不同类型模型的组帧和发送，具体实现如下：

①接收外部数字孪生可视化系统下发的控制指令，包括可视化系统中摄像机的三维空间坐标和子模型显示指令，根据可视化系统中摄像机的三维空间坐标即可判断出当前需要呈现出的数字孪生模型，即摄像机视角内的数字孪生模型呈现出来，视角外的不呈现，即可确定帧结构中的序号字段；根据子模型显示指令即可判断出数字孪生几何、物理、行为、规则子模型中哪些显示、哪些不显示，即再对摄像机视角内呈现的数字孪生模型进行进一步轻量化处理，即确定帧结构中的类型字段；

②根据①即确定待显示的数字孪生子模型，读取对应的BRAM并将其重新组帧，帧结构包括帧头字段、类型字段1、序号字段1、载荷字段1、…、类型字段4、序号字段n、载荷字段n、校验字段和帧尾字段，因为子模型类型只有几何、物理、行为、规则四种，故类型字段也只有四种，但是因为数字孪生系统中存在不确定数量的模型，故序号字段为n，最终将重新组的帧发送给外部数字孪生可视化系统。

综上所述，本发明公开了一种数字孪生模型轻量化方法和系统，包括数字孪生模型分类存储模块设计、数字孪生模型动态校验模块设计和数字孪生模型传输控制模块设计，通过对数字孪生几何、物理、行为、规则不同子模型的分类存储、动态校验和传输控制，控制不必要模型的显示，能够在一定程度上实现数字孪生模型的轻量化。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种数字孪生模型轻量化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)、数字孪生模型分类存储，首先将数字孪生模型中的几何、物理、行为、规则子模型以特定帧格式分别存储在片外Flash中的不同偏移地址处，然后将其加载进FPGA内部四个BRAM中；具体实现如下：

(1.1)从几何属性、物理属性、行为属性和规则属性四个方面构建数字孪生模型，几何属性刻画三维轮廓，物理属性刻画材料老化、变形、碰撞，行为属性刻画生产加工动作，规则属性刻画工艺规程；

(1.2)将数字孪生模型中的几何、物理、行为、规则子模型分类组帧，帧结构包括帧头字段、类型字段、序号字段、载荷字段、校验字段和帧尾字段，其中类型字段表示不同类型的子模型，序号字段表示相同类型子模型的序号，即数字孪生可视化系统中存在众多模型，每个模型又可细分为几何、物理、行为、规则子模型，载荷字段表示子模型数据；

(1.3)将(1.2)中的各帧模型数据存储进FPGA片外Flash的不同偏移地址出，实现数字孪生子模型的分类存储；同时在FPGA内部构建四个BRAM，当数字孪生可视化系统运行时，将片外Flash中的各帧子模型数据加载进相对应的BRAM中；

步骤(2)、数字孪生模型动态校验，在FPGA内部划分出四个动态重构区，即几何、物理、行为、规则子模型动态校验区，完成对应BRAM中子模型数据的校验；

步骤(3)、进行数字孪生模型传输控制，一方面接收外部数字孪生可视化系统下发的控制指令，另一方面完成待显示的不同类型模型的组帧和发送；具体实现如下：

(3.1)接收外部数字孪生可视化系统下发的控制指令，包括可视化系统中摄像机的三维空间坐标和子模型显示指令，根据可视化系统中摄像机的三维空间坐标即可判断出当前需要呈现出的数字孪生模型，即可确定(1.2)帧结构中的序号字段；根据子模型显示指令即可判断出数字孪生子模型中哪些显示、哪些不显示，即可确定(1.2)帧结构中的类型字段；

(3.2)根据(3.1)即确定待显示的数字孪生子模型，读取对应的BRAM并将其重新组帧，帧结构包括帧头字段、类型字段1、序号字段1、载荷字段1、…、类型字段4、序号字段n、载荷字段n、校验字段和帧尾字段，最终发送给外部数字孪生可视化系统。

2.根据权利要求1所述的一种数字孪生模型轻量化方法，其特征在于，所述步骤(2)、数字孪生模型动态校验，在FPGA内部划分出四个动态重构区，即几何、物理、行为、规则子模型动态校验区，完成对应BRAM中子模型数据的校验，具体实现如下：

(2.1)在FPGA内部构建四个动态重构区，即第一动态重构区用于动态校验几何子模型BRAM数据、第二动态重构区用于动态校验物理子模型BRAM数据、第三动态重构区用于动态校验行为子模型BRAM数据、第四动态重构区用于动态校验规则子模型BRAM数据；

(2.2)基于各动态重构区中的模型数据校验逻辑完成相对应BRAM中子模型数据的校验，即按照(1.2)中的帧结构判断子模型数据的准确性，当某帧数据不准确时，模型数据校验逻辑完成该帧数据从片外Flash到BRAM的重新加载和再校验。

3.一种数字孪生模型轻量化系统，其特征在于，包括：

数字孪生模型分类存储模块，该模块用于首先将数字孪生模型中的几何、物理、行为、规则子模型以特定帧格式分别存储在片外Flash中的不同偏移地址处，然后将其加载进FPGA内部四个BRAM中；具体实现如下：

(1.1)从几何属性、物理属性、行为属性和规则属性四个方面构建数字孪生模型，几何属性刻画三维轮廓，物理属性刻画材料老化、变形、碰撞，行为属性刻画生产加工动作，规则属性刻画工艺规程；

(1.2)将数字孪生模型中的几何、物理、行为、规则子模型分类组帧，帧结构包括帧头字段、类型字段、序号字段、载荷字段、校验字段和帧尾字段，其中类型字段表示不同类型的子模型，序号字段表示相同类型子模型的序号，即数字孪生可视化系统中存在众多模型，每个模型又可细分为几何、物理、行为、规则子模型，载荷字段表示子模型数据；

(1.3)将各帧模型数据存储进FPGA片外Flash的不同偏移地址出，实现数字孪生子模型的分类存储；同时在FPGA内部构建四个BRAM，当数字孪生可视化系统运行时，将片外Flash中的各帧子模型数据加载进相对应的BRAM中；

数字孪生模型动态校验模块，该模块用于在FPGA内部划分出四个动态重构区，即几何、物理、行为、规则子模型动态校验区，完成对应BRAM中子模型数据的校验；

数字孪生模型传输控制模块，该模块用于一方面接收外部数字孪生可视化系统下发的控制指令，另一方面完成待显示的不同类型模型的组帧和发送，具体实现如下：

(3.1)接收外部数字孪生可视化系统下发的控制指令，包括可视化系统中摄像机的三维空间坐标和子模型显示指令，根据可视化系统中摄像机的三维空间坐标即可判断出当前需要呈现出的数字孪生模型，即可确定(1.2)帧结构中的序号字段；根据子模型显示指令即可判断出数字孪生子模型中哪些显示、哪些不显示，即可确定(1.2)帧结构中的类型字段；

(3.2)根据(3.1)即确定待显示的数字孪生子模型，读取对应的BRAM并将其重新组帧，帧结构包括帧头字段、类型字段1、序号字段1、载荷字段1、…、类型字段4、序号字段n、载荷字段n、校验字段和帧尾字段，最终发送给外部数字孪生可视化系统。

4.根据权利要求3所述的一种数字孪生模型轻量化系统，其特征在于，所述数字孪生模型动态校验模块，用于在FPGA内部划分出四个动态重构区，即几何、物理、行为、规则子模型动态校验区，完成对应BRAM中子模型数据的校验，具体实现如下：

(2.1)在FPGA内部构建四个动态重构区，即第一动态重构区用于动态校验几何子模型BRAM数据、第二动态重构区用于动态校验物理子模型BRAM数据、第三动态重构区用于动态校验行为子模型BRAM数据、第四动态重构区用于动态校验规则子模型BRAM数据；

(2.2)基于各动态重构区中的模型数据校验逻辑完成相对应BRAM中子模型数据的校验，即按照帧结构判断子模型数据的准确性，当某帧数据不准确时，模型数据校验逻辑完成该帧数据从片外Flash到BRAM的重新加载和再校验。

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