结构变形监测与三维实时渲染
以前做结构试验的时候我常常想，如果我们采集的数据能实时渲染成像有限元软件那样的云图就好了，这样我的仿真和试验对比起来更加直观方便。
本文就以机翼静力试验为例，对如何实现数据采集过程的三维渲染以及可能的数字孪生方向，做一个探讨。
机翼2.5g静力试验。图来源：《Static Loads Testing of a High Aspect Ratio Tow-Steered Wingbox》
机翼变形数据采集方法
以位移为例，目前大家用的比较多的方法是将位移计接到采集器上，然后采集器和电脑连接，实时回传数据到电脑端的测控软件。流程如下：
我们想自己完成三维实时渲染，就需要我们自己和采集器进行通信，从而掌握数据的实时控制权，而不是借助厂家封装好的软件。也就是说我们要自己编写一个上位机软件。
采集器通信方法
不同厂家的设备通信方式不同，用的比较多的有：
（1）TCP（含Modbus TCP）：设备和计算机通过网线连接，创建TCP连接后，用指定的指令或者“报文”实现“开始采集”、“停止采集”、“接收数据”等功能。
（2）串口：设备和计算机通过USB连接，通过识别串口连接，通信方法与TCP类似。
一般我们购买采集器的时候，厂家都会提供通信指令，这个不复杂。比如东华测试的采集器，我们用的比较多，也比较稳定。
东华测试的多通道采集器
工作室自编的串口通信软件
很多采集器是支持LABVIEW的，LABVIEW用起来也比较简单，但是考虑到我们要做三维渲染，还是要自己写通信模块。实际的通信基础代码也就几十行，数据采集软件编写的难点从来不在通信上。它的难点主要集中在：设计合理的配置信息，保证通道和测点的对应性；高频采集的数据快速处理；数据采集过程中，曲线以及其他可视化的同步渲染；设计合理的数据结构，保证物理量-通道-原始数据-处理后数据流转便捷通畅。
数据融合方法
目前摄影测量、高精度陀螺仪等新的测量技术已经开始应用于结构试验，这些设备自身的测量坐标系与机翼坐标系不同，测量的位移结果就需要做坐标系转换。
可以借助第三方测量设备（单相机、跟踪仪等）完成全局坐标系构建，将传感器和机翼坐标结果都统一到一个坐标系中。通过超过三个公共点就可以建立转换关系，为了提升精度，可以布置多个公共点，通过配准算法完成转换。
插值方法
实际测量中，布置的位移测点是有限的，我们不可能得到机翼上所有点的位移。这就存在如何用少量测点插值出整个翼面位移的问题。
可以选用的插值方法也很多，比如径向基函数方法、梁模型方法等，集成到实时渲染模块即可。
实时渲染
在完成上述步骤后，此时已经得到了模型上各个节点的位移。我们采用VTK库实现机翼三维变形的刷新以及变形云图的渲染。
工作室自研的多源数据采集平台
可能的数字孪生方向
对于数字孪生，除了概念之外，我们首先要确定它应该用什么用途，可以为我们解决哪些现实问题。
单就上述案例而言，尽管我们使用了插值手段得到了翼面的变形分布，但是和仿真相比，实测点毕竟还是少数。为此我第一个能想到的就是引入仿真结果，作为非实测点的补充，以提升插值精度。
其次，实测的数据可以用于驱动仿真。此时我们可以同步接入有限元求解器，将实测数据作为边界条件加载到有限元求解器中，以更准确的评估结构受力。这样试验与仿真双方在分级加载推进过程中，互相融合，彼此促进。
综合来看，未来一定是要有自己的采集模块、渲染模块、求解器模块，以提升结构试验的整体水平。
我们团队的技术基础
本团队长期从事结构试验、复合材料力学、CAE仿真、人工智能、工业软件（含工业软件）开发，能够独立完成数据采集、数据库、有限元求解器、材料本构、图像识别、软件平台的开发。
