CN115578492A - 一种基于混合三维引擎的数字孪生系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混合三维引擎的数字孪生系统，包括：三维可视化展示模块，用于为用户提供三维场景的操作功能和漫游与自动巡检功能，以及三维场景的图表展示组件的可视化定制功能；三维空间分析处理模块，用于生成用于表征三维场景的三维模型；三维模型快速加载模块，用于生成待渲染三维模型；三维场景渲染模块，用于对待渲染三维模型进行解压缩处理后进行渲染处理，渲染出的满足三维任务指令的三维场景；三维引擎智能调度模块，用于生成三维场景的调度算法；本发明具备智能化的三维引擎调度能力，可根据业务场景的实际需求动态调整三维引擎驱动，具备良好的三维场景应用展示，三维场景标注标绘能力。
Description
技术领域
本发明涉及数字孪生应用领域，具体而言，涉及一种基于混合三维引擎的数字孪生系统。
背景技术
数字孪生是通过数字化的技术，充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，把现实世界的场景通过三维数字化建模技术进行映射到虚拟化的场景，同时，在虚拟现实场景中的操作也同步影响现实世界中的设备运行。
近年来，基于数字孪生技术的软件产品如雨后春笋般快速在各个行业中得到了不同程度的应用。尤其是各行业对三维可视化场景的需求越来越明显，加速数字孪生技术的飞速发展。传统的数据孪生技术一种是基于GIS技术在三维空间分析技术的基础上发展，另一种则是基于BIM技术的三维空间的场景发展。两者各有优缺点，基于GIS技术的数字孪生应用在大三维空间范围，空间分析处理方面有着不错的效果，但在精细化的小三维场景中，对场景中的要素进行高精度数字化还原，就有所不足。基于BIM的技术虽然能对小场景中各要素进行三维精细化建模，但是模型较重，在后期可视化显示方面，对软硬件环境要求较高。同时缺少大三维场景中空间地理坐标系统，在空间范围分析方面有所欠缺。在很多实际的业务场景中，往往会涉及到既需要大三维场景中空间分析能力，也需要小三维场景中精细化的数字仿真，如智慧地铁中，城市级地铁线网级可视化显示应用时，需要大三维场景，能够清晰定位到各线路中的站点的经纬度地理空间位置，也需要精确了解各站点内部的精细三维场景，因此，急需一种基于混合三维引擎的数字孪生系统，充分利用GIS、CIM、BIM、IoT、AI等关键技术，根据各行业业务场景，能够快速搭建出符合实际需求的数字孪生应用系统，为各行业用户提供可视化智能工具，为数字化转型升级赋能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于混合三维引擎的数字孪生系统，用于无缝的衔接大三维场景下的地理空间分析处理与小三维场景下的精细化模型处理的应用需求，并做到在不同应用场景需求下智能的三维引擎调度，很好地实现了在各种数字孪生场景中的业务应用。同时，该系统可以将对软硬件资源需求的依赖降低到十分经济合理的范畴，达到可视，绿色，节能，高效，智能的效果。
为了实现上述技术目的，本申请提供了一种基于混合三维引擎的数字孪生系统，包括：
三维可视化展示模块，用于为用户提供三维场景的操作功能和漫游与自动巡检功能，以及三维场景的图表展示组件的可视化定制功能；
三维空间分析处理模块，用于通过获取用户选择的三维任务指令，对三维场景的空间地理要素进行索引构建并建立索引缓存后，对三维场景进行分析处理，生成用于表征三维场景的三维模型，其中，三维任务指令用于表示用户获取三维场景的指令；
三维模型快速加载模块，用于对三维模型进行轻量化处理和负载均衡化处理，生成待渲染三维模型；
三维场景渲染模块，用于对待渲染三维模型进行解压缩处理后进行渲染处理，渲染出的满足三维任务指令的三维场景；
三维引擎智能调度模块，用于基于三维任务指令的完成时间，通过获取三维任务指令的任务项的权重，将任务项与三维引擎进行匹配，以完成时间最小为目标，获取用于生成三维场景的调度算法，其中，调度算法用于表示数字孪生系统调用三维引擎生成三维场景的调用方法。
优选地，三维空间分析处理模块，还用于通过B+树对空间地理要素进行索引构建，并采用开源的Redis作为索引缓存，通过分级分片加载方法，对三维场景进行分析处理。
优选地，三维空间分析处理模块还用于采用带权重的最近最少使用策略进行缓存数据交换，并结合缓存失效的截止时间，将热度较高的空间索引数据进行缓存。
优选地，三维模型快速加载模块还用于通过索引查找到处于缓存状态的三维模型的空间要素数据，并进行轻量化处理，用于压缩或剔除掉部分模型要素或模型纹理材质。
优选地，三维模型快速加载模块还用于对进行轻量化处理后的三维模型通过并发处理，对三维模型的负载进行负载均衡化，生成待渲染三维模型。
优选地，三维场景渲染模块还用于获取解压缩处理过程中的异常日志，并根据异常日志对应的解压异常节点，进行二次解压，并判断二次解压结果，当解压结果为正常时，则进行三维渲染，若二次解压结果异常时，判断三维渲染的结果是否满足三维任务指令，若满足，则进行三维渲染，若不满足，则删除当前待渲染三维模型并通过三维模型快速加载模块重新加载待渲染三维模型。
优选地，三维场景渲染模块还用于在删除当前待渲染三维模型时，获取解压异常节点对应的重新加载的待渲染三维模型的节点位置，进行解压，生成第一解压结果，并结合当前待渲染三维模型的第二解压结果，进行三维渲染，判断是否满足三维任务指令，若满足，则使用第二解压结果生成三维场景，若不满足，则删除当前待渲染三维模型，通过重新加载的待渲染三维模型，生成三维场景。
优选地，三维引擎智能调度模块还用于通过获取任务项与三维引擎的任务边，根据任务项的权重，依据网络流算法模型进行匹配，生成调度算法。
优选地，数字孪生系统还包括：
数字孪生接口模块，用于上层应用提供统一的接口服务；
三维特效器组件模块，用于提供三维动画，特效，以及模拟仿真相关功能；
数字孪生上下文适配模块，用于为数字孪生系统提供适配能力对数据存储对象进行协同处理。
优选地，数字孪生系统的三维场景的渲染方法包括以下步骤：
基于调度算法，通过获取三维任务指令，根据索引缓存的索引路径，获取空间要素数据；
通过分级分片加载方法，对空间要素数据进行处理，生成三维模型；
对三维模型进行轻量化处理和负载均衡化处理，生成待渲染三维模型；
获取渲染任务指令，对待渲染三维模型进行解压缩处理后进行渲染处理，渲染出的满足三维任务指令的三维场景。
本发明公开了以下技术效果：
1.具备智能化的三维引擎调度能力，可根据业务场景的实际需求动态调整三维引擎驱动，具备良好的三维场景应用展示，三维场景标注标绘能力，提供非常丰富的三维服务API接口开发能力。
2.具备多元数据集成能力，针对地铁、高铁、园区等业务场景，对人、车、设备、环境、事件进行了元模型的构建。能够快速针对业务场景，基于预制的元模型构建出符合实际需求的业务场景应用。
3.具备丰富的三维模型加载能力，能对三维模型进行轻量化处理，在不降低显示效果的情况下，对三维模型进行轻量化处理后，既降低了网络的传输数据，又提升了可视化模型加载的速度，达到性能良好的三维模型传输处理的效果。
4.具备丰富的三维场景特效及图表展示能力。支持多种统计图表，如柱状图、饼图、散点图等，支持不同场景的特效，如日夜变化的光影效果，爆炸场景的粒子效果，车辆到站的动画效果，人物行走的骨骼动画效果，物体碰撞的仿真模拟效果等。
5.具备人工智能分析处理能力。支持和集成多种AI算法，能对车站客流、环境分析，设备状态预测预警等场景进行智能化的分析处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例所述的逻辑架构图；
图2是本发明所述的三维场景的渲染方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-2所示，本发明提供了一种基于混合三维引擎的数字孪生系统，包括：
三维可视化展示模块，用于为用户提供三维场景的操作功能和漫游与自动巡检功能，以及三维场景的图表展示组件的可视化定制功能；
三维空间分析处理模块，用于通过获取用户选择的三维任务指令，对三维场景的空间地理要素进行索引构建并建立索引缓存后，对三维场景进行分析处理，生成用于表征三维场景的三维模型，其中，三维任务指令用于表示用户获取三维场景的指令；
三维模型快速加载模块，用于对三维模型进行轻量化处理和负载均衡化处理，生成待渲染三维模型；
三维场景渲染模块，用于对待渲染三维模型进行解压缩处理后进行渲染处理，渲染出的满足三维任务指令的三维场景；
三维引擎智能调度模块，用于基于三维任务指令的完成时间，通过获取三维任务指令的任务项的权重，将任务项与三维引擎进行匹配，以完成时间最小为目标，获取用于生成三维场景的调度算法，其中，调度算法用于表示数字孪生系统调用三维引擎生成三维场景的调用方法。
进一步优选地，本发明提到的三维空间分析处理模块，还用于通过B+树对空间地理要素进行索引构建，并采用开源的Redis作为索引缓存，通过分级分片加载方法，对三维场景进行分析处理。
进一步优选地，本发明提到的三维空间分析处理模块还用于采用带权重的最近最少使用策略进行缓存数据交换，并结合缓存失效的截止时间，将热度较高的空间索引数据进行缓存。
进一步优选地，本发明提到的三维模型快速加载模块还用于通过索引查找到处于缓存状态的三维模型的空间要素数据，并进行轻量化处理，用于压缩或剔除掉部分模型要素或模型纹理材质。
进一步优选地，本发明提到的三维模型快速加载模块还用于对进行轻量化处理后的三维模型通过并发处理，对三维模型的负载进行负载均衡化，生成待渲染三维模型。
进一步优选地，本发明提到的三维场景渲染模块还用于获取解压缩处理过程中的异常日志，并根据异常日志对应的解压异常节点，进行二次解压，并判断二次解压结果，当解压结果为正常时，则进行三维渲染，若二次解压结果异常时，判断三维渲染的结果是否满足三维任务指令，若满足，则进行三维渲染，若不满足，则删除当前待渲染三维模型并通过三维模型快速加载模块重新加载待渲染三维模型。
进一步优选地，本发明提到的三维场景渲染模块还用于在删除当前待渲染三维模型时，获取解压异常节点对应的重新加载的待渲染三维模型的节点位置，进行解压，生成第一解压结果，并结合当前待渲染三维模型的第二解压结果，进行三维渲染，判断是否满足三维任务指令，若满足，则使用第二解压结果生成三维场景，若不满足，则删除当前待渲染三维模型，通过重新加载的待渲染三维模型，生成三维场景。
进一步优选地，本发明提到的三维引擎智能调度模块还用于通过获取任务项与三维引擎的任务边，根据任务项的权重，依据网络流算法模型进行匹配，生成调度算法。
进一步优选地，本发明提到的数字孪生系统还包括：
数字孪生接口模块，用于上层应用提供统一的接口服务；
三维特效器组件模块，用于提供三维动画，特效，以及模拟仿真相关功能；
数字孪生上下文适配模块，用于为数字孪生系统提供适配能力对数据存储对象进行协同处理。
进一步优选地，本发明提到的数字孪生系统的三维场景的渲染方法包括以下步骤：
基于调度算法，通过获取三维任务指令，根据索引缓存的索引路径，获取空间要素数据；
通过分级分片加载方法，对空间要素数据进行处理，生成三维模型；
对三维模型进行轻量化处理和负载均衡化处理，生成待渲染三维模型；
获取渲染任务指令，对待渲染三维模型进行解压缩处理后进行渲染处理，渲染出的满足三维任务指令的三维场景。
实施例1：本发明作为一款数字孪生的系统，在三维可视化展示、三维空间分析处理、三维模型快速加载、三维场景的渲染、三维引擎的智能调度等方面都进行了不同程度的技术创新。
在三维可视化展示方面，除了提供三维场景的缩放、旋转、平移等基本操作外，还提供了三维场景中的漫游，自动巡检，同时提供多种丰富的图表展示组件进行可视化定制。
在三维空间分析处理技术方面采用了B+树(八叉树)对空间地理要素进行了索引构建，通过构建的空间索引，进行索引缓存(采用开源的Redis进行缓存)同时结合分级分片加载等三维影像的技术，可实现在空间分析处理方面显著提升系统性能。其中空间的索引缓存，默认采用带权重的最近最少使用策略进行缓存数据交换，另外结合缓存失效的截止时间，能够尽可能地将热度较高的空间索引数据进行缓存。然后通过加载技术，通过索引查找到实际的空间要素数据，达到良好的性能要求。
三维模型快速加载方面，首先提供对三维模型进行轻量化处理，轻量化处理后，可以有效地压缩或剔除掉部分模型要素或模型纹理材质，然后通过系统的并发处理，对三维模型负载进行负载均衡化，充分利用现有的软硬件资源，最大限度地合理发挥软硬件资源的效能。接下来把轻量化处理后的三维模型通过网络传输到需要进行三维模型渲染的服务终端上进行渲染展示。
三维场景渲染方面，当服务器接收到场景渲染的指令后，进行有效的渲染工作，当遇到轻量化处理后的三维模型时，可先对当前模型进行压缩后的解压处理。如果遇到当前模型处理过程中遇到异常情况下，则忽略掉当前有异常的三维模型，引擎继续解析后续的三维模型。同时对异常情况进行日志记录，最大限度保障引擎能够渲染出合理的场景模型。
三维引擎的智能调度作为混合三维引擎的关键技术组件，提供了多种策略进行引擎的调度能力。通过上层的三维任务及任务的具体要求，最大匹配出合适的三维引擎进行处理。在任务与引擎之间通过智能调度组件来达到最大匹配，这样构成了一个完整地二部图，同时各任务都带有权重，因此形成了带权重w的有向图D＝(V,A；w),其中V＝U∪S，u∈U，u是带权重的任务项，s∈S，s是调度处理任务的引擎。要求出该调度算法的最大匹配，可通过网络流算法模型进行求解。假设引擎i有一个任务序列Ji＝j1，j2,…,jm,该任务序列完成的时间之和为：
∑m k＝1＝(m-k+1)·Pik
如果一个任务被安排为最后的第k个任务处理，那么它的处理时间为k倍的Pik在当前引擎i中完成，Pik表示第k个任务在第i个引擎上的处理时间；m为引擎数的最大值。U中包含的任务项1，2，…,n。A是连接每个任务项和处理引擎的位置边，并且有权重如下所示：
w(uk,sij)＝j·Pij,(1≤i≤m,1≤j≤n,1≤k≤n)
其中，Pij表示第j个任务在第i个引擎上的处理时间；
因此，就是要使在第i项引擎上最后一个任务完成的总完工时间达到最小，此匹配就是找出总完工时间最小，达到最佳匹配的调度算法。
实施例2：本发明采用混合三维引擎架构技术，完全自主研发出一整套适应于三维场景下的组件。各组件通过整体的设计，具备职责分工明确，形成一个有机整体。该系统同时考虑到实际的业务场景要求，进行多样化的部署。如单体式的本地裸机部署，本地虚拟机或容器化部署，同时支持采用云原生的方式进行云化的部署。
本发明的逻辑架构如下图1所示：
其中数字孪生API接口(Union API Server)组件负责为上层应用提供统一的接口服务。
三维特效器组件(3D Effect Server)组件负责提供三维动画，特效，以及模拟仿真相关的能力。AI分析处理器(AI Integrate Server)负责提供人工智能分析处理的算法能力以及第三方AI算法的集成能力。元模型(Metadata)负责提供三维元模型的处理能力，同时集成人、车、环境、设备、事件等基础元模型，并支持在此基础上进行元模型的扩展和新增的能力。
三维智能引擎调度(Dispatcher Server)组件负责提供三维引擎的智能调度，能根据不同的业务场景，选取合适的三维引擎进行三维场景的渲染。主要集成多款智能调度算法。能提供多参数对调度算法进行调优，如权重，轮巡策略等进行算法的匹配。
数字孪生上下文适配器(Context Adapter)负责提供适配能力，通过适配器的输入组件，输出组件，数据存储对象组件进行协同处理，封装出不依赖于具体软硬件环境的上下文适配组件，为数字孪生系统提供跨系统的基础能力提供最基础的组件。
本发明提供的数字孪生系统，可采用B/S的架构模式进行部署实施。前端通过各种终端发起服务请求，通过业务应用组件的整合，调用该产品的数字孪生API接口服务，对该系统提供三维场景能力进行处理，内部组件之间进行协同处理后，将最终符合要求的结果通过标准的API接口以服务能力的方式进行返回，最终通过各终端将结果呈现给用户；本发明支持国产软硬件环境的兼容，对跨系统有着良好的效果。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于混合三维引擎的数字孪生系统，其特征在于，包括：
三维可视化展示模块，用于为用户提供三维场景的操作功能和漫游与自动巡检功能，以及所述三维场景的图表展示组件的可视化定制功能；
三维空间分析处理模块，用于通过获取所述用户选择的三维任务指令，对所述三维场景的空间地理要素进行索引构建并建立索引缓存后，对所述三维场景进行分析处理，生成用于表征所述三维场景的三维模型，其中，所述三维任务指令用于表示所述用户获取所述三维场景的指令；
三维模型快速加载模块，用于对所述三维模型进行轻量化处理和负载均衡化处理，生成待渲染三维模型；
三维场景渲染模块，用于对所述待渲染三维模型进行解压缩处理后进行渲染处理，渲染出的满足所述三维任务指令的所述三维场景；
三维引擎智能调度模块，用于基于所述三维任务指令的完成时间，通过获取三维任务指令的任务项的权重，将所述任务项与三维引擎进行匹配，以所述完成时间最小为目标，获取用于生成所述三维场景的调度算法，其中，所述调度算法用于表示所述数字孪生系统调用所述三维引擎生成所述三维场景的调用方法。
2.根据权利要求1所述一种基于混合三维引擎的数字孪生系统，其特征在于：
所述三维空间分析处理模块，还用于通过B+树对所述空间地理要素进行索引构建，并采用开源的Redis作为所述索引缓存，通过分级分片加载方法，对所述三维场景进行分析处理。
3.根据权利要求2所述一种基于混合三维引擎的数字孪生系统，其特征在于：
所述三维空间分析处理模块还用于采用带权重的最近最少使用策略进行缓存数据交换，并结合缓存失效的截止时间，将热度较高的空间索引数据进行缓存。
4.根据权利要求3所述一种基于混合三维引擎的数字孪生系统，其特征在于：
所述三维模型快速加载模块还用于通过索引查找到处于缓存状态的所述三维模型的空间要素数据，并进行轻量化处理，用于压缩或剔除掉部分模型要素或模型纹理材质。
5.根据权利要求4所述一种基于混合三维引擎的数字孪生系统，其特征在于：
所述三维模型快速加载模块还用于对进行轻量化处理后的所述三维模型通过并发处理，对所述三维模型的负载进行负载均衡化，生成所述待渲染三维模型。
6.根据权利要求5所述一种基于混合三维引擎的数字孪生系统，其特征在于：
所述三维场景渲染模块还用于获取解压缩处理过程中的异常日志，并根据所述异常日志对应的解压异常节点，进行二次解压，并判断二次解压结果，当解压结果为正常时，则进行三维渲染，若二次解压结果异常时，判断三维渲染的结果是否满足所述三维任务指令，若满足，则进行三维渲染，若不满足，则删除当前待渲染三维模型并通过所述三维模型快速加载模块重新加载所述待渲染三维模型。
7.根据权利要求6所述一种基于混合三维引擎的数字孪生系统，其特征在于：
所述三维场景渲染模块还用于在删除当前待渲染三维模型时，获取所述解压异常节点对应的重新加载的所述待渲染三维模型的节点位置，进行解压，生成第一解压结果，并结合所述当前待渲染三维模型的第二解压结果，进行三维渲染，判断是否满足所述三维任务指令，若满足，则使用所述第二解压结果生成所述三维场景，若不满足，则删除所述当前待渲染三维模型，通过重新加载的所述待渲染三维模型，生成所述三维场景。
8.根据权利要求7所述一种基于混合三维引擎的数字孪生系统，其特征在于：
所述三维引擎智能调度模块还用于通过获取所述任务项与三维引擎的任务边，根据所述任务项的权重，依据网络流算法模型进行匹配，生成所述调度算法。
9.根据权利要求8所述一种基于混合三维引擎的数字孪生系统，其特征在于：
所述数字孪生系统还包括：
数字孪生接口模块，用于上层应用提供统一的接口服务；
三维特效器组件模块，用于提供三维动画，特效，以及模拟仿真相关功能；
数字孪生上下文适配模块，用于为所述数字孪生系统提供适配能力对数据存储对象进行协同处理。
10.根据权利要求9所述一种基于混合三维引擎的数字孪生系统，其特征在于：
所述数字孪生系统的三维场景的渲染方法包括以下步骤：
基于所述调度算法，通过获取所述三维任务指令，根据所述索引缓存的索引路径，获取所述空间要素数据；
通过所述分级分片加载方法，对所述空间要素数据进行处理，生成所述三维模型；
对所述三维模型进行所述轻量化处理和所述负载均衡化处理，生成所述待渲染三维模型；
获取渲染任务指令，对所述待渲染三维模型进行解压缩处理后进行渲染处理，渲染出的满足所述三维任务指令的所述三维场景。
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