CN117499411A - 数字孪生中虚拟场景与现实场景的双向同步通信方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供数字孪生中虚拟场景与现实场景的双向同步通信方法，包括数字孪生系统结构，整个系统分为三个部分，虚拟场景侧（被孪生场景的数字孪生体），中间服务器（虚拟场景与现实场景间的通信纽带），现实场景侧（一些物理实体、设备和用于监测场景变化传感器与摄像头）。其中现实场景侧布置有设备服务器，其既作为中间服务器的websocket客户端，也作为其下层设备的websocket服务端，同时还搭载有可以对场景同步数据解析为控制数据的程序。在现实场景中，每个设备都通过微程序搭载有一个websocket客户端，解决了数字孪生场景实现孪生场景与被孪生场景的实时状态同步的问题。

Description

数字孪生中虚拟场景与现实场景的双向同步通信方法

技术领域

本发明涉及数字孪生与数据通信与数字孪生交叉的领域，具体地指数字孪生中虚拟场景与现实场景的双向同步通信方法。

背景技术

数字孪生作为“数字化”领域的一个新兴概念，同时也是企业进行“数字化升级”时一种最为全面的解决方案，近年来也逐渐走进大众的视野。

数字孪生领域已经被互联网以及物联网行业相关人员进行了大量的探索，但目前市面上的数字孪生产品的应用模式大多是一种场景+数据面板的形式，通过数据可视化面板和被孪生区域的虚拟可视场景来为决策者或管理者提供管理依据。但在大多数数字孪生产品中，其孪生出的虚拟场景仍停留在“静止”的状态，即无法实时映射出被孪生区域中发生的变化或只能仿真被孪生区域的变化，而这其中最主要的原因在于，被孪生场景与孪生场景之间的交互所需要的通信数据过于冗杂且系统中各个模块之间缺乏统一的通信标准。针对这一问题，我们提出一种用于在数字孪生领域同步孪生场景与被孪生场景的通信方法。

在中国专利文献CN115908713A中记载了一种基于数字孪生的自动扶梯乘客行为监测方法，该方法的适用场景是特定的场景，即：自动扶梯运载乘客的场景，所采取的技术方案也与本专利中的方案有较大差异。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，数字孪生场景实现孪生场景与被孪生场景的实时状态同步。为解决上述问题，本发明提供数字孪生中虚拟场景与现实场景的双向同步通信方法，包括数字孪生系统；

数字孪生系统包括虚拟场景侧（孪生场景）、中间服务器和现实场景侧（被孪生场景）。

中间服务器为虚拟场景与现实场景间的通信纽带。

优选的方案中，模块间的通信数据包括抽象为场景同步数据和控制数据，分别遵守场景同步协议和设备指令协议，场景同步数据根据具体业务场景，被处理为对应的控制数据。

优选的方案中，通信接口采用websocket，实现模块之间全双工的通信。

优选的方案中，现实场景侧布置有设备服务器，既作为中间服务器的websocket客户端，也作为其下层设备的websocket服务端，还搭载将场景同步数据解析为控制数据的程序；

在现实场景中，每个设备都通过微程序搭载有websocket客户端。

优选的方案中，虚拟场景与现实场景的具体同步流程如下：

（1）当现实场景中发生变化时，现实场景侧的监测设备会自动生成一条场景同步数据发往设备服务器，再由中间服务器转发至虚拟场景侧，虚拟场景接收同步数据后根据同步数据对场景进行更新；

（2）当用户与虚拟场景进行交互，导致虚拟场景发生变化时，虚拟场景侧会自动生成一条场景同步数据由中间服务器转发至设备服务器，设备服务器将虚拟场景侧生成的场景同步数据处理解析为对应的控制数据后，根据控制数据的具体内容选择需要送达的具体设备并发送控制指令，收到控制指令的设备根据指令要求作出反应。

优选的方案中，场景同步数据与控制数据按照场景同步协议与控制协议要求，规定为以下消息格式：

控制数据格式包括设备指令标识位、设备种类、设备id和具体操作信息；

场景同步数据格式包括场景同步标识位、场景属性、属性id和属性具体值；

场景同步数据与控制数据将数字孪生场景中所有可预见的事件抽象为系统解析的数据，从而在系统各个模块之间进行传输或再加工。

本发明的有益效果为：本发明将复杂的数字孪生系统简单地抽象化为三个模块，并将系统中冗杂的通信数据划分为两类，简化了数字孪生应用的系统结构和通信复杂度。本发明中的通信协议皆具有良好的完整性，可靠性，灵活性，可扩展性与互操作性。

附图说明

图1是本发明中的数字孪生系统结构图；

图2是本发明中的场景同步数据消息格式图；

图3是本发明中的控制数据消息格式图；

图4是本发明中的数字孪生系统具体流程图。

具体实施方式

如图1和图4所示，整个系统分为三个部分，虚拟场景侧（被孪生场景的数字孪生体），中间服务器（虚拟场景与现实场景间的通信纽带），现实场景侧（一些物理实体、设备和用于监测场景变化传感器与摄像头）。其中现实场景侧布置有设备服务器，其既作为中间服务器的websocket客户端，也作为其下层设备的websocket服务端，同时还搭载有可以对场景同步数据解析为控制数据的程序。在现实场景中，每个设备都通过微程序搭载有一个websocket客户端。

虚拟场景与现实场景的具体同步流程如下：

（1）当现实场景中发生某一变化时，现实场景侧的监测设备会自动生成一条场景同步数据发往设备服务器，再借由中间服务器转发至虚拟场景侧，虚拟场景接收同步数据后根据同步数据的具体要求对场景进行更新，从而完成这一同步过程。

（2）当用户与虚拟场景进行交互，导致虚拟场景发生某一变化时，虚拟场景侧会自动生成一条场景同步数据由中间服务器转发至设备服务器，设备服务器中将这一条场景同步数据处理解析为对应的控制数据后，根据控制数据的具体内容选择需要送达的具体设备并发送控制指令，收到控制指令的设备根据指令要求作出反应，从而完成这一同步过程。

本发明中场景同步数据与控制数据按照场景同步协议与控制协议要求，规定为如图2和图3所示的消息格式，这两种数据，可将数字孪生场景中几乎所有可预见的事件抽象为系统解析的数据，从而在系统各个模块之间进行传输或再加工。

举两个同步过程实例进行说明。

实施例一：

假设现实场景中有人员到来，需要将“有人员到来”这一变化同步至虚拟场景，过程如下：现实场景中的监测设备（监控摄像头）会通过目标检测算法发现这一变化并生成一条场景同步数据，该数据遵守场景同步协议规则且包含有“场景中出现了人物”含义；该数据通过websocket接口发往中间服务器，中间服务器再通过websocket接口发往虚拟场景；虚拟场景接收到这条数据后在场景中动态生成一个虚拟人物，从而完成这一同步过程。

实施例二：

假设虚拟人物在虚拟场景中打开了一盏电灯，需要将“开灯”这变化同步至现实场景，过程如下：虚拟人物打开电灯后，虚拟场景会生成一条场景同步数据，包含有“场景中某一位置的电灯开启”这一信息；该数据通过websocket接口由虚拟场景发往中间服务器，中间服务器将该数据通过websocket接口转发至设备服务器；设备服务器接收到数据后进行解析并按照协议转换规则将该数据转换为设备可以直接处理的设备指令数据，该数据遵守设备执行协议，且包含有“开灯”含义，再通过websocket接口将设备指令协议数据发往目标设备；设备接收到数据后执行设备指令做出具体反应，从而完成这一同步过程。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.数字孪生中虚拟场景与现实场景的双向同步通信方法，其特征是包括数字孪生系统；

数字孪生系统包括：虚拟场景侧、中间服务器和现实场景侧；

现实场景测为被孪生场景；

虚拟场景侧为被孪生场景的数字孪生体；

中间服务器为虚拟场景与现实场景间的通信纽带。

2.根据权利要求1所述数字孪生中虚拟场景与现实场景的双向同步通信方法，其特征是：模块间的通信数据包括抽象为场景同步数据和控制数据，分别遵守场景同步协议和设备指令协议，场景同步数据根据具体业务场景，被处理为对应的控制数据。

3.根据权利要求1所数字孪生中虚拟场景与现实场景的双向同步通信方法，其特征是：通信接口采用websocket，实现模块之间全双工的通信。

4.根据权利要求1所述数字孪生中虚拟场景与现实场景的双向同步通信方法，其特征是：现实场景侧布置有设备服务器，既作为中间服务器的websocket客户端，也作为其下层设备的websocket服务端，还搭载将场景同步数据解析为控制数据的程序；

在现实场景中，每个设备都通过微程序搭载有websocket客户端。

5.根据权利要求2数字孪生中虚拟场景与现实场景的双向同步通信方法，其特征是：包括以下流程：

当现实场景中发生变化时，现实场景侧的监测设备会自动生成一条场景同步数据发往设备服务器，再由中间服务器转发至虚拟场景侧，虚拟场景接收同步数据后根据同步数据对场景进行更新；

当用户与虚拟场景进行交互，导致虚拟场景发生变化时，虚拟场景侧会自动生成一条场景同步数据由中间服务器转发至设备服务器，设备服务器将虚拟场景侧生成的场景同步数据处理解析为对应的控制数据后，根据控制数据的具体内容选择需要送达的具体设备并发送控制指令，收到控制指令的设备根据指令要求作出反应。

6.根据权利要求2数字孪生中虚拟场景与现实场景的双向同步通信方法，其特征是：场景同步数据与控制数据按照场景同步协议与控制协议要求，规定为以下消息格式：

控制数据格式包括设备指令标识位、设备种类、设备id和具体操作信息；

场景同步数据格式包括场景同步标识位、场景属性、属性id和属性具体值；

场景同步数据与控制数据将数字孪生场景中所有可预见的事件抽象为系统解析的数据，从而在系统各个模块之间进行传输或再加工。