一种基于高精度路网数据的交通在线仿真和数字孪生引擎的制作方法

1.本发明属于交通数字孪生技术领域，特别是一种基于高精度路网数据的交通在线仿真和数字孪生引擎，多应用在以高精度地图为基础，通过数字孪生技术完成在线的交通业务交互式场景模拟和展示。


背景技术：

2.交通数字孪生应用中包括了两个部分：一个是交通场景仿真，一个是以地理信息为基础的可视化展示。结合图4，仿真场景构建的一般过程是：首先在仿真软件中手工编辑路网拓扑，然后将离线的检测器数据输入仿真软件，进行仿真并输出结果。以地理信息为基础的可视化展示一般的过程是：仿真的结果通过编码人员读取出来，通过人工预先标注设备经纬度和关联仿真结果，如果是三维的展示还需要人工对路网进行三维建模，最后将真实数据和仿真结果载入到地图或者三维引擎上进行可视化展示。从图中可以看出仿真结果输出、二维地图服务、三维场景每一个功能都独立运行自成体系。
3.以上过程存在以下四点问题：第一，仿真路网需要人工编辑，造成仿真效率低下，面对城市级别的大规模路网的仿真需求无法满足需求；第二，仿真过程使用的是历史交通数据对于道路的当前状态反馈不及时，无法将实时采集的路面检测器数据动态加载到仿真环境，仿真过程无法在线运行，不能与真实的交通业务数据进行交互仿真时效性低，因此对交通孪生中实时交互的业务场景支撑不足；第三，孪生展示需要大量人工做交通设备位置信息的标注；第四，二维和三维只能分开展示，无法融入到一个地图上的不同图层，增加了应用开发工作量和业务实现成本；三维场景与二维地图服务在业务应用中不能融合，海量的交通设备设施需要在三维场景中重复标注，造成三维建模效率低下，二维、三维场景接口形态不统一带了业务展示割裂。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种基于高精度路网数据的交通在线仿真和数字孪生引擎，通过一套高精度路网数据，实现大规模交通仿真路网的自动化构建，并能将交通设备实时感知的数据传送给交通仿真软件，实现仿真数据与真实数据的融合，提升仿真过程与业务流程交互的实时性。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于高精度路网数据的交通在线仿真和数字孪生引擎，所述引擎通过同一个交通数据源完成三类业务数据的转换：
6.仿真业务：自动转换生成交通仿真引擎所需的仿真路网，该仿真路网支持大规模交通业务仿真的运行，同时能实现地理信息空间坐标到仿真二维坐标的双向转换；
7.二维地图服务：由交通数据源生成二维地图引擎所需的空间地理信息数据，自动导入地理信息引擎发布成地图瓦片，并提供标准化的地理信息空间坐标到二维坐标和三维空间坐标的转换接口；
8.三维场景建模：由交通数据源经三维模型引擎自动生成路网和周围建筑的三维模
型，自动导入三维引擎渲染并发布，同时能实现地理信息空间坐标到三维空间坐标的双向转换。
9.进一步地，所述引擎还用于提供所述三类业务的统一api接口，需具有实时数据对接的标准化接口，以及二维、三维图层的融合接口。
10.进一步地，所述二维、三维图层的融合接口，是指采用同一套接口可实现对二维地图瓦片和三维模型空间的操作。
11.进一步地，所述对二维地图瓦片和三维模型空间的操作，包括但不限于图层的缩放、标记点线面、路径的规划、自定义图层的叠加，以及天气粒子系统的模拟。
12.进一步地，所述api接口形态包括实时websocket接口，以及具有二维地图瓦片、三维场景访问功能的统一webgl接口。
13.进一步地，所述交通数据源是指高精度路网数据，包括路网数据、交通设备设施数据、高程数据，其采集方式包括但不限于激光雷达和视频图像，坐标系采用wgs84坐标系。
14.进一步地，所述高精度路网数据采用通用的空间数据开放格式，数据内容包括空间对象几何体的描述、空间对象的几何位置信息，以及空间对象的属性信息，所述空间对象几何体包括点、折线、多边形。
15.进一步地，所述地理信息空间坐标到仿真二维坐标的双向转换，具体为：wgs84坐标系到仿真二维坐标系的双向转换。
16.进一步地，所述wgs84坐标系到仿真二维坐标系的双向转换通过高斯投影方式实现。
17.进一步地，所述地理信息空间坐标到三维空间坐标的双向转换，具体为：wgs84坐标系与三维空间坐标系之间的双向转换。
18.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
19.1)采用的是比较通用的高精度数据源，数据源具有格式统一、交通路网、设备、设施信息丰富等特点。
20.2)引擎提供了高精度数据到仿真路网、三维模型、二维地图服务的统一数据类型的转换，能够解决大规模仿真路网的自动化构建的问题。
21.3)能够实现三维场景(路网、交通设备设施、建筑物等)的快速自动化建模的过程，能够实现多种坐标系的相互转换。
22.4)引擎提供了功能完善、性能优秀、形式统一的开发接口，支持在同一图层上完成二维、三维场景的自由切换，并具备将设备采集数据和仿真数据结合业务场景融合展示能力。
23.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
24.图1为一个实施例中基于高精度路网数据的交通在线仿真和数字孪生引擎的整体流程图。
25.图2为一个实施例中数据协议格式转换流程图。
26.图3为一个实施例中坐标系转换流程图。
27.图4为现有技术方案图。
具体实施方式
28.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用于解释本技术，并不用于限定本技术。
29.在一个实施例中，提供了一种基于高精度路网数据的交通在线仿真和数字孪生引擎，通过一套高精度路网数据，实现高精度三维路网模型的自动生成，完成三维空间坐标到gis空间坐标的转换，能够在一张图上自由切换二维地图和三维地图场景。
30.本发明的整体流程如图1所示，统一的高精度地图数据为后续所有流程的唯一数据源，通过高精度路网数据完成三类业务数据的转换，一、仿真业务：自动转换生成交通仿真引擎所需的仿真路网，路网可以支持大规模交通业务仿真的运行，同时也具有仿真坐标系到gis空间坐标系的双向转换能力；二、二维地图服务：由高精度路网数据生成二维地图引擎所需的空间地理信息数据，自动导入地理信息引擎发布成地图瓦片；三、三维场景建模：由高精度路网数据经三维模型引擎自动生成路网和周围建筑的三维模型，自动导入三维引擎渲染并发布。
31.高精度路网数据是通用的空间数据开放格式，数据内容主要包括空间对象几何体例如点、折线、多边形的描述，空间对象的几何位置信息，空间对象的属性信息等。高精度数据转换和使用的具体流程如图2所示。
32.其中二维地图引擎可以直接使用高精度路网数据发布并生成二维地图服务。
33.仿真业务所需的路网基础数据主要包括节点、边(类型)、路网三种，可以与空间对象中的点、折线、多边形一一对应，需要按照仿真软件所需的路网格式重新编码和输出。
34.三维场景建模最少需要两类数据：一是路网和交通设备设施数据，用于生成三维空间中的道路和交通设备设施模型；二是建筑物高程数据，用于生成三维空间中不同高度的建筑物，在交通领域主要关注的是道路和交通流特性对于建筑物的还原度要求较低，所以建筑物在多数场景下用精度比较低的白模也能满足交通业务需求。一般三维建模的方式有三类：bim建模、图纸翻模、逆向建模三大类，而高精度路网数据一般采集方式是由激光雷达点云聚合或者视频分析得来，本发明中的模型自动生成的基础技术路线采用的是逆向建模的方式，由高精度路网数据中的路网地形、交通设备设施属性、高程等地理信息数据自动完成三维空间中的道路、交通设备设施、白模建筑物等三维模型的生成、渲染和发布。
35.完成仿真业务、二维地图服务、三维场景建模各自所需的基础数据转换后，由于三者的空间坐标系还不统一，所以并不能在同一个图层中将三者融合。还需要对各自的坐标系进行转换，本发明实现了将仿真路网平面坐标系、三维空间坐标系与wgs-84地心坐标系的双向互转，坐标系转换流程如图3所示。
36.坐标系转换流程是将仿真路网、三维空间坐标系统一转换到地心坐标系，转换包括了基础数据的转换和接口方法的实现两个部分组成。基础数据转换保证了图层表达的一致性，转换接口可以实现对第三方业务数据的拓展。
37.综上所述的内容构成了基于高精度路网数据的交通在线仿真和孪生展示引擎的核心能力，引擎具有三大主要业务功能：1.基于大规模高精度路网数据和真实交通数据的在线仿真能力；2.基于高精度路网数据的交通孪生场景的自动生成能力，此能力包括了二维、三维交通路网建模和发布，交通设备设施自动标注，以及多业务图层融合展示等内容；
3.引擎提供统一的业务层api，其中包括满足实时交互要求的websocket形式接口，可以提供秒级的真实交通数据与仿真过程、孪生场景交互；还包括融合的二维、三维地图接口，接口采用优化过的webgl技术进行封装，满足在web端交通孪生场景的展示。
38.在一个实施例中，提供了上述交通在线仿真和孪生展示引擎的实现方法：
39.步骤1：通过激光雷达或者视频采集高精度地图数据，地图数据中至少包括路网数据、交通设备设施数据及其他相关数据，其坐标系采用wgs84坐标系。
40.步骤2：由高精度地图数据转换为仿真路网，将地图数据中的路网数据映射到仿真路网上的点、边(类型)、路网，并完成格式的重组和wgs84坐标系到仿真xyz坐标系的转换。
41.步骤3：由高精度地图数据发布为二维地图瓦片，直接将高精度地图数据发布为地图瓦片和空间数据服务。
42.步骤4：由高精度地图数据转换为三维模型，抽取地图数据中的设备设施转换为对应的三维空间模型；由高精度地图数据中的路网信息自动完成路网模型的构建和道路纹理的渲染；由高精度地图数据中的建筑物高程数据构建白模建筑物。
43.步骤5：两类坐标系双向转换：
44.椭球参数为a＝6378137m，f＝1/298.257223563，wgs84坐标系为(b,l,h)，b大地坐标系中的大地维度、l大地精度、h大地高。
45.1.仿真路网构建，由wgs84坐标系(b,l)到平面坐标系转换(x,y)：
46.高斯投影正算：
[0047][0048][0049]
其中fe东偏移500000m；fn北偏移，北半球0，南半球10000000m；k0投影比例因子，k0＝1；a为地球椭球的长半轴(m)；f椭球扁率；e参考椭球第一偏心率e`参考椭球第二偏心率b0原点纬度；l0中央子午线经度。式中：
[0050]
t＝tan
2 b
[0051]
c＝e
`2
.cos
2 b
[0052]
a＝(l-l0).cos b
[0053][0054]
m＝a.[k1.b+k2.sin(2b)+k3.sin(4b)+k4.sin(6b)]
[0055]
m0＝a.[k1.b0+k2.sin(2b0)+k3.sin(4b0)+k4.sin(6b0)]
[0056][0057][0058]
[0059][0060]
高斯投影反算：
[0061][0062][0063]
其中：
[0064][0065][0066]
tf＝tan
2 bf[0067]cf
＝e
`2
.cos
2 bf[0068][0069][0070][0071][0072][0073]
2.三维模型构建：
[0074]
由wgs84坐标系(b,l,h)到空间坐标系转换(x,y,z)：
[0075][0076]
其中a为地球椭球的长半轴，b为地球椭球的短半轴。
[0077]
由空间坐标系(x,y,z)转换为wgs84坐标系(b,l,h)：
[0078][0079]
[0080][0081]
其中a为地球椭球的长半轴，b为地球椭球的短半轴。
[0082]
步骤6：引擎提供独立的三种业务能力输出，在线仿真、二维地图瓦片服务、三维场景串流服务。
[0083]
步骤7：引擎提供以上三种业务能力的统一api接口，接口形态包括实时websocket接口，以及具有二维地图瓦片、三维场景访问功能的统一webgl接口。
[0084]
步骤8：交通孪生业务应用可以通过websocket接口实现与仿真服务的交互；通过webgl接口完成二维、三维交通孪生场景与业务的融合和自由切换。
[0085]
本发明提出的引擎，唯一数据源为高精度路网数据，能够利用高精度路网数据自动完成大规模仿真路网的生成和三维孪生模型的构建，能够在仿真过程中与海量的交通数据实时交互，且能够实现二维、三维交通场景的无缝切换。该引擎能大幅降低交通孪生场景生成的复杂度，实现真实数据与仿真数据的融合展示，实现二维、三维场景的融合展示。
[0086]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。