CN106407532A - 一种着装人体热质传递并行仿真方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种着装人体热质传递并行仿真方法及其系统，其中，该方法包括：对人体着装组合、外部环境、活动状态参数进行预处理；对人体和服装进行并行物理仿真计算；对并行仿真获取的人体体征参数结果进行可视化呈现。实施本发明实施例，能够通过用户信息的采集，环境信息的采集，活动相关参数的输入以及建立的人体和服装系统的数学模型对热质传递过程进行并行仿真，并将物理仿真得到的人体体征数据进行可视化处理并显示。

Description

一种着装人体热质传递并行仿真方法及其系统

技术领域

本发明涉及计算机仿真、纺织学、数据可视化技术领域，尤其涉及一种着装人体热质传递并行仿真方法及其系统。

背景技术

人体的生理活动都是在特定的温度范围内进行的，离开这个特定的温度范围人体就会出现代谢紊乱，甚至威胁到生命。人体的内部温度必须维持在37 0.5℃，且最大偏差为2℃。正常情况下着装人体的主要功能就是维持人体温度稳定，服装的基本功能就是保持人体在热环境中的热平衡和热舒适性。环境、人体、服装以及人体活动状态共同决定了人体的各项体征参数。虽然计算机仿真技术已经在纺织和服装领域广泛地应用，但在服装领域计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)系统并没有得到开发和利用。其中一个重要原因是环境、人体、以及织物之间复杂的热湿传递机理。人体在着装状态下，身体和环境时刻在进行能量交换，人体本身产生的水分与周围环境中的水分之间的能量交换的平衡决定了人体的舒适感觉，人体的着装在能量交换中起着调节热湿传递的作用。

通过对着装人体进行数学建模并进行物理仿真对于科学研究意义重大。首先建立准确的数学模型进行仿真可以预测许多实验室测量不到的数据，例如着装人体在极限条件下的反应；其次可以节省人力财力来仿真那些特殊的实验环境，例如太空环境下着装人体的热质传递；另外建立准确的仿真模型可以准确的仿真瞬间变化的环境状况，这对于指导实际生活意义重大，因为实际生活中许多情况是瞬间变化，例如大量的人同时涌入到地铁车厢内。

着装人体复杂的热湿传递机理使得在使用有限元方法进行仿真时，人体被划分为许多网元，这导致了完成物理仿真所需时间成为了仿真系统的一大短板。如何根据几何、环境以及性能相似性原理将所建立的模型转化为较为简单的模型以降低物理仿真的时间消耗成为迫切需要解决工程问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种着装人体热质传递并行仿真方法及系统，能够通过用户信息的采集，环境信息的采集，活动相关参数的输入以及建立的人体和服装系统的数学模型对热质传递过程进行并行仿真，并将物理仿真得到的人体体征数据进行可视化处理并显示。

为了解决上述问题，本发明提出了一种着装人体热质传递并行仿真方法，所述方法包括：

对人体着装组合、外部环境、活动状态参数进行预处理；

对人体和服装进行并行物理仿真计算；

对并行仿真获取的人体体征参数结果进行可视化呈现。

优选地，所述对人体着装组合、外部环境、活动状态参数进行预处理的步骤包括：

获取人体着装组合的相关参数；

对外部环境参数进行设置；

对活动参数进行设置；

对仿真控制参数进行设置；

采集人体初始的体征参数。

优选地，所述获取人体着装组合的相关参数的步骤，包括：

设置人体上半身和下半身所穿服装的组合；

设置人体所穿服装的层数；

设置服装覆盖所需人体部位；

设置每一层所采用何种纺织材料；

设置每一层纺织材料的厚度。

优选地，所述对人体和服装进行并行物理仿真计算的步骤，包括：

进行人体热生理平衡的数学建模，对人体部位细分为有限体积元；

进行服装系统的建模，将服装系统分层，每一层使用不同的织物，并将其看成是多孔的非饱和介质，每一层织物和空气层交错出现，对每一层织物建立热质平衡方程；

采用并行有限元处理中的大规模并行方法处理有限体积元。

优选地，所述对并行仿真获取的人体体征参数结果进行可视化呈现的步骤，包括：

将仿真后不同人体部位的温度放入到二维坐标系上进行可视化呈现，并将仿真结果和实验测试结果进行对比；

将服装的表面的温度放入到二维坐标系上进行可视化呈现，并将仿真结果和实验测试结果进行对比；

将人体不同部位的出汗率、皮肤水汽蒸发率放入到二维坐标系上进行可视化显示。

相应地，本发明还提供一种着装人体热质传递并行仿真系统，所述系统包括：

信息输入模块，用于对人体着装组合、外部环境、活动状态参数进行预处理；

并行仿真模块，用于对人体和服装进行并行物理仿真计算；

可视化处理模块，用于对并行仿真获取的人体体征参数结果进行可视化呈现。

优选地，所述信息输入模块包括：

服装组合构建单元，用于获取人体着装组合的相关参数；

环境参数构建单元，用于对外部环境参数进行设置；

活动参数构建单元，用于对活动参数进行设置；

仿真控制构建单元，用于对仿真控制参数进行设置；

采集单元，用于采集人体初始的体征参数。

优选地，所述服装组合构建单元还用于设置人体上半身和下半身所穿服装的组合；设置人体所穿服装的层数；设置服装覆盖所需人体部位；设置每一层所采用何种纺织材料；设置每一层纺织材料的厚度。

优选地，所述并行仿真模块包括：

人体建模单元，用于进行人体热生理平衡的数学建模，对人体部位细分为有限体积元；

服装建模单元，用于进行服装系统的建模，将服装系统分层，每一层使用不同的织物，并将其看成是多孔的非饱和介质，每一层织物和空气层交错出现，对每一层织物建立热质平衡方程；

处理单元，用于采用并行有限元处理中的大规模并行方法处理有限体积元。

优选地，所述可视化处理模块包括：

对比单元，用于将仿真后不同人体部位的温度放入到二维坐标系上进行可视化呈现，并将仿真结果和实验测试结果进行对比；将服装的表面的温度放入到二维坐标系上进行可视化呈现，并将仿真结果和实验测试结果进行对比；

显示单元，用于将人体不同部位的出汗率、皮肤水汽蒸发率放入到二维坐标系上进行可视化显示。

在本发明实施例中，通过用户信息的采集，环境信息的采集，活动相关参数的输入以及建立的人体和服装系统的数学模型对热质传递过程进行并行仿真，并将物理仿真得到的人体体征数据进行可视化处理并显示；通过数学模型的仿真得到的人体体征参数数据可以及时地预警人在不同运动状态下的危险性；同时可以提高计算机集群资源的有效利用，缩短仿真时间耗费，同时为医疗健康大数据领域实时预警人体在不同状态下的运动成为可能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例的着装人体热质传递并行仿真方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中参数预处理的流程示意图；

图3是本发明实施例中对人体和服装进行并行物理仿真计算的流程示意图；

图4a、4b是本发明实施例中人体组织部分及人体有限元的划分示意图；

图5是本发明实施例中非均匀服装系统的示意图；

图6是本发明实施例中人体有限元中的边界节点的示意图；

图7是本发明实施例中并行求解的模型分区和CPU布局的示意图；

图8是本发明实施例中执行引擎的执行流程图；

图9a、9b分别是本发明实施例中仿真人体温度和出汗率变化可视化图和仿真着装人体服装温度和水汽浓度变化可视化图；

图10是本发明实施例的着装人体热质传递并行仿真系统的结构组成示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例的着装人体热质传递并行仿真方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：

S1，对人体着装组合、外部环境、活动状态参数进行预处理；

S2，对人体和服装进行并行物理仿真计算；

S3，对并行仿真获取的人体体征参数结果进行可视化呈现。

其中，如图2所示，S1进一步包括：

S11，获取人体着装组合的相关参数；

S12，对外部环境参数进行设置；

S13，对活动参数进行设置；

S14，对仿真控制参数进行设置；

S15，采集人体初始的体征参数。

在S11中，具体地包括设置人体上半身和下半身的服装组合；服装覆盖哪些人体部位；人体所穿服装的层数；每一层服装采用何种纺织材料，每一层纺织材料的厚度。

在S12中，具体地包括设置仿真过程的环境段数设置；每一段环境的空气温度；每一段外部环境的辐射温度；每一段环境中的对流系数；每一段环境对应的辐射系数；每一段环境对应的相对湿度。

在S13中，具体地包括仿真活动参数的总段数设置；每一段活动的类型设置；每一段活动的新陈代谢率设置。

在S14中，具体地包括设置每一段环境和活动的仿真时间设置以及仿真时每秒进行有限元仿真迭代的次数。

S11进一步包括：

设置人体上半身和下半身所穿服装的组合；

设置人体所穿服装的层数；

设置服装覆盖所需人体部位；

设置每一层所采用何种纺织材料；

设置每一层纺织材料的厚度。

对外部环境参数进行设置的步骤，包括：

设置仿真的外部环境总段数；

设置每一段外部环境的空气温度；

设置每一段外部环境的平均辐射温度；

设置每一段外部环境的对流系数；

设置每一段外部环境的辐射系数；

设置每一段外部环境的相对湿度。

对活动参数进行设置的步骤，包括：

设置仿真的活动总段数；

设置每一段活动的类型；

设置每一段活动的新陈代谢率。

具体做法实施中，获取本次仿真的人体上下半身的服装组合，具体地包括本次仿真的服装覆盖哪些人体部位，人体所穿服装的层数，每一层所使用的纺织材料，每一层纺织材料的厚度。因为织物层和空气层是交错出现的，所以使用织物层的外半径定义以及厚度定义来定义这种结构。一旦选定所使用的纺织材料，那么本次仿真就会给相应的纺织材料编号，以后使用就会按照纺织材料的编号。相应地还要设置织物的厚度、干阻、比热、蒸发阻、密度以及相对湿度。

获取本次仿真的外部环境的相关参数。具体地，获取本次仿真所需要多少段外部环境的参数，每一段的环境的空气温度、平均辐射温度、对流系数、辐射系数、空气相对湿度等。

获取本次仿真的人体活动状态的相关参数，具体地包括本次仿真所需要的活动段数，每一段对应的活动类型以及新陈代谢率。

获取本次仿真所需的控制参数，具体地包括仿真的时间以及仿真时每秒进行有限元方法时迭代的次数。

获取本次仿真所需的人体网元的温度初始值，通过读取约定好的文件(存储了对应于人体网元的温度)格式的形式获取。

如图3所示，S2进一步包括：

S21，进行人体热生理平衡的数学建模，对人体部位细分为有限体积元；

S22，进行服装系统的建模，将服装系统分层，每一层使用不同的织物，并将其看成是多孔的非饱和介质，每一层织物和空气层交错出现，对每一层织物建立热质平衡方程；

S23，采用并行有限元处理中的大规模并行方法处理有限体积元。

其中，在S21中，根据人体生理学建立人体数学模型。从人体生理学出发将人体分为四大主要部分，分别是人体组织、循环系统、呼吸系统、热控系统，如图4a、4b所示，并将人体组织划分为15个部分，分别为头，颈，躯干，左右边的上臂、前臂、手，左右边大腿、小腿、脚。

进行组织划分时将每个部分看成一个同心圆柱体，最外面是脂肪层和皮肤层，人体组织划分的15个部分，需要进行再次细分为网格有限元单元，每个人体元通过动脉、静脉、毛细血管中的血液流动相联系。如图4b所示，对每个元进行径向、轴向、角向细分为网元，其中径向是根据同心壳的个数和以及厚度来定义，角向表示每个圆周被划分的块数，轴向表示Z轴被划分的段数，被细分的网格元通过静脉、动脉以及浅静脉相连。每个部位只通过人体的血液流动相联系，同时考虑浅静脉将人体各个部位连接在一起，这些连接可以依靠血液对流使得每个有限元都有热量传输。考虑循环系统以及呼吸系统以及热控系统对人体热生理活动的作用，根据人体血管分布将循环系统划分为5个部分，因为呼吸系统只在头和颈部以及躯干内因此将呼吸系统分为两大部分，最后对每一个人体网元建立热质传递方程。

在S22中，将服装细分为网格元；对每一个服装网格元建立热质传递方程；将细分的网格元组合成全服装系统，计算整个服装系统的热质传递。人体部位不是都被服装所覆盖的，如图5所示，总共分3种情况，人体网元圆柱体未被服装覆盖、被部分覆盖、全部覆盖。按照图4a、4b所示方式将服装细分为一个个网格元；对每个服装网格元建立的热质传递方程，对应于人体人体热生理计算模块的划分将服装系统划分为5大计算模块，即除了头部完全没有服装覆盖外其它部位都是部分或全部服装覆盖，这5大模块和人体的其他5大模块一一对应；将所细分的网格元组和成全服装系统，计算整个服装系统的热质传递。

在S23中，为了减少仿真时间耗费，采用并行化仿真技术。首先将人体分为相对独立的计算模块，此处将15个元组合为6个计算模块，如图6所示；利用区域分解出来的计算模块采用有限元并行处理技术分配不同的CPU，这些CPU的计算是相对独立的，但是它们通过交互机制来交换产生的热质数据；根据计算模型设计实现执行引擎；采用执行引擎将除躯干模块外的5个模块作为并行模块进行仿真计算，将它们的仿真结果作为边界条件去仿真躯干模块。

在6个计算模块中，头部和颈部组合为一个计算模块；左边的上臂、前臂、手组合为一个计算模块；相应的右边的上臂、前臂、手组合为一个计算模块；左边的大腿、小腿、脚组合为一个计算模块；相应的右边的大腿、小腿、脚组合为一个计算模块；躯干组合为另一个计算模块。

上述执行引擎采用多线程技术分别实现流程级别和活动级别的并行执行策略。服务流程经过控制线程池里的控制线程转到执行线程，然后对各种执行活动进行线程级别的调度。

在并行模块划分的时候，节点有属于不同计算模块两个邻居节点时，称之为边界节点，从物理上来说其属于一个区域，但从逻辑上来讲共属于两个处理器。在人体有限体积元的划分上有两种形式，一种是6节点楔形有限元单元，另一种是8节点块状有限元单元。因此会产生两种边界类型，如图6所示，在6节点楔形有限元和8节点块状有限元中，上半部分属于躯干部分，下半部分属于腿部，中间连接上下两个部位的就是边界节点，因此在进行仿真计算时需要每个处理器将边界节点的仿真数据共享，发送给邻居节点，如图7所示信息交换包括边界节点位置，热质传递相关参数。

使用有限元并行处理时，具体地说先将有限元分成不同的区域即将人体有限元分为6大部分，服装系统有限元分为5大部分，如图7所示的各个分区，每个分区通过边界节点相互作用。然后将这5个分区依次分配给CPU，CPU在计算在仿真迭代过程中交换信息。

执行引擎采用多线程技术分别实现流程级别和活动级别的并行执行策略。如图8所示，服务流程经过控制线程池里的控制线程转到执行线程，然后对各种执行活动进行线程级别的调度。

根据多线程的执行引擎进行并行仿真计算，具体地说首先利用消息传递接口将边界信息发送给相关的各个计算模块；执行引擎计算人体生理模型中相关参数包括能量代谢率，血流率，以及蒸发率；执行引擎使用刚度矩阵(有限元方法中的刚度矩阵)和力矢量计算动脉血管压力、出汗率、以及各个有限网元的温度；更新动脉血管压力、出汗率、以及各个有限网元的温度数据；计算模块更新人体边界节点的各参数；如果人体生理模型的计算模块没有被服装包裹则从开始再次循环直到设置的仿真时间，否则按照执行引擎的流程计算服装系统有限元的各种参数数据。

在对服装系统有限元进行计算时和人体有限元的计算模块基本一致，首先利用消息传递接口将服装边界元的信息发送给相关的各个计算模块；执行引擎计算每个计算模块的蒸汽压、液态水、热传输的新的值；更新蒸汽压、液态水、热传输数据。

具体实施中，S3进一步包括：

将仿真后不同人体部位的温度放入到二维坐标系上进行可视化呈现，并将仿真结果和实验测试结果进行对比；

将服装的表面的温度放入到二维坐标系上进行可视化呈现，并将仿真结果和实验测试结果进行对比；

将人体不同部位的出汗率、皮肤水汽蒸发率放入到二维坐标系上进行可视化显示。

图9a、9b是并行仿真系统在仿真如下情景的人体温度的变化。测试对象穿着聚丙烯材料的外套和裤子在30℃，空气湿度50％RH的环境中站立150分钟。其中图9a中a是人体头、躯干、以及左腿的皮肤温度的可视化图，b图是人体相应部位的出汗率的可视化图，其中实线代表并行仿真的结果，虚线代表实验测试结果。图9b中的图a是前臂、躯干、大腿处对应的服装处的温度可视化图，图b是相应部位服装的水汽浓度变化图。从图9a和图9b仿真结果和实验结果的对比可以看出并行仿真系统的仿真结果精确。

相应地，本发明实施例还提供一种着装人体热质传递并行仿真系统，如图10所示，该包括：

信息输入模块1，用于对人体着装组合、外部环境、活动状态参数进行预处理；

并行仿真模块2，用于对人体和服装进行并行物理仿真计算；

可视化处理模块3，用于对并行仿真获取的人体体征参数结果进行可视化呈现。

其中，信息输入模块1包括：

服装组合构建单元，用于获取人体着装组合的相关参数；

环境参数构建单元，用于对外部环境参数进行设置；

活动参数构建单元，用于对活动参数进行设置；

仿真控制构建单元，用于对仿真控制参数进行设置；

采集单元，用于采集人体初始的体征参数。

服装组合构建单元还用于设置人体上半身和下半身所穿服装的组合；设置人体所穿服装的层数；设置服装覆盖所需人体部位；设置每一层所采用何种纺织材料；设置每一层纺织材料的厚度。

并行仿真模块2包括：

人体建模单元，用于进行人体热生理平衡的数学建模，对人体部位细分为有限体积元；

服装建模单元，用于进行服装系统的建模，将服装系统分层，每一层使用不同的织物，并将其看成是多孔的非饱和介质，每一层织物和空气层交错出现，对每一层织物建立热质平衡方程；

处理单元，用于采用并行有限元处理中的大规模并行方法处理有限体积元。

可视化处理模块3包括：

对比单元，用于将仿真后不同人体部位的温度放入到二维坐标系上进行可视化呈现，并将仿真结果和实验测试结果进行对比；将服装的表面的温度放入到二维坐标系上进行可视化呈现，并将仿真结果和实验测试结果进行对比；

显示单元，用于将人体不同部位的出汗率、皮肤水汽蒸发率放入到二维坐标系上进行可视化显示。

本发明的系统实施例中各功能模块的功能可参见本发明方法实施例中的流程处理，这里不再赘述。

在本发明实施例中，通过用户信息的采集，环境信息的采集，活动相关参数的输入以及建立的人体和服装系统的数学模型对热质传递过程进行并行仿真，并将物理仿真得到的人体体征数据进行可视化处理并显示；通过数学模型的仿真得到的人体体征参数数据可以及时地预警人在不同运动状态下的危险性；同时可以提高计算机集群资源的有效利用，缩短仿真时间耗费，同时为医疗健康大数据领域实时预警人体在不同状态下的运动成为可能。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。

另外，以上对本发明实施例所提供的着装人体热质传递并行仿真方法及其系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种着装人体热质传递并行仿真方法，其特征在于，所述方法包括：

对人体着装组合、外部环境、活动状态参数进行预处理；

对人体和服装进行并行物理仿真计算；

对并行仿真获取的人体体征参数结果进行可视化呈现。

2.如权利要求1所述的着装人体热质传递并行仿真方法，其特征在于，所述对人体着装组合、外部环境、活动状态参数进行预处理的步骤包括：

获取人体着装组合的相关参数；

对外部环境参数进行设置；

对活动参数进行设置；

对仿真控制参数进行设置；

采集人体初始的体征参数。

3.如权利要求2所述的着装人体热质传递并行仿真方法，其特征在于，所述获取人体着装组合的相关参数的步骤，包括：

设置人体上半身和下半身所穿服装的组合；

设置人体所穿服装的层数；

设置服装覆盖所需人体部位；

设置每一层所采用何种纺织材料；

设置每一层纺织材料的厚度。

4.如权利要求1所述的着装人体热质传递并行仿真方法，其特征在于，所述对人体和服装进行并行物理仿真计算的步骤，包括：

进行人体热生理平衡的数学建模，对人体部位细分为有限体积元；

进行服装系统的建模，将服装系统分层，每一层使用不同的织物，并将其看成是多孔的非饱和介质，每一层织物和空气层交错出现，对每一层织物建立热质平衡方程；

采用并行有限元处理中的大规模并行方法处理有限体积元。

5.如权利要求1所述的着装人体热质传递并行仿真方法，其特征在于，所述对并行仿真获取的人体体征参数结果进行可视化呈现的步骤，包括：

将仿真后不同人体部位的温度放入到二维坐标系上进行可视化呈现，并将仿真结果和实验测试结果进行对比；

将服装的表面的温度放入到二维坐标系上进行可视化呈现，并将仿真结果和实验测试结果进行对比；

将人体不同部位的出汗率、皮肤水汽蒸发率放入到二维坐标系上进行可视化显示。

6.一种着装人体热质传递并行仿真系统，其特征在于，所述系统包括：

信息输入模块，用于对人体着装组合、外部环境、活动状态参数进行预处理；

并行仿真模块，用于对人体和服装进行并行物理仿真计算；

可视化处理模块，用于对并行仿真获取的人体体征参数结果进行可视化呈现。

7.如权利要求6所述的着装人体热质传递并行仿真系统，其特征在于，所述信息输入模块包括：

服装组合构建单元，用于获取人体着装组合的相关参数；

环境参数构建单元，用于对外部环境参数进行设置；

活动参数构建单元，用于对活动参数进行设置；

仿真控制构建单元，用于对仿真控制参数进行设置；

采集单元，用于采集人体初始的体征参数。

8.如权利要求7所述的着装人体热质传递并行仿真系统，其特征在于，所述服装组合构建单元还用于设置人体上半身和下半身所穿服装的组合；设置人体所穿服装的层数；设置服装覆盖所需人体部位；设置每一层所采用何种纺织材料；设置每一层纺织材料的厚度。

9.如权利要求6所述的着装人体热质传递并行仿真系统，其特征在于，所述并行仿真模块包括：

人体建模单元，用于进行人体热生理平衡的数学建模，对人体部位细分为有限体积元；

服装建模单元，用于进行服装系统的建模，将服装系统分层，每一层使用不同的织物，并将其看成是多孔的非饱和介质，每一层织物和空气层交错出现，对每一层织物建立热质平衡方程；

处理单元，用于采用并行有限元处理中的大规模并行方法处理有限体积元。

10.如权利要求6所述的着装人体热质传递并行仿真系统，其特征在于，所述可视化处理模块包括：

对比单元，用于将仿真后不同人体部位的温度放入到二维坐标系上进行可视化呈现，并将仿真结果和实验测试结果进行对比；将服装的表面的温度放入到二维坐标系上进行可视化呈现，并将仿真结果和实验测试结果进行对比；

显示单元，用于将人体不同部位的出汗率、皮肤水汽蒸发率放入到二维坐标系上进行可视化显示。