一种数字孪生数据虚实高效实时交互方法和系统与流程

本发明属于电子工程和计算机科学领域，具体涉及一种数字孪生数据虚实高效实时交互方法和系统。

背景技术：

数字孪生系统主要表现为虚拟模型和物理实体间的交互，即虚实数据的交互，其不仅能够更加逼真的刻画制造底层设备的运行状态，也能通过三维仿真分析来控制、预测物理设备的运行，所以数字孪生系统中虚实数据交互的效率直接影响上述活动。目前，制造底层存在各种各样的设备，能够产生海量异构数据，物理设备与虚拟模型间的交互效率就成为了研究重点。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为：提供一种数字孪生数据虚实高效实时交互方法和系统，为此本发明公开了一种数字孪生数据虚实高效实时交互方法和系统，在完成异构协议转换的同时，基于设计的数据帧格式实现虚拟模型与物理实体间的统一帧格式传输；为了确保虚拟模型下达给物理实体的涉及到控制指令等的数据帧实时传输，设计了两级缓存并优先调度虚拟模型到物理实体的数据帧，同时基于设计的字节轮询调度方法，确保各个虚拟模型和物理实体响应的实时性。本发明能够在一定程度上解决数字孪生系统中虚拟模型和物理实体之间数据交互对准确性和实时性的需求，提高数字孪生数据虚实交互的效率。

该方法和系统涵盖了数字孪生数据虚实交互编解码模块设计和数字孪生数据虚实交互调度模块设计，能够实现数字孪生系统中虚拟模型和物理实体之间数据的高效实时交互。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种数字孪生数据虚实高效实时交互方法，包括：

步骤(1)设计数字孪生数据虚实交互编解码模块，该模块完成异构协议间的转换以及数据帧的编解码，实现数字孪生系统中虚拟模型和物理实体之间基于统一帧格式的数据交互，具体实现如下：

①数据帧格式的定义包括帧头、源地址、目标地址、帧类型、数据区、数据区长度、校验码和帧尾；其中帧头和帧尾分别表示数据帧的起始和结束；源地址和目标地址分别表示数据帧的来源和目的地；帧类型表示数据帧的方向，位宽为1bit，当数据帧由虚拟模型发往物理实体时，帧类型为二进制'1'，当数据帧由物理实体发往虚拟模型时，帧类型为二进制'0'；数据区用来装载待传输的有效数据，其长度填充在数据区长度字段；将源地址、目标地址、帧类型、数据区、数据区长度字段进行数学相加，取相加结果的最低字节填充到校验码字段中；

②针对异构协议的虚拟模型和物理实体，按照①中定义的帧格式完成协议转换，该协议转换是双向的，既可以由虚拟模型、物理实体本身的协议转换成①中定义的帧格式，也可以由①中定义的帧格式转换成虚拟模型、物理实体本身的协议，以便虚拟模型和物理实体间基于统一帧格式的数据交互；

③对于虚拟模型或物理实体任一方而言，在数据传输前需要完成数据帧的编码，即填充数据帧的各个字段；在接收到数据后，需要对数据帧进行解码，即取出数据帧中数据区字段中的数据；

步骤(2)设计数字孪生数据虚实交互调度模块，该模块首先建立两级缓存分别完成虚拟模型数据帧和物理实体数据帧的缓存，其次完成数据帧的校验，最后基于一定的策略完成数据帧的调度传输，实现数字孪生系统中虚拟模型和物理实体之间数据的高效实时交互，具体实现如下：

①对接收到的每个数据帧进行校验，即判断源地址、目标地址、帧类型、数据区、数据区长度字段相加后的最低字节是否与校验码字段一致，如果不一致则丢弃该数据帧；

②建立两级bram缓存，即一级缓存用于缓存由虚拟模型发送物理实体的数据帧，二级缓存用于缓存由物理实体发送虚拟模型的数据帧；数字孪生系统中，物理实体发往虚拟模型的数据一般是其自身运行状态数据，而虚拟模型发送物理实体的数据一般涉及到控制指令，故一级缓存中数据帧的调度优先级高于二级缓存中的数据帧；

③当一级缓存不为空时，优先调度一级缓存中的数据帧，为了保证各个物理实体响应的实时性，一级缓存中数据帧的调度传输采用字节轮询的方法，即首先传输一级缓存中第1个数据帧中的第1个字节，然后传输一级缓存中第2个数据帧中的第1个字节，接着传输一级缓存中第3个数据帧中的第1个字节，以此类推，直到一级缓存中所有数据帧的第1个字节全部被传输完毕，接着按照相同的策略传输一级缓存中所有数据帧的其他字节，直到一级缓存为空；

④当一级缓存为空时，调度二级缓存中数据帧，为了保证各个虚拟模型响应的实时性，二级缓存中数据帧采用字节轮询调度的方法，即首先传输二级缓存中第1个数据帧中的第1个字节，然后传输二级缓存中第2个数据帧中的第1个字节，接着传输二级缓存中第3个数据帧中的第1个字节，以此类推，直到二级缓存中所有数据帧的第1个字节全部被传输完毕，接着按照相同的策略传输二级缓存中所有数据帧的其他字节，直到二级缓存为空。

本发明设计的一种数字孪生数据虚实高效实时交互方法，该方法和系统适用于xilinx公司virtex-5系列fpga芯片。

本发明还提出一种数字孪生数据虚实高效实时交互系统，包括计算机设备、物理实体；还包括数字孪生数据虚实交互编解码模块，该模块完成异构协议间的转换以及数据帧的编解码，实现数字孪生系统中虚拟模型和物理实体之间基于统一帧格式的数据交互；数字孪生数据虚实交互调度模块，该模块首先建立两级缓存分别完成虚拟模型数据帧和物理实体数据帧的缓存，其次完成数据帧的校验，最后基于预定策略完成数据帧的调度传输，实现数字孪生系统中虚拟模型和物理实体之间数据的高效实时交互；计算机设备中设置有虚拟模型；其特征在于：

数字孪生数据虚实交互编解码模块，完成异构协议间的转换以及数据帧的编解码，实现数字孪生系统中虚拟模型和物理实体之间基于统一帧格式的数据交互，具体实现如下：

①数据帧格式的定义包括帧头、源地址、目标地址、帧类型、数据区、数据区长度、校验码和帧尾；其中帧头和帧尾分别表示数据帧的起始和结束；源地址和目标地址分别表示数据帧的来源和目的地；帧类型表示数据帧的方向，位宽为1bit，当数据帧由虚拟模型发往物理实体时，帧类型为二进制'1'，当数据帧由物理实体发往虚拟模型时，帧类型为二进制'0'；数据区用来装载待传输的有效数据，其长度填充在数据区长度字段；将源地址、目标地址、帧类型、数据区、数据区长度字段进行数学相加，取相加结果的最低字节填充到校验码字段中；

②针对异构协议的虚拟模型和物理实体，按照①中定义的帧格式完成协议转换，该协议转换是双向的，既能由虚拟模型、物理实体本身的协议转换成①中定义的帧格式，也能由①中定义的帧格式转换成虚拟模型、物理实体本身的协议，以便虚拟模型和物理实体间基于统一帧格式的数据交互；

③对于虚拟模型或物理实体任一方而言，在数据传输前需要完成数据帧的编码，即填充数据帧的各个字段；在接收到数据后，需要对数据帧进行解码，即取出数据帧中数据区字段中的数据；

数字孪生数据虚实交互调度模块，首先建立两级缓存分别完成虚拟模型数据帧和物理实体数据帧的缓存，其次完成数据帧的校验，最后基于预定的策略完成数据帧的调度传输，实现数字孪生系统中虚拟模型和物理实体之间数据的高效实时交互，具体实现如下：

①对接收到的每个数据帧进行校验，即判断源地址、目标地址、帧类型、数据区、数据区长度字段相加后的最低字节是否与校验码字段一致，如果不一致则丢弃该数据帧；

②建立两级bram缓存，即一级缓存用于缓存由虚拟模型发送物理实体的数据帧，二级缓存用于缓存由物理实体发送虚拟模型的数据帧；数字孪生系统中，物理实体发往虚拟模型的数据是其自身运行状态数据，而虚拟模型发送物理实体的数据涉及到控制指令，一级缓存中数据帧的调度优先级高于二级缓存中的数据帧；

③当一级缓存不为空时，优先调度一级缓存中的数据帧，为了保证各个物理实体响应的实时性，一级缓存中数据帧的调度传输采用字节轮询的方法，即首先传输一级缓存中第1个数据帧中的第1个字节，然后传输一级缓存中第2个数据帧中的第1个字节，接着传输一级缓存中第3个数据帧中的第1个字节，以此类推，直到一级缓存中所有数据帧的第1个字节全部被传输完毕，接着按照相同的策略传输一级缓存中所有数据帧的其他字节，直到一级缓存为空；

④当一级缓存为空时，调度二级缓存中数据帧，为了保证各个虚拟模型响应的实时性，二级缓存中数据帧采用字节轮询调度的方法，即首先传输二级缓存中第1个数据帧中的第1个字节，然后传输二级缓存中第2个数据帧中的第1个字节，接着传输二级缓存中第3个数据帧中的第1个字节，以此类推，直到二级缓存中所有数据帧的第1个字节全部被传输完毕，接着按照相同的策略传输二级缓存中所有数据帧的其他字节，直到二级缓存为空。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)设计的数据帧格式能够实现虚拟模型与物理实体间的统一帧格式传输，该帧格式能够足够刻画虚拟模型与物理实体间数据交互的主要要素；

(2)基于设计的两级缓存及字节轮询调度方法，能够在确保关键数据帧及时传输的前提下，确保各个虚拟模型和物理实体响应的实时性。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明的数据帧格式定义图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

本发明涉及一种数字孪生数据虚实高效实时交互方法和系统，适用于xilinx公司virtex-5系列fpga芯片。数字孪生系统主要表现为虚拟模型和物理实体间的交互，即虚实数据的交互，其不仅能够更加逼真的刻画制造底层设备的运行状态，也能通过三维仿真分析来控制、预测物理设备的运行，所以数字孪生系统中虚实数据交互的效率直接影响上述活动。目前，制造底层存在各种各样的设备，能够产生海量异构数据，物理设备与虚拟模型间的交互效率就成为了研究重点，为此本发明公开了一种数字孪生数据虚实高效实时交互方法和系统，能够在一定程度上解决数字孪生系统中虚拟模型和物理实体之间数据交互对准确性和实时性的需求。

本发明的结构框图如图1所示，具体实施方式如下：

本发明的系统主要包括数字孪生数据虚实交互编解码模块，该模块完成异构协议间的转换以及数据帧的编解码，实现数字孪生系统中虚拟模型和物理实体之间基于统一帧格式的数据交互；数字孪生数据虚实交互调度模块，该模块首先建立两级缓存分别完成虚拟模型数据帧和物理实体数据帧的缓存，其次完成数据帧的校验，最后基于一定的策略完成数据帧的调度传输，实现数字孪生系统中虚拟模型和物理实体之间数据的高效实时交互。

(1)图1中的1表示数字孪生数据虚实交互编解码模块，具体实现如下：

本发明的数据帧，是针对异构协议的虚拟模型和物理实体，经过协议转换后按照定义的数据帧格式组成一帧数据，目的就是实现虚拟模型和物理实体间基于统一帧格式的数据交互。

①如图2所示，数据帧格式的定义包括帧头、源地址、目标地址、帧类型、数据区、数据区长度、校验码和帧尾；其中帧头和帧尾分别表示数据帧的起始和结束；源地址和目标地址分别表示数据帧的来源和目的地；帧类型表示数据帧的方向，位宽为1bit，当数据帧由虚拟模型发往物理实体时，帧类型为二进制'1'，当数据帧由物理实体发往虚拟模型时，帧类型为二进制'0'；数据区用来装载待传输的有效数据，其长度填充在数据区长度字段；将源地址、目标地址、帧类型、数据区、数据区长度字段进行数学相加，取相加结果的最低字节填充到校验码字段中；

②针对异构协议的虚拟模型和物理实体，按照①中定义的帧格式完成协议转换，该协议转换是双向的，既可以由虚拟模型、物理实体本身的协议转换成①中定义的帧格式，也可以由①中定义的帧格式转换成虚拟模型、物理实体本身的协议，以便虚拟模型和物理实体间基于统一帧格式的数据交互；

③对于虚拟模型或物理实体任一方而言，在数据传输前需要完成数据帧的编码，即填充数据帧的各个字段；在接收到数据后，需要对数据帧进行解码，即取出数据帧中数据区字段中的数据；

(2)图1中的2表示数字孪生数据虚实交互调度模块，具体实现如下：

①对接收到的每个数据帧进行校验，即判断源地址、目标地址、帧类型、数据区、数据区长度字段相加后的最低字节是否与校验码字段一致，如果不一致则丢弃该数据帧；

②建立两级bram缓存，即一级缓存用于缓存由虚拟模型发送物理实体的数据帧，二级缓存用于缓存由物理实体发送虚拟模型的数据帧；数字孪生系统中，物理实体发往虚拟模型的数据一般是其自身运行状态数据，而虚拟模型发送物理实体的数据一般涉及到控制指令，故一级缓存中数据帧的调度优先级高于二级缓存中的数据帧；

③当一级缓存不为空时，优先调度一级缓存中的数据帧，为了保证各个物理实体响应的实时性，一级缓存中数据帧的调度传输采用字节轮询的方法，即首先传输一级缓存中第1个数据帧中的第1个字节，然后传输一级缓存中第2个数据帧中的第1个字节，接着传输一级缓存中第3个数据帧中的第1个字节，以此类推，直到一级缓存中所有数据帧的第1个字节全部被传输完毕，接着按照相同的策略传输一级缓存中所有数据帧的其他字节，直到一级缓存为空；

④当一级缓存为空时，调度二级缓存中数据帧，为了保证各个虚拟模型响应的实时性，二级缓存中数据帧采用字节轮询调度的方法，即首先传输二级缓存中第1个数据帧中的第1个字节，然后传输二级缓存中第2个数据帧中的第1个字节，接着传输二级缓存中第3个数据帧中的第1个字节，以此类推，直到二级缓存中所有数据帧的第1个字节全部被传输完毕，接着按照相同的策略传输二级缓存中所有数据帧的其他字节，直到二级缓存为空。

综上所述，本发明公开了一种数字孪生数据虚实高效实时交互方法和系统，包括数字孪生数据虚实交互编解码模块设计和数字孪生数据虚实交互调度模块设计，能够实现数字孪生系统中虚拟模型和物理实体之间数据的高效实时交互。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。