基于数据的交互式3D体验制造技术

实施例提供了用于构建供交互式体验中使用的替代模型的方法和系统。一个这样的实施例以定义包括参数状态向量和设计变量向量并且代表现实世界系统的模型开始。接着，执行第一实验和第二实验以确定所述参数状态向量随时间的响应并且生成作为时间的函数的所述参数状态向量和所述设计变量向量的数据集。然后利用所述参数状态向量的一个或多个导数修改所述数据集，并且构建用于近似相对于在所述数据集中的所述参数状态向量的导数的所述参数状态向量的高阶导数的替代微分方程集，以及将所述替代微分方程集存储为替代模型。进而从存储器提供响应于与所述模型的用户交互以加速仿真行为的方式的所述替代模型。

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术总体上涉及计算机程序和系统领域，并且更具体地，涉及产品设计和仿真领域。本专利技术的实施例还可以应用于视频游戏、工程系统设计、协同决策以及娱乐(例如，电影)中。市面上提供了许多现有的产品和仿真系统以用于对部分或部分的组装的设计和仿真。这些系统典型地采用计算机辅助设计(CAD)和/或计算机辅助工程(CAE)程序。这些系统允许用户构造、操作、以及仿真对象或对象的组装的复杂的三维模型。因此，这些CAD和CAE系统使用边或线，在某些情况下使用面，来提供对建模的对象的表示。线、边、面或多边形可以用多种方式来表示，例如，非均匀有理B样条(NURBS)。这些CAD系统管理建模的对象的部分或者部分的组装，其主要是几何形状的规格说明。特别的，CAD文件包含利用其生成几何形状的规格说明。根据几何形状，表示(representation)被生成。规格说明、几何形状以及表示可以存储在单独的CAD文件或多个CAD文件中。CAD系统包括用于将建模的对象呈现给设计者的图形工具；这些工具专用于对复杂对象的显示。例如，组装可以包含数千个部分。CAD系统可以用于管理存储在电子文件中的对象的模型。CAD和CAE系统的出现考虑到了针对对象的广泛的表示可能性。一种这样的表示是有限元分析(FEA)模型。术语FEA模型、有限元模型(FEM)、有限元网格以及网格在本文中可互换地使用。FEM典型地表示CAD模型，并且因此，可以表示一个或多个部分或整个组装。FEM是被称作节点的点系统，这些节点彼此互连以形成栅格(grid)，被称作网格(mesh)。可以按照这样的方式对FEM进行编程，以使得FEM具有其所表示的基本对象或多个基本对象的属性。当FEM或诸如本领域已知的其它对象表示以这种方式被编程时，其可以用于执行对其所表示的对象的仿真。例如，FEM可以用于表示车辆的内部空腔、围绕结构的声学流体以及任何数量的现实世界的对象。此外，CAD和CAE系统与FEM一起可以用于仿真工程系统。例如，CAE系统可以用于仿真车辆的震动和噪声。然而，这种现有的仿真方法并不是没有它们的缺点。现实实验和数字实验(诸如，在Numerical Models to Create Simulated Behavior(可从http://www.3ds.com/products-services/simulia/overview/获得)以及Helm的Experimental Techniques中描述的那些，其内容通过引用的方式被并入本文中)花费大量的时间，并且需要大量的专业知识来执行。根据这样的仿真/实验生成的典型结果以视频、图像或图表的形式来提供。行为研究(诸如，在Kahneman的Thinking Fast and Slow中给出的研究)显示“体验”是通过实时的实验获得的。如果动作在短的时间间隔内生成直接结果，则获得“体验”。具有长期结果的动作仅对小部分人群造成“体验”。同样，如果没有交互性(即，没有机会改变实验/仿真)，则获得极少体验。因此，例如专家通过图像给出科学结果的当前范例不能有效的作为增加听众体验的手段。关于现有仿真/实验的另一个问题是如在Experimental Techniques中那样执行仿真本身并且然后再次使用该结果所花费的时间，在Numerical Models to CreateSimulated Behavior和Experimental Techniques中对其进行了描述。对于需要高达百万次验证实验的系统验证或优化来说，不能够使用这样耗时的仿真。需要比当前的现实仿真工具(例如，非线性有限元分析)快至少三到四个数量级的技术来进行这种系统研究。尽管已经作出了增强仿真/实验的用户“体验”的尝试，但是现有技术是不充分的。巨大且广泛使用的工作主体(诸如，在Box等人的Statistic for Experimenters:Design,Innovation,and Discovery中描述的)在使用数字模型来创建仿真行为(如在Experimental Techniques中描述的)的实验和/或如在Numerical Models to CreateSimulated Behavior和Experimental Techniques中描述的实验性测试的方面中是可用的。常常使用诸如响应面法、切比雪夫(Chebychev)多项式、克里格法(kriging)、或径向基函数的技术来对这些实验/仿真进行插值。这些方法创建了固定输入、一维(1D)、参数的集合与固定输出、1D、输出参数的集合之间的准确的传递函数。一维数据是非常抽象的，而抽象信息不是增加听众体验的有效手段。这些方法是基于降低仿真的状态空间的。在这样的例子中，完全3D计算(即，网格化的)的模型是先验已知的，而当与已知的行为模型保持良好拟合时，该模型的复杂度和解决时间得到降低。这典型地通过利用技术(诸如，在JolliffeI.T.Principal Component Analysis,Series:Springer Series in Statistics,2nded.,Springer,NY中描述的主成分分析(Principle Component Analysis))降低自由度(例如，从上百万网格节点到数十个参数)来完成。最近，已经做了工作以使用西诺维奇(Sirovich)利用适当正交分解的“快照方法”来创建场数据的特定插值。这种方法要将二维(2D)或3D(场)数据重新生产为(基础)场的小集合的(线性)函数，其使得体验不那么抽象。然而，该方法仅适合于对给定模型的时间序列仿真的压缩，并且因此，没有考虑到作为情境的一部分的模型中的变化。另外，由于在近似整个场中的折衷，对于个体传感器数据的预计值(场中的位置)不是非常准确。存在用于对仿真场数据进行压缩的现有工具，诸如，在Sirovich的Turbulenceand the Dynamics of Cocherent Structures I-III以及在http://www.scai.fraunhofer.de/geschaeftsfelder/numerische-software/produkte/femzip.html？&L＝1可获得的Fraunhofer中描述的那样。这些工具提高了计算基础场(basisfield)(由Sirovich描述的)以用于观看的速度。这些工具还将降低数据存储需求以实现更广的分布。然而，这些工具自身不允许这些情景和模型被“动态(on the fly)”改变以便生成针对广泛听众的“体验”。另一种现有方法依赖于参数估计，其在Klein中进行了描述。在该方法的执行中，微分方程是已知的，但是方程常数中的一些不是已知的。例如，在飞机动力学的情况下，通过针对运动操作的已知集合来最小化飞行数据和飞机模型数据之间的误差，可以得到未知的空气动力导数。Klein V.“Aerodynamic Parameters of High Performance AircraftEstimated from Wind Tunnel and Flight Test Data”,NASA-98-AGARD本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种计算机实现的用于生成供交互式体验中使用的替代模型的方法，所述方法包括：定义代表现实世界系统的模型，所述模型包括：代表行为的参数状态向量，以及设计变量向量；执行第一实验以确定所述参数状态向量随时间的响应以及执行针对所述设计变量向量的第二实验，所述的执行第一实验和第二实验生成作为时间的函数的所述参数状态向量和所述设计变量向量的数据集；利用所述参数状态向量的一个或多个导数修改所述数据集；构建用于近似相对于在所述数据集中的所述参数状态向量的导数的所述参数状态向量的高阶导数的替代微分方程集，所述构建包括将所述替代微分方程集在存储器中操作地存储为替代模型；以及响应于与所述模型的用户交互，以加速仿真行为的方式响应地提供来自存储器的所述替代模型，所述的提供所述替代模型针对所述设计变量向量的给定值来求解所述替代微分方程，包括使用用于求解作为时间的函数的所述替代模型的状态向量的时间序列。

【技术特征摘要】
2014.12.18 US 14/574,8431.一种计算机实现的用于生成供交互式体验中使用的替代模型的方法，所述方法包括：定义代表现实世界系统的模型，所述模型包括：代表行为的参数状态向量，以及设计变量向量；执行第一实验以确定所述参数状态向量随时间的响应以及执行针对所述设计变量向量的第二实验，所述的执行第一实验和第二实验生成作为时间的函数的所述参数状态向量和所述设计变量向量的数据集；利用所述参数状态向量的一个或多个导数修改所述数据集；构建用于近似相对于在所述数据集中的所述参数状态向量的导数的所述参数状态向量的高阶导数的替代微分方程集，所述构建包括将所述替代微分方程集在存储器中操作地存储为替代模型；以及响应于与所述模型的用户交互，以加速仿真行为的方式响应地提供来自存储器的所述替代模型，所述的提供所述替代模型针对所述设计变量向量的给定值来求解所述替代微分方程，包括使用用于求解作为时间的函数的所述替代模型的状态向量的时间序列。2.根据权利要求1所述的方法，其中，构建所述替代微分方程集包括：迭代地构建一个或多个候选的替代微分方程集，所述替代微分方程集是从所述一个或多个候选集中选择的、作为具有与所述数据集的至少一个子集的最低交叉验证误差的集。3.根据权利要求1所述的方法，其中，利用所述参数状态向量的所述一个或多个导数修改所述数据集包括：从所述数据集移除时间。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一实验和所述第二实验是以下各项中的至少一项：物理实验；以及数字高保真实验。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所定义的模型包括以下各项中的至少一项：离散事件；以及边界条件。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所定义的模型是高保真、高维度的数字模型并且所述方法还包括：降低所述的所定义的模型的维度。7.根据权利要求6所述的方法，其中，采用以下各项中的至少一项来降低所述的所定义的模型的所述维度：主成分分析；k最近邻；以及子空间学习。8.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述替代模型导出到功能模型界面(FMI)。9.根据权利要求1所述的方法，还包括：在硬件系统中采用所述替代模型，所述硬件系统包括：飞行模拟器或汽车电子控制单元(ECU)。10.根据权利要求1所述的方法，其中，使用以下各项中的至少一项来近似所述参数状态向量的所述高阶导数：径向基函数；神经网络；切比雪夫多项式；响应面法；多项式响应面法；任意项回归；支持向量机；以及空间映射。11.根据权利要求1所述的方法，其中，构建所述替代模型还包括：优化所述替代模型以降低方差和偏移误差。12.一种用于生成供交互式体验中使用的替代模型的系统，所述系统包括：模型定义模块，其被配置为：定义代表现实世界系统的模型，所述模型包括代表行为的参数状态向量，以及设计变量向量；实验模块，其操作地耦合到所述模型定义模块并且被配置为执行：第一实验以确定所述参数状态向量随时间的响应以及针对所述设计变量向量的第二实验，所述第一实验和所述第二实验生成作为时间的函数的所述参数状态向量和所述设计变量向量的数据集；数据集模块，其被配置为：从所述实验模块接收所述数据集并且利用所述参数状态向量...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·J·M·范德威登，
申请(专利权)人：达索系统西姆利亚公司，
类型：发明
国别省市：美国;US