13、利用模拟状态转换构建空间数据库：实现三维场景中数字孪生的高性能模拟

利用模拟状态转换构建空间数据库：实现三维场景中数字孪生的高性能模拟

1. 工业网络与模拟的背景及挑战

随着工业 4.0 的发展，可重构生产中基于网络物理生产系统（CPPS）采用了具有更大实时性能网络（RTPN）的新网络架构。参与者数量的增加以及生产的频繁重新配置，使得运行中的 RTPN 重新配置次数增多。在实时通信以循环数据传输方式实现时，如使用 IEEE802.1Qbv 预留固定时隙，重新配置不能移动现有时隙，这在重新配置过程中添加和删除时隙时会导致碎片化问题。

为了研究网络的可重构性，进行了模拟实验。实验发现以下规律：
- 尺寸数量与成功重新配置次数的关系 ：尺寸数量越多，平均成功重新配置次数越低。
- 时隙大小与重新配置次数的关系 ：较小的时隙比较大的时隙能够实现更多的重新配置。
- 多时隙重新配置的影响 ：一次性重新配置多个时隙，起初会有恶化情况，但之后对重新配置次数有积极影响。当每次迭代重新配置 40 个时隙时，所有时隙都会被移除并重新插入，此时不会出现碎片化。

2. 空间数据库与模拟的理论基础

工业场景的复杂性不断增加，对三维模拟的需求也迅速增长。数字孪生存储的复杂几何和动态数据需要专门的数据库来高效存储信息。同时，硬件在环（HIL）等场景要求模拟提供足够真实的数据并保持实时性能，这需要结合光线追踪和光栅化算法。动态模拟也需要高效的空间数据结构，因为几何近似对精度有显著影响，而处理复杂几何的碰撞检测需要高效的碰撞查询。

为了满足这些需求，引入了空间数据库的概念。空间数据库的核心思想是