实时水位流体绘制系统

摘要：为应对城市内涝问题，本文构建了一套基于数字孪生技术的实时水位及流体绘制系统。该系统通过 ESP32 传感器和水位传感器实时采集数据，利用 Unreal Engine（UE）平台进行动态映射与可视化。采用 UDP 协议传输数据，结合浅水方程与 Niagara 粒子系统模拟流体行为，支持参数调整与多视角交互。实验表明系统在微观模型中水位映射误差低于 3%，渲染延迟小于 200ms，帧率稳定于 60FPS 以上。

关键词：数字孪生系统，实时水位监测，流体模拟，Unreal Engine，城市内涝防控

一、引言

城市内涝问题日益严峻，传统水位监测技术存在直观性不足、交互性有限等缺陷。数字孪生技术在城市规划、灾害管理等领域展现出巨大潜力，可实时反映系统状态。本研究旨在构建实时水位及流体绘制的数字孪生系统，将传感器数据与虚拟场景相结合，实现数据可视化展示，便于数据分析和决策。

二、系统搭建与数据传输实现

通信建立部分，硬件连接与配置上，水位传感器连接到 ESP32 的 GPIO 引脚用于采集水位数据，而 ESP32 则能借助 USB 接口或其内置的 Wi-Fi 模块和计算机通信。数据传输协议方面，考虑到水位数据对实时性的高要求，优先选用 UDP 协议来传输数据。在数据接收与处理环节，UE 凭借 Socket 编程接口接收来自 ESP32 的水位数据，经解析后，将数据暂存于缓冲区，以便后续模块调用。通信稳定性优化层面，系统通过运用数据校验、重传机制以及缓冲区管理等手段来提升性能。

水位数据映射部分，先开展数据预处理与校准工作，依据实验数据构建回归模型，从而实现液位读数向实际水位值的转换。接着，运用确定映射比例等手段，把实际水位高度转化为虚拟场景里的坐标值，并且能做到实时更新。映射精度测试阶段，对实验数据展开分析，以此验证映射的精准度。

在 Unreal Engine 数据可视化与流体模拟部分，数据使用与可视化上，客户端和服务器建立连接，完成数据接收与处理任务，保障系统高效稳定运行。水位可视化实现上，基于 UE 渲染引擎开发，实时映射实验水位数据，驱动虚拟水面高度同步变化，同时结合材质编辑器构建出动态的水面材质。基于 Niagara 粒子系统的流体模拟方面，以浅水方程求解器为内核，联合 Niagara 粒子系统模拟流体细节，利用水位变化来驱动流体模拟。模拟效果测试与调整时，会在不同水位、流速条件下开展测试，对比实验数据和虚拟场景中的水位高度，实时对模拟效果进行调整优化。

三、系统验证与展示

本研究构建的实时水位及流体绘制系统在硬件连接与配置方面，主要由 ESP32 微控制器、水位传感器及计算机组成。水位传感器连接到 ESP32 的 GPIO 引脚用于采集水位数据，其工作原理基于气压变化，并通过水管将气压信号传递至传感器，再转换为电信号传输至 ESP32。ESP32 支持通过 USB 接口直接连接计算机实现数据传输和供电，或利用其内置 Wi-Fi 模块通过无线网络传输数据。系统优先采用 UDP 协议进行数据传输，以满足水位数据对实时性的要求。在数据接收与处理环节，UE 通过 Socket 编程接口接收 ESP32 传输的水位数据，解析后存储在缓冲区供后续模块调用，并通过数据校验、重传机制和缓冲区管理等优化措施确保通信的稳定性和数据的准确性。

在水位数据映射方面，首先对传感器采集的原始数据进行预处理和校准，通过三次独立的水位测量实验数据，采用最小二乘法进行线性回归分析，建立回归模型将液位读数转换为实际水位值。然后，确定映射比例，将实际水位高度转换为虚拟场景中的坐标值，并实时更新虚拟场景中的水位高度，以确保与真实水位变化同步。实验数据表明，液位读数与实际水位之间存在高度线性相关性，映射精度较高。在 Unreal Engine 数据可视化与流体模拟部分，客户端与服务器建立连接以实现数据的接收与处理，水位可视化系统基于 UE 渲染引擎开发，实时映射实验水位数据驱动虚拟水面高度同步变化，并结合材质编辑器构建动态水面材质。流体模拟以浅水方程求解器为核心，结合 Niagara 粒子系统模拟流体细节，通过水位变化驱动流体模拟，并在不同水位和流速条件下进行测试，对比实验数据与虚拟场景中的水位高度，实时调整模拟效果，以确保模拟的逼真度和稳定性。

结语

本研究基于数字孪生技术构建的实时水位及流体绘制系统，在25cm³的微观模型与阶梯地形场景中验证了技术可行性。实验表明，系统能够实现传感器数据与虚拟场景的精准映射，从数据采集到可视化渲染的延迟低于200ms，且Unreal Engine平台下的流体模拟帧率稳定在60FPS以上。通过阶梯突变区域与微缩城市模型的测试，系统不仅还原了水流湍流、溢流扩散等物理现象，还通过交互式参数调整，为内涝分析提供了直观工具。

参考文献

学术论文

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