CN116912428B - 一种实现数字孪生的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字孪生技术领域，具体公开了一种实现数字孪生的方法及系统，包括：对目标场景中多个物体分别构建三维模型，将所有三维模型存储在客户端中；采集每个物体在目标场景中的变化数据，发送变化数据至平台端；平台端根据变化数据生成第一驱动数据，发送第一驱动数据至客户端；客户端根据第一驱动数据和三维模型对物体仿真运动；具有如下优点：既能够实现游戏引擎的逼真效果，又能够通过前端快速开发进行展示和交互，同时还具备较高的数据安全性。

Description

一种实现数字孪生的方法及系统

技术领域

本发明涉及数字孪生技术领域，具体而言，涉及一种实现数字孪生的方法。

背景技术

数字孪生是指将物理实体通过数字方式呈现成一个虚拟的、与实体在各方面都完全相同的实体，并通过数字技术对其进行模拟、预测和优化等操作。数字孪生方案采用的架构，具有对网络通信和服务器性能要求较高，用户无法在本地存储、管理自己的模型数据、开发者需要构建大量的界面，且用户需要安装和管理大量的软件，需要考虑软件、硬件环境等因素，同时也需要关注设备与数据安全的问题。

为此提出一种实现数字孪生的方法，以解决上述提出的问题。

发明内容

本发明旨在提供实现数字孪生的方法，以解决或改善上述技术问题中的至少之一。

有鉴于此，本发明的第一方面在于提供实现数字孪生的方法。

本发明的第二方面在于提供实现数字孪生的系统。

本发明的第一方面提供了实现数字孪生的方法，用于在客户端对目标场景实时仿真和控制，所述方法包括如下步骤：对所述目标场景中多个物体分别构建三维模型，将所有所述三维模型存储在客户端中；采集每个所述物体在所述目标场景中的变化数据，发送所述变化数据至平台端；所述平台端根据所述变化数据生成第一驱动数据，发送所述第一驱动数据至客户端；所述客户端根据所述第一驱动数据和所述三维模型对所述物体仿真运动。

进一步地，所述的对所述目标场景中多个物体分别构建三维模型的步骤，包括：获取所述物体的结构信息，根据所述结构信息构建所述物体的三维模型；根据所述物体的运动状态，将所述三维模型分为场景模型和由所述第一驱动数据控制的运动模型。

进一步地，所述平台端能够与多个所述客户端相连；以及所述客户端能够发送所述运动模型至所述平台端。

进一步地，所述的所述客户端能够发送所述运动模型至所述平台端，包括：判断所述备份数据中的运动模型对应所述物体在所述目标场景中是否为独占；在所述备份数据中，将为独占的物体对应运动模型划定为第二模型，以及将为非独占的物体对应运动模型划定为第一模型；将所述第一模型和所述第二模型共同发送至所述平台端。

进一步地，所述第一模型能够被与所述平台端相连的所有客户端获取；所述第二模型能够被发送该第二模型的客户端访问。

进一步地，所述的所述第二模型能够被发送该第二模型的客户端访问，包括：所述客户端能够对该第二模型在所述平台端锁定或解锁；所述客户端能够对该第二模型在所述平台端编辑或展示。

进一步地，所述目标场景设置有与所述物体相连的场景端，所述场景端用于获取所述物体的变化数据，且将所述变化数据发送至所述平台端。

进一步地，所述方法还包括：所述客户端根据仿真运动的结果生成所述控制数据和第二驱动数据，且发送所述控制数据至所述平台端；所述客户端根据所述第二驱动数据驱动所述场景模型；所述平台端将所述控制数据发送至与所述场景模型对应物体相连的场景端；所述场景端根据所述控制数据控制与所述场景模型对应的物体。

进一步地，所述客户端采用客户机/服务器架构，以及所述平台端采用浏览器/服务器架构；其中，所述客户端内设置有用于根据所述第一驱动数据和第二驱动数据驱动所述三维模型的物理引擎。

本发明的第二方面提供了实现数字孪生的系统，用于所述平台端，所述系统包括：

数据获取模块，用于接收所述物体在所述目标场景中的变化数据；

数字孪生计算模块，用于根据所述变化数据计算所述三维模型的第一驱动数据；

数据发送模块，用于发送所述控制数据至所述场景端，以及发送所述第一驱动数据至所述客户端。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

普通的全桌面开发构建界面比较复杂，开发效率低，业务开发使用web来构建界面效率更高，不仅可以快速嵌入第三方物理引擎实现业务开发和场景开发分离；

在数字孪生场景中进行设备控制能精准定位及快速控制；通过仿真技术可以推动例如灯组根据现场环境进行控制开和关，从而达到精准节能，可以快速实现数字孪生平台各类操作的智能化和自动化；不仅具备客户机/服务器架构的本地化、离线化、数据安全化的特点，还具备浏览器/服务器架构的数字孪生数据共享和云计算服务的优势。

既能够实现游戏引擎的逼真效果，又能够通过前端快速开发进行展示和交互，同时还具备较高的数据安全性。

根据本发明的实施例的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过根据本发明的实施例的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的数字孪生的架构图；

图2为本发明的双向通信示意图；

图3为本发明的系统逻辑框图。

具体实施方式

为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参阅图1-3，下面描述本发明一些实施例的实现数字孪生的方法。

本发明第一方面的实施例提出了实现数字孪生的方法。在本发明的一些实施例中，如图1-2所示，用于在客户端对目标场景实时仿真和控制，方法包括如下步骤：

S1，对目标场景中多个物体分别构建三维模型，将所有三维模型存储在客户端中。

具体而言，生成三维模型以构建数字孪生场景，共有两种方式，一是通过在物理引擎中实现数字孪生场景的编辑，可实现大场景的构建，可通过全球地理信息等GIS数据精准定位放置对应模型到指定位置，提前摆放好各个物体的位置和朝向，并且可以修改地形、配置气象等。二是通过Python主程序脚本化根据设备经纬度等地理坐标信息，批量放置到场景指定位置，并且可批量修改模型贴图实现快速场景构建。

进一步地，目标场景设置有与物体相连的场景端，场景端用于获取物体的变化数据，且将变化数据发送至平台端。场景端可以为实际的控制开关及调节设备，以控制设备的开闭和工况调节，例如红绿灯的亮灯颜色，路灯的开闭、路闸的开闭等。

进一步地，获取物体的结构信息，根据结构信息构建物体的三维模型。

根据物体的运动状态，将三维模型分为场景模型和由第一驱动数据控制的运动模型。例如运动模型具体为车辆模型，通过雷视一体摄像机获取到路面汽车的位置数据，经过云平台进行计算后，实时反馈到场景中车辆模型的运动。

具体地，场景模型包括：智慧服务区模型、智慧隧道模型和智慧收费站模型；

对于智慧服务区，数字孪生应用解决方案通过对服务区实景的 1:1 比例还原 3D建模，基于融合地理信息系统，支持对服务区进行网格化管理，对设备资源、自然环境、客流、停车、基础设施运维等管理领域的关键指标进行综合监测分析，实现人、事、物统一管理，以服务区公共服务设施分布、基本图文信息等数据为基础，将其融合于三维数字孪生平台，实现服务区资源基本概况一屏统览。融合智慧加油站、智慧公厕、智慧停车场、智慧灯杆、环境监测、能耗监测等实时数据，为服务区数字化提供全要素、全场景、全周期的智慧服务管理平台。从而满足服务区管理部门在日常管理、决策分析、形象宣传等多维度的需要。

对于智慧隧道，通过程序化建模3D还原各条隧道场景，可通过孪生系统控制接入隧道内各类机电设备如一氧化碳/能见度（CO/VI）检测器、风机回路、照明回路、感温光栅、风速风向检测器、卷帘门、摄像机等，同时可同步展示通过物联平台接入的各类设备数据、指标数据以及展示对应的动画如风机转动、车辆行驶、情报板变化等。

对于智慧收费站，通过深度还原真实收费站，可实时展示进入收费站车辆位置、车牌信息、车辆颜色、车型等信息，远程查看车辆数量密度情况，并可基于历史客流数据，结合专业的预测模型，设定车流阈值实现超限自动报警，为收费站管理者进行流量控制、车流疏导、安全保障等工作提供有力支持。

这里，对于客户端来说可以是工作人员配置的计算机，以此构建本地设备客户端，该客户端采用客户机/服务器架构，利用QT技术构建QtWebEngine用来模拟浏览器加载数字孪生云平台，QT具体为由Qt Company开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架，具体模块为：QtWebEngineWidgets.QWebEngineView，QtWebEngineWidgets.QWebEngineView具体为Qt底下的模块，并通过设置pageAction定制右键菜单功能，pageAction具体为Qt底下的模块，QtWebEngine底层为谷歌浏览器（Chrome）内核浏览器框架，通过配置平台URL可实现数字孪生云平台的页面展示和操作；整体的页面切换按钮需通过客户端进行定制，同时预留出引擎框架位置，以实现数字孪生系统的本地化、离线化、数据安全化要求。本地设备客户端通过与数字孪生服务器建立网络连接，可以将客户端中的数字孪生数据同步到服务器端进行备份。

S2，采集每个物体在目标场景中的变化数据，发送变化数据至平台端。上述的变化数据为采集到的例如车辆的运动轨迹数据、风机的转动情况、红绿灯的状态等。

这里，对于平台端来说可以是在后台服务的互联网服务器，用户看到的只是一个网页界面，可以在任何浏览器进行查看，以构建数字孪生云平台，该云平台采用浏览器/服务器架构，可以通过常规前后端手段来实现多用户之间的数字孪生数据共享和云计算服务，包含云端服务器和浏览器客户端两部分，例如在智慧隧道中前端采用Vue技术，Vue技术具体 是一款用于构建用户界面的框架，后端采用Python-Flask技术，Python-Flask具体为web应用程序框架。该云平台在进行编写时需注意在指定预留与客户端的通信位置，通过引入qwebchannel并设置全局qt类，qwebchannel具体为Qt内置模块，可在指定的位置例如点击‘车辆漫游’等功能按钮时触发pyqt内方法，pyqt具体为Python内置模块；同时对每个功能按钮做相应路由配置，以附件智慧隧道为例，分别配置隧道概览、一体化监测、专题监测、设备控制、策略控制、资产管理、告警管理、系统配置等URL路径，URL路径具体为统一资源定位器。该云平台的云端服务器负责存储、管理和计算数字孪生数据，通过网络连接与本地设备客户端进行数据同步和数据备份，同时支持多个用户同时访问。

具体而言，客户端采用客户机/服务器架构，具体为C/S架构，以及平台端采用浏览器/服务器架构，具体为B/S架构；其中，客户端内设置有用于根据第一驱动数据和第二驱动数据驱动三维模型的物理引擎。第二驱动数据具有多种模型的驱动数据，例如在实际场景中红绿灯由红灯变成绿灯，控制场景中对应的红路灯三维模型同样进行改变和展示。

建立物理引擎和数字孪生服务器通信，物理引擎中的设备状态获取来自数字孪生服务器，首先需在物理引擎启动时建立WebSocket连接，不断地获取最新的设备遥测数据，从而在物理引擎中展示设备实时状态；同时在物理引擎进行的设备操作通过消息队列遥测传输方式MQTT进行消息传输，从而实现对设备的实际控制，及时同步设备状态

S3，平台端根据变化数据生成第一驱动数据，发送第一驱动数据至客户端。例如第一驱动数据为通过雷视一体摄像机获取到路面汽车的位置数据，经过云平台进行计算后，实时反馈到场景中车辆模型的运动的驱动数据。

具体而言，平台端与客户端之间能够进行数据交互，通过建立B/S和C/S通信，云平台和物理引擎可通过QWebChannel建立双向通信，具体实现方式为：首先在程序入口处初始化webchannel，然后在webchannel里定义相应方法，前端通过调用qwebchannel.js引入方法并调用，同时传入参数，通信参数规范为{“method”：对应方法名，“from”：来自哪个页面，“data”: 携带数据}；同时 ，客户端还可通过runJavaScript来调用前端中的方法和函数，并传入同样规范的参数；由此可实现B/S和C/S之间的双向通信。

进一步地，平台端能够与多个客户端相连；以及客户端能够发送运动模型至平台端。在将运动模型发送至平台端时，判断备份数据中的运动模型对应物体在目标场景中是否为独占；在备份数据中，将为独占的物体对应运动模型划定为第二模型，以及将为非独占的物体对应运动模型划定为第一模型；将第一模型和第二模型共同发送至平台端。

具体而言，第一模型为能够多个客户端共享的公共模型，第二模型为上传改第二模型的客户端独享并能够屏蔽其他客户端进行访问；数字孪生数据在实际的使用中能够存储、管理和共享。数字孪生模型分为公共模型和私有模型两类，公共模型可以被所有用户共享访问，私有模型仅限制于用户自身。在该模块中，用户可以创建、编辑自己的数字孪生模型，包括缩放、节点编辑、材质编辑灯，并在物理引擎中进行展示和修改，同时也可以共享和访问其他用户的数字孪生模型。

这里，由于部分敏感地区的具有保密要求，因此无法将该敏感地区的全部构建的模型上传平台端，但是使用者又有对保密物体的仿真需求，因此将构建好后的三维模型在上传平台端后，仅能够为上传该三维模型的客户端访问，以进行编辑修改，或选择性的展示，在实现共享功能的前提下做到对部分物体的三维模型的保密。

进一步地，第一模型能够被与平台端相连的所有客户端获取；第二模型能够被发送该第二模型的客户端访问；

其中，客户端能够对所有的运动模型进行如下操作：对该第二模型在平台端锁定或解锁；对该第二模型在平台端编辑或展示。

S4，客户端根据第一驱动数据和三维模型对物体仿真运动。

这里，在上述的仿真过程中还包括对目标场景中物体的实际控制，具体为：客户端根据仿真运动的结果生成控制数据和第二驱动数据，且发送控制数据至平台端；客户端根据第二驱动数据驱动场景模型；平台端将控制数据发送至与场景模型对应物体相连的场景端；场景端根据控制数据控制与场景模型对应的物体。

本发明提供的实现数字孪生的方法，普通的全桌面开发构建界面比较复杂，开发效率低，业务开发使用web来构建界面效率更高，不仅可以快速嵌入第三方物理引擎实现业务开发和场景开发分离；

在数字孪生场景中进行设备控制能精准定位及快速控制；通过仿真技术可以推动例如灯组根据现场环境进行控制开和关，从而达到精准节能，可以快速实现数字孪生平台各类操作的智能化和自动化；不仅具备客户机/服务器架构的本地化、离线化、数据安全化的特点，还具备浏览器/服务器架构的数字孪生数据共享和云计算服务的优势。

既能够实现游戏引擎的逼真效果，又能够通过前端快速开发进行展示和交互，同时还具备较高的数据安全性。

本发明第二方面的实施例提出了实现数字孪生的系统。在本发明的一些实施例中，如图3所示，用于平台端，系统包括：

数据获取模块，用于接收物体在目标场景中的变化数据。

数字孪生计算模块，用于根据变化数据计算三维模型的第一驱动数据。

数据发送模块，用于发送控制数据至场景端，以及发送第一驱动数据至客户端。

本发明提供的实现数字孪生的系统，构建数字孪生计算模块，包含指标计算、空间计算、时空融合、交通仿真推演、拥堵预警、车流量预测等模块，实现对数字孪生数据进行模拟、预测和优化等计算操作，以提高数字孪生系统的性能和智能化水平，通过仿真技术可以推动例如灯组根据现场环境进行控制开和关，从而达到精准节能，再例如对车辆进入情况进行仿真模拟从而推断未来拥堵状况。

本发明第二方面的另一个实施例提出了实现数字孪生的项目框架。在本发明的一些实施例中，如图3所示，该项目框架包括；

数据层：包括GIS等地理信息数据；包括但不限于摄像头、传感器、定位仪、消防设备、传感设备等物联网设备数据；包括业务系统产生的如告警数据、指标数据；包括利用机器学习和人工智能领域的技术对数据深度特征提取和建模形成的数据，实现多源异构数据融合；

支撑层：webgl引擎兼容Cesium、Three.js等常规web三维可视化引擎；佐罗引擎兼容各类3D模型，可快速加载超大场景，实现天然仿真，构件精细化大场景；交通孪生数据规范规定各类模型参数和数据格式；

平台层：包括管理平台和展示平台，管理平台包含场景编辑器可快速移动、缩放、旋转、定位模型，支持材质创建、贴图创建，支持对模型的编辑、模型动画的设定、镜头漫游动画的设定，支持程序化建模，管理平台同时还包含素材管理、孪生数据工具、设备孪生体管理。展示平台包含孪生浏览器，各类型仿真推演和多种数据可视化三大块；

开放层：可接入数据可视化服务、领域模型仓服务、物联网平台服务以及二次开发服务。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开的范围。

在本公开所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/电子设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/电子设备实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本公开实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可以实现上述各个方法实施例的步骤。计算机程序可以包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机

程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如，在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种实现数字孪生的方法，其特征在于，用于在客户端对目标场景实时仿真和控制，所述方法包括如下步骤：

对所述目标场景中多个物体分别构建三维模型，将所有所述三维模型存储在客户端中；所述的对所述目标场景中多个物体分别构建三维模型的步骤，包括：

获取所述物体的结构信息，根据所述结构信息构建所述物体的三维模型；

根据所述物体的运动状态，将所述三维模型分为场景模型和由所述第一驱动数据控制的运动模型；

采集每个所述物体在所述目标场景中的变化数据，发送所述变化数据至平台端；

所述平台端根据所述变化数据生成第一驱动数据，发送所述第一驱动数据至客户端；

所述客户端根据所述第一驱动数据和所述三维模型对所述物体仿真运动；

所述平台端能够与多个所述客户端相连；以及

所述客户端能够发送所述运动模型至所述平台端；

所述的所述客户端能够发送所述运动模型至所述平台端，包括：

判断备份数据中的运动模型对应所述物体在所述目标场景中是否为独占；

在所述备份数据中，将为独占的物体对应运动模型划定为第二模型，以及将为非独占的物体对应运动模型划定为第一模型；

将所述第一模型和所述第二模型共同发送至所述平台端。

2.根据权利要求1所述的实现数字孪生的方法，其特征在于，

所述第一模型能够被与所述平台端相连的所有客户端获取；

所述第二模型能够被发送该第二模型的客户端访问。

3.根据权利要求2所述的实现数字孪生的方法，其特征在于，所述的所述第二模型能够被发送该第二模型的客户端访问，包括：

所述客户端能够对该第二模型在所述平台端锁定或解锁；

所述客户端能够对该第二模型在所述平台端编辑或展示。

4.根据权利要求1所述的实现数字孪生的方法，其特征在于，所述目标场景设置有与所述物体相连的场景端，所述场景端用于获取所述物体的变化数据，且将所述变化数据发送至所述平台端。

5.根据权利要求4所述的实现数字孪生的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述客户端根据仿真运动的结果生成控制数据和第二驱动数据，且发送所述控制数据至所述平台端；

所述客户端根据所述第二驱动数据驱动所述场景模型；

所述平台端将所述控制数据发送至与所述场景模型对应物体相连的场景端；

所述场景端根据所述控制数据控制与所述场景模型对应的物体。

6.根据权利要求5所述的实现数字孪生的方法，其特征在于，

所述客户端采用客户机/服务器架构，以及所述平台端采用浏览器/服务器架构；

其中，所述客户端内设置有用于根据所述第一驱动数据和第二驱动数据驱动所述三维模型的物理引擎。

7.用于实施如权利要求6所述方法的系统，其特征在于，用于所述平台端，所述系统包括：

数据获取模块，用于接收所述物体在所述目标场景中的变化数据；

数字孪生计算模块，用于根据所述变化数据计算所述三维模型的第一驱动数据；

数据发送模块，用于发送所述控制数据至所述场景端，以及发送所述第一驱动数据至所述客户端。