以前做結構試驗的時候我常常想，如果我們采集的數據能實時渲染成像有限元軟件那樣的云圖就好了，這樣我的仿真和試驗對比起來更加直觀方便。

限于當時的知識所限，我們拿到采集器和傳感器只是學會了怎么用，具體怎么搞出實時三維可視化是完全沒有概念的。

近年數字孿生的概念比較火，也燒到了我們傳統的結構試驗領域。我們能做仿真，也能做試驗，可是怎么孿生呢？孿生的用途是什么呢？這么好的概念，我該怎么用起來呢？

本文就以機翼靜力試驗為例，對如何實現數據采集過程的三維渲染以及可能的數字孿生方向，做一個探討。

機翼2.5g靜力試驗

圖來源：《Static Loads Testing of a High Aspect Ratio Tow-Steered Wingbox》

機翼變形數據采集方法

以位移為例，目前大家用的比較多的方法是將位移計接到采集器上，然后采集器和電腦連接，實時回傳數據到電腦端的測控軟件。流程如下：

我們想自己完成三維實時渲染，就需要我們自己和采集器進行通信，從而掌握數據的實時控制權，而不是借助廠家封裝好的軟件。也就是說我們要自己編寫一個上位機軟件。

采集器通信方法

不同廠家的設備通信方式不同，用的比較多的有：

（1）TCP（含Modbus TCP）：設備和計算機通過網線連接，創建TCP連接后，用指定的指令或者“報文”實現“開始采集”、“停止采集”、“接收數據”等功能。

（2）串口：設備和計算機通過USB連接，通過識別串口連接，通信方法與TCP類似。

一般我們購買采集器的時候，廠家都會提供通信指令，這個不復雜。比如東華測試的采集器，我們用的比較多，也比較穩定。

 東華測試的多通道采集器

工作室自編的串口通信軟件

很多采集器是支持LABVIEW的，LABVIEW用起來也比較簡單，但是考慮到我們要做三維渲染，還是要自己寫通信模塊。實際的通信基礎代碼也就幾十行，數據采集軟件編寫的難點從來不在通信上。它的難點主要集中在：設計合理的配置信息，保證通道和測點的對應性；高頻采集的數據快速處理；數據采集過程中，曲線以及其他可視化的同步渲染；設計合理的數據結構，保證物理量-通道-原始數據-處理后數據流轉便捷通暢。

數據融合方法

目前攝影測量、高精度陀螺儀等新的測量技術已經開始應用于結構試驗，這些設備自身的測量坐標系與機翼坐標系不同，測量的位移結果就需要做坐標系轉換。

可以借助第三方測量設備（單相機、跟蹤儀等）完成全局坐標系構建，將傳感器和機翼坐標結果都統一到一個坐標系中。通過超過三個公共點就可以建立轉換關系，為了提升精度，可以布置多個公共點，通過配準算法完成轉換。

插值方法

實際測量中，布置的位移測點是有限的，我們不可能得到機翼上所有點的位移。這就存在如何用少量測點插值出整個翼面位移的問題。

可以選用的插值方法也很多，比如徑向基函數方法、梁模型方法等，集成到實時渲染模塊即可。

實時渲染

在完成上述步驟后，此時已經得到了模型上各個節點的位移。我們采用VTK庫實現機翼三維變形的刷新以及變形云圖的渲染。

工作室自研的多源數據采集平臺

可能的數字孿生方向

對于數字孿生，除了概念之外，我們首先要確定它應該用什么用途，可以為我們解決哪些現實問題。

單就上述案例而言，盡管我們使用了插值手段得到了翼面的變形分布，但是和仿真相比，實測點畢竟還是少數。為此我第一個能想到的就是引入仿真結果，作為非實測點的補充，以提升插值精度。

其次，實測的數據可以用于驅動仿真。此時我們可以同步接入有限元求解器，將實測數據作為邊界條件加載到有限元求解器中，以更準確的評估結構受力。這樣試驗與仿真雙方在分級加載推進過程中，互相融合，彼此促進。

綜合來看，未來一定是要有自己的采集模塊、渲染模塊、求解器模塊，以提升結構試驗的整體水平。

 

我們團隊的技術基礎

本團隊長期從事結構試驗、復合材料力學、CAE仿真、人工智能、工業軟件（含工業軟件）開發，能夠獨立完成數據采集、數據庫、有限元求解器、材料本構、圖像識別、軟件平臺的開發。