表1       風(fēng)洞試驗環(huán)境仿真系統(tǒng)

1 技術(shù)性能

表3       1.1 規(guī)格

表4       系統(tǒng)的主要作用如下：

表5       本系統(tǒng)主要用于風(fēng)洞試驗相關(guān)的風(fēng)洞、試驗設(shè)備以及風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ偷热S數(shù)模和三維場景的建立，并能夠在真實感較強的三維環(huán)境中模擬設(shè)備的安裝使用情況，以及實現(xiàn)風(fēng)洞試驗環(huán)境的虛擬漫游等功能。利用上述構(gòu)建和應(yīng)用上述風(fēng)洞試驗設(shè)備設(shè)計與安裝使用的過程仿真環(huán)境，通過仿真分析優(yōu)化試驗，可以達(dá)到減少設(shè)計失誤，提高試驗效率的目的。

表6       主要由以下部分組成：

表7       1）三維數(shù)字化建模系統(tǒng)；

表8       2）DELMIA可視化裝配仿真系統(tǒng)；

表9       3）產(chǎn)品虛擬展示與培訓(xùn)系統(tǒng)。

表10       主要實現(xiàn)的功能如下：

表11       1）實現(xiàn)3D環(huán)境下風(fēng)洞試驗設(shè)備與型號飛機(jī)模型等設(shè)備的協(xié)同設(shè)計；

表12       2）實現(xiàn)3D環(huán)境下可交互的虛擬裝配，直觀地驗證試驗設(shè)備與飛機(jī)模型等設(shè)備的的可裝配性和人機(jī)性能；

表13       3）實現(xiàn)風(fēng)洞試驗環(huán)境的虛擬漫游；

表14       4）實現(xiàn)3D環(huán)境下的產(chǎn)品虛擬展示與虛擬培訓(xùn)；

表15       主要技術(shù)規(guī)格如下：

1)       三維數(shù)字化建模系統(tǒng)：

表16       （1）2套惠普Z840圖形工作站，包括顯示器等外設(shè)（本仿真系統(tǒng)圖形工作站共4臺，此處使用2臺）。

表17       2) DELMIA可視化裝配仿真系統(tǒng)：

表18       （1）Delmia系列軟件包含AP2，DBG-A等模塊；

表19       （2）Ensight VR軟件；

表20       （3）4臺惠普Z840圖形工作站計算機(jī)集群；

表21       （4）主動立體CADWall由6100mm（寬）×2500mm（高）的高清背投屏幕和兩臺投影儀等組成；

表22       （5）5.1聲道立體聲音響系統(tǒng)。

表23       3）產(chǎn)品虛擬展示與培訓(xùn)系統(tǒng)：

表24       （1）綜合仿真子系統(tǒng)一套；

表25       （2）硬件系統(tǒng)與DELMIA可視化裝配仿真系統(tǒng)共用一套。

表26       1.2 *性和特色

表27       1.2.1*性

表28       采用國際上主流的虛擬環(huán)境開發(fā)軟件系統(tǒng)以及國際主流的虛擬環(huán)境建設(shè)硬件，構(gòu)建風(fēng)洞試驗設(shè)備設(shè)計與安裝使用的過程仿真環(huán)境，通過仿真分析優(yōu)化試驗流程，提高試驗效率；

表29       1.2.2特色

表30       風(fēng)洞試驗環(huán)境仿真系統(tǒng)在研制時要考慮以下要求：

l                      系統(tǒng)具有良好的沉浸性和可交互性，提高現(xiàn)實感，激發(fā)用戶的想象。

l                      系統(tǒng)開發(fā)效率高，節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)時間

l                      性能可靠

l                      能夠驗證試驗設(shè)備的可裝配性和人機(jī)性能

l                      有效地進(jìn)行試驗設(shè)備和型號模型的協(xié)同設(shè)計

l                      實現(xiàn)風(fēng)洞試驗環(huán)境的虛擬漫游

l                      系統(tǒng)易于運行維護(hù)

l                      系統(tǒng)軟硬件環(huán)境具有較高的*性，體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域的最好技術(shù)水平

2 系統(tǒng)的應(yīng)用

表31       2.1 系統(tǒng)應(yīng)用對象和設(shè)計目標(biāo)

表32       2.1.1未來使用風(fēng)洞試驗環(huán)境仿真系統(tǒng)的主要對象

表33       1）中航工業(yè)氣動院；

表34       2）國內(nèi)主機(jī)廠所；

表35       3）各大院校及科研單位；

表36       4）其他單位；

表37       2.1.2風(fēng)洞試驗環(huán)境仿真系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)

表38       采用國際上主流的虛擬環(huán)境開發(fā)軟件系統(tǒng)以及國際主流的虛擬環(huán)境建設(shè)硬件，構(gòu)建風(fēng)洞試驗設(shè)備設(shè)計與安裝使用的過程仿真環(huán)境，通過仿真分析優(yōu)化試驗流程，減少設(shè)計制造失誤，提高風(fēng)洞試驗效率；

表39       1）建立三維數(shù)字化建模系統(tǒng)。實現(xiàn)三維虛擬環(huán)境下風(fēng)洞試驗設(shè)備與型號模型等設(shè)備的協(xié)同設(shè)計。

表40       利用本系統(tǒng)的軟硬件條件可實現(xiàn)風(fēng)洞試驗相關(guān)的風(fēng)洞設(shè)備、天平、型號飛機(jī)模型、模型支撐機(jī)構(gòu)等設(shè)備的三維模型構(gòu)建，實現(xiàn)試驗設(shè)備與型號模型的協(xié)同設(shè)計。

表41       在本系統(tǒng)的具體開發(fā)中，將以中航工業(yè)氣動院FL-10風(fēng)洞為藍(lán)本，建立風(fēng)洞廠房和試驗設(shè)備的全套數(shù)字模型。

表42       2）建立DELMIA可視化裝配仿真系統(tǒng)。實現(xiàn)三維虛擬環(huán)境下可交互的虛擬裝配，直觀地驗證試驗設(shè)備與飛機(jī)模擬等設(shè)備的可裝配性和人機(jī)性能。

表43       本仿真系統(tǒng)利用國際軟件DELMIA可視化裝配仿真系統(tǒng)，研發(fā)專門為裝配仿真開發(fā)和建立裝配文檔而設(shè)計的3D交互式圖形仿真工具，可以用來動態(tài)仿真復(fù)雜的裝配體裝拆工藝過程。通過在虛擬制造環(huán)境中對3D數(shù)字產(chǎn)品的操作，實現(xiàn)了對裝配過程的可視化檢驗及工藝指令生成。這樣，在風(fēng)洞試驗準(zhǔn)備階段，就可以直接利用型號單位提供的三維模型與試驗裝置預(yù)裝配，檢查運動干涉，減少風(fēng)洞的占用時間，縮短試驗設(shè)備的研制周期、縮短風(fēng)洞試驗的輔助時間，提高試驗設(shè)備的研發(fā)效率。

表44       在建立的FL-10風(fēng)洞廠房和設(shè)備數(shù)模的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)以下目標(biāo)：

表45       （1）通過直觀演示試驗流程，可提前檢驗及評估試驗方案的合理性并指導(dǎo)操作人員工作。可以有效地節(jié)約人員培訓(xùn)時間，節(jié)省試驗費用。

表46       （2）對風(fēng)洞模型及試驗設(shè)備進(jìn)行虛擬裝配及人機(jī)工效評估。不但可以驗證設(shè)計方案的正確性，避免可能出現(xiàn)的干涉和其它不合理問題，而且可以評估模型裝配及更換狀態(tài)的效率及人機(jī)工效。通過選擇最佳裝配方案達(dá)到提高裝配效率，縮短模型準(zhǔn)備時間的目的。

表47       （3）使客戶在設(shè)計階段了解產(chǎn)品成形后的效果，在試驗前了解試驗過程是否如其所想，使客戶能動態(tài)、逼真、實時的對產(chǎn)品和試驗進(jìn)行評估。

表48       3）建立產(chǎn)品虛擬展示與培訓(xùn)系統(tǒng)

表49       （1）實現(xiàn)風(fēng)洞試驗環(huán)境的虛擬漫游。建立滿足3I（沉浸、交互、想象）要求的真實的虛擬環(huán)境，使用戶能在遠(yuǎn)程了解風(fēng)洞試驗室的環(huán)境和試驗?zāi)芰Γ褂脩粼谡鎸嵲囼為_始之前，就對要進(jìn)行的風(fēng)洞試驗有深入的認(rèn)識。

表50       （2）實現(xiàn)三維虛擬環(huán)境下的產(chǎn)品虛擬展示與虛擬培訓(xùn)。利用本系統(tǒng)在更真實的環(huán)境下展示產(chǎn)品，用戶可隨心所欲的控制產(chǎn)品展示的過程，了解產(chǎn)品性能。利用本系統(tǒng)還可對試驗設(shè)備操作人員進(jìn)行虛擬系統(tǒng)培訓(xùn)，以實現(xiàn)低成本、高效率地使操作人員快速掌握設(shè)備的使用和維護(hù)。

表51       2.2 氣動院需要該系統(tǒng)的主要原因

表52       1）開發(fā)本系統(tǒng)是氣動院提高試驗效率和提高勞動生產(chǎn)率的迫切需求。

表53       目前，氣動院使用傳統(tǒng)的管理方法和技術(shù)手段提高試驗效率和勞動生產(chǎn)率的效果不明顯，潛力基本挖盡。必須轉(zhuǎn)變觀念，轉(zhuǎn)換思路，用新技術(shù)、新思路來提升效率。

表54       虛擬現(xiàn)實、人機(jī)工程技術(shù)目前是驗證風(fēng)洞試驗流程及試驗設(shè)備、模型人機(jī)工效的高效仿真的手段。該技術(shù)能夠在設(shè)計階段就檢查及評估出設(shè)備安裝、操作過程中的干涉錯誤、可達(dá)性、便捷性及人機(jī)效能等影響設(shè)備運行效率的性能參數(shù)。通過在風(fēng)洞試驗方案策劃及試驗設(shè)備設(shè)計階段使用該技術(shù)，可以在風(fēng)洞試驗實施階段較大幅度地提高設(shè)備安裝的可靠性，較少風(fēng)洞設(shè)備安裝及更換狀態(tài)時間。

表55             2）目前國內(nèi)大型主機(jī)廠所均配備了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，氣動院開發(fā)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，可以更好的配合主機(jī)廠所的工作，更好的學(xué)習(xí)*技術(shù)。

表56       3）開發(fā)本系統(tǒng)可以縮短風(fēng)洞試驗相關(guān)新產(chǎn)品和新設(shè)備的研制周期，為氣動院節(jié)省大量時間和物力成本。

表57       由于氣動院的增壓風(fēng)洞是一座特種風(fēng)洞，與常規(guī)風(fēng)洞相比，由于需要增壓，存在著運行效率總體偏低的特性；并且由于設(shè)備及模型零部件尺寸重量很大，模型安裝難度較大，也存在著試驗準(zhǔn)備時間較長的特點。

表58       尤其是在未來FL-10投入使用后，大量大型試驗設(shè)備需要研制開發(fā)，大量的試驗準(zhǔn)備工作和流程驗證工作都需要去實際組裝、試運行完成，耗費了大量時間，同時對人力、物力的也消耗也比較大。使用本套系統(tǒng)可以在虛擬環(huán)境進(jìn)行大量的驗證工作，將極大地節(jié)省成本。

3 對國內(nèi)外同類系統(tǒng)的評估

表59       3.1 國外現(xiàn)狀

表60       1）國外同類系統(tǒng)技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛。

表61       80年代，美國宇航局（NASA）及美國國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究，并取得了令人矚目的研究成果，從而引起了人們對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛關(guān)注。1984年，NASA Ames研究中心虛擬行星探測實驗室的M.McGreevy 和J.Humphries博士組織開發(fā)了用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器，將火星探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，為地面研究人員構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。在隨后的虛擬交互環(huán)境工作站（VIEW）項目中，他們又開發(fā)了通用多傳感個人仿真器。

表62       進(jìn)入90年代，迅速發(fā)展的計算機(jī)硬件技術(shù)與不斷改進(jìn)的計算機(jī)軟件系統(tǒng)相匹配，使得基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實時動畫制作成為可能；人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計不斷創(chuàng)新，新穎、實用的輸入輸出設(shè)備不斷地進(jìn)入市場。而這些都為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。例如1993年的11月，宇航員利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)成功地完成了從航天飛機(jī)的運輸艙內(nèi)取出新的望遠(yuǎn)鏡面板的工作，而用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計波音777獲得成功，是近年來引起科技界矚目的又一件工作，尤其在波音787機(jī)型的研制中廣泛地使用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)大大節(jié)約了研發(fā)時間。可以看出，正是因為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)極其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如娛樂、軍事、航天、設(shè)計、生產(chǎn)制造、信息管理、商貿(mào)、建筑、醫(yī)療保險、危險及惡劣環(huán)境下的遠(yuǎn)程操作、教育與培訓(xùn)、信息可視化以及遠(yuǎn)程通訊等，人們對迅速發(fā)展中的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的廣闊應(yīng)用前景充滿了憧憬與興趣。

表63       1999年，波音公司在西雅圖新建了JSF保障性虛擬現(xiàn)實實驗室。在這個實驗室，設(shè)計人員和維修人員可以在一種虛擬環(huán)境下，利用與飛機(jī)設(shè)計時采用的相同的三維建模數(shù)據(jù)對JSF的保障性進(jìn)行試驗與評價。英國的BritishAerospace正在利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計高級戰(zhàn)斗機(jī)座艙。在東京技術(shù)學(xué)院精密和智能實驗室研究了一個用于建立三維模型的人性化界面，稱為SpmAR NEC公司開發(fā)了一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，用代用手來處理CAD中的三維形體模型。德國利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，一是用于產(chǎn)品設(shè)計、降低成本，避免新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險；二是產(chǎn)品演示，吸引客戶爭取定單；三是用于培訓(xùn)，在新生產(chǎn)設(shè)備投入使用前用虛擬工廠來提高工人的操作水平。

表64       3.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

表65       1）國內(nèi)目前該項技術(shù)蓬勃發(fā)展，技術(shù)積累已達(dá)到相當(dāng)程度，應(yīng)用領(lǐng)域眾多。

表66       當(dāng)今國內(nèi)工業(yè)已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，大規(guī)模人海戰(zhàn)術(shù)早已不再適應(yīng)工業(yè)的發(fā)展，*科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用顯現(xiàn)出巨大的威力，特別是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用正對工業(yè)進(jìn)行著一場革命。虛擬現(xiàn)實已經(jīng)被世界上一些大型企業(yè)廣泛地應(yīng)用到工業(yè)的各個環(huán)節(jié)，對企業(yè)提高開發(fā)效率，加強數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低企業(yè)風(fēng)險起到了重要的作用。

表67       圖3-1 故宮博物院的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)示意圖

表68       圖3-2 數(shù)字長江虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)示意圖

表69       2）國內(nèi)大多主機(jī)廠所均配備有虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

表70       （1）成都飛機(jī)設(shè)計研究所虛擬顯示投影系統(tǒng)具體指標(biāo)如下：

表71       應(yīng)用類型：樣機(jī)展示/體驗

表72       投影方式：前投/背投

表73       投影機(jī)類型：DLP投影機(jī)

表74       立體技術(shù)：主動立體

表75       屏幕特性：硬幕

表76       顯示范圍：連續(xù)的觀看區(qū)域，較好觀察效果的觀眾數(shù)量3-5人

表77       IG：PC Cluster

表78       顯示通道數(shù)：4

表79       單通道圖像分辨率：1280x1024_100Hz

表80       3200mm3200mm2400mmCAVE尺寸：長X寬X 高

表81       6.5m房間凈高度：

表82       圖3-3 成都飛機(jī)設(shè)計研究院虛擬實現(xiàn)系統(tǒng)效果圖

表83       （2）西安飛機(jī)設(shè)計研究院虛擬顯示投影系統(tǒng)具體指標(biāo)如下：

表84       應(yīng)用類型：樣機(jī)展示/虛擬裝配

表85       投影方式：背投三通道，后升級為6通道（2x3）

表86       圖像尺寸：12米X2.8米，升級后為12米X4.6米

表87       投影機(jī)類型：DLP光譜立體高清投影機(jī)

表88       立體技術(shù)：Infitec立體

表89       屏幕特性：背投軟幕

表90       顯示范圍：連續(xù)的觀看區(qū)域，較好觀察效果的觀眾數(shù)量50人

表91       IG：ImageVision PC集群

表92       顯示通道數(shù)：3

表93       單通道圖像分辨率：1920x1080

表94       圖3-4西安飛機(jī)設(shè)計研究院虛擬實現(xiàn)系統(tǒng)效果圖

表95       3.3 結(jié)論

表96       目前，虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)日臻成熟，在國內(nèi)外很多高科技企業(yè)和科研單位得到應(yīng)用，并發(fā)揮了巨大的作用。虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)已經(jīng)成為航空系統(tǒng)科研院所建設(shè)的必需技術(shù)，應(yīng)用該項技術(shù)正當(dāng)其時。

表97       氣動院隊該項能力的建設(shè)將極大提高風(fēng)洞試驗?zāi)芰Γ瑫r將有利于國內(nèi)主機(jī)廠所的型號試驗工作。

4 建設(shè)方案

4.1總體設(shè)計

表98       根據(jù)項目中各子系統(tǒng)的功能深化，將產(chǎn)品虛擬展示與培訓(xùn)系統(tǒng)重新定義為綜合仿真子系統(tǒng)，DELMIA可視化裝配仿真系統(tǒng)重新定義為虛擬裝配子系統(tǒng)，將產(chǎn)品虛擬展示與培訓(xùn)系統(tǒng)和DELMIA可視化裝配仿真系統(tǒng)所需要硬件定義為立體顯示子系統(tǒng)。

4.1.1系統(tǒng)架構(gòu)

風(fēng)洞試驗環(huán)境仿真系統(tǒng)中建立產(chǎn)品虛擬展示與培訓(xùn)系統(tǒng)和DELMIA可視化裝配仿真系統(tǒng)需要從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個方向上進(jìn)行考量，其中軟件系統(tǒng)主要有兩個平臺：

1.                      Unity3D這樣的虛擬現(xiàn)實軟件平臺，其本身支持立體多通道顯示和虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)。可以直接輸出圖像到立體投影環(huán)境。

2.                      DELMIA等工業(yè)設(shè)計類軟件，其本身不支持多通道立體顯示和虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)，需借助TechViz中間件，輸出圖像到立體投影環(huán)境。

綜合風(fēng)洞試驗環(huán)境仿真系統(tǒng)的軟硬件需求，其總體架構(gòu)如下圖所示。

圖4-1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

4.1.2系統(tǒng)功能

n                      虛擬環(huán)境構(gòu)建

建立一套可選配試驗設(shè)備及試驗?zāi)繕?biāo)的虛擬交互軟件系統(tǒng)，將CATIA建成的或其他單位提供的風(fēng)洞試驗廠房、設(shè)備及試驗?zāi)Ｐ偷葦?shù)模導(dǎo)入Unity3d系統(tǒng)中，實現(xiàn)支持?jǐn)?shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬仿真環(huán)境。

圖4-2 虛擬環(huán)境構(gòu)建示意圖

n                      氣動院風(fēng)洞試驗虛擬展示

通過調(diào)用自動展示腳本，不需人工介入的對廠房及車間布局、設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行三維立體展示，使參觀人員可以快速直觀的了解氣動院風(fēng)洞試驗的情況和能力。

n                      院區(qū)、風(fēng)洞大廳、風(fēng)洞虛擬漫游。

通過系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)系統(tǒng)使用人員在虛擬場景中可交互的漫游，可以直觀的了解院區(qū)的構(gòu)成、基本情況，試驗設(shè)備等信息。在漫游過程中，使用者可以和虛擬場景中設(shè)備進(jìn)行交互，可以一邊漫游一邊了解設(shè)備的構(gòu)成信息和如何使用等。

圖4-3 虛擬漫游效果示意圖

n                      三維虛擬環(huán)境與現(xiàn)實試驗設(shè)備、目標(biāo)、人員狀態(tài)同步，虛實結(jié)合。

1.                      接收試驗設(shè)備傳輸?shù)脑囼災(zāi)繕?biāo)實時位置及姿態(tài)信息，使三維環(huán)境中的虛擬目標(biāo)狀態(tài)與現(xiàn)實世界同步；

2.                      接收設(shè)備采集系統(tǒng)傳輸?shù)脑O(shè)備狀態(tài)信息，使三維環(huán)境中的虛擬設(shè)備狀態(tài)與現(xiàn)實世界同步；

3.                      接收人員采集系統(tǒng)傳輸?shù)娜藛T狀態(tài)信息，在三維環(huán)境中實時跟蹤標(biāo)示出試驗廠房內(nèi)人員位置；

4.                      將CAE軟件計算的結(jié)果（CFD、PIV及有限元計算數(shù)據(jù)），通過EnSight后處理，轉(zhuǎn)換成圖形及動畫顯示，并融合至虛擬環(huán)境中，增加數(shù)據(jù)的洞察力。

圖4-4 CAE軟件后處理顯示示意圖

n                      人機(jī)工程裝配工藝規(guī)劃與驗證

在虛擬環(huán)境中快速建立人體運動原型，并對設(shè)計的作業(yè)進(jìn)行人體工程分析。包含操作可達(dá)性仿真、可維護(hù)性仿真、人體工學(xué)/安全性仿真等人體工學(xué)仿真功能。

圖4-5 人機(jī)工程裝配工藝規(guī)劃與驗證示意圖