0 引言

对于民机类大型复杂产品，多学科协同评估是缩短研发周期、提升研制质量的重要手段。当前，设计人员借助计算机辅助设计CAD系统进行产品三维数模的设计，仿真人员借助计算机辅助工程CAE系统对产品开展诸如有限元、流体力学专业领域的仿真计算，CAD设计数据及其CAE仿真数据通常由不同的可视化系统显示。

多学科协同评估平台关键是具备导入并处理设计与仿真两类组成要素较多的多源数据的能力，使得多学科数据在统一的环境下进行融合。然而，通用且专业性强的设计与仿真数据可视化工具较少。其中，仿真可视化软件系统主要支持体数据和网格数据，对于以几何模型为主的设计数据支持较弱。

而专用的可视化工具更是只应用于如流体力学、有限元分析等单一专业领域的可视化。诸如Ensight^[1]、Tecplot^[2]软件一般用于飞机流体力学可视化分析; Hyperview^[3]软件一般用以对飞机结构强度、刚度等有限元仿真数据进行可视化。这些工具不具备通用性，而且对于闭源的商业化软件也无法从底层扩展读入设计数据的接口，只能借助其二次开发功能。

目前常用的设计与仿真数据融合可视化方法是对仿真数据进行预处理，将体数据转化为面数据，然后导入通用的面数据渲染引擎。无论是人工操作还是通过定制开发的自动、半自动软件工具实现这个过程，不仅处理效率低下，更重要的是面数据渲染引擎难以兼容支持体数据的处理，仿真数据难以可视化交互分析，无法满足复杂产品多学科协同评估的实际需求。

针对上述问题，为探索以及发展适合民机多学科数据融合可视化的工具，本文提出以仿真体数据可视化为基础，有效融合民机设计数据的多学科数据融合方法。一方面，借助通用的STEP文件格式^[4]作为桥梁，在以体数据为主的可视化平台上搭建其数据接口，使平台直接解析读取来自CAD系统的设计数据，其数据组成要素可以被完整读取，相比在CAE系统中用于仿真分析的网格模型更精确; 另一方面，设计数据借助第三方CAE系统进行仿真分析，最终得到的仿真数据被导入平台，与设计数据融合展现。再通过VR技术增强协同评估的真实感、沉浸感以使评估人员“身临其境”，更加直观地发现产品在早期设计中潜在的问题。

1 多学科数据融合可视化系统框架

民机多学科数据融合可视化系统框架如图1所示，为增强可视化平台的通用性，扩大设计数据来源及覆盖范围以适用大部分CAD系统，借助主流CAD系统对STEP格式的支持，在平台上搭建解析读取STEP文件的接口。同时，将CAD系统的设计数据导入至CAE系统中进行仿真分析，计算得到的结果通过平台原生的数据接口与导入的设计数据显示于同一三维场景中。此外，平台还包括用户交互模块，支持多种类型的交互设备，从而使工程人员便捷自然地使用可视化交互分析手段对场景中的模型进行查看和修改。平台不局限于桌面端显示模式，通过大规模计算机集群渲染技术并行处理数据增强协同时的快速显示与实时交互性能，可应用于多通道沉浸式显示系统如CAVE、PowerWall，从而创建出足够的空间规模，适合民机多学科协同评估的VR环境。

2 STEP文件读入接口

2.1 产品模型数据交换标准STEP

STEP作为国际通用的产品模型数据交换标准，独立于各建模与仿真系统，由此标准产生的中性文件可以在产品全生命周期实现精确的模型交换。STEP标准中的应用协议层明确了几何模型的三维结构设计数据如何描述，并用标准化数据建模语言EXPRESS表达^[5]。

民机由百万级别的零部件装配而成，因为零部件装配层级之间的关系错综复杂，建模时，大量非标以及标准的零部件具有复用性，所以没有必要重复而繁琐地设计同一零部件。STEP标准也详细定义了装配体表达与储存的方式，为重复使用的零件设置了引用机制，使得除优化零件设计变得高效之外，减小了装配数据量，储存也更为紧凑。

2.2 解析STEP文件的步骤与方法

可视化平台解析并读取STEP文件中的民机设计数据，转换为平台自定义的数据类型，再展开绘制，这一过程包括STEP模型解析、HAG（hierarchy assemble graph）场景装配图构建、存入平台的数据结构、使用场景树结构管理四个步骤，如图2所示。

2.2.1 STEP模型解析

STEP文件采用EXPRESS建模语言描述，无法直接进行编程，必须通过STEP解析器转换为计算机能够识别的语言，现有的方法较为成熟，比如转换EXPRESS语言为C++语言:借助几何内核开源库OCC（Open Cascade）的函数^[6]将STEP中的几何信息和材质信息进行提取并存储于OCC的数据结构内，并且得到整个装配场景的根节点。

2.2.2 HAG场景装配图构建

通过图2中步骤①获得的根节点逐层向下遍历，遍历当前根节点的所有子节点，直至遍历至叶节点。其中只有叶节点存储了真实的几何模型，其它节点存储的是包含矩阵变换的装配信息和引用信息。不断遍历，将所有的节点遍历完成，进而构建出一个完整的装配场景图。

2.2.3 存入平台的数据结构

图2中第③步是将第②步构建的装配场景图转换为在场景中显示的模型，那么每个节点都需要进行显示，就需要利用该节点的矩阵信息和引用的几何信息计算得到当前节点真实的模型绘制信息而完成整个场景的绘制。

具体的操作为对构建完毕的装配场景图进行遍历访问，将每一个节点通过引用和矩阵转换信息计算得到可以绘制的几何体，然后存储在平台存放几何拓扑信息和相关属性的数据结构中。

2.2.4 场景树结构管理数据

图2中的步骤④是将STEP文件中存储的设计数据读入平台并转换数据格式后，与其仿真数据共同存放于场景树结构内。

场景树和装配场景图具有相似的结构，其通过逐层的父子关系高效管理存放于叶节点内的内容。场景树的根节点为当前创建的场景，分支节点为具有操作、管理功能的节点类型，通常作为设计与仿真数据的父节点，变换分支节点决定其在三维场景内空间中的朝向、位置与缩放。除存放设计与仿真数据的组成要素之外，叶节点内还存放着增强场景环境真实感的灯光等数据。

通过直接操作变换分支节点在场景内对设计与仿真两类数据进行位姿调整与缩放变换、选择数据节点施加数据分析处理功能，从而改变数据的显示状态与观测层次。

对于以仿真体数据为内核的可视化平台，关键是HAG构建与几何模型中三维结构信息的离散化。HAG构建，主要是得到装配场景之间的组织结构。如图3所示，通过STEP数据接口读入飞机起落架模型，该STEP文件本质上只存储轮子①的几何模型，其余三个轮子模型②③④皆是引用该模型，并添加了矩阵转换关系。对STEP文件中几何拓扑信息的离散化处理也有较为成熟的算法，例如，曲面边界的离散使用改进的Butterfly细分算法^[7]在任意的三角网格上生成G1连续的曲面。

3 大规模多学科数据协同可视化

3.1 大规模数据实时可视化

民机结构和功能复杂度、多学科知识集成度高，一架民机往往由数以百万计的零部件装配而成，若对其精确而全面地建模，最后组合为完整的装配体，则将产生海量的设计数据，无疑会增加可视化平台处理与渲染数据的负荷，尤其是在单机计算资源与算力有限的情况下。同样，为保证民机设计质量，使其性能稳定可靠，一般涉及各系统层级与功能模块多类型、多工况仿真分析，这一过程也将产生大量数据。此时，可视化平台桌面端无法实时渲染这一大量级的数据，导致交互时的帧率降低，甚至因为数据量过大无法导入。

3.2 集群并行渲染处理方法与平台并行架构

计算机集群渲染技术将数据分割为量级更小的独立部分，同时将分割的部分传输至集群中其它的工作站图卡进行渲染，完毕后合为整体，完成最终渲染。并行处理有效解决了实时交互过程存在的延迟、滞后现象。

首先，因为可视化平台主要的数据类型为体数据、网格数据，所以容易对离散的数据进行分割而形成相互独立、小量级的数据分区。其次平台采用sort-last并行化方法^[8]，相比于sort-first与sort-middle方法^[9-10]，sort-last方法最大的优势在于其效率对渲染的数据量级不敏感，易于拓展。分割为不同部分的数据被图卡几何和光栅化单元创建的进程独立并行渲染，其后在进入像素处理单元之前开始排序拼接，合成完整的图像。可采用二叉树算法^[11]完成图像的拼接。在此基础上，可视化平台设计为客户端服务器架构，如图4所示。

服务器其一是负责数据的读取、写入以及得到施加数据处理与交互可视化分析功能后的计算结果，其二是负责数据的渲染。客户端不会读入任何设计或仿真数据，并设计有良好的用户界面，依据前述的场景树结构高效管理其中的数据对象，控制服务器中对象的创建、执行和销毁。因此增加集群内工作站的数量从而拓展服务器不会对在客户端内的操作造成影响，避免处理的民机多学科数据量过大而影响桌面端应用即客户端的运行，以便客户端快速操作处理。

3.3 使用CAVE实时渲染与搭建双视点环境

客户端与服务器模式不仅提升实时交互性能，还促使VR环境的建立。例如，充分利用CAVE沉浸式显示系统^[12]的集群渲染能力与空间布局，创造出大规模虚拟人机交互三维场景。在CAVE、Powerwall系统创建的VR环境下，服务器布置于渲染节点上，而客户端布置于主节点上，主节点以及诸节点之间的通信依靠并行化工具MPI^[13]。客户端将根据动捕数据触发产生的交互功能指令分发到各服务器并同步，构建出真实感和沉浸感得以显著增强的统一评估环境，完成民机多学科数据融合交互VR可视化。

立体显示技术进步革新，尤其是高刷新率激光投影机的市场化推进了双视点CAVE系统在民机仿真的应用^[14]。可视化平台开发了相应的双视点功能模块，以优化诸如CAVE、Powerwall沉浸式显示系统的使用方式。如图5所示为双视点渲染系统框架示例。

双视点环境配备有两个主节点，各运行一个客户端。两客户端分别控制每一显示屏幕对应的两个代表不同视点的渲染节点。不同视点之间的MPI通信存在差异，相互独立，所以，开展不同任务的工程人员共用同一套显示系统但彼此互不干扰，独立完成自身范畴内的工作，又因为其同时位于创建的VR空间内，所以交换观察视点、了解对方正在进行的工作并对比协调、相互合作以及高效沟通变得轻而易举。相比于在计算机集群之间的并行处理，利用双视点投影机高刷新率技术创建的显示系统共享也实现了多学科协同下多任务的并行化处理，加快了民机在概念设计初期的优化迭代。

4 案例分析

民机多学科协同评估可视化平台基于VTK、QT、VRPN及MPI等开源库或工具开发。为验证方法的可行性以及所搭建平台的实用性，展示与分析相关的应用案例。

4.1 民机多学科数据融合展示

可视化平台通过数据接口模块读取由第三方CAD、CAE系统产生的设计与仿真数据，如图6所示。图6（a）展现了民机真实具体的外观特征。在图6（b）中，用于仿真分析的网格模型已经丢失了材质纹理视觉属性，在评估时显得不真实，而在图6（c）中，读入的设计数据表达了机身的涂装，与仿真数据融合展现，相辅相成。

设计数据反映真实形貌却无法表现性能，仿真数据反映性能却无法表现真实形貌，而设计与仿真数据的融合使两者实现优势互补，为民机设计与仿真工程人员创造良好的交流环境，更有利于相互之间的协作。

4.2 交互可视化分析

平台开发设计了众多数据处理与分析功能，通过用户多种类型的输入作用于场景树结构中的数据完成交互，如图7所示。图7（a）为多学科数据融合结果，图7（b）、图7（c）、图7（d）所示皆为对已经融合的设计与仿真数据进行交互分析后的结果，对数据的操作依次为剖切、等值面与流线提取，后两者将数据降维为面数据。

民机设计数据主要使用剖切、测量、相机变换如旋转平移等交互功能。剖切便于观察结构内部具体状态，获得剖面视图; 测量有助于了解某一零件的空间尺寸或者零件之间位置关系; 通过变换相机的位姿改变观察视角，在VR环境下进行场景漫游，借此判断装配零件之间有无干涉。而其中民机仿真数据表现其性能信息，为主要的探究分析对象。

融合以工程体数据可视化平台为基础，不仅使设计数据及其仿真数据同时呈现于平台的场景内，相比于基于面渲染引擎的手动，半自动或自动的多学科数据融合或集成方式，可视化平台还设计有高效存储、管理仿真数据的方法机制，以仿真数据为主，借助平台丰富的数据操作处理功能，交互可视化分析更简单便捷。

4.3 计算机集群并行渲染

可视化平台采用客户端/服务器模式，容易实现在计算机集群上的并行处理，而且集成了VRPN^[15]功能模块，拓展了输入设备的范围，更适用于VR环境下的民机多学科协同评估。CAVE系统和双视点环境分别采用专业的运动捕捉设备ART、OptiTrack追踪人体运动数据，以此对数据节点内的对象施加诸如剖切、测量、提取流线功能，从而改变该节点上数据的显示状态，便于工程人员观测与分析。

4.3.1 通过CAVE系统展示融合数据

飞机机身为薄壁结构，作用于其上的气动载荷直接影响运行稳定性以及操作的舒适性与安全性，所以主要根据气动特性评估飞机外形轮廓的设计，因而由仿真数据提取流线与等值面等交互操作结果为权衡机身流形设计提供重要的参考。在CAVE系统中，如图8（a）和图8（b）所示，立体显示的融合数据真实、清晰、直观，更能暴露设计中潜在的问题。当评估人员在场景内漫游，对数据展开诸如提取流线、测量、相机变换交互可视化分析时，可以较快得到计算结果，交互效率得以提升。

4.3.2 搭建双视点功能模块展示融合数据

实验采用三台工作站，其中一台作为主节点，主节点接收与分发动捕数据，不参与显示，其余两台分别作为两个独立的视点，与双视点投影机连接。图9所示为飞机机身设计与仿真数据融合之后利用双视点投影机进行展示评估的场景。

在主节点上开启两个独立的客户端，此时两视点并不同步。任务不同的工程人员在同一空间内使用同一套显示设备就各自的关注点对飞机机身设计开展评估，互不干扰，不仅多任务得以并行处理，彼此交流还畅通高效，由此提升了飞机设计质量和评估效率。

5 结论

本文提出了一种以工程仿真数据可视化平台为基础、有效融合设计数据的数据融合方法，为民机多学科协同评估提供了高质量、集成化的可视化技术路线。在此基础上，通过具体的工程案例验证了所提方法的可行性以及所建立平台的实用性。本文提供的方法具有下述优势:

1）对工程仿真体数据的原生支持，使得仿真数据的存储、管理及交互可视化处理更加高效。

2）平台支持通用的体数据、网格数据等多种数据格式，框架开放，便于扩展支持不同类型的工程数据。

3）易于实现基于计算机集群的并行处理，更加适合实际工程对大规模数据可视化的需求。

4）STEP文件格式具有通用性，并且读入平台后的CAD数模及相关信息统一存储于场景树中，对其进行可视化交互操作相对简单，便于实现多学科数据融合的自动化处理。

参考文献