WPF实现数字孪生示例

WPF 数字孪生系统实现示例

数字孪生(Digital Twin)是通过数字化手段在虚拟空间中构建物理实体的精确数字模型，并实现虚实映射、实时交互和智能决策的技术。本文将展示如何使用WPF实现一个基础的数字孪生系统示例。

一、系统架构设计

1. 整体架构

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|     用户界面       |  <-- WPF前端
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          |
          v
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|  业务逻辑层       |  <-- 数字孪生核心逻辑
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          |
          v
+-------------------+
|  数据访问层       |  <-- 物理实体数据源
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          |
          v
+-------------------+
|  物理实体(真实世界)|
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2. 技术选型

• ​​前端​​：WPF (Windows Presentation Foundation)
• ​​数据通信​​：MQTT/HTTP/WebSocket
• ​​3D可视化​​：Helix Toolkit (WPF 3D图形库)
• ​​数据存储​​：SQLite/SQL Server
• ​​实时通信​​：SignalR

二、核心功能模块

1. 数字孪生模型

// DigitalTwinModel.cs
public class DigitalTwinModel
{
    public string Id { get; set; }
    public string Name { get; set; }
    public string Type { get; set; } // 设备类型
    public Dictionary<string, object> Properties { get; set; } = new();
    public List<Sensor> Sensors { get; set; } = new();
    public List<Actuator> Actuators { get; set; } = new();
    public DateTime LastUpdateTime { get; set; }
}

public class Sensor
{
    public string Id { get; set; }
    public string Name { get; set; }
    public string DataType { get; set; } // 温度、湿度等
    public object CurrentValue { get; set; }
    public double MinValue { get; set; }
    public double MaxValue { get; set; }
}

public class Actuator
{
    public string Id { get; set; }
    public string Name { get; set; }
    public string ControlType { get; set; } // 开关、调节等
    public object TargetValue { get; set; }
    public object CurrentValue { get; set; }
}

2. 数据采集模块

// DataCollector.cs
public class DataCollector : IDisposable
{
    private readonly Timer _timer;
    private readonly IDigitalTwinRepository _repository;
    
    public event EventHandler<DigitalTwinDataChangedEventArgs> DataChanged;
    
    public DataCollector(IDigitalTwinRepository repository)
    {
        _repository = repository;
        _timer = new Timer(1000); // 1秒采集一次
        _timer.Elapsed += OnTimerElapsed;
    }
    
    public void Start()
    {
        _timer.Start();
    }
    
    public void Stop()
    {
        _timer.Stop();
    }
    
    private void OnTimerElapsed(object sender, ElapsedEventArgs e)
    {
        try
        {
            var twins = _repository.GetAllDigitalTwins();
            
            foreach (var twin in twins)
            {
                // 模拟数据采集
                var newData = SimulateDataCollection(twin);
                
                // 更新孪生数据
                twin.Properties = newData.Properties;
                twin.Sensors = newData.Sensors;
                twin.LastUpdateTime = DateTime.Now;
                
                // 保存到数据库
                _repository.UpdateDigitalTwin(twin);
                
                // 触发事件
                DataChanged?.Invoke(this, 
                    new DigitalTwinDataChangedEventArgs(twin));
            }
        }
        catch (Exception ex)
        {
            // 错误处理
            LogError(ex);
        }
    }
    
    private DigitalTwinModel SimulateDataCollection(DigitalTwinModel twin)
    {
        // 这里模拟数据采集过程
        // 实际项目中应替换为真实的PLC/传感器数据采集代码
        
        var newData = twin.Clone();
        
        foreach (var sensor in newData.Sensors)
        {
            // 模拟传感器数据变化
            if (sensor.DataType == "Temperature")
            {
                sensor.CurrentValue = 
                    Math.Round(20 + new Random().NextDouble() * 10, 1);
            }
            else if (sensor.DataType == "Humidity")
            {
                sensor.CurrentValue = 
                    Math.Round(40 + new Random().NextDouble() * 40, 1);