數(shù)據(jù)可視化工具助力汽車和消費(fèi)類產(chǎn)品建模

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數(shù)據(jù)可視化工具助力汽車和消費(fèi)類產(chǎn)品建模

約20年前，彼得·邦寧剛剛 參加工作，在美國國家航空航天局（NASA）致力于開發(fā)一種交互式圖形程序——Plot3D。如今，他已成為NASA蘭利研究中心航空航天工程師、科學(xué)家。他說：“那時(shí)的情況與現(xiàn)在有很大的不同：即沒有性能優(yōu)異的顯示屏，也沒有友好的交互式圖形界面。當(dāng)時(shí)進(jìn)行研究的目的只是希望能夠觀察計(jì)算的過程，并使其看起來更加直觀?！?/p>

彼得·邦寧的主要研究方向是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD），需要將空氣、水和固體表面的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和相互作用翻譯成計(jì)算機(jī)語言，并展現(xiàn)在屏幕上。他說：“本質(zhì)上，CFD和風(fēng)洞試驗(yàn)的目標(biāo)是一致的，區(qū)別在于CFD是在計(jì)算機(jī)上操作完成的。與制造一個(gè)模型，再在風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)相比，使用CFD的成本更低?！北说谩ぐ顚幣c位于新澤西州盧瑟福區(qū)的Intelligent Light公司合作開發(fā)了一款解算器——OVERFLOW，而Intelligent Light公司提供了后處理和可視化功能。1996年，Intelligent Light公司從NASA獲得了首份小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）計(jì)劃合同，致力于開發(fā)一款CFD后處理器，以獲得龐大、不穩(wěn)定結(jié)果的可視化顯示功能。（該項(xiàng)目技術(shù)轉(zhuǎn)移情況刊登在2003年的《Spinoff》中）FieldView是當(dāng)時(shí)已有的一款可視化工具。在該項(xiàng)SBIR計(jì)劃合同的支持下，Intelligent Light公司需開發(fā)瞬態(tài)數(shù)據(jù)處理能力，并將其整合到FieldView產(chǎn)品中。Intelligent Light公司的研發(fā)獲得了成功。自此，Intelligent Light公司與NASA建立了密切的合作關(guān)系。自1996年以來，該公司共獲得了來自NASA和其他政府機(jī)構(gòu)的14項(xiàng)SBIR合同，包括8項(xiàng)第一階段合同和6項(xiàng)第二階段合同，此外，其還獲得了3項(xiàng)小企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移（SBTT）計(jì)劃合同。

Intelligent Light公司的創(chuàng)始人之一，現(xiàn)任公司總經(jīng)理史蒂夫·萊根斯基說：“15年前的FieldView產(chǎn)品與今天的模型幾乎是完全不同的。”

Intelligent Light公司成立于20世紀(jì)80年代中期，成立之初，就成為能夠使用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)高分辨率、3D動(dòng)畫渲染效果的11家公司之一，其目標(biāo)是通過可視化技術(shù)使復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程更易于理解。史蒂夫·萊根斯基說：“我們認(rèn)為，不管是利用風(fēng)洞獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)，還是采用CFD計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)，如果能夠?qū)⑦@些數(shù)字代表的現(xiàn)象放在具體的環(huán)境中，像真實(shí)情況一樣展現(xiàn)在人們眼前，就能夠更容易被大腦和眼睛所接受，更便于人們的理解?！?/p>

相比較而言，一些事物更容易實(shí)現(xiàn)可視化。如將一塊鵝卵石扔到一個(gè)池塘里，會(huì)產(chǎn)生可見的波紋，但是，加熱和冷卻管道中流動(dòng)的空氣則很難顯現(xiàn)出來，更難的是確定噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)中燃料流的情況。此時(shí)，就需要采用CFD建模技術(shù)，以更好地理解流體與固體相互作用時(shí)的動(dòng)力學(xué)情況。

經(jīng)過不斷改進(jìn)，F(xiàn)ieldView已經(jīng)超越了早期的可視化目標(biāo)，使用戶能夠獲得基于靜態(tài)或非穩(wěn)定數(shù)據(jù)的特定信息，為用戶完成相關(guān)任務(wù)提供詳細(xì)的依據(jù)。比如，當(dāng)一家航空制造企業(yè)需要重新設(shè)計(jì)機(jī)翼時(shí)，工程師可以向計(jì)算機(jī)輸入一系列參數(shù)或限制條件，并運(yùn)行模擬程序，而無需在辦公室里進(jìn)行大量的計(jì)算。FieldView會(huì)在后處理程序中對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，并找出最佳的機(jī)翼解決方案，供工程師進(jìn)行研究分析。

▲ F1賽車團(tuán)隊(duì)利用FieldView提高賽車性能

史蒂夫·萊根斯基說：“從過去花費(fèi)數(shù)周時(shí)間完成一幅穩(wěn)定圖片的計(jì)算，到今天，通過計(jì)算機(jī)處理的事物的逼真度和量級(jí)變得超乎想象，想一想，這中間的跨度有多大。人們所要解決的問題也從尋找處理結(jié)果的方法，轉(zhuǎn)變?yōu)閺慕Y(jié)果中獲取知識(shí)。”

經(jīng)FieldView處理后返回的數(shù)據(jù)是廣泛而深入的。史蒂夫·萊根斯基承擔(dān)了海軍的一個(gè)項(xiàng)目，要求直升機(jī)能在45s內(nèi)進(jìn)場(chǎng)、盤旋、降落在航空母艦上。史蒂夫·萊根斯基說：“客戶稱，他們需要對(duì)作用力進(jìn)行測(cè)試，并以每秒60幀的速率拍攝照片，為此，他們積累了2700套文件。每套文件的文件大小都有幾十億字節(jié)。但這僅僅是一項(xiàng)模擬工作，由于時(shí)間分辨率很高，所以其深度非常大。”史蒂夫·萊根斯基對(duì)FieldView的用戶界面和飛機(jī)駕駛艙進(jìn)行了對(duì)比。在首條商業(yè)航線中，幾十個(gè)刻度盤、顯示器和儀表盤被用于為飛行員提供飛機(jī)在飛行中的狀況。而現(xiàn)在，駕駛艙的顯示更加合理，只有最重要的信息才需要顯示出來。而輸入FieldView的計(jì)算數(shù)據(jù)也與此類似。其它的信息仍存在于數(shù)據(jù)庫中，如果用戶需要，可及時(shí)調(diào)取相關(guān)信息，而通常，僅有相關(guān)性最強(qiáng)的結(jié)果才在第一時(shí)間呈現(xiàn)給用戶。

▲ NASA利用FieldView顯示了V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)式旋翼機(jī)旋翼周圍的氣流

對(duì)CFD結(jié)果感興趣的不僅是飛機(jī)設(shè)計(jì)師。目前，F(xiàn)ieldView應(yīng)用最多的兩個(gè)行業(yè)分別是汽車制造和國防制造。汽車制造商和國防承包商利用FieldView來簡化其工作流程，并優(yōu)化飛機(jī)設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)獲得最有效的設(shè)計(jì)修改，提高工作效率。Intelligent Light公司還與一些頂尖的一級(jí)方程式（F1）賽車公司開展了合作，以在比賽間隔的幾天時(shí)間內(nèi)對(duì)賽車的部件進(jìn)行修改，提高賽車的性能。據(jù)了解，某些F1賽車團(tuán)隊(duì)每周進(jìn)行的CFD模擬比NASA還要多，他們每年為保障一輛或兩輛賽車完成20場(chǎng)比賽提供的預(yù)算接近3.5億美元。

事實(shí)上，F(xiàn)ieldView的應(yīng)用范圍非常廣泛，包括確定向塑料容器中灌裝酸奶的最佳方式，這種方式不僅要快速，還要能夠?qū)崿F(xiàn)安全密封，防止酸奶被細(xì)菌感染或者受到污染。一家大型消費(fèi)品制造商利用FieldView計(jì)算物品封裝處理的最佳方式，以及使礦物質(zhì)均勻分布在一批洗發(fā)水或乳液中的方法。

NASA使用FieldView幫助工程師更好地理解氣流的物理特性。在進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的過程中，如在設(shè)計(jì)直升機(jī)、新型火箭、火星著陸器等的過程中，來自仿真模擬的數(shù)據(jù)量激增。FieldView為工程師在數(shù)據(jù)處理分析、提高對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)涵理解方面提供了一個(gè)非常有效的工具。

史蒂夫·萊根斯基將Intelligent Light公司的成功歸功于NASA的支持及其提出的挑戰(zhàn)。他說：“在與NASA的合作過程中，NASA既是我們重要的客戶，也是我們的合作伙伴，在推動(dòng)我們前進(jìn)的同時(shí)也使我們加深了對(duì)技術(shù)的了解。”

(唐 甜)

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