一种数字孪生体快速应用发布系统

技术领域

本发明属于数字孪生技术领域，尤其涉及一种使用简便的数字孪生体系统。

背景技术

目前数字孪生系统多用在智能制造领域，尤其是在智慧工厂的建设中应用较多，主要利用传感器数据的实时接入来实现对生产过程的数字化管理。

从数字孪生的概念出发，其技术中的几个关键点包括了：物理模型(目前的研究中三维居多)、传感器实时数据、历史数据以及分析模型(现状评价及预测)。可以看到，其在符合条件的领域，如工程管理和应急指挥领域同样有极大的利用价值。

现有应用数据孪生技术的产品分为两种：

第一种是定制化开发的特定场景应用，针对特定领域下的特定项目，其功能重点在产品投入使用后的使用阶段，这类产品几乎不存在可移植性，即使本项目下模型或传感器的变化，也可能需要技术人员对程序进行更改。

第二种是具有可配置性的系统开发框架，这类产品具有一定的可配置型，但其配置工作的技术深度往往需要专业技术人员才能掌握。

综上，现阶段数字孪生技术的应用难点主要是，建立的数字孪生体之间难以互联构成数字孪生空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种数字孪生体快速应用发布系统，用户只需导入中间格式的三维设计成果文件，即可进行数字孪生空间的建立，容易将各个数字孪生体进行链接构建数字孪生空间。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种数字孪生体快速应用发布系统，包括数据处理模块、发布模块和客户端；

所述数据处理模块中配置有Builder组件和Moderler组件；

所述Builder组件，用于将中间格式的三维设计成果文件处理成层次化的成果文件，所述中间格式的三维设计成果文件包含有模型的顶点信息、材质信息和属性信息；所述层次化的成果文件包括若干瓦片数据，每个所述瓦片数据配置有多层显示状态；

所述Builder组件，还用于提取中间格式的三维设计成果文件中模型的特征信息，并将所述特征信息发生至Moderler组件；

所述Moderler组件，用于根据接收到的所述特征信息进行逻辑建模；

所述发布模块中配置有Server组件，所述Server组件用于将所述Moderler组件的建模结果进行发布；

所述客户端中配置有Viewer组件和SDK组件，所述Viewer组件，用于显示发布的所述建模结果；

所述SDK组件，用于对所述Moderler组件的建模结果进行二次开发。

上述数字孪生体系统，还包括Adapter组件和Plugin组件，所述Adapter组件，用于从文件系统中读取三维设计成果文件，并处理成中间格式的三维设计成果文件发生至Builder组件；所述Plugin组件用于作为插件，基于设计软件的插件接口，将设计软件中的三维设计成果预处理成中间格式的三维设计成果文件发送至Builder组件。

上述数字孪生体系统，所述Builder组件将中间格式的三维设计成果文件处理成层次化的成果文件包括一下步骤：

读取中间格式的三维设计成果文件；读取参数，所述参数包括瓦片大小参数、LOD层级参数M、坐标转换参数；

根据所述瓦片大小参数，将所述中间格式的三维设计成果文件中的模型划分成若干瓦片；

根据所述LOD层级参数M，计算在每个层级下对应的模型对应物体和观测镜头之间的距离；

根据所述物体的尺寸，以及物体和观测镜头之间的距离，计算物体在每个层级下的空间可见因子；

根据物体对应模型的顶点数量，计算物体的简化级数N，N≤M；

遍历所述物体对应的模型的所有顶点，根据所述坐标转换参数，对所有顶点进行坐标转换，将所述模型转换至孪生空间；

根据简化级数N和空间可见因子，将所述模型进行多级简化，并将简化得到的多个模型放入对应的层级中。

上述数字孪生体系统，所述客户端的Viewer组件显示发布的所述建模结果，包括以下步骤：

获取用户请求中的观测镜头参数，所述观测镜头参数包括镜头的位置和角度；根据镜头的位置、角度，计算观测镜头的视野范围；

通过所述视野范围计算视野范围中模型中的瓦片集合；

对瓦片集合中的每个瓦片执行以下步骤：根据观测镜头到瓦片的距离，计算瓦片当前所属的层数；

读取该瓦片在当前所属的层数的显示参数，渲染该瓦片。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明通过将将中间格式的三维设计成果文件处理成层次化的成果文件，标准化了数据结构，使用户只需导入模型数据即可实现在虚拟空间中建立数字孪生体，简便快捷。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的模块结构图。

图2为本发明的成果组织结构图。

图3为本发明的模型成果文件预处理流程图。

图4为本发明的设计软件结果预处理流程图。

图5为本发明的数据处理和发布流程图。

图6为本发明的数据渲染流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种数字孪生体快速应用发布系统，包括Adapter组件、Plugin组件、数据处理模块、发布模块和客户端。

如图3所示，所述Adapter组件，用于从文件系统中读取三维设计成果文件，并处理成中间格式的三维设计成果文件发生至Builder组件；

如图4所示，所述Plugin组件用于作为插件，基于设计软件的插件接口，将设计软件中的三维设计成果预处理成中间格式的三维设计成果文件发送至Builder组件。所述中间格式的三维设计成果文件包含有模型的顶点信息、材质信息和属性信息。

通过Adapter组件和Plugin组件，实现了从文件系统和设计软件两种途径导入三维设计成果。所述预处理时，模型优化步骤主要是对模型的无损优化，以管道对象为例，往往三维设计成果文件中除了2个底面圆上必要的顶点外，管壁上也会有额外的顶点信息，此步骤通过对孪生体的顶点分析，去除非必要(对外观几乎无影响)顶点，减少顶点数量，优化模型。

本实施例中，所述数据处理模块中配置有Builder组件和Moderler组件；所述Builder组件，用于将中间格式的三维设计成果文件处理成层次化的成果文件，所述层次化的成果文件包括若干瓦片数据，每个所述瓦片数据配置有多层显示状态。

需要说明的是，如图2所示，层次化的成果文件，一方面是为了数据结构的标准化，另一方面目的是提高孪生体成果在使用时的流畅度，限制在特定三维视角下需要渲染的物体数量和复杂度，本发明中层次化的成果文件的组织结构通过瓦片和层2个概念了实现这个目标。首先是瓦片，是对空间三维对象进行切割，分为若干个空间块，客户端应用渲染时，只对处在视野内的瓦片进行数据读取和渲染，其次是层，对同一个处在视野内的瓦片，根据离镜头的距离，显示不同精细度等级的模型，类似LOD(Levels of Detail)技术，远处观察的物体相对定点数及材质等更加简化，从而降低数据读取量以及客户端渲染的资源需求。

所述Builder组件，还用于提取中间格式的三维设计成果文件中模型的特征信息，并将所述特征信息发生至Moderler组件；所述特征信息，如中心位置、范围、管线中心线走向等。

所述Moderler组件，用于根据接收到的所述特征信息进行逻辑建模；

所述发布模块中配置有Server组件，所述Server组件用于将所述Moderler组件的建模结果进行发布；

所述客户端中配置有Viewer组件和SDK组件，所述Viewer组件，用于显示发布的所述建模结果；

所述SDK组件，用于对所述Moderler组件的建模结果进行二次开发。

客户端的Viewer组件可以实现对孪生体空间、属性及其空间逻辑关联性的浏览，基于层次化的成果文件结构(图2)，可以实现渐进、流畅的浏览体验。SDK组件则提供对孪生体成果的二次开发，通过暴露孪生体的唯一编码、属性以及逻辑关系实现可配置的外部数据可视化叠加。

如图5所示，所述Builder组件将中间格式的三维设计成果文件处理成层次化的成果文件包括一下步骤：

步骤1：读入中间格式的三维设计成果文件；

步骤2：读入用户设定的参数，设定的参数包含瓦片大小参数、LOD层级数参数、模型简化的步距参数、坐标转换参数；其中：

瓦片大小，定义空间视野块的最小单位。瓦片越小则视野划分更精细，但文件读取也会更频繁；瓦片越大则文件读取次数减少，但相应的，视野划分会更粗，实际可以根据应用场景进行取舍平衡。

LOD层级参数，定义层次的数量、每个层级的距离等；

模型简化步距，也就是空间分层的渐进精细度。举例来说，假设定义1000米为视野极限，则模型对应物体离开观测镜头小于1000米时可以被看到，随着镜头拉近，物体的细节也将逐渐丰富。步距100米，也即镜头离孪生体的距离每变化100米，则物体的细节发生变化。步距越小，孪生体细节的变化过渡越自然，但每层的成果文件的尺寸会更大，系统的文件读取也更频繁。反之则过渡的更生硬，每层成果文件更小，文件读取不频繁，实际可以根据应用场景来取舍平衡。

坐标转换参数是为了实现孪生体转换后可以与孪生空间(可以是三维场景，也可以是二维地图)结合，在数据转换过程中会对所有顶点应用坐标转换。

步骤3：进行空间瓦片范围的计算，根据瓦片大小，结合模型的边界坐标，可以计算整个模型分为多少个瓦片，以及每个瓦片分别的空间范围；

步骤4：计算数据层级，通过LOD参数，计算一共分为多少个层级，每个层级下模型对应的物体与观测镜头之间的距离；

步骤5：从中间格式的三维设计成果文件中读取一个模型；

步骤6：根据模型的空间范围，计算其所处在的瓦片；

步骤7：根据物体的尺寸，计算空间可见性因子(往往空间中越大的物体越能在远处看到)，通过物体包络圆的直径作为计算参数；

步骤8：根据物体复杂度计算物体的简化级数，通过物体的复杂度(顶点数量)以及步骤2中输入的参数，计算物体可被几次简化，假设物体一共100个顶点，设置每次简化量为20％，最低简化到50％，则物体一共可被简化3次；

步骤9：遍历模型所有顶点，进行坐标转换；

步骤10：将模型进行多级简化，并放入对应层级的数据结构。假设成果文件一共分10层，而该模型根据步骤7计算在第4层开始可见，其复杂度可简化3次(3次后获得完全体模型、简化1次模型、简化2次模型和简化3次模型)，则模型在第4层和第5层为简化3次模型，第5层和第6层和第7层为简化2次模型，第8层和第9层为简化1次模型，第10层为完全体模型。

步骤11：重复步骤5到步骤11，直到完成所有模型的处理；

在上述步骤11执行结束后，所述Moderler组件和Server组件执行以下步骤：

步骤12：提取模型的空间特征，并利用Moderler组件进行分析建模；

步骤13：存储数据处理结果；

步骤14：成果发布。

如图6所示，本实施例中，所述客户端的Viewer组件显示发布的所述建模结果，包括以下步骤：

步骤1：用户发起请求(也即在三维空间中移动了镜头的位置)；

步骤2：根据镜头的位置、角度，计算视野范围；

步骤3：通过视野范围计算范围中的瓦片集合；

步骤4：取瓦片集合中的一个瓦片；

步骤5：判断服务发布的文件中是否存在该瓦片，如果不存在则回到步骤4，如果存在则进入步骤6；

步骤6：根据镜头到瓦片的距离，计算可见性因子，从而计算对应此次渲染数据的精度对应瓦片中的第几层；

步骤7：判断缓存中是否已经有了该瓦片对应层级的数据，如果有则到步骤10，否则到步骤8；

步骤8：从服务中读取该瓦片对应层级的数据；

步骤9：将读取的数据存入缓存；

步骤10：渲染该瓦片；

步骤11：在缓存中增加该瓦片对应层级的命中数；

步骤12：重复步骤4到步骤11，直到完成所有瓦片集合的渲染；

步骤13：判断当前缓存的占用是否超过了设定值，如果是则到步骤14，否则完成并退出此次渲染流程；

步骤14：遍历缓存数据，清理命中数低的数据，直到缓存占用降低到临界值以内。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。