基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法及系统

本发明涉及三维仿真和虚拟现实展示，尤其涉及一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法及系统。

背景技术：

1、小农户生产模式逐渐被现在的大型企业集约化生产模式所取代。集约化生产所采用的全年不间断、大规模集中饲养的方式需要畜禽养殖企业有更加有效的组织和监控，以确保各个环节的顺畅运行。现代畜禽养殖企业通常采用物联网技术、大数据平台等技术实现畜禽自动化生产，在提高生产效率的同时也确保了组织管理水平。然而，目前许多畜禽企业尚未全面应用这些现代技术，尤其是在数据整合和使用上。畜禽场内通常会安装布设的诸多传感器，用于监测畜禽场内不同位置点的风速、温度、湿度等环境参数，而在使用这些数据时，畜禽场只是依据实时的传感器数据进行实时反应，没有将这些数据进行充分的整合和利用。

2、现代畜禽养殖对环境控制提出了极高的要求，需要在不同的时间、不同的位置，针对不同畜禽群体将环境参数精确控制在一个很小的范围内。尽管如此，由于畜禽养殖所属的第一产业通常附加值相对较低，为了保障企业的盈利能力，必须实施严格的成本控制策略。在这种情况下，畜禽养殖空气质量就很难被养殖企业考虑在环境控制当中。但是集约化生产带来空气污染物的排放，在没有得到有效通风管理的情况下，对畜禽场养殖对象和工作人员必然会带来极大的影响。

3、空气质量的特征无法直接通过肉眼观察，传统的方式不仅需要较为专业的工程人员进行操作，而且在畜禽养殖过程中，从业人员很难对整体情况有全面清晰的认知，无法充分了解畜禽养殖环境。

4、因此，亟需一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法及系统。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法及系统，充分利用畜禽场物理模型、传感器更新、运行历史数据，解决现有技术缺乏考虑空气质量在畜禽养殖中产生的影响、缺乏对畜禽场环境有效展示的缺陷。

2、本发明提供一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法，包括：

3、获取现实畜禽场场景数据，利用数字孪生技术根据现实畜禽场场景数据构建畜禽场数字孪生三维模型，其中，现实畜禽场场景数据包括三维结构数据、设施设备运行形态数据、畜禽活动逻辑数据，畜禽场数字孪生三维模型中具有纹理和贴图渲染；

4、获取畜禽场现场环境数据和畜禽场现场运行数据并存储于数据库中，其中，现场环境数据包括气象数据和环境传感器数据，畜禽场现场运行数据包括设施设备控制数据、畜禽养殖生产数据；

5、基于畜禽场数字孪生三维模型，简化建立畜禽场空气质量计算三维模型，结合湍流模型和组分运输模型形成流场控制方程组，根据畜禽场现场环境数据和畜禽场现场运行数据建立基于计算流体力学的畜禽场空气质量求解模型，通过畜禽场空气质量求解模型预测未来时间点的现场环境数据(畜禽场空气质量形态)，并根据预测得到的现场环境数据与对应时间点的实际现场环境数据之间的差异优化畜禽场空气质量求解模型，将优化后的畜禽场空气质量求解模型用于预测畜禽场空气质量形态，并继续迭代优化；

6、基于畜禽场数字孪生三维模型，整合预测得到的现场环境数据，形成畜禽场数字孪生展示模型并通过虚拟现实方式对其进行展示与交互。

7、根据本发明提供的一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法，现实畜禽场场景为包括畜禽场场区的、半径为预设值(例如1km)的规则区域，若畜禽场包含在规则区域内，区域中心为畜禽场的中心，若畜禽场的自身大小超出规则区域，区域中心为需要重点展示的生产建筑处。

8、根据本发明提供的一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法，所述利用数字孪生技术根据现实畜禽场场景数据构建畜禽场数字孪生三维模型，包括：

9、根据现实畜禽场场景数据，利用数字孪生技术对畜禽场内部的建筑、植被、地形、和对气流有影响的设施设备进行初步建模，得到第一三维模型；

10、对第一三维模型内的畜禽舍进行精细化建模，建立畜禽舍内部真实场景，场景内包括畜禽舍的畜禽、栅栏、led灯、饲喂系统、通风管道、挡风板、粪道、对畜禽养殖有影响的设备，得到第二三维模型，第二三维模型中物体表面具有精细纹理和贴图渲染；

11、为第二三维模型内的畜禽绑定运动骨骼，依据动物的行为和/或设备运行逻辑通过编写脚本或者创建动画模拟畜禽行为和/或设备运行，建立完整的物理系统用来模拟力、碰撞和运动，设计交互逻辑，通过添加按钮、滑块或者开关关联设备运行和畜禽行为，形成畜禽场数字孪生三维模型。

12、根据本发明提供的一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法，畜禽场现场环境数据包括气象数据和环境传感器数据，其中，通过气象预报api接口和/或气象数据网获取实时和未来的气象数据，通过布设于畜禽场内外固定采集点的传感器测量得到环境传感器数据，畜禽场现场环境数据包括：温度、湿度、风速、风向、太阳辐射照度、相关气体浓度等；

13、畜禽场现场运行数据包括畜禽场的环控策略、设备运行调控方案、畜禽实时状态等养殖生产数据，通过集合畜禽场内所有的环境控制器、设备控制器所建立的工控中心获取畜禽场现场运行数据，其中，工控中心可供用户实时查看和调整畜禽场内部设施设备的运行状态、运行方案，以及，工控中心连接有监控系统，监控系统布设于畜禽舍内用于实时监测畜禽的活动、行为、生长状态；

14、将畜禽场现场环境数据和畜禽场现场运行数据上传至云端服务器，采集上传频率设置为1次/分钟，并建立相应的数据库保证后续计算求解器对此数据随时的调用。

15、根据本发明提供的一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法，所述基于畜禽场数字孪生三维模型，简化建立畜禽场空气质量计算三维模型，结合湍流模型和组分运输模型形成流场控制方程组，根据畜禽场现场环境数据和畜禽场现场运行数据建立基于cfd方法的畜禽场空气质量求解模型，通过畜禽场空气质量求解模型预测未来时间点的现场环境数据，并根据预测得到的现场环境数据与对应时间点的实际现场环境数据之间的差异优化畜禽场空气质量求解模型，将优化后的畜禽场空气质量求解模型用于预测现场环境数据，并继续迭代优化，包括：

16、基于畜禽场数字孪生三维模型，简化建立畜禽场空气质量计算三维模型；

17、对畜禽场空气质量计算三维模型划分网格和自适应设置；

18、整合湍流模型和组分运输模型形成流场控制方程组；

19、确定需要预测的时间点，通过数据库调取畜禽场现场环境数据和畜禽场现场运行数据，分别建立小时间尺度和大时间尺度的畜禽场空气质量求解模型；

20、采用不同的求解方法对不同畜禽场空气质量求解模型进行求解并保存求解数据；

21、将模拟计算得到的预测时间点的现场环境数据与对应时间点的实际现场环境数据进行验证，基于验证结果优化畜禽场空气质量求解模型和畜禽场空气质量求解模型建立方式，将优化后的畜禽场空气质量求解模型和畜禽场空气质量求解模型建立方式用于预测畜禽场空气质量形态，得到现场环境数据，并继续迭代优化。

22、根据本发明提供的一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法，所述基于畜禽场数字孪生三维模型，简化建立畜禽场空气质量计算三维模型，包括：

23、删除畜禽场数字孪生三维模型中畜禽的行为和设备的运行，依照需要预测的时间点，设定成不同的形态或者其它流场影响参数，例如，在计算资源配置较低的情况下，畜禽活动区域可以整体简化成长方体，设置粘性阻力系数和惯性阻力系数以多孔介质区域来模拟猪体对气流阻力的影响；

24、以畜禽场内部生产建筑长、宽、高中的最小尺寸为特征尺寸，对畜禽场数字孪生三维模型中小于特征尺寸预设程度(例如小于特征尺寸的1/10)的模型细节进行简化，将这些细节删除或者简化成规则的矩形面或规则的六面体，这些细节不包括管道、风机、挡风板、进出风口、扰流风机等通风结构；

25、将畜禽场数字孪生三维模型中不考虑建筑内气流场的非生产建筑或设施设备简化为第一规则体(例如是规则的六面体，这些规则体只考虑形状对气流的阻碍)，将畜禽场中的植被、水体等简化为第二规则体(例如是覆盖于地面的、不同高度的规则体(这些规则体可以在与流体接触的边界添加相关源项用来模拟其对气流的影响)。

26、根据本发明提供的一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法，所述对畜禽场空气质量计算三维模型划分网格和自适应设置，包括：

27、以六面体网格为主，四面体网格和金字塔型网格为辅，对畜禽场空气质量计算三维模型进行网格划分；

28、以特征尺寸作为背景网格尺寸，提取流场内的形状特征，并对形状特征附近的网格进行多级细化贴合形状特征面；

29、对畜禽场空气质量计算三维模型进行网格自适应设置，在初步计算后细化相关气体浓度和/或风速梯度超过预设阈值区域的网格。

30、根据本发明提供的一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法，所述整合湍流模型和组分运输模型形成流场控制方程组，包括：

31、整合湍流模型和组分运输模型形成流场控制方程，将畜禽场内的空气作为连续介质，通过质量守恒、动量守恒、能量守恒定律确定流场内气流组织的运动，采用基于雷诺平均方法的湍流模型计算计算域(畜禽场空气质量求解模型)内的流体流动，引入组分运输模型计算计算域内不同空气污染物的扩散，形成流场控制方程组。

32、根据本发明提供的一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法，所述确定需要预测的时间点，通过数据库调取畜禽场现场环境数据和畜禽场现场运行数据，分别建立小时间尺度和大时间尺度的畜禽场空气质量求解模型，包括：

33、确定需要预测的时间点，若是预测时间点与所在时间点相隔过大，例如大于1h，通过数据库调取畜禽场现场环境数据和畜禽场现场运行数据，通过气象数据和环控策略、设备运行调控方案确定预测时间点畜禽场的养殖生产状态，以预测时间点气象数据为主要参考，确定预测时间点的初始条件和初始边界条件，以已经模拟过的历史数据对初始条件和初始边界条件进行修正，依据已经划分好网格的畜禽场空气质量计算三维模型对流场控制方程组、初始条件和初始边界条件进行离散，建立畜禽场大时间尺度空气质量求解模型；

34、确定需要预测的时间点，若是预测时间点与所在时间点相隔过小，例如小于1h，通过数据库调取畜禽场现场环境数据和畜禽场现场运行数据，以畜禽场实时气象数据设置初始条件，以部分畜禽场环境传感器数据、畜禽场实时养殖养殖生产状态设置初始边界条件，以已经模拟过的历史数据对初始条件和初始边界条件进行修正，依据已经划分好网格的畜禽场空气质量计算三维模型对流场控制方程组、初始条件和初始边界条件进行离散，建立畜禽场空气质量小时间尺度求解模型。

35、根据本发明提供的一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法，所述采用不同的求解方法对不同畜禽场空气质量求解模型进行求解并保存求解数据，包括：

36、对于畜禽场大时间尺度空气质量求解模型，采用稳态模拟的方法对流场进行模拟迭代计算，设置一定的迭代步数，迭代的组分方程的残差收敛达到10-6以下，其它方程残差收敛达到10-3以下时认为计算结束并保存求解数据；

37、对于畜禽场空气质量小时间尺度求解模型，采用瞬态模拟的方法对流场进行模拟迭代计算，设置匹配流场的总迭代步数、时间步长、子迭代次数，总迭代步数与时间步长的乘积即总模拟时间匹配需要预测时间点，迭代的组分方程的残差收敛达到10-6以下，其它方程残差收敛达到10-3以下时认为计算结束并保存求解数据。

38、根据本发明提供的一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法，将模拟计算得到的预测时间点现场环境数据与对应时间点的实际现场环境数据进行验证，基于验证结果优化畜禽场空气质量求解模型和畜禽场空气质量求解模型建立方式，将优化后的畜禽场空气质量求解模型和畜禽场空气质量求解模型建立方式用于预测畜禽场空气质量形态，得到现场环境数据，并继续迭代优化，包括：

39、用作验证的对应时间点的实际现场环境数据为没有在设置初始条件和初始边界条件中被使用过的数据；

40、通过比较预测时间点现场环境数据与对应时间点的实际现场环境数据的差异得到验证结果，现场环境数据包括：温度、湿度、风速、相关气体浓度污染物浓度，相关气体为对环境、生产有负面作用的气体；

41、优化畜禽场空气质量求解模型为优化畜禽场空气质量求解模型参数，畜禽场空气质量求解模型参数包括以下任一项或其任意组合：边界条件设置参数、控制方程组的参数、源项设置参数、评估计算稳定和收敛的参数、迭代步设置参数；

42、畜禽场空气质量求解模型建立方式包括：对畜禽场数字孪生三维模型简化设置方式、对畜禽场空气质量计算三维模型的网格划分方式、控制方程组内不同项的离散方式、对数据库中数据的处理利用方式；并继续迭代优化表示预测的结果必会得到验证，可以凭借预测的结果继续迭代优化畜禽场空气质量求解模型和畜禽场空气质量求解模型。

43、根据本发明提供的一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法，基于畜禽场数字孪生三维模型，整合预测得到的现场环境数据，形成畜禽场数字孪生展示模型并通过虚拟现实方式对其进行展示与交互，具体为：

44、集成通过畜禽场数字孪生三维模型、畜禽场空气质量求解模型得到的畜禽场的现场环境数据、畜禽场现场环境数据和畜禽场现场运行数据形成畜禽场数字孪生展示模型，以供用户与畜禽场空气质量环境进行数字孪生式的观察与交互。

45、根据本发明提供的一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法，集成通过畜禽场数字孪生三维模型、畜禽场空气质量求解模型得到的畜禽场的现场环境数据、畜禽场现场环境数据和畜禽场现场运行数据形成畜禽场数字孪生展示模型，包括：

46、通过unity平台集成通过畜禽场数字孪生三维模型、畜禽场空气质量求解模型得到的畜禽场的现场环境数据、畜禽场现场环境数据和畜禽场现场运行数据，以畜禽场数字孪生三维模型为基础，结合畜禽场空气质量求解模型预测的畜禽场的现场环境数据形成交互数据库方便调用，在畜禽场数字孪生三维模型中添加用户操作ui界面以供用户随时调用交互数据库中的数据。

47、需要说明的是，畜禽场空气质量求解模型预测的畜禽场空气质量形态(现场环境数据)只是匹配划分网格后的畜禽场空气质量计算三维模型，只有网格中心点的数据，所以可以对流场区域其它点位的数值通过使用三线性插值法进行数据插值；畜禽场空气质量形态具体展示方法可以通过平面云图、流线图、矢量图进行展示；畜禽场现场获取的数据主要是控制畜禽场数字孪生三维模型内设施设备的运行状态、畜禽的活动生长状态。

48、需要说明的是，使用者可以通过虚拟头盔现实器进入vr虚拟展示环境内部，以进行不同的游览模式(包括预设路线游览和自由游览)。

49、预设路线游览：使用者可以根据预设的路线游览模式，预先设置好场景的游览路线，在游览路线上能够通过精细模型观察畜禽场的布局、建筑形状、装备布置、畜禽活动特点、设施设备运行情况；能够通过场景内预先设置畜禽场的温度分布云图、湿度分布云图、空气污染物浓度分布云图、流速云图和矢量图、流场流线图观察流场环境参数细节。

50、自由游览：使用者自由在vr场景内移动，并能与vr场景内部建立的模型细节进行交互，包括与畜禽场内部畜禽生物的互动，例如动物的跟随、害怕躲藏等；与畜禽场内部设施设备的互动，例如开关卷帘、风机、转动挡风板、调节灯光亮度等。对于流场环境参数展示，使用者可以通过调用流场数据自由设置不同方位的云图和矢量图，设置不同的流线起始点绘制流线图。

51、本发明还提供一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示系统，包括：

52、三维建模模块，用于：获取现实畜禽场场景数据，利用数字孪生技术根据现实畜禽场场景数据构建畜禽场数字孪生三维模型，其中，现实畜禽场场景数据包括三维结构数据、设施设备运行形态数据、畜禽活动逻辑数据，畜禽场数字孪生三维模型中具有精细纹理和贴图渲染；

53、数据获取模块，用于：获取畜禽场现场环境数据和畜禽场现场运行数据并存储于数据库中，其中，畜禽场现场环境数据包括气象数据和环境传感器数据，畜禽场现场运行数据包括设施设备控制数据、畜禽生长数据等养殖生产数据；

54、预测模块，用于：基于畜禽场数字孪生三维模型，简化建立畜禽场空气质量计算三维模型，整合湍流模型和组分运输模型形成流场控制方程组，根据畜禽场现场环境数据和畜禽场现场运行数据建立基于cfd法的畜禽场空气质量求解模型，通过畜禽场空气质量求解模型预测未来时间点的现场环境数据(畜禽场空气质量形态)，并根据预测得到的现场环境数据与对应时间点的实际现场环境数据之间的差异优化畜禽场空气质量求解模型，将优化后的畜禽场空气质量求解模型用于预测畜禽场空气质量形态，并继续迭代优化；

55、展示模块，用于：基于畜禽场数字孪生三维模型，整合预测得到的现场环境数据(畜禽场空气质量形态)，形成畜禽场数字孪生展示模型并通过虚拟现实方式对其进行展示与交互。

56、本发明还提供一种电子设备，包括处理器和存储有计算机程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法。

57、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法。

58、本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述任一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法。

59、本发明提供的一种基于数字孪生的畜禽养殖空气质量预测和展示方法，充分利用畜禽场物理模型、传感器更新、运行历史数据，同时考虑畜禽场的建筑地形、畜禽生产、运行管理等空气质量影响因素，建立畜禽场空气质量求解模型预测畜禽场未来的空气质量形态，通过实际监测数据与求解数据的反馈持续迭代优化畜禽场空气质量求解模型，实现对畜禽场全流域空气质量更加可靠的预测，为畜禽场设计、运行和监管等情形下的空气质量情况提供参考；并引入虚拟现实技术到农业畜禽场空气污染物扩散展示应用中，方便用户通过与虚拟环境的交互，更好地体验畜禽舍环境并理解环境信息。