基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010877966.9 (22)申请日 2020.08.27 (71)申请人 中国铁路设计集团有限公司 地址 300308 天津市滨海新区自贸试验区 （空港经济区） 东七道109号 (72)发明人 韩亮亮孟炜赵峰侯黎明 沈志军 (74)专利代理机构 天津市鼎和专利商标代理有 限公司 12101 代理人 蒙建军 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06T 17/05(2011.01) (54)发明名称 一种。

2、基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱 动系统 (57)摘要 本发明公开了一种基于BIM和GIS技术的数 字孪生数据驱动系统， 属于数字孪生技术领域， 其特征在于， 至少包括： 数字孪生模型制作单元， 建立BIM+GIS模型数据库、 制作动作模型数据； 数 据驱动单元， 建立动作模型驱动数据库、 数据监 控驱动； 通过采用上述技术方案， 本发明为数字 孪生以虚映实过程的实现提供完整解决方案。 此 方案可应用于铁路工程项目运维阶段， 利用数字 孪生模型实时检对物理实体的运动状态， 为设备 设施三维可视化运维管理或数字孪生平台研究 提供关键技术支撑。 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 CN 1。

3、11950066 A 2020.11.17 CN 111950066 A 1.一种基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统， 其特征在于， 至少包括： 数字孪生模型制作单元， 建立BIM+GIS模型数据库、 制作动作模型数据； 数据驱动单元， 建立动作模型驱动数据库、 数据监控驱动。 2.根据权利要求1所述基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统， 其特征在于， 所述 数字孪生模型制作单元的制作方法包括如下步骤： S1、 建立BIM和GIS模型数据库； 具体为： S101、 根据实际物理实体场景， 利用达索3D EXPERIENCE平台， 建立实体场景的三维BIM 模型， 同时定义模型。

4、的属性信息； S102、 将BIM模型数据以3dxml数据格式导出， 然后通过3dxml转UDB插件转换成UDB数据 格式， 最终以UDB数据导入SuperMap GIS数据源并加载到三维场景中； S103、 利用SuperMap GIS软件对UDB数据进行实例化、 多细节层次和轻量化处理； S2、 制作动作模型数据； 具体为： S201、 动作模型动画制作及描述信息添加， 位移类、 刚体类和纹理替换类动作模型在 SuperMap GIS软件中对应的模型以DAE格式文件导出， 然后导入3D max软件中制作对应的 位移动作， 刚体动作和纹理贴图， 动画制作完成后在描述信息中添加模型ID编号和数。

5、据集 名称信息； 骨骼类模型在3D max软件内创建人员骨骼模型， 并制作人员的行走动作和肢体 动作； S202、 动作模型整合到SuperMap GIS三维场景， 在3D max软件中完成动画制作及描述 信息添加后， 位移类、 刚体类和纹理替换类动作模型利用SGM插件导出SGM格式文件， 删除 SuperMap GIS三维场景中的原UDB数据模型， 然后通过在相应SuperMap GIS三维场景新建 KML图层， 直接添加SGM格式文件到三维场景， 实现模型替换； 骨骼类模型利用Mesh插件导出 Mesh格式文件， 通过在对应SuperMap GIS三维场景新建KML图层加载Mesh格式文件。

6、到三维 场景； S203、 动作模型动作控制， 位移类、 刚体类、 纹理替换类和骨骼类动作模型导入 SuperMap GIS软件后， 根据现场实际情况， 进行相应动作控制； S204、 动作模型属性添加， 对于位移类、 刚体类和纹理替换类动作模型， 首先将已删除 动作模型对应的原UDB数据模型再次导入SuperMap GIS数据源， 然后将三维场景中动作模 型描述信息中的模型ID编号和数据集名称与数据源中的UDB数据通过C#开发的属性链接程 序建立链接关系， 实现属性添加； 对于骨骼类动作模型， 在开展虚实交互过程中， 人员属性 信息从业务数据库直接读取并以可视化界面显示。 3.根据权利要求2。

7、所述基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统， 其特征在于， 所述 属性信息包括模型的通用属性信息和专用属性信息。 4.根据权利要求2所述基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统， 其特征在于， 所述实例化处理是针对几何形状相同的模型， 抽象其示例， 储存在在内存中； 所述轻量化处理是根据BIM模型的语义信息， 对模型的骨架进行删除或者简化； 所述实例化处理、 多细节层次处理和轻量化处理的UDB数据进行切片缓存操作， 以文件 库的形式保存， 完成BIM+GIS模型数据库的建立。 5.根据权利要求1所述基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统， 其特征在于， 所述 数据驱动单元的制作。

8、方法包括如下步骤： 权利要求书 1/2 页 2 CN 111950066 A 2 (1)动作模型驱动数据库建立； 具体为： 采集现场实时运行数据， 并通过开发的数据驱动控制程序规则读取采集的数据， 确保 采集数据与模型动作具有映射关系， 并进行数据存储， 从而完成动作模型驱动数据库的创 建； (2)数据监控驱动； 具体为： 开启数据库监控程序， 当动作模型驱动数据库的数据发生变化时,数字孪生模型发生 相应动作。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111950066 A 3 一种基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统 技术领域 0001 本发明属于数字孪生(Digital Twin)技术领。

9、域， 具体涉及一种基于BIM和GIS技术 的数字孪生数据驱动系统。 背景技术 0002 数字孪生是通过创建与物理实体对应的虚拟模型， 借助数据模拟物理实体在现实 环境中的行为， 通过虚实交互反馈、 数据分析， 为物理实体增加或扩展新的能力。 作为一种 充分利用模型、 数据、 智能分析并集成多学科的技术， 数字孪生面向产品全生命周期过程， 发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用， 提供更加实时、 高效、 智能的服务。 数字 孪生包括以虚映实和以虚控实两个过程， 其中以虚映实是指物理世界向数字世界的映射， 实现以虚映实的关键技术是数字孪生模型制作及数据驱动技术。 当前涉及数字孪生以虚映 实过程。

10、的研究， 仅能在虚拟模型上展示物理实体的几何信息和静态属性信息， 尚不能将物 理实体的实时运动状态映射到虚拟模型上， 无法实现数字孪生以虚映实过程。 为解决此问 题， 本发明提出了一种基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统。 发明内容 0003 为解决虚拟模型无法展示物理实体实时运动状态的问题， 本发明提出一种基于 BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统， 为数字孪生以虚映实过程的实现提供完整解决方 案。 此方案可应用于铁路工程项目运维阶段， 利用数字孪生模型实时检对物理实体的运动 状态， 为设备设施三维可视化运维管理或数字孪生平台研究提供关键技术支撑。 0004 本发明的目的是提供一。

11、种基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统， 包括数字 孪生模型制作单元和数据驱动单元两部分， 其中数字孪生模型制作单元包括BIM+GIS模型 数据库的建立和动作模型数据制作， 数据驱动单元包括动作模型驱动数据库的建立和数据 监控驱动。 0005 数字孪生模型制作流程如下： 0006 (1)BIM+GIS模型数据库建立： 0007 1)根据实际物理实体场景， 利用达索3D EXPERIENCE平台， 建立实体场景的三维 BIM模型， 同时在建立模型的同时， 定义模型的属性信息， 其属性信息包括模型的通用属性 信息和专用属性信息； 0008 2)将BIM模型数据以3dxml数据格式导出， 然。

12、后通过3dxml转UDB插件转换成UDB数 据格式， 最终以UDB数据导入SuperMap GIS数据源并加载到三维场景中； 0009 3)利用SuperMap GIS软件对UDB数据进行实例化、 多细节层次和轻量化处理， 实例 化处理是针对几何形状相同的模型， 抽象其示例， 储存在在内存中， 减少内存空间的占用。 轻量化处理， 模型轻量化是根据BIM模型的语义信息， 对模型的某些骨架进行删除或者简 化， 达到通过减少数据量提高渲染效率的目的。 最后将经过实例化处理、 多细节层次处理和 轻量化处理的UDB数据进行切片缓存操作， 以文件库的形式保存， 完成BIM+GIS模型数据库 说明书 1/5。

13、 页 4 CN 111950066 A 4 的建立。 0010 (2)动作模型数据制作： 0011 1)动作模型动画制作及描述信息添加， 位移类、 刚体类和纹理替换类动作模型在 SuperMap GIS软件中对应的模型以DAE格式文件导出， 然后导入3D max软件中制作对应的 位移动作， 刚体动作和纹理贴图， 动画制作完成后在描述信息中添加模型ID编号和数据集 名称信息； 骨骼类模型在3D max软件内创建人员骨骼模型， 并制作人员的行走动作和肢体 动作等运动。 0012 2)动作模型整合到SuperMap GIS三维场景， 在3D max软件中完成动画制作及描述 信息添加后,位移类、 刚体。

14、类和纹理替换类动作模型利用SGM插件导出SGM格式文件,删除 SuperMap GIS三维场景中的原UDB数据模型， 然后通过在相应SuperMap GIS三维场景新建 KML图层， 直接添加SGM格式文件到三维场景， 实现模型替换； 骨骼类模型利用Mesh插件导出 Mesh格式文件， 同样通过在对应SuperMap GIS三维场景新建KML图层加载Mesh格式文件到 三维场景。 0013 3)动作模型动作控制， 位移类、 刚体类、 纹理替换类和骨骼类动作模型导入 SuperMap GIS软件后， 需根据现场实际情况， 进行相应动作控制， 如绑定运动路径、 定义动 作持续时间等。 0014 4。

15、)动作模型属性添加， 对于位移类、 刚体类和纹理替换类动作模型， 由于位移类、 刚体类和纹理替换类动作模型导出的DAE格式文件是没有属性信息的， 为解决此问题， 首先 将已删除动作模型对应的原UDB数据模型再次导入SuperMap GIS数据源而不加载到三维场 景， 然后将三维场景中的动作模型描述信息中的模型ID编号和数据集名称与数据源中的 UDB数据通过C#开发的属性链接程序建立链接关系， 最终实现属性添加。 对于骨骼类动作模 型， 在开展虚实交互过程中， 人员属性信息从业务数据库直接读取并以可视化界面显示。 0015 数据驱动流程如下： 0016 (1)动作模型驱动数据库建立 0017 采。

16、集现场实时运行数据， 并通过开发的数据驱动控制程序规则读取采集的数据， 确保采集数据与模型动作具有映射关系， 并进行数据存储， 从而完成动作模型驱动数据库 的创建。 0018 (2)数据监控驱动 0019 开启数据库监控程序， 当动作模型驱动数据库的数据发生变化时,数字孪生模型 发生相应动作。 0020 本发明具有的优点和积极效果是： 0021 采用上述技术方案， 本发明为数字孪生以虚映实过程的实现提供完整解决方案。 此方案可应用于铁路工程项目运维阶段， 利用数字孪生模型实时检对物理实体的运动状 态， 为设备设施三维可视化运维管理或数字孪生平台研究提供关键技术支撑。 附图说明 0022 图1为。

17、本发明优选实施例的系统框图； 0023 图2为本发明优选实施例的系统创建流程图； 0024 图3为本发明优选实施例中动作模型数据制作的流程图； 说明书 2/5 页 5 CN 111950066 A 5 0025 图4为本发明优选实施例中动作模型驱动数据库的创建流程图； 0026 图5为本发明优选实施例中数据监控驱动的流程图。 具体实施方式 0027 为能进一步了解本发明的发明内容、 特点及功效， 兹例举以下实施例， 并配合附图 详细说明如下： 0028 如图1至图5所示， 本发明的技术方案为： 0029 一种基于BIM和GIS技术的数字孪生数据驱动系统， 目的是实现数字孪生以虚映实 过程， 数。

18、字孪生数据驱动系统构成如图1所示。 0030 数字孪生数据驱动系统包括数字孪生模型制作单元1和数据驱动单元2。 数字孪生 模型制作单元分为BIM+GIS模型数据库101建立和动作模型数据102制作； 数字驱动单元分 为动作模型驱动数据库201建立和数据监控驱动202。 0031 图2为BIM+GIS模型数据库的创建流程： 0032 根据实际物理实体场景， 利用达索3D EXPERIENCE平台建立三维BIM模型。 在软件 内定义各个模型的通用属性和专用属性信息， 通用属性包括名称、 ID编号、 生产厂家、 联系 方式、 安装时间、 小修周期、 大修周期、 使用寿命、 质保期和相关技术文档等属性。

19、信息， 专用 属性是指物理实体的特有属性信息， 如风、 水、 电接口参数； 0033 将建立的三维BIM模型以3dxml格式文件按照实际需求分区域分专业导出； 0034 将导出的3dxml格式文件通过3dxml转UDB插件转换成UDB格式文件， 最终将UDB格 式文件导入SuperMap GIS数据源并加载到三维场景。 0035 利用SuperMap GIS软件对模型进行实例化、 多细节层次和轻量化处理， 实例化处 理是针对几何形状相同的模型， 抽象其示例， 储存在在内存中， 减少内存空间的占用， 重复 模型的渲染通过GPU中对实例进行矩阵变换实现。 即GPU首先通过批量化指定绘制函数， 对 。

20、各个实例进行批次渲染， 然后将相关实例化对象的特征数据内容传递给GPU， 通过平移、 缩 放、 旋转等得到与实例几何形象相同但位置、 大小、 角度存在差异的构件， 避免超百万级构 件同时加载， 降低GPU等硬件设备的压力； 多细节层次技术指根据模型的节点在显示环境中 所处的位置和重要体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度， 决定物体渲染的资源 分配， 降低非重要物体的面数和细节度， 从而获得高效率的渲染运算。 当三维场景拉近看的 时候， 模型表现的非常精细， 当浏览整个场景的时候， 模型只需要以较粗糙的方式显示即 可， 这样最大程度的优化了资源的占用， 提高了整个三维场景的性能； 轻量化处。

21、理， 模型轻 量化是根据BIM模型的语义信息， 对模型的某些骨架进行删除或者简化， 达到通过减少数据 量提高渲染效率的目的。 0036 为节省数据库空间和提升效率， 提高模型浏览流畅度， 将经过实例化处理、 多细节 层次处理和轻量化处理的UDB数据进行切片缓存操作， 以文件库的形式保存， 完成BIM+GIS 模型数据库的建立。 0037 图3为动作模型数据制作的流程： 0038 根据动作模型类型的不同将动作模型分为： 位移类动作模型， 刚体类动作模型， 纹 理替换类动作模型和骨骼类动作模型。 位移类动作模型主要为具有线性动作的模型， 如动 车组运动， 电梯设备运动等； 刚体类动作模型主要为具有。

22、转动动作的模型， 如隔离开关开 说明书 3/5 页 6 CN 111950066 A 6 合、 电动接地杆开合等； 纹理替换类动作模型主要为具有信号指示变化动作的模型， 如报警 灯、 信号指示灯等； 骨骼动作模型主要为作业人员动作的模型。 0039 (1)动作模型动画制作及描述信息添加： 0040 位移类、 刚体类和纹理替换类动作模型在SuperMap GIS软件中对应的模型以DAE 格式文件导出， 并将DAE格式文件导入3D max软件， 注意DAE格式文件仅包含模型的几何信 息， 而不包含属性信息； 骨骼类模型在3D max软件内创建人员骨骼模型。 0041 在3D max软件中完成不同类。

23、型动作模型的动画制作， 位移类动作模型主要进行线 性动作定义， 刚体类动作模型主要进行转动动作定义， 纹理替换类动作模型主要进行纹理 贴图定义， 骨骼类动作模型主要进行人员行走动作和肢体动作定义。 0042 由于导入3D max软件中的DAE格式文件仅包含模型的几何信息， 而不包含属性信 息， 在位移类、 刚体类和纹理替换类动作模型描述信息中添加模型ID编号和数据集名称信 息。 0043 (2)动作模型整合到SuperMap GIS三维场景： 0044 在3D max软件中完成动画制作及描述信息添加后,位移类、 刚体类和纹理替换类 动作模型利用SGM插件导出SGM格式文件； 骨骼类模型利用Me。

24、sh插件导出Mesh格式文件。 0045 对于位移类、 刚体类和纹理替换类动作模型， 删除SuperMap GIS三维场景中的原 UDB数据模型。 0046 在相应SuperMap GIS三维场景新建KML图层， 然后直接添加位移类、 刚体类和纹理 替换类动作模型SGM格式文件到三维场景， 实现模型替换； 骨骼类模型同样通过在对应 SuperMap GIS三维场景新建KML图层加载Mesh格式文件到三维场景。 0047 (3)动作模型动作控制： 0048 根据实际需求， 位移类动作模型需要绘制物理实体的运动路径并将模型与此路径 建立绑定关系， 定义动作持续时间， 实现位移动作控制。 0049 。

25、根据实际需求， 刚体类动作模型设置动作持续时间以控制模型的动作的快慢。 0050 根据实际需求， 纹理替换类动作模型修改MESH面的纹理属性以实现信号指示变 化。 0051 根据实际需求， 骨骼类动作模型需要绘制人员的行走路径并将模型与此路径建立 绑定关系， 定义动作持续时间， 完成人员模型动作快慢的控制。 0052 (4)动作模型属性添加： 0053 对于位移类、 刚体类和纹理替换类动作模型， 由于位移类、 刚体类和纹理替换类模 型导出的DAE格式文件是没有属性信息的， 为解决此问题， 首先将已删除动作模型对应的原 UDB数据模型再次导入SuperMap GIS数据源而不加载到三维场景， 然。

26、后将三维场景中的动 作模型描述信息中的模型ID编号和数据集名称与数据源中的UDB数据通过C#开发的属性链 接程序建立链接关系， 最终实现属性添加。 0054 对于骨骼类动作模型， 在开展虚实交互过程中， 人员属性信息从业务数据库直接 读取并以可视化界面显示， 包括人员姓名、 年龄、 工号等信息。 0055 图4为动作模型驱动数据库的创建流程： 0056 数据采集， 包括业务报表数据、 系统数据、 移动数据、 人员数据等。 0057 通过C#和SuperMap iObjects开发组件开发的数据驱动控制程序规则读取采集的 说明书 4/5 页 7 CN 111950066 A 7 数据， 确保采集。

27、数据与模型动作具有映射关系。 0058 采集数据存储， 完成动作模型驱动数据库的创建。 0059 图5为数据监控驱动的流程： 0060 开启数据库监控程序， 通过ALTER DATABASESET ENABLE_BROKER； 语句让相应的数据库启用监控服务， 以便支持SqlDependency特性， 当动作模型驱动数据库 的数据发生变化时,SqlDependency会自动触发OnChange事件来通知客户端应用程序。 0061 数据库信号变化， 且判定为正常信号时， 数字孪生模型发生相应动作。 0062 以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已， 并非对本发明作任何形式上的限制， 凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改， 等同变化与修饰， 均属于 本发明技术方案的范围内。 说明书 5/5 页 8 CN 111950066 A 8 图1 说明书附图 1/4 页 9 CN 111950066 A 9 图2 说明书附图 2/4 页 10 CN 111950066 A 10 图3 图4 说明书附图 3/4 页 11 CN 111950066 A 11 图5 说明书附图 4/4 页 12 CN 111950066 A 12 。