本發(fā)明涉及鐵路地理信息，具體涉及一種數(shù)字孿生鐵路隧道三維瓦片數(shù)據(jù)多維時(shí)空索引方法、設(shè)備及存儲(chǔ)介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、面向數(shù)字孿生鐵路隧道部件級(jí)三維模型數(shù)據(jù)多維高效檢索與分析應(yīng)用需求，構(gòu)建三維瓦片數(shù)據(jù)多維時(shí)空索引是提升檢索性能的有效方式之一。一方面，鐵路隧道數(shù)字孿生三維模型在鐵路沿線長(zhǎng)帶狀空間不規(guī)則分布，同時(shí)受到同一隧道工程多個(gè)工點(diǎn)同向或反向并行施工等復(fù)雜施工組織管理策略的影響，時(shí)間局部連續(xù)的孿生模型數(shù)據(jù)在空間中呈現(xiàn)稀疏分布的特點(diǎn)，亟需高效的時(shí)空索引方法保障數(shù)字孿生虛實(shí)互饋效率?，F(xiàn)有時(shí)空索引主要面向連續(xù)均勻分布的時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，難以直接適用于節(jié)點(diǎn)時(shí)空分布不均勻、時(shí)空重疊大的鐵路隧道三維瓦片數(shù)據(jù)，制約了鐵路隧道孿生模型數(shù)據(jù)多維檢索時(shí)間性能。另一方面，數(shù)字孿生鐵路隧道三維瓦片數(shù)據(jù)在全生命周期階段動(dòng)態(tài)更新，數(shù)據(jù)訪問呈現(xiàn)時(shí)空局部性，在高并發(fā)請(qǐng)求環(huán)境下數(shù)據(jù)服務(wù)易熔斷，亟需建立有效的數(shù)據(jù)緩存算法以提升數(shù)據(jù)檢索效率?，F(xiàn)有緩存方法主要面向數(shù)據(jù)訪問頻率劃分，未考慮數(shù)字孿生鐵路隧道時(shí)空多維特征，難以支撐高并發(fā)環(huán)境下的海量時(shí)空瓦片數(shù)據(jù)多維檢索訪問。

2、現(xiàn)有三維瓦片時(shí)空索引方法主要分為多層時(shí)空索引與多維時(shí)空索引。多層時(shí)空索引主要采用時(shí)間優(yōu)先或空間優(yōu)先的劃分策略，普遍能利用一級(jí)索引收斂性減少節(jié)點(diǎn)訪問，加快檢索效率，然而，該類方法多維檢索模式較為固定，以時(shí)間維度優(yōu)先劃分的索引為例，需按先時(shí)間、后空間的檢索策略才能保證高效性，難以支撐鐵路隧道三維時(shí)空瓦片時(shí)間/空間單一維度或時(shí)間-空間聯(lián)合維度等多樣化檢索任務(wù)時(shí)間性能；多維時(shí)空索引旨在圍繞時(shí)間-空間形成的多維空間進(jìn)行索引，較為適合鐵路隧道時(shí)間/空間單一維度或時(shí)間-空間聯(lián)合維度等多樣化檢索任務(wù)，該類方法通常直接在r樹等傳統(tǒng)空間索引擴(kuò)展時(shí)間維度，而面向鐵路隧道長(zhǎng)帶狀不規(guī)則分布特征，雖在時(shí)間維度對(duì)節(jié)點(diǎn)分布整體進(jìn)行一定的調(diào)整，但額外產(chǎn)生的時(shí)間重疊進(jìn)一步制約檢索性能。聚焦于長(zhǎng)帶狀不規(guī)則空間分布特征，若干方法及裝置面向現(xiàn)有格網(wǎng)/kd樹/四叉樹/r樹等傳統(tǒng)索引結(jié)構(gòu)及其改進(jìn)，設(shè)計(jì)多種單一或混合索引結(jié)構(gòu)。然而，受限于索引結(jié)構(gòu)本身存在的瓶頸，依舊難以適應(yīng)鐵路隧道數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)長(zhǎng)帶狀不規(guī)則分布特征，制約了生命周期/單元里程/部件類型的多維精準(zhǔn)高效檢索。因此亟需進(jìn)一步發(fā)展適用于數(shù)字孿生鐵路隧道系統(tǒng)-單元-部件多維索引方法。

3、現(xiàn)有緩存算法分為存儲(chǔ)空間驅(qū)動(dòng)的高低水位法和訪問頻率驅(qū)動(dòng)的替換遷移法。高低水位法旨在內(nèi)外存存儲(chǔ)用量達(dá)到閾值時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)遷移，該方法適用于預(yù)知數(shù)據(jù)訪問頻率差異的場(chǎng)景，面對(duì)海量動(dòng)態(tài)更新鐵路隧道三維瓦片數(shù)據(jù)忽略了多維時(shí)空特征；替換遷移算法旨在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行價(jià)值評(píng)級(jí)，高價(jià)值數(shù)據(jù)遷移至內(nèi)存，低價(jià)值數(shù)據(jù)遷移至外存，該方法能夠有效優(yōu)化存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，但可能會(huì)造成存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)和遷移成本過高，依舊難以滿足鐵路隧道高并發(fā)環(huán)境下三維瓦片數(shù)據(jù)訪問，因此，亟需進(jìn)一步發(fā)展適用于數(shù)字孿生鐵路隧道三維瓦片數(shù)據(jù)的緩存方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種數(shù)字孿生鐵路隧道三維瓦片數(shù)據(jù)多維時(shí)空索引方法、設(shè)備及存儲(chǔ)介質(zhì)，針對(duì)現(xiàn)有三維瓦片時(shí)空索引算法難以適應(yīng)長(zhǎng)帶狀不規(guī)則空間分布特征的痛點(diǎn)，本發(fā)明緊密圍繞數(shù)字孿生鐵路隧道三維瓦片數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與高并發(fā)環(huán)境下多維檢索需求，設(shè)計(jì)了適用于數(shù)字孿生鐵路隧道長(zhǎng)帶狀不規(guī)則分布特點(diǎn)的多維時(shí)空索引與內(nèi)外存協(xié)同的動(dòng)態(tài)緩存算法，形成了一種內(nèi)外存協(xié)同的數(shù)字孿生鐵路隧道三維瓦片數(shù)據(jù)系統(tǒng)-單元-部件多維時(shí)空索引方法，解決了上述背景技術(shù)中提到的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種數(shù)字孿生鐵路隧道三維瓦片數(shù)據(jù)多維時(shí)空索引方法，包括如下步驟：

3、s1、貼合鐵路隧道帶狀空間走向的包圍空間計(jì)算；

4、s2、系統(tǒng)-單元-部件多維時(shí)空索引構(gòu)建；

5、s3、內(nèi)外存協(xié)同的瓦片數(shù)據(jù)緩存構(gòu)建；

6、s4、面向生命周期/單元里程/部件類型的多維檢索。

7、優(yōu)選的，在步驟s1中，所述貼合鐵路隧道帶狀空間走向的包圍空間計(jì)算包括：從鐵路隧道部件級(jí)孿生模型數(shù)據(jù)軸平行包圍空間出發(fā)，計(jì)算貼合鐵路隧道工程帶狀空間走向的全局包圍空間；首先，計(jì)算部件級(jí)孿生模型數(shù)據(jù)軸平行包圍空間，匯總所有軸平行包圍空間幾何頂點(diǎn)集paabb；其次，計(jì)算頂點(diǎn)集paabb的主成分軸向，即為貼合系統(tǒng)級(jí)鐵路工程帶狀空間走向的全局包圍空間軸向tglobal；最后，逐部件進(jìn)行全局最優(yōu)約束的包圍空間糾正；具體步驟如下：

8、s11、部件級(jí)模型軸平行包圍空間計(jì)算：接入部件級(jí)三維模型幾何頂點(diǎn)集pmodel，計(jì)算頂點(diǎn)集在x，y，z方向的最小值與最大值，即對(duì)應(yīng)孿生模型數(shù)據(jù)軸平行包圍空間范圍；

9、s12、貼合鐵路隧道工程帶狀空間的主成分軸向計(jì)算：首先，匯總所有軸平行包圍空間頂點(diǎn)形成幾何頂點(diǎn)集paabb；其次，計(jì)算頂點(diǎn)集paabb在x，y，z方向的協(xié)方差陣與特征向量，各特征向量按列優(yōu)先構(gòu)成矩陣tglobal即為貼合鐵路隧道工程帶狀空間的主成分軸向；

10、s13、各部件在鐵路隧道工程帶狀空間走向的包圍空間計(jì)算：計(jì)算部件在與全局最優(yōu)軸向tglobal平行的相對(duì)坐標(biāo)系下的軸平行包圍盒，將其中心點(diǎn)center、x軸向vx、y軸向vy、z軸向vz轉(zhuǎn)換回絕對(duì)坐標(biāo)系下，即為部件貼合鐵路隧道帶狀空間最優(yōu)包圍空間boxglobal。

11、優(yōu)選的，在步驟s2中，所述系統(tǒng)-單元-部件多維時(shí)空索引構(gòu)建包括：首先，構(gòu)建部件級(jí)三維r*樹索引，生成三維瓦片數(shù)據(jù)集及瓦片局部多層語義索引；然后，面向瓦片里程空間構(gòu)建單元級(jí)r樹里程空間索引，并關(guān)聯(lián)部件級(jí)語義索引；最后，劃分面向系統(tǒng)級(jí)生命周期的時(shí)間索引，并關(guān)聯(lián)單元級(jí)里程索引；具體步驟如下：

12、s21、實(shí)現(xiàn)部件級(jí)索引構(gòu)建與三維瓦片生成：首先，面向部件級(jí)孿生模型數(shù)據(jù)包圍空間構(gòu)建r*樹索引；其次，基于空間鄰近性將葉節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的部件級(jí)孿生模型數(shù)據(jù)聚類為三維瓦片；最后，在各瓦片內(nèi)部構(gòu)建局部多層次語義索引，并輸出二進(jìn)制幾何信息與多維屬性信息到三維瓦片文件進(jìn)行存儲(chǔ)；

13、s22、實(shí)現(xiàn)單元級(jí)索引構(gòu)建：首先，獲取各瓦片三維包圍空間、生命周期階段、單元里程信息；其次，面向瓦片包圍空間構(gòu)建三維r樹索引；最后，提取各節(jié)點(diǎn)單元里程信息，生成對(duì)應(yīng)r樹單元級(jí)里程索引，并輸出單元級(jí)索引文件；

14、s23、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)索引構(gòu)建：首先，從單元級(jí)索引各節(jié)點(diǎn)篩選出一部分生命周期階段所處時(shí)段；其次，將時(shí)段重疊部分合并后插入線性鏈表，形成系統(tǒng)級(jí)索引；最后，關(guān)聯(lián)到單元級(jí)索引，并輸出系統(tǒng)-單元索引文件。

15、優(yōu)選的，在步驟s23中，篩選標(biāo)準(zhǔn)為：(1)所含單元里程區(qū)段數(shù)量未上溢；(2)節(jié)點(diǎn)所處層級(jí)盡可能的高。

16、優(yōu)選的，在步驟s3中，所述內(nèi)外存協(xié)同的瓦片數(shù)據(jù)緩存構(gòu)建包括：首先，建立知識(shí)引導(dǎo)的瓦片數(shù)據(jù)多維訪問頻率劃分模型，并依據(jù)劃分模型將數(shù)據(jù)進(jìn)行冷溫?zé)釀澐?；然后，基于?shù)據(jù)緩存算法，將熱數(shù)據(jù)和溫?cái)?shù)據(jù)遷移至內(nèi)存，將冷數(shù)據(jù)和溫?cái)?shù)據(jù)遷移至外存；最后，在內(nèi)存中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)并建立hash數(shù)據(jù)索引；具體步驟如下：

17、s31、瓦片數(shù)據(jù)的冷溫?zé)釀澐帜Ｐ蜆?gòu)建：分別面向系統(tǒng)生命周期、單元里程空間、部件分類結(jié)構(gòu)維度構(gòu)建瓦片數(shù)據(jù)訪問頻次劃分模型，最后再綜合各維度因素，實(shí)現(xiàn)冷溫?zé)釘?shù)據(jù)劃分模型的構(gòu)建；

18、s32、緩存數(shù)據(jù)遷移：首先將訪問的數(shù)據(jù)基于冷溫?zé)釀澐帜Ｐ陀?jì)算進(jìn)行實(shí)時(shí)分類；然后將劃分得到的熱、溫?cái)?shù)據(jù)基于fifo隊(duì)列從外存遷移至內(nèi)存中，并將內(nèi)存中的冷數(shù)據(jù)遷移至外存中；最后，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存熱數(shù)據(jù)緩存與外存冷數(shù)據(jù)持久化；

19、s33、內(nèi)存中數(shù)據(jù)緩存索引構(gòu)建：首先，為數(shù)據(jù)添加拼接前綴，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)加鹽加密；其次，將數(shù)據(jù)作為key，隨機(jī)字符作為value生成hash結(jié)構(gòu)索引；最后，熱數(shù)據(jù)面向數(shù)據(jù)緩存索引實(shí)現(xiàn)高效檢索響應(yīng)。

20、優(yōu)選的，在步驟s4中，所述面向生命周期/單元里程/部件類型的多維檢索包括：首先，在系統(tǒng)級(jí)索引篩選當(dāng)前生命周期的單元里程空間；其次，在其關(guān)聯(lián)的單元級(jí)索引篩選與目標(biāo)單元里程空間窗口篩選相交或包含的瓦片；然后，在關(guān)聯(lián)的部件級(jí)索引篩選與目標(biāo)部件類型匹配的三維模型；最后，從內(nèi)外存協(xié)同的數(shù)據(jù)持久化節(jié)點(diǎn)中獲取模型數(shù)據(jù)實(shí)體。

21、另一方面，為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了如下技術(shù)方案：一種電子設(shè)備，所述電子設(shè)備包括：處理器；和存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)程序；

22、當(dāng)所述一個(gè)或多個(gè)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述處理器執(zhí)行所述的數(shù)字孿生鐵路隧道三維瓦片數(shù)據(jù)多維時(shí)空索引方法。

23、另一方面，為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了如下技術(shù)方案：一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的數(shù)字孿生鐵路隧道三維瓦片數(shù)據(jù)多維時(shí)空索引方法。

24、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明設(shè)計(jì)一種數(shù)字孿生鐵路隧道生命周期/單元里程/部件類型多維三維瓦片數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建一種數(shù)字孿生鐵路隧道系統(tǒng)-單元-部件多維時(shí)空索引及內(nèi)外存協(xié)同的動(dòng)態(tài)緩存算法。多維時(shí)空索引面向全局最優(yōu)的有向包圍空間與線性時(shí)間索引調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)不均勻分布，降低節(jié)點(diǎn)時(shí)空重疊，加快檢索效率；內(nèi)外存協(xié)同的動(dòng)態(tài)緩存算法面向多維度瓦片數(shù)據(jù)訪問頻率劃分模型，建立高頻訪問瓦片數(shù)據(jù)在內(nèi)存空間的緩存，提升高并發(fā)環(huán)境下數(shù)據(jù)訪問性能。