基于数字孪生BIM轻量化与项目信息动态映射方法与流程

本发明属于数字孪生，具体来说，特别涉及基于数字孪生bim轻量化与项目信息动态映射方法。

背景技术：

1、随着信息技术的快速发展，工程建设领域正加速向数字化、智能化转型。数字孪生技术依托bim（建筑信息模型）与物联网，通过构建物理实体的数字复制品，实现施工全过程的可视化监控与精细化管理，已成为提升工程质量与施工效率的核心驱动力。

2、在大型工程项目管理中，现有技术通常将bim模型导入web端或移动端平台，结合项目管理系统展示施工进度与质量状态。其技术实现多依赖于几何压缩算法减小模型文件体积，并通过关系型数据库将构件id与业务表单（如质量验收单、进度填报表）进行静态外键关联。在渲染层面，终端通过解析压缩后的几何网格数据进行全景加载；在数据交互层面，用户点击模型构件后，系统通过sql语句在关系型数据库中查询对应的业务属性并展示，以期实现三维模型与施工信息的基础联动。

3、由此可以看出，现有技术存在以下问题：1.盲目压缩导致模型特征丢失，且海量构件全量加载易造成终端卡顿；2.采用静态关系型映射，查询效率低且无法表征构件间的物理拓扑联系；3.缺乏并发控制机制，多用户高频更新时易导致数据错乱，无法满足实时动态关联需求。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、针对相关技术中的问题，本发明提供基于数字孪生bim轻量化与项目信息动态映射方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

3、（二）技术方案

4、为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

5、一方面，本发明提供基于数字孪生bim轻量化与项目信息动态映射方法，包括以下步骤：

6、s1、接收多格式建筑信息模型，利用数据解析接口将所述多格式建筑信息模型分离为几何网格数据与语义属性数据，对所述语义属性数据进行清洗并采用哈希算法生成全局唯一标识符字典；

7、s2、基于所述全局唯一标识符字典，对所述几何网格数据执行基于语义特征的自适应轻量化处理，剔除冗余内部隐蔽构件，并利用二次误差度量算法生成多细节层次流式切片文件；

8、s3、提取多维项目信息，以所述全局唯一标识符字典中的全局唯一标识符为节点，在图数据库中构建融合空间拓扑边与业务逻辑边的动态映射图谱；

9、s4、监听所述多维项目信息的数据变更事件，当捕获到所述数据变更事件时，利用所述动态映射图谱与基于状态版本号的乐观锁机制执行项目信息动态同步，更新受影响的全局唯一标识符节点的业务状态；

10、s5、响应可视化终端的三维加载与点击请求，基于所述多细节层次流式切片文件与动态映射图谱，执行流式渲染，并沿着所述空间拓扑边与业务逻辑边执行所述多维项目信息的穿透式可视化交互；

11、本发明通过将多格式bim模型分离为几何网格与语义属性，并采用哈希算法生成全局唯一标识符字典，实现了异构模型数据的统一标识与高效管理；基于语义特征执行轻量化处理并生成多细节层次切片，大幅降低了模型数据体量，提升了渲染效率；在图数据库中构建融合空间拓扑与业务逻辑的动态映射图谱，并结合乐观锁机制监听数据变更，保障了高频并发协同下项目信息的实时精准同步；利用多细节层次切片与动态图谱，实现了流式渲染及多维项目信息的穿透式交互，解决了海量模型加载卡顿及业务数据与三维模型脱节的问题，提升了工程数字化管控的实时性与准确性。

12、优选地，所述s1中采用哈希算法生成全局唯一标识符字典的具体步骤包括：

13、s11、利用底层数据解析引擎读取多格式建筑信息模型的源文件，遍历所有物理构件；

14、s12、提取所述物理构件的三维顶点坐标集合作为几何网格数据，同时提取所述物理构件的材质名称、生产厂家以及构件分类标签作为语义属性数据；

15、s13、将所述材质名称、生产厂家以及构件分类标签按照字符串拼接规则组合为构件特征字符串；

16、s14、将所述构件特征字符串、物理构件在所述源文件中的原始编码输入安全散列算法中，生成长度为256位的哈希值；将所述哈希值转化为十六进制字符串作为全局唯一标识符；

17、s15、建立所述全局唯一标识符与所述几何网格数据、语义属性数据的映射关系；将所述映射关系存储为键值对结构，生成全局唯一标识符字典；

18、上述优选步骤通过底层引擎解析源文件，精准剥离物理构件的三维顶点坐标与多维语义属性，并将材质、厂家等分类标签按照规则拼接；利用sha-256散列算法将拼接字符串与原始编码转化为256位哈希值，生成全局唯一标识符并建立键值对映射字典；打破了不同软件格式的数据壁垒，确保了构件在跨专业合并与全生命周期管理中的标识唯一性与防篡改性。

19、优选地，所述s2中剔除冗余内部隐蔽构件的具体步骤包括：

20、s211、根据所述几何网格数据的三维顶点坐标集合计算每一个所述物理构件的轴向包围盒；

21、s212、以所述轴向包围盒的几何中心为球心，构建均匀分布有预设数量采样点的球面包围球；

22、s213、从每一个所述采样点向所述球心方向发射测试射线，利用射线求交算法判断所述测试射线是否与所述多格式建筑信息模型中的其他物理构件发生相交；

23、s214、统计未与所述其他物理构件发生相交的测试射线的未相交数量，除以所述预设数量采样点，得到物理构件的外露可视率；

24、s215、判断所述外露可视率是否大于露可视率阈值；若是，保留所述物理构件的几何网格数据；否则，从所述全局唯一标识符字典中删除所述冗余内部隐蔽构件对应的几何网格数据；

25、上述优选步骤通过计算构件的轴向包围盒并构建球面采样点，利用射线求交算法模拟视觉遮挡，精准统计未相交的测试射线数量以计算外露可视率；基于外露可视率阈值自动判定并剔除被完全包裹的冗余内部隐蔽构件；将传统依赖人工经验的轻量化操作转化为量化的空间几何计算，从物理空间源头上自动过滤了对运维无意义的遮挡构件，有效降低了冗余网格数据量。

26、优选地，所述s2中利用二次误差度量算法生成多细节层次流式切片文件的具体步骤包括：

27、s221、获取未被剔除的物理构件的几何网格数据中的所有三角面片与顶点坐标；

28、s222、针对每一个顶点，累加其相邻所有三角平面对应的二次型误差矩阵，构造所述顶点的初始二次误差矩阵；顶点到相邻平面的距离平方和，可通过顶点齐次坐标与该矩阵的二次型运算得到，结果为标量数值；

29、s223、计算将所述几何网格数据中的所有有效边折叠为单个新顶点时的代价代数值；所述代价代数值为非负标量，等于新顶点齐次坐标对应二次误差矩阵的二次型运算结果；

30、s224、将所有所述有效边按照所述代价代数值从小到大进行升序排列，提取代价代数值最小的有效边执行边折叠操作，并更新相邻顶点的二次误差矩阵；

31、s225、循环执行s224，直到所述几何网格数据的总面片数量分别降低至原始总面片数量的百分之七十五、百分之五十以及百分之二十五，依次输出第一细节层次模型、第二细节层次模型以及第三细节层次模型；

32、s226、将原始的所述几何网格数据作为第零细节层次模型，将所述第零细节层次模型、所述第一细节层次模型、所述第二细节层次模型以及所述第三细节层次模型打包压缩为所述多细节层次流式切片文件；

33、上述优选步骤针对保留的几何网格数据，通过计算顶点到相邻三角面片的距离平方和构建初始二次误差矩阵，量化边折叠的代价代数值；通过最小堆结构按代价升序执行边折叠操作，在保留构件关键几何边界特征的前提下，逐步将总面片数量降低至75%、50%和25%，生成四个梯度的细节层次模型并打包为流式切片；实现了模型精度的自适应降维压缩，为后续终端根据视点距离动态调度渲染资源提供了分级数据基础。

34、优选地，所述s3中构建融合空间拓扑边与业务逻辑边的动态映射图谱的具体步骤包括：

35、s31、在图数据库中，将所述全局唯一标识符字典中的每一个全局唯一标识符实例化为构件节点；

36、s32、判断任意两个物理构件的轴向包围盒坐标在三维空间中是否发生重叠；

37、若是，在所述两个物理构件对应的构件节点之间创建无向的空间拓扑边；否则，不创建无向的空间拓扑边；

38、s33、从企业资源计划系统中提取多维项目信息；所述多维项目信息包括进度计划节点、质量巡检节点以及安全隐患节点；

39、s34、根据所述多维项目信息中自带的构件关联编码，通过字符串精确匹配算法，在所述进度计划节点、质量巡检节点、安全隐患节点与对应的所述构件节点之间创建有向的业务逻辑边，结合所述构件节点、空间拓扑边生成所述动态映射图谱；

40、上述优选步骤将全局唯一标识符实例化为图数据库节点，通过分离轴定理计算轴向包围盒重叠状态建立无向的空间拓扑边，同时提取企业资源计划系统中的进度、质量、安全节点，通过字符串精确匹配建立有向的业务逻辑边；将静态的三维模型拓扑关系与动态的施工业务表单进行了深度关联，构建了网状映射图谱，为跨维度数据检索与连带隐患排查提供了底层结构支撑。

41、优选地，所述s4中利用动态映射图谱与基于状态版本号的乐观锁机制执行项目信息动态同步的具体步骤包括：

42、s41、在所述图数据库的每一个所述构件节点中初始化状态版本号属性，将所述状态版本号属性的初始整数值设定为零；

43、s42、通过消息队列监听端口捕获数据变更事件，解析所述数据变更事件中的请求载荷，提取所述请求载荷携带的目标全局唯一标识符、变更业务字段以及请求版本号；

44、s43、通过所述动态映射图谱的索引结构，快速定位至所述目标全局唯一标识符对应的目标构件节点，读取所述目标构件节点当前的实际版本号；

45、s44、判断所述请求版本号是否等于所述当前的实际版本号；

46、若是，将所述变更业务字段更新至所述目标构件节点中，并将所述目标构件节点当前的实际版本号增加一；否则，拒绝更新所述变更业务字段，并向触发所述数据变更事件的发送端返回版本冲突报错信息；

47、上述优选步骤在图节点中初始化状态版本号，通过消息队列监听数据变更事件；利用图谱索引快速定位目标节点后，比对请求版本号与实际版本号；一致时执行状态更新并递增版本号，不一致时拦截并返回冲突报错；以无锁化的乐观并发控制机制，解决了多用户协同操作时的数据覆盖与脏写风险，保障了高频动态施工场景下孪生底座数据的一致性与高可用性。

48、优选地，所述s5中执行流式渲染的具体步骤包括：

49、s511、通过可视化终端获取当前虚拟相机的三维坐标以及视场角参数，提取所述多细节层次流式切片文件中所有物理构件的包围球半径以及包围球中心坐标；

50、s512、基于所述虚拟相机的三维坐标与所述包围球中心坐标计算所述物理构件距离所述虚拟相机的空间直线距离；

51、s513、利用所述空间直线距离、包围球半径以及视场角参数，计算所述物理构件在所述可视化终端屏幕上的像素投影面积占比；

52、s514、判断所述像素投影面积占比是否大于高精度渲染阈值；

53、若是，向服务器发送请求指令，下载并渲染所述物理构件的所述第零细节层次模型；否则，进一步判断所述像素投影面积占比是否大于中精度渲染阈值；若大于中精度渲染阈值；下载并渲染所述物理构件的第一细节层次模型；若不大于中精度渲染阈值，下载并渲染所述物理构件的第三细节层次模型；

54、上述优选步骤通过获取虚拟相机参数与构件包围球信息，计算构件距离并结合视场角求得像素投影面积占比；根据面积占比与高、中精度渲染阈值的比对结果，动态请求并渲染对应层级的细节模型；将渲染资源的分配与终端视觉感知严格绑定，避免了远距离微小构件的高精度加载，实现了计算资源的按需分配，保障了复杂场景的可视化帧率。

55、优选地，所述s513中像素投影面积占比的计算过程具体为：

56、所述像素投影面积占比等于所述包围球半径的平方乘以圆周率，除以所述空间直线距离的平方，再除以所述视场角正切值的平方；所述像素投影面积占比的数值范围界于零与一之间；

57、上述计算过程利用球体投影几何原理，将三维空间距离与相机视场角精确转化为二维屏幕像素占比，提供了一个界于零与一之间的标准化度量值，提升了多细节层次模型动态调度的计算准确性。

58、优选地，所述s5中执行所述多维项目信息的穿透式可视化交互的具体步骤包括：

59、s521、所述可视化终端捕获用户的鼠标点击屏幕坐标，将所述鼠标点击屏幕坐标从二维屏幕坐标系逆向投影至三维世界坐标系，生成拾取射线；

60、s522、利用所述拾取射线与当前渲染的所述多细节层次流式切片文件进行三角面片求交计算，获取距离所述虚拟相机最近的相交点，提取所述相交点所属物理构件的查询全局唯一标识符；

61、s523、将所述查询全局唯一标识符作为查询主键发送至服务器，在所述动态映射图谱中以查询主键对应的构件节点为起点，沿着所述业务逻辑边向外执行第一深度优先遍历搜索获取直接业务数据，同时沿着所述空间拓扑边向外执行第二深度优先遍历搜索获取物理相邻构件节点；

62、s524、提取所述第一深度优先遍历搜索触达的所述进度计划节点、质量巡检节点以及安全隐患节点中的业务属性数据，并提取所述第二深度优先遍历搜索触达的物理相邻构件节点的关联隐患状态；

63、将所述业务属性数据、关联隐患状态打包为信息聚合面板数据返回至所述可视化终端；

64、s525、所述可视化终端接收所述信息聚合面板数据，在屏幕上渲染浮动信息面板，展示所述多维项目信息与相邻物理构件的连带隐患预警；

65、上述优选步骤通过逆向投影生成拾取射线，利用三角面片求交获取用户点击的构件标识符；以该标识符为起点在动态映射图谱中执行双向深度优先遍历，既沿着业务逻辑边获取直接关联的进度与质量数据，又沿着空间拓扑边提取物理相邻构件的隐患状态，并聚合为浮动面板展示；打通了三维空间点击与底层多维业务数据的交互链路，实现了基于模型穿透表单及关联隐患的直观预警。

66、另一方面，本发明还提供基于数字孪生bim轻量化与项目信息动态映射系统，用于实现所述基于数字孪生bim轻量化与项目信息动态映射方法，所述系统包括：

67、多源模型解析模块，用于接收多格式建筑信息模型，分离几何网格数据与语义属性数据，并生成全局唯一标识符字典；

68、自适应轻量化模块，用于剔除冗余内部隐蔽构件，并利用二次误差度量算法生成多细节层次流式切片文件；

69、动态图谱构建模块，用于在图数据库中构建融合空间拓扑边与业务逻辑边的动态映射图谱；

70、并发同步控制模块，用于监听数据变更事件，利用动态映射图谱与基于状态版本号的乐观锁机制执行项目信息动态同步；

71、穿透渲染交互模块，用于基于多细节层次流式切片文件与动态映射图谱，执行流式渲染，并沿着空间拓扑边与业务逻辑边执行多维项目信息的穿透式可视化交互。

72、（三）有益效果

73、本发明具有以下有益效果：

74、本发明通过将多格式bim模型解析为几何与语义数据并生成哈希全局标识符，结合射线求交的可视度量化与二次误差度量算法，实现了冗余隐蔽构件的自动剔除与多细节层次切片的自适应生成；改变了传统单一几何压缩导致特征丢失的问题，在保留关键边界特征的同时大幅降低了数据体量，并为后续基于视距的流式渲染提供了分级数据基础，解决了海量模型在终端加载卡顿的技术瓶颈。

75、本发明以全局唯一标识符为核心，在图数据库中利用包围盒重叠判定建立空间拓扑边，并结合字符串匹配建立业务逻辑边，构建了动态映射图谱；同时引入基于状态版本号的乐观锁机制监听数据变更；上述特征相互配合，打破了传统关系型数据库静态映射查询慢、维度单一的局限，不仅确立了物理构件与多维业务数据的网状联系，还以无锁化方式解决了多用户高频协同下的数据覆盖冲突，保障了孪生底座数据的高可用性与一致性。

76、本发明在可视化终端基于相机视场角与空间距离计算像素投影面积占比，动态请求匹配的细节层次模型执行流式渲染；并通过拾取射线获取相交构件标识，在动态映射图谱中沿业务逻辑边与空间拓扑边执行双向深度优先遍历。这一整体交互机制将前端按需渲染与后端图谱穿透查询紧密结合，既保证了视觉流畅度，又实现了基于单一构件点击获取多维业务属性及物理相邻构件连带隐患预警的功能，提升了复杂工程数字孪生管控的深度与效率。

77、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。