基于仿真和动态实时数据的交互式可视化分析方案
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一 方案概述
系统集成试验数据处理分析、计算机辅助工程(CAE)仿真技术及增强现实(AR)功能的交互式可视化分析系统。通过高级的数据处理算法和CAE仿真技术，提供全面的数据分析和决策支持平台，同时利用 AR技术将仿真结果与实际操作环境融合，为用户带来沉浸式的数据探索和交互体验。系统注重实时性和 交互性，能够有效地帮助用户在复杂的工程问题中做出快速准确的决策。
二 关键组成部分
1. 实时数据可视化技术:
- 数据采集与展示：采用CS(客户端/服务器)架构，实时获取实验数据，客户端负责数据的即 时呈现和交互操作。
- 数据处理与拟合：结合CAE的后处理技术，将采集的试验数据通过高级算法拟合成场数据，实 时动态地呈现数据变化，增强数据的可读性和实用性。
2. 试验数据分析系统
- 试验数据分析和可视化展示：综合运用动态图表和三维可视化技术，如实时曲线图、热图和三 维场景展示，使复杂数据易于理解和分析。
- 数据集成管理：将试验数据与试验设备及信息中心进行集成，实现数据的统一管理和实时更 新。
- 分析模板应用：提供预设的试验数据分析模板，实现对数据的快速分析，提高工作效率和准确 性。
- 报告自动化：自动报告生成工具，根据分析结果自动生成详细的报告和图表，支持多格式输 出，如PDF、HTML等。
3. 基于AR的虚实结合可视化技术:
- AR交互技术：开发AR应用，将数字仿真结果实时叠加于物理环境中，提供与现实环境融合的 可视化输出，增强用户的感知和操作体验。
- 三维交互设计：实现三维数据的交互式探索，支持用户在AR环境中对仿真模型进行旋转、缩 放和拆解等操作，深入理解数据结构和仿真结果。
三 方案技术要点
1. 设计实验(DOE)技术
- DOE技术用于通过有限的实验次数来探索和建立可行解的区间。它可以帮助确定影响结果的 关键因素，并建立输入和输出之间的数学模型。
2. 形函数(BasisFunction)
- 在数值分析中，形函数(或基函数)是用于构建函数空间的一组函数，它们可以线性组合来近 似未知函数。伽辽金法中使用形函数来构建满足边界条件的位移场表达式。
- 通过结合CAE仿真和DOE方法，得到多种分析工况，并验证各工况间的相关性，可以得到用于 构建拟合方程的形函数据库。
3. 神经网络求解
- 神经网络，特别是深度学习模型，能够通过学习大量的数据来识别复杂的非线性关系。它们可以被训练用来拟合未知数据场，其中网络的权重和偏置通过训练数据来调整，以最小化预测误差。
4. 采集的数据作为目标值
- 采集的数据可以作为训练神经网络的目标值，也可以作为DOE中响应面建模的依据。这些数据反映了真实世界中的现象，是建立准确模型的关键。
5. 伽辽金法
- 伽辽金法是一种数值分析方法，通过选取有限多项式探函数(基函数)，将它们叠加，并要求结果在求解域内及边界上的加权积分满足原方程，从而得到一组线性代数方程。
将这些方法结合起来，可以形成一个强大CAE机器学习框架来拟合和分析未知数据场。可以先使用DOE 技术来确定关键参数和建立问题的初步理解，然后利用神经网络来学习模型优化待定参数，提高预测未 知函数分布的准确性。在实际应用中，需要根据问题的特性和数据的可用性来选择最合适的方法或这些方法的组合。在应用到 较大规模的模型时，需要HPC高性能集群的支持。
四 试验数据分析平台
通过对商用试验软件的开发集成，可以实现多种功能和应用方式，从而更好地适应特定的工程需求和优化工作流程。以下是一些通过二次开发可能实现的功能和应用：
- ♦ 自定义数据分析与处理:可以开发特定的数据处理算法，例如信号滤波、频率域分析、统计分析等， 以适应特定的测试需求。
- ♦ 自动化测试流程:通过编程自动化标准测试流程，减少人工干预，提高测试效率和准确性。
- ♦ 集成其他软件工具:将试验软件与其他工具(如CAD软件、数据库、自定义应用程序等)集成，形成一个统一的工作环境。
- ♦ 开发特定的仿真模型:针对特定工程应用，开发和集成定制的仿真模型。
- ♦ 用户界面(UI)定制:创建或修改用户界面，以更好地满足用户需求和提高用户体验。
- ♦ 扩展硬件支持:通过二次开发，可以增加对新型传感器或测量设备的支持。
- ♦ 高级报告生成:开发定制的报告生成工具，以自动创建符合特定格式和要求的分析报告。
- ♦ 算法优化和扩展:针对特定应用优化现有算法或开发新的算法，以提高计算效率和精度。
- ♦ 多平台兼容性和集成:确保软件在不同操作系统和硬件平台上的兼容性，或与其他系统集成。
- ♦ 实时数据监控和控制:开发实时数据监控系统，用于跟踪和控制测试过程。
- ♦ 仿真与实际测试数据的融合:结合仿真结果和实际测试数据，进行更全面的性能分析。
- ♦ 定制的测试方案:根据特定的工程需求或标准，开发专门的测试方案和协议。
适配的商用软件
- ♦ Siemens Simcenter Testlab(原LMS Test.Lab）
- ♦ LabVIEW
- ♦ ANSYS、ABAQUS、COMSOL Multiphysics等
- ♦ Altair HyperWorks、ANSA
- ♦ MATLAB/Simulink
- ♦ 其他CAD、CAE、CFD分析软件
增强的组件库和功能
- ♦ 跨平台的图形用户界面(GUI)
- ♦ 数值计算库和和数据分析工具
- ♦ 数据挖掘和数据分析的机器学习
- ♦ 实时计算机视觉
- ♦ 创建静态、交互式和动画的可视化图表
- ♦ 大型数据集的高性能数据存储和检索
- ♦ 基于Web应用程序开发
五 基于CAE的增强现实(AR)
利用AR直观展示CAE仿真结果(如应力分布、热流路径、流体动力学分析等)，帮助设计团队评估和优 化产品结构和功能，能够极大地提升产品设计、验证、维护以及教育培训的效率和互动性。AR通过在用 户的视野中直接叠加数字信息到真实世界，为工程师和技术人员提供一种无缝融合的交互体验。
- ♦ AR设计：在设计阶段，利用AR将CAE仿真结果(如应力分析、热流动仿真等)直观展示给设计团 队，帮助他们评估和优化产品设计。
- ♦ 虚实交互设计：在真实的工作环境中通过AR与产品的数字原型互动，实时调整设计并立即看到CAE 仿真的更新结果。
- ♦ AR生产运营：在生产设施中，AR可以显示机器的实时工作状态和维护提示，结合CAE仿真，展示 设备在不同工作条件下的预期性能。
- ♦ 下一代AR运维指导：使用AR为操作员提供直观的操作界面，显示设备的运行参数、故障预警和维 护指南，以CAE数据为基础进行实时诊断和反馈。
技术集成与创新
通过自主开发的接口，本方案实现了CAE仿真结果与AR系统的高效集成。仿真数据通过先进的数值方法 预处理，确保与AR系统的无缝对接和数据实时更新。
技术亮点
- 高精度空间定位：结合最新的AI图像识别技术，实现真实物体的高精度空间定位，允许精确将CAE 数据结果投射到真实物体上，增强现场工作人员的操作精确度和效率。
- 实时数据互通：确保CAE仿真与AR视觉输出之间的实时数据流通，为用户提供即时的分析结果和操 作反馈。
AR与仿真数据的互通:
基于AI图像识别技术，实现真实物体的高精度空间定位:
应用案例——实时温度场显示分析软件
基于降阶技术(ROM)的快速仿真应用：
高保真仿真技术
- 多物理场仿真
- 集成仿真
- 仿真降阶
高效融合分析
- 高实时性的数据交互
- 高显示度的趋势展示
