协同式虚拟现实仿真验证平台方案
目录
1.序言 (3)
2.用户需求分析 (3)
3.协同式虚拟现实仿真验证平台总体解决方案 (4)
3.1.协同式虚拟现实仿真验证平台解决方案 (5)
3.1.1.显示系统设计思路 (5)
3.2.图形工作站集群 (18)
3.3.交互系统 (19)
3.4.矩阵切换系统 (20)
3.5.中控系统 (21)
3.6.音响系统 (21)
3.7.协同式虚拟仿真验证平台软件 (22)
3.7.1.协同式虚拟仿真验证平台软件应用模式 (22)
第六：制作交互式电子手册 .................................... 错误！未定义书签。
3.7.2.协同式虚拟仿真验证平台软件的特点 (24)
4.布局设计 (25)
5.项目实施计划 (26)
5.1.项目实施内容 (26)
5.2.项目整体实施周期 (26)
5.3.工期保证措施 (26)
5.4.项目管理与风险控制 (26)
6.工程进度 (26)
6.1.设备交付阶段及设备到货点验计划表 (26)
6.2.工程师人员调配安排计划表 (26)
7.装修建议及要求 (26)
7.1.环境条件要求 (26)
7.2.地面要求 (26)
7.3.照明要求 (26)
7.4.天花板及吊顶装修建议 (26)
7.5.布线基本原则 (26)
7.6.设备发热量和制冷要求 (26)
7.7.虚拟现实中心现场装修建议 (26)
7.8.现场出入要求 (26)
8.质量保证与售后服务 (26)
8.1.质量保证与保修 (27)
8.2.售后技术服务 (27)
8.3.技术培训 (27)
9.系统配置清单 (27)
1.序言
随着计算机技术、信息技术、管理技术的不断发展与广泛应用，产品的工程设计与制造领域正在发生着深刻的变革，呈现协同式、并行化、集成化、网络化、虚拟化、智能化的发展趋势，而且相应的支撑技术也得到了不断的发展与成熟，其中虚拟现实技术就是一项重要的支撑技术。虚拟现实技术在设计、制造领域的成功应用改变了“设计-试制-分析-改进”的传统模式，虚拟样机（电子样机）将逐渐取代研制过程中用于工程分析的实物模型或全尺寸样机，通过异地系统、多人协同实现一体化协同设计、评审，这种趋势已经成为制造业中一个不可逆转的潮流。
另一方面，由于虚拟现实技术能够提供真实感强的交互式仿真环境，而且用户在该虚拟环境下能够模拟进行各种动作与操作，因此它具有在维护性、维修性分析领域的潜在应用。通过虚拟维护人员在虚拟样机上进行维护、维修操作仿真来进行维护性分析可以有效地克服现有定性分析方法的不足。
中国航天科工集团第六研究院（以下简称六院），隶属中国航天科工集团公司，是中国第一个大型固体火箭发动机研制、生产和试验基地，被誉为中国固体火箭发动机的“摇篮”。六院总部位于中国北疆内蒙古自治区首府——呼和浩特市。2011年，经中国航天科工集团公司固体动力资源整合重组后，现已形成呼和浩特、西安和湖北三地协同，可持续发展的军民融合式产业发展格局。六院拥有先进的设计技术，完备的生产、试验条件，具备战略、战术、宇航用固体火箭发动机技术研究、设计、制造、试验能力和化工产品、机械加工、复合材料、工业自动化系统集成等多项民用产品的开发、生产能力，已经形成多地协同管理、专业门类齐全、配套完整、综合实力雄厚的大型固体火箭发动机研制生产试验基地。
中国航天科工集团第六研究院为了提高自身设计创新能力，拟建设虚拟仿真验证分析系统以辅助设计人员解决在研发过程中遇到的设计方案展示和论证问题，同时为了提高交付产品的可维修性、克服维修困难，以虚拟仿真验证分析系统为基础研协同呼和浩特、西安、湖北三地实现异地协同式设计、评审和汇报展示。
2.用户需求分析
从与用户的沟通中我们了解到，用户期望构建一个综合性协同虚拟仿真平台，
以完成产品设计维修维护性验证分析，该系统要适应用户已有的产品设计系统，依托数字样机，运用虚拟现实技术，进行协同式方案论证、装配路径分析，及时反馈设计修改建议，解决验证过程的直观性和分析结果的可信性。用户对虚拟现实系统的需求由以下几个部分组成：
多人远程异地协同式展示汇报功能
协同式虚拟现实仿真验证平台的主要建设目的之一是满足展示汇报，需要具备高度沉浸感，大视场角的立体汇报展示环境。由于传统的虚拟现实显示环境只能满足单一视点跟踪，与实际设计过程中的协同式操作有很大差距，本平台要求既可以满足大场景的评审汇报，也可以实现多人异地协同式设计评审汇报模式。
可实现多人协同式虚拟装配、碰撞检测分析、柔性体仿真
在产品设计流程的各个阶段，可以实现不经过任何数据转换，直接将UG建模软件的三维模型实现多通道立体显示，至少实现两人或更多人以第一人称视角在同一场景下的协同，允许两人或更多人协同装配验证，可以实现碰撞检测，柔性体仿真等功能。
CAE工程数据可视化及异构融合显示
在评审、汇报过程中，通过CAE可视化软件可以清楚的展示在设计过程通过分析软件计算出的结果，进而了解产品的关键技术。要求支持目前主流的CAE分析软件如ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等。支持CAE数据和CAD模型的异构融合显示。
3.协同式虚拟现实仿真验证平台总体解决方案
针对以上用户需求，结合用户产品设计流程和现有先进技术手段，我们提供如下解决方案，方案示意如图：
图1协同式虚拟现实仿真验证平台解决方案
产品的设计流程大概分为可行性论证、总体方案设计、初步设计、技术设计和设计定型五个阶段，在每个阶段虚拟现实系统都可以发挥相应作用，做到为整个设计流程服务，从而给用户带来可观的投资回报。在众多需求中，协同式虚拟现实仿真验证平台首先要解决的核心问题有协同式沉浸式用户体验、交互式体验、碰撞式虚拟装配、电子手册和CAE可视化。
根据图1所示，协同式虚拟现实仿真验证平台主要由显示系统、图形工作站集群、交互系统、矩阵切换系统、中控系统、音响系统、协同式虚拟仿真验证平台软件七大分系统组成。辅助设备包括UPS、交互机、光纤、数据线缆、VR外设等。
3.1.协同式虚拟现实仿真验证平台解决方案
3.1.1.显示系统设计思路
综合考虑协同工作的需要、汇报展示的需要、场地选择便利性的需要，以及今后发展变化的需要，经过综合分析和评价，我们认为若采用过去技术发展水平条件下的某一款CA VE或其它类型系统的方式在这里是无法达到令人满意的效果的。
通过分析本项目已经了解到的需求，这里建议超高分辨率、大垂直和水平视场
角的L型正投系统，同时结合Mini CA VE的显示模式，能实现完整的协同和汇报评审任务。
由于现场场地限制无法建设规模较大的评审汇报显示系统，如果简单采用正投平幕则过于单调而无新意。为了扩大视场角的同时进一步提高沉浸感，所以采用正投折幕，增加一部分下视场角度，如下所示。
3.1.1.1. 显示系统设计形式
（1）L型正投显示系统光路初步设计
图2 L型正投前视图
图3 L型正投侧视图
图4 L型正投俯视图
图5 L型正投侧视图
图6 L型正投正视图（2）紧凑式CA VE显示系统光路初步设计
图7 紧凑型CA VE显示系统
图8 紧凑型CA VE显示系统侧视图
图9 紧凑型CA VE显示系统俯视图
图10 紧凑型CAVE显示系统正视图
3.1.1.2. 显示系统主要特点和参数
（1）L型正投显示系统的主要特点：
此系统由目前业界最先进的4K立体投影机- Mirage 304K及L型正投硬幕等构成，能提供高度的沉浸感，可供多人同时观看使用。此系统能提供数字样机阶段产品1:1比例的展示、多方参与的人机交互过程显示、培训和训练过程观摩，以及参与多方协同工作。
全屏像素物理分辨率为4096（横向）x2160（纵向），最大光通量输出为30,000流明（29,000ANSI流明），用户可根据实际需要灵活设定输出亮度，采用光源冗余设计。由于采用单台投影机显示方式，不需要从前不得不采用的多机融合，因而不存在多通道融合系统带来的系统参数差异调整问题（亮度变化、颜色变化、拼接区错位，等等。）以及需要频繁维护的麻烦。
值得一提的是，与背投方式比较，此显示方式不需要大深度安装空间，安装期间材料搬运过程对建筑通道也无特殊要求，因而场地适应性相当好。
图像参数
图像宽度6800mm，高度2894mm，两面屏幕之间夹角105度，过渡区域旋转半径400mm，图像起始高度100mm。详见设计图。
此设计充分考虑到此系统实现多种功能的特点。既能很好地为汇报展示提供大场景、大视场角、高度沉浸感显示，也能为设计人员提供协同的工作环境。
●亮度输出超稳定光源
Mirage 304K出现之前所有高亮度投影机都存在亮度衰减太快的问题，即几乎所有亮度30,000流明级别的氙灯光源衰减到最大值50%的时间只有约500小时，每运行约80小时亮度输出下降超过标称最大值的10%，且通常运行250小时后会伴随着明显的灯闪烁（见下面是某厂家手册公布的实测曲线图）。目前所有的20,000流明级别的氙灯光源其亮度衰减到最大值50%的运行时间也不超过1000小时。
图11 不同光源的衰减幅度
Mirage 304K采用目前最先进的超稳定高效光源技术，其光源亮度衰减到最大值70%的运行时间不低于1,500小时。
●灵活的亮度输出设置
Mirage 304K亮度输出可以设置成下面几种模式：
a.灯全开启模式：最大光通量输出30,000中心流明（29,000ANSI流明）；
b.部分灯开启模式，即根据需要任意设置运行的灯数量。
例如，一只灯运行模式最大亮度输出5,000流明，2只灯模式下10,000流明，3只灯模式下15,000流明，等等，直到6只灯的30,000流明。
所有模式下均可将亮度输出设置成恒定亮度显示方式，如最大值的80%，系统能长期保持此亮度显示。
●光源冗余设计
Mirage 304K内部所有灯采用并联设计方式，任何灯若出现故障不会对其它灯产生影响。多通道系统工作时每台投影机会将自动将当前实际光通量输出值传递给同系统中的其它投影机以实现多通道系统亮度输出统一控制。
●超低噪音
由于采用目前最先进的光源技术及降噪工艺，Mirage304K的运行噪音大幅降低，正常工作时噪音不超过42dB。相当于一台PC工作站。
●低散热
由于采用冷光源技术，Mirage304K不需要专门配置笨重的排热管道以及相关的室外抽风设备，降低安装和运用的复杂性，减少对建筑和环境的长期影响。
●紧凑外观设计
Mirage304K采用全新紧凑的设计，机身外观规格为959 长x597宽x305 mm高，适合于所有显示方式，尤其是正投吊装方式。
●低运营维护成本
Mirage 304K由于采用长寿命低成本光源，其每小时运营成本不及同亮度氙灯投影机的1/3。
●内置高精度象素位置控制调节
Mirage 304K继承了长期以来专业级虚拟现实类投影机的特点：提供先进的投影机内置硬件方式实现像素位置几何实时校正及电子边缘融合，避免了外置设备带来的信号转换损失、增加的延迟、高故障率以及长期维护的麻烦等。
●全屏亮度均匀性和一致性控制调节
Mirage 304K投影机内置的Twist Pro（选项）提供了对任意显示区域甚至像素点亮度进行调节控制的能力。通过启用此功能，可以实现通道内100%亮度均匀性显示，以及通道间亮度一致性控制调节。这对于大规格屏幕尤其是背投显示情况下消除太阳效应非常关键。
●光学引擎全密封及液冷技术
Mirage304K投影机采用光学引擎全封装技术，其优点：
a. 光学引擎全密封避免了长期使用过程中无法过滤掉的灰尘及空气中的水气等进入引擎而导致的图像质量逐渐下降以及“死点”现象。