基于AUTBUS总线的数字孪生数据通信交互方法

本发明涉及数据通信和数字孪生交叉的领域，具体地指基于autbus总线的数字孪生数据通信交互方法。

背景技术：

1、"数字孪生" 是指数字世界中的虚拟实体或模型，与现实世界中的物理实体或过程之间的一种紧密关联。数字孪生被广泛用于各种应用领域，如制造业、能源、医疗保健等，旨在通过模拟、分析和优化物理系统的运行状况来提高效率、降低成本，并进行预测和决策支持。环境信息采集和设备控制交互是数字孪生系统中的重要因素。在数字孪生系统中常见的通信方式有传统的物联网通信技术如wifi、蓝牙等，基于工业通信的modbus、can、rs485等。

2、但数字孪生系统搭建过程中，现实场景的设备布置是一大问题，孪生系统对应的现场层通信难以实现，传统总线通信带宽低、实时性差难以满足数学孪生系统高实时性的要求，现场设备类型各异、协议种类繁多难以进行统一的管理和控制，这也导致大部分数字孪生系统仅停留在展示阶段，难以投入实际的应用场景当中，采用本方法可以更方便的对现实场景中的设备进行布置和改造，更方便的将现实数据传输到虚拟场景当中，增强数字孪生系统的真实性和完整性。现实场景中可能涉及多种类型、多样性的设备，包括传感器、执行器、控制器等。这些设备的种类和特性各异，现实场景中的设备存在通信方式和接口不统一的情况，需要统一的数据集成和处理方法，本方法适配多种协议和接口。现实场景的设备之间需要建立稳定的通信连接，以便实时地传输数据和指令，选择合适的网络拓扑是一个挑战，本方法设备组网更加灵活便捷。现实场景的环境因素导致设备布局和距离也会造成通信上的困难，相较于传统工业总线本方法通信距离更远。数字孪生场景需要实时更新现实场景中的信息，对实时性有较高要求，需要确保设备的数据传输和响应能够满足实时性需求。

3、在中国专利文献cn115967590a中公开了基于autbus总线的通信系统及方法，该专利涉及的技术领域与本发明不同，具体为工业通信系统通信技术领域，采用的技术方案也与本专利有较大差异。

技术实现思路

1、本发明的目的就是解决上述背景中，提出一种基于autbus总线的数字孪生数据通信交互方法包括以下步骤：

2、s1、在数字孪生系统的现实场景部署autbus总线；

3、s2、通过autbus转换模块，实现rs485、can、eth等多种接口设备的数据基于autbus总线网络传输；

4、s3、将autbus转换模块作为终端节点接入到autbus总线当中；

5、s4、采用autbus/eth转换模块作为管理节点将上位机接入autbus总线中；

6、s5、在上位机通过配置工具为所有autbus总线中的节点配置通信资源；

7、s6、为所有设备分配ip，采用tcp或udp协议与上位机通信；

8、s7、上位机通过以太网端口获取所有接入autbus总线当中的设备数据；

9、s8、将数据同步到数字孪生虚拟场景中进行可视化显示；

10、s9、虚拟场景中的命令通过上位机发送至管理节点，管理节点将数据转发至autbus总线，最后到达终端节点。

11、优选的方案中，当有大规模设备接入总线当中时，采用plc代替autbus/eth转换模块作为管理节点。

12、优选的方案中，当没有网卡的rs485、can等接口设备数据发送至终端节点，终端节点在数据前两位添加两位16进制设备标识符并发送至autbus总线上。

13、优选的方案中，当管理节点接收autbus总线上发来的数据，管理节点对数据进行处理，去掉总线中传输用的设备标识符，通过标识符区分设备，并根据预先为此设备分配好的ip地址添加tcp或udp网络报文头，将数据发送至上位机以太网端口。

14、优选的方案中，上位机向设备发送的数据到达管理节点时，管理节点解析网络报文头中的ip地址，根据ip地址查找设备对应的设备标识符，并将网络报文头替换为设备标识符发送至autbus总线，终端节点根据设备标识符接收属于终端节点的数据。

15、优选的方案中，autbus总线选择环形总线或线性总线；

16、针对设备之间的直线距离超过设定阈值的数字孪生系统，在autbus总线中加入autbus中继模块，延长autbus信号传输距离，满足设备远距离接入总线（设备之间的距离远，需要长远距离通信）；

17、优选的方案中，现实场景设备与虚拟场景之间传输的数据在现实场景设备与虚拟场景之间进行双向流通。

18、优选的方案中，当管理节点的autbus接口接收数据，对数据进行处理后发送至以太网端口；

19、所有设备发送的数据在autbus总线进行传输时，管理节点接收数据后首先通过设备号判断发送数据的设备是否为网络设备，如果是则可以直接去掉数据的设备号将数据进行转发，如果不是则去掉设备标识符后，按照预先分配的设备ip，为数据添加网络报文头后再将数据发送至以太网端口。

20、优选的方案中，当管理节点的以太网端口接收数据，对数据进行处理后发送至autbus总线；

21、管理节点接收数据后首先通过ip地址判断要接收数据的设备是否为网络设备，要接收数据的设备是否为网络设备时，则直接为数据添加设备号将数据进行转发，要接收数据的设备不是网络设备时，则去掉网络报文头，为数据添加设备号后再将数据发送至以autbus总线。

22、本发明的有益效果为：本发明提供了一种数字孪生系统中虚拟和现实的通信方法，能够将现实中的大量实时数据传输至虚拟场景当中，并且虚拟场景可以实时控制现实设备。本方法基于宽带工业总线autbus虚拟总线技术实现多协议数据的融合通信传输，autbus总线可以将modbus、can、ethernet、profibu、lin等多种总线接口转换为autbus两线传输，适配性强，使得现实场景各种类型设备可以在一条总线上完成宽带实时通信业务，为数字孪生系统提供网络基础和保障。autbus总线拓扑支持线性和环形总线网络拓扑，可靠性高，运维扩展方便，当虚拟场景添加新元素时，现实设备也可以方便的接入总线，使数字孪生系统更新更加高效便捷。在大场景下的数字孪生存在设备距离远的问题，autbus传输距离可达500m，解决远距离通信问题。数字孪生系统对数据实时性要求高，autbus带宽可达100mbps，时钟同步精度可达100ns，以满足现实和虚拟的实时通信与交互。

技术特征：

1.一种基于autbus总线的数字孪生数据通信交互方法，其特征是包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述基于autbus总线的数字孪生数据通信交互方法，其特征是：当有大规模设备接入总线当中时，采用plc代替autbus/eth转换模块作为管理节点。

3.根据权利要求1所述基于autbus总线的数字孪生数据通信交互方法，其特征是：当没有网卡的接口设备数据发送至终端节点，终端节点在数据前两位添加两位16进制设备标识符并发送至autbus总线上。

4.根据权利要求1所述基于autbus总线的数字孪生数据通信交互方法，其特征是：当管理节点接收autbus总线上发来的数据，管理节点对数据进行处理，通过标识符区分设备，将数据发送至上位机以太网端口。

5.根据权利要求1所述基于autbus总线的数字孪生数据通信交互方法，其特征是：上位机向设备发送的数据到达管理节点时，管理节点解析网络报文头中的ip地址，根据ip地址查找设备对应的设备标识符，终端节点根据设备标识符接收属于终端节点的数据。

6.根据权利要求1所述基于autbus总线的数字孪生数据通信交互方法，其特征是：autbus总线选择环形总线或线性总线；

7.根据权利要求1所述基于autbus总线的数字孪生数据通信交互方法，其特征是：现实场景设备与虚拟场景之间传输的数据在现实场景设备与虚拟场景之间进行双向流通。

8.根据权利要求3所述基于autbus总线的数字孪生数据通信交互方法，其特征是：当管理节点的autbus接口接收数据，对数据进行处理后发送至以太网端口；

9.根据权利要求3所述基于autbus总线的数字孪生数据通信交互方法，其特征是：当管理节点的以太网端口接收数据，对数据进行处理后发送至autbus总线；

技术总结
本申请提供一种基于AUTBUS总线的数字孪生数据通信交互方法，包括以下步骤：在数字孪生系统的现实场景部署AUTBUS总线；通过AUTBUS转换模块，实现接口的收发数据基于AUTBUS总线网络传输；将AUTBUS转换模块作为终端节点接入到AUTBUS总线当中；采用AUTBUS/ETH转换模块作为管理节点将上位机接入AUTBUS总线中；在上位机通过配置工具为所有AUTBUS总线中的节点配置通信资源；为所有设备分配IP，采用TCP或UDP协议与上位机通信；上位机通过以太网端口获取所有接入AUTBUS总线当中的设备数据；将数据同步到数字孪生虚拟场景中进行可视化显示；虚拟场景中的命令通过上位机发送至管理节点，管理节点将数据转发至AUTBUS总线，最后到达终端节点，解决了现实场景的设备布局和距离造成的通信困难和实时性差等问题。

技术研发人员：唐庭龙,高云鹏,黄易,吴义熔
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21