CN113902866A - 一种双引擎驱动的数字孪生系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双引擎驱动的数字孪生系统，包括部署在服务器端的数据存储层、中台管理层、计算与渲染层以及部署在客户端的业务表现层；数据存储层，至少包括基础支撑数据库、数字底板资源库、三维场景数据库和运行维护数据库；中台管理层利用微服务架构对系统进行管理；计算与渲染层包括游戏引擎和GIS引擎，利用游戏引擎进行GIS数据的加载、三维场景渲染、三维场景分析，并利用GIS引擎进行空间分析、二维数据与三维数据的格式转换；业务表现层将计算与渲染层通过WebSocket发布的信息进行展示。本发明通过将游戏引擎与GIS引擎结合构建所述数字孪生系统，使得所述数字孪生系统同时具备强大的三维渲染能力与空间分析能力。

Description

一种双引擎驱动的数字孪生系统

技术领域

本发明涉及数字孪生技术领域，尤其是涉及一种双引擎驱动的数字孪生系统。

背景技术

数字孪生(Digital Twin)技术是指利用数字技术对物理实体的特征、行为、状态和性能等进行描述和建模的过程和方法，能够用于建立与现实世界的物理实体完全对应和一致的虚拟模型。近年来，得益于大数据、物联网、云计算等新兴技术的蓬勃发展，对客观世界进行三维描述和表达的数据基础和技术条件越发成熟与完备，采用数字孪生技术构建的数字孪生系统已经应用在智慧城市的建设，智慧城市的建设需要可靠的城市信息模型，而可靠的城市信息模型需要精准的城市空间地理信息作为基础，也需要强大的空间分析功能作为核心，更需要绝佳的视觉效果作为辅助。

目前通常采用基于单引擎的数字孪生系统以实现对城市空间地理信息进行建模，这类基于单引擎的数字孪生系统要么三维渲染能力弱，导致最终的三维模型可视效果差，要么空间分析能力弱，导致构建出的三维模型缺少空间信息以及相应的空间分析功能。

发明内容

本发明提供了一种双引擎驱动的数字孪生系统，以解决现有的单引擎数字孪生系统无法同时具备强大的三维渲染能力与空间分析能力的技术问题，能够将游戏引擎与GIS引擎结合起来，同时提供强大的三维渲染能力与空间分析能力，构建出可视效果好且具备空间信息的三维模型。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种双引擎驱动的数字孪生系统，包括部署在服务器端的数据存储层、中台管理层、计算与渲染层以及部署在客户端的业务表现层；

所述数据存储层，至少包括基础支撑数据库、数字底板资源库、三维场景数据库和运行维护数据库；

所述中台管理层，基于所述数据存储层中存储的数据，利用微服务架构对所述数字孪生系统的智能网关、多个用户终端、WebSocket指令集、服务共享控制、用户运维、系统监控、日志进行管理；

所述计算与渲染层，包括游戏引擎和GIS引擎，基于所述数据存储层中的数据，利用所述游戏引擎进行GIS数据的加载、三维场景渲染、三维场景分析，并利用所述GIS引擎进行空间分析、二维数据与三维数据的格式转换；

所述业务表现层，基于前端语言构建所述客户端的用户界面，所述用户界面将所述计算与渲染层通过WebSocket发布的信息进行展示。

作为其中一种改进，所述数字孪生系统采用B/S架构。

作为其中一种改进，所述游戏引擎、所述GIS引擎与所述用户界面之间通过WebSocket进行通信，包括：

所述用户界面将识别到的用户操作信号通过WebSocket分别向所述游戏引擎和所述GIS引擎发送操作指令；

所述操作指令匹配于所述游戏引擎和所述GIS引擎中的其中一个引擎，其中一个引擎执行所述操作指令的结果反馈至所述用户界面进行展示；

其中一个引擎在执行所述操作指令后，判断需要调用另一个引擎共同完成所述操作指令的任务时发出调用指令，所述调用指令匹配于所述游戏引擎和所述GIS引擎中的其中另一个引擎，其中另一个引擎执行所述调用指令的结果反馈至所述用户界面进行展示。

作为其中一种改进，所述数字孪生系统采用云端渲染技术将所述服务器端渲染后的三维场景传输至所述客户端，包括：

所述计算与渲染层基于所述游戏引擎，采用PBR技术对三维场景进行渲染，并通过WebSocket将渲染后的三维场景传输至所述客户端，以使渲染后的三维场景在所述用户界面进行展示。

作为其中一种改进，所述WebSocket指令集包括Type字段、Command字段和Brief字段。

作为其中一种改进，所述微服务架构至少包括用于管理所述智能网关的智能网关管理微服务、用于管理多个用户终端的多终端管理微服务、用于管理所述WebSocket指令集的指令集管理微服务、用于管理服务共享控制的服务共享控制微服务、用于管理用户运维的用户运维管理微服务、用于管理系统监控的系统监控微服务和用于管理日志的日志管理微服务。

作为其中一种改进，所述微服务架构中的所有微服务之间通过IPC进行通信，所述客户端与所述微服务之间设置有API Gateway，以使所述API Gateway为所述客户端提供统一的服务器端入口。

作为其中一种改进，所述游戏引擎采用虚幻引擎或Unity引擎，所述GIS引擎采用MapServer、SuperMap iServer、Cesium ion、GeoServer、ArcGIS Server或MapGISIGServer的其中任一种。

作为其中一种改进，所述基础支撑数据库存储二维空间矢量数据，所述数字底板资源库存储二维空间栅格数据，所述三维场景数据库存储倾斜摄影数据和三维模型数据，所述运行维护数据库存储系统表；

所述二维空间栅格数据包括遥感卫星影像、DEM、DOM和电子地图，所述系统表包括用户信息、组织结构、访问人数和日志。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于，通过将游戏引擎和GIS引擎结合构建一种双引擎驱动的数字孪生系统，使得所述数字孪生系统同时具备强大的三维渲染能力与空间分析能力，能够构建出可视效果好且具备空间信息的三维模型，此外通过WebSocket实现服务器端与客户端之间的通信，降低了对客户端设备的硬件要求，提高了所述数字孪生系统的适用性。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种双引擎驱动的数字孪生系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中的一种双引擎驱动的数字孪生系统的B/S架构示意图；

图3是本发明实施例中的微服务架构的结构示意图；

图4是本发明实施例中的微服务架构的WebSocket协议机制原理图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明实施例中的一种双引擎驱动的数字孪生系统的结构示意图。

本发明实施例提供了一种双引擎驱动的数字孪生系统，包括部署在服务器端的数据存储层101、中台管理层102、计算与渲染103以及部署在客户端的业务表现层104。

作为其中一种改进，所述数字孪生系统采用B/S架构。

如图2所示，B/S(Browser/Server，浏览器/服务器)架构是一种网络结构模式，其中Browser指的是Web浏览器，仅用于实现极少数事务逻辑，主要事务逻辑在服务器端实现。B/S架构可以把系统分为三个逻辑独立的层次结构：

(1)表现层：实现用户和服务器端的交互以及最终查询结果的输出；

(2)逻辑层：利用服务器完成客户端的应用逻辑功能；

(3)数据层：主要用于接收客户端请求后独立进行各种运算。

B/S架构的整体工作流程可以概括为：用户通过Web浏览器发送请求信息，Web服务器接收请求并解析，数据库服务器根据解析命令获取和处理相关数据，Web服务器将这些数据信息组合成HTTP响应返回给浏览器，浏览器解释执行HTML文件，呈现在用户界面。采用B/S架构的优势在于：

(1)客户端零安装：用户无需安装专用客户端，仅需要在浏览器上安装一些插件或使用简单的浏览器就可以登录管理系统；

(2)客户端零维护：基于B/S架构的系统，其开发与维护仅需在服务器端进行，无需重新下载客户端；

(3)B/S架构可以直接放在广域网上，通过一定的权限控制实现多客户访问的目的，解决了异构系统的连接问题，交互性较强。

具体地，本发明实施例将业务表现层104部署在浏览器客户端上，将数据存储层101、中台管理层102和计算与渲染层103均部署在服务器端，使得业务表现层104不含核心的处理操作，主要功能仅为展示，因此可将本发明实施例提供的数字孪生系统部署在任意设备上，提高了所述数字孪生系统的适用性。

所述数据存储层101，至少包括基础支撑数据库、数字底板资源库、三维场景数据库和运行维护数据库。

作为其中一种改进，所述基础支撑数据库存储二维空间矢量数据，所述数字底板资源库存储二维空间栅格数据，所述三维场景数据库存储倾斜摄影数据和三维模型数据，所述运行维护数据库存储系统表；

所述二维空间栅格数据包括遥感卫星影像、DEM、DOM和电子地图，所述系统表包括用户信息、组织结构、访问人数和日志。

所述中台管理层102，基于所述数据存储层101中的数据，利用微服务架构对所述数字孪生系统的智能网关、多个用户终端、WebSocket指令集、服务共享控制、用户运维、系统监控、日志进行管理。

作为其中一种改进，所述微服务架构至少包括用于管理所述智能网关的智能网关管理微服务、用于管理多个终端的多终端管理微服务、用于管理所述WebSocket指令集的指令集管理微服务、用于管理服务共享控制的服务共享控制微服务、用于管理用户运维的用户运维管理微服务、用于管理系统监控的系统监控微服务和用于管理日志的日志管理微服务。

参见图3，是本发明实施例中的微服务架构的结构示意图。

需要说明的是，微服务架构(Microservice Architecture)是一种架构概念，旨在通过将功能分解到各个离散的服务中以实现对解决方案的解耦。它的主要作用是将功能分解到离散的各个服务当中，从而降低系统的耦合性，并提供更加灵活的服务支持。

作为其中一种改进，所述微服务架构中的所有微服务之间通过IPC进行通信，所述客户端与所述微服务之间设置有API Gateway，以使所述API Gateway为所述客户端提供统一的服务器端入口。

需要说明的是，所有的微服务都是一个独立的Java进程，各自运行在独立的虚拟机上，各微服务之间需要通过IPC(Inter Process Communication，进程间通信)实现交互。IPC机制通常可以分为两类：

(1)基于消息的异步IPC：消息由数据头(例如发送方这样的元数据)和消息正文构成，使用消息模式的时候，进程之间通过异步交换消息的方式通信。客户端通过向服务器端发送消息提交请求，如果服务器端需要回复，则会发送另一条独立的消息给客户端。由于异步通信，客户端不会因为等待而阻塞，相反会认为响应不会被立即收到。

(2)基于请求/响应的同步IPC：使用同步的、基于请求/响应的IPC机制的时候，客户端向服务器端发送请求，服务器端处理请求并返回响应。一些客户端会由于等待服务器端响应而被阻塞，而另外一些客户端可能使用异步的、基于事件驱动的客户端代码，这些代码可能通过Future或者Rx Observable封装。然而，与使用基于消息的IPC机制不同，客户端需要响应及时返回。

通过在客户端和各微服务之间设置一个API Gateway，能够聚合服务器端的所有微服务，并为客户端提供统一的服务器端入口。客户端和微服务之间通常会采用一个APIGateway，用于聚合后台的所有微服务，并对客户端提供统一的服务入口，让微服务对前台透明。

微服务架构是一种将单应用程序作为一套小型服务开发的方法，每种应用程序都在其自己的进程中运行，并与轻量级机制(通常是HTTP资源的API)进行通信。这些服务是围绕业务功能构建的，可以通过全自动部署机制进行独立部署。这些服务的集中化管理已经是最少的，它们可以用不同的编程语言编写，并使用不同的数据存储技术。微服务架构具备以下特性：

(1)每个微服务可独立运行在自己的进程里；

(2)一系列独立运行的微服务共同构建起整个系统；

(3)每个服务为独立的业务开发，一个微服务只关注某个特定的功能，例如订单管理，用户管理等；

(4)微服务之间通过一些轻量的通信机制进行通信，例如通过RESTful API进行调用；

(5)可以使用不同的语言与数据存储技术；

(6)全自动部署机制。

所述计算与渲染层103，包括游戏引擎201和GIS引擎202，基于所述数据存储层101中的数据，利用所述游戏引擎201进行GIS数据的加载、三维场景渲染、三维场景分析，并利用所述GIS引擎202进行空间分析、二维数据与三维数据的格式转换。

所述业务表现层104，基于前端语言构建所述客户端的用户界面，所述用户界面将所述计算与渲染层103通过WebSocket发布的信息进行展示。

作为其中一种改进，所述游戏引擎201、所述GIS引擎202与所述用户界面之间通过WebSocket进行通信，包括：

所述用户界面将识别到的用户操作信号通过WebSocket分别向所述游戏引擎201和所述GIS引擎202发送操作指令；

所述操作指令匹配于所述游戏引擎201和所述GIS引擎202中的其中一个引擎，其中一个引擎执行所述操作指令的结果反馈至所述用户界面进行展示；

其中一个引擎在执行所述操作指令后，判断需要调用另一个引擎共同完成所述操作指令的任务时发出调用指令，所述调用指令匹配于所述游戏引擎和所述GIS引擎中的其中另一个引擎，其中另一个引擎执行所述调用指令的结果反馈至所述用户界面进行展示。

为了更好地理解所述游戏引擎201、所述GIS引擎202与所述用户界面之间通过WebSocket进行通信的过程，下面对该过程举一个例子：

假设用户想要统计任意范围内房屋的权属信息，即随意圈一个范围，看看这个范围内有多少房屋属于国有，多少房屋属于集体所有，多少房屋属于私人所有。所述数字孪生系统首先从客户端通过WebSocket发送一条指令给服务器端请求统计任意范围内房屋的权属信息。

服务器端的游戏引擎201和GIS引擎202同时接收到这条指令，假设根据指令内容，游戏引擎201判断这条指令应该由其来进行处理，于是游戏引擎201激活三维场景中的绘制功能，这时候用户就可以在游戏引擎201的三维场景中任意画一个闭合的范围，接着游戏引擎201把闭合范围的坐标，连同权属查询的要求一起编辑成一条新的信息，通过WebSocket将该信息与即将需要执行的功能对应的指令发布出来。

GIS引擎202和客户端都收到了该信息与指令，GIS引擎202判断该由其来执行接下来的功能，于是GIS引擎202依据该信息提供的坐标，调运GIS数据库和GIS引擎202的查询统计功能实现权属信息的查询，将查询统计的结果再次编辑成一条新的信息，通过WebSocket发布出来。

客户端收到这条信息后，根据信息提供的结果在客户端的页面上对结果进行展示，这样就实现了房屋权属查询这个功能。

作为其中一种改进，所述数字孪生系统采用云端渲染技术将所述服务器端渲染后的三维场景传输至所述客户端，包括：

所述计算与渲染层103基于所述游戏引擎201，采用PBR技术对三维场景进行渲染，并通过WebSocket将渲染后的三维场景传输至所述客户端，以使渲染后的三维场景在所述用户界面进行展示。

需要说明的是，云端渲染技术是在“云计算”概念产生后而诞生的一种新型渲染处理模式，将原本在单机上进行的三维图形渲染过程转移到由多台渲染节点构成的强大集群体系的服务器端，也即云端。其核心思想是:把大量用网络连接的计算资源进行统一管理和调度，构成了一个计算资源池，以此为用户提供按需服务。在云渲染中，专有功能集中装备在云端的渲染器上，而本地只需要装备一个瘦客户端。用户将本地任务提交到远程服务器，通过远程的计算机集群资源进行运算操作，将上传的任务进行云端渲染后再返回本地，由用户下载提取。

云端渲染技术主要有两种实现方式：云端预渲染和云端实时渲染，本发明实施例主要利用云端实时渲染技术，即是将高强度的运算处理后，再把结果传输到用户设备上，通过基于PBR物理拟真渲染来展现逼真光影和细节，达到照片级渲染品质。云端实时渲染无需下载应用软件，只需在设备上使用网络浏览器即可访问所有三维应用。通过动态视频流技术加载倾斜模型过程使用工业级安全标准的数据加密传输，应用运行在云端开展，终端无需下载数据，从而确保用户与应用数据隔离，拥有多重地理信息数据安全保障。

作为其中一种改进，所述WebSocket指令集包括Type字段、Command字段和Brief字段。其中，所述Type字段接收String数据类型，用于明确调用的系统功能，所述系统功能至少包括查询、统计和可视域分析；所述Command字段接收String数据类型，用于明确即将执行的动作，所述动作至少包括添加、删除和编辑；所述Brief字段接收json数组数据类型，用于转递执行WebSocket指令所需的信息数据，所述信息数据至少包括文件地址、url地址、坐标点信息和坐标串信息。

需要说明的是，WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议，WebSocket通信协议于2011年被IETF定为标准RFC 6455，并由RFC 7936补充规范。WebSocket API也被W3C定为标准。WebSocket使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。

如图4所示，在WebSocket中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输，可以使服务器避免打开多个HTTP连接进行工作，并且WebSocket没有同源限制，客户端可以与任意服务器端进行通信，从而节约资源，提高了工作效率和资源利用率。WebSocket可以做到服务端主动将消息推送给客户端。

WebSocket的特点是：

(1)握手阶段采用HTTP协议。

(2)数据格式轻量，性能开销小。

(3)提供更好的二进制支持，可以发送文本和二进制数据

(4)没有同源限制，客户端可以与任意服务器通信

本发明实施例通过云渲染技术与WebSocket通信协议将客户端与服务器端解耦，降低了对客户端设备的要求，使得本发明实施例提供的数字孪生系统可以部署在任意设备上，提高了所述数字孪生系统的适用性。

作为其中一种改进，所述游戏引擎201采用虚幻引擎或Unity引擎，所述GIS引擎202采用MapServer、SuperMap iServer、Cesium ion、GeoServer、ArcGIS Server或MapGISIGServer的其中任一种。

需要说明的是，所述游戏引擎201对GIS数据进行加载包括对倾斜摄影数据、矢量数据、路网数据、BIM数据、POI数据、瓦片数据和三维地形数据进行加载，对三维场景进行渲染包括缓冲、几何信息光栅化、剔除和着色，对三维场景进行分析包括可视性分析、限高分析、天际线分析、三维属性分析、日照分析和剖面分析。

所述GIS引擎202是指可以实现跨终端资源访问和应用开发的服务式GIS开发系统，能够实现分布式数据管理与发布，并提供空间分析、对二维数据的格式以及三维数据的格式进行转换等功能，具体包括空间关系查询、空间统计分析、空间信息分类、空间信息量算、缓冲区分析、网格分析和叠加分析。

采用本发明实施例提供的一种双引擎驱动的数字孪生系统，通过将游戏引擎和GIS引擎结合构建一种双引擎驱动的数字孪生系统，使得所述数字孪生系统同时具备强大的三维渲染能力与空间分析能力，能够构建出可视效果好且具备空间信息的三维模型，此外通过WebSocket实现服务器端与客户端之间的通信，降低了对客户端设备的硬件要求，提高了所述数字孪生系统的适用性。

以上所述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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双引擎驱动的数字孪生系统，其特征在于，包括部署在服务器端的数据存储层、中台管理层、计算与渲染层以及部署在客户端的业务表现层；

所述数据存储层，至少包括基础支撑数据库、数字底板资源库、三维场景数据库和运行维护数据库；

所述中台管理层，基于所述数据存储层中存储的数据，利用微服务架构对所述数字孪生系统的智能网关、多个用户终端、WebSocket指令集、服务共享控制、用户运维、系统监控、日志进行管理；

所述计算与渲染层，包括游戏引擎和GIS引擎，基于所述数据存储层中的数据，利用所述游戏引擎进行GIS数据的加载、三维场景渲染、三维场景分析，并利用所述GIS引擎进行空间分析、二维数据与三维数据的格式转换；

所述业务表现层，基于前端语言构建所述客户端的用户界面，所述用户界面将所述计算与渲染层通过WebSocket发布的信息进行展示。

2.如权利要求1所述的双引擎驱动的数字孪生系统，其特征在于，所述数字孪生系统采用B/S架构。

3.如权利要求1所述的双引擎驱动的数字孪生系统，其特征在于，所述游戏引擎、所述GIS引擎与所述用户界面之间通过WebSocket进行通信，包括：

所述用户界面将识别到的用户操作信号通过WebSocket分别向所述游戏引擎和所述GIS引擎发送操作指令；

所述操作指令匹配于所述游戏引擎和所述GIS引擎中的其中一个引擎，其中一个引擎执行所述操作指令的结果反馈至所述用户界面进行展示；

其中一个引擎在执行所述操作指令后，判断需要调用另一个引擎共同完成所述操作指令的任务时发出调用指令，所述调用指令匹配于所述游戏引擎和所述GIS引擎中的其中另一个引擎，其中另一个引擎执行所述调用指令的结果反馈至所述用户界面进行展示。

4.如权利要求1所述的双引擎驱动的数字孪生系统，其特征在于，所述数字孪生系统采用云端渲染技术将所述服务器端渲染后的三维场景传输至所述客户端，包括：

所述计算与渲染层基于所述游戏引擎，采用PBR技术对三维场景进行渲染，并通过WebSocket将渲染后的三维场景传输至所述客户端，以使渲染后的三维场景在所述用户界面进行展示。

5.如权利要求1所述的双引擎驱动的数字孪生系统，其特征在于，所述WebSocket指令集包括Type字段、Command字段和Brief字段。

6.如权利要求1所述的双引擎驱动的数字孪生系统，其特征在于，所述微服务架构至少包括用于管理所述智能网关的智能网关管理微服务、用于管理多个用户终端的多终端管理微服务、用于管理所述WebSocket指令集的指令集管理微服务、用于管理服务共享控制的服务共享控制微服务、用于管理用户运维的用户运维管理微服务、用于管理系统监控的系统监控微服务和用于管理日志的日志管理微服务。

7.如权利要求5所述的双引擎驱动的数字孪生系统，其特征在于，所述微服务架构中的所有微服务之间通过IPC进行通信，所述客户端与所述微服务之间设置有API Gateway，以使所述API Gateway为所述客户端提供统一的服务器端入口。

8.如权利要求1所述的双引擎驱动的数字孪生系统，其特征在于，所述游戏引擎采用虚幻引擎或Unity引擎，所述GIS引擎采用MapServer、SuperMap iServer、Cesium ion、GeoServer、ArcGIS Server或MapGIS IGServer的其中任一种。

9.如权利要求1所述的双引擎驱动的数字孪生系统，其特征在于，所述基础支撑数据库存储二维空间矢量数据，所述数字底板资源库存储二维空间栅格数据，所述三维场景数据库存储倾斜摄影数据和三维模型数据，所述运行维护数据库存储系统表；

所述二维空间栅格数据包括遥感卫星影像、DEM、DOM和电子地图，所述系统表包括用户信息、组织结构、访问人数和日志。

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