本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)仿真、紡織學(xué)、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種著裝人體熱質(zhì)傳遞并行仿真方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

人體的生理活動(dòng)都是在特定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，離開(kāi)這個(gè)特定的溫度范圍人體就會(huì)出現(xiàn)代謝紊亂，甚至威脅到生命。人體的內(nèi)部溫度必須維持在37 0.5℃，且最大偏差為2℃。正常情況下著裝人體的主要功能就是維持人體溫度穩(wěn)定，服裝的基本功能就是保持人體在熱環(huán)境中的熱平衡和熱舒適性。環(huán)境、人體、服裝以及人體活動(dòng)狀態(tài)共同決定了人體的各項(xiàng)體征參數(shù)。雖然計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)在紡織和服裝領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用，但在服裝領(lǐng)域計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design，CAD)系統(tǒng)并沒(méi)有得到開(kāi)發(fā)和利用。其中一個(gè)重要原因是環(huán)境、人體、以及織物之間復(fù)雜的熱濕傳遞機(jī)理。人體在著裝狀態(tài)下，身體和環(huán)境時(shí)刻在進(jìn)行能量交換，人體本身產(chǎn)生的水分與周?chē)h(huán)境中的水分之間的能量交換的平衡決定了人體的舒適感覺(jué)，人體的著裝在能量交換中起著調(diào)節(jié)熱濕傳遞的作用。

通過(guò)對(duì)著裝人體進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并進(jìn)行物理仿真對(duì)于科學(xué)研究意義重大。首先建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真可以預(yù)測(cè)許多實(shí)驗(yàn)室測(cè)量不到的數(shù)據(jù)，例如著裝人體在極限條件下的反應(yīng)；其次可以節(jié)省人力財(cái)力來(lái)仿真那些特殊的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，例如太空環(huán)境下著裝人體的熱質(zhì)傳遞；另外建立準(zhǔn)確的仿真模型可以準(zhǔn)確的仿真瞬間變化的環(huán)境狀況，這對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際生活意義重大，因?yàn)閷?shí)際生活中許多情況是瞬間變化，例如大量的人同時(shí)涌入到地鐵車(chē)廂內(nèi)。

著裝人體復(fù)雜的熱濕傳遞機(jī)理使得在使用有限元方法進(jìn)行仿真時(shí)，人體被劃分為許多網(wǎng)元，這導(dǎo)致了完成物理仿真所需時(shí)間成為了仿真系統(tǒng)的一大短板。如何根據(jù)幾何、環(huán)境以及性能相似性原理將所建立的模型轉(zhuǎn)化為較為簡(jiǎn)單的模型以降低物理仿真的時(shí)間消耗成為迫切需要解決工程問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種著裝人體熱質(zhì)傳遞并行仿真方法及系統(tǒng)，能夠通過(guò)用戶(hù)信息的采集，環(huán)境信息的采集，活動(dòng)相關(guān)參數(shù)的輸入以及建立的人體和服裝系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)熱質(zhì)傳遞過(guò)程進(jìn)行并行仿真，并將物理仿真得到的人體體征數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理并顯示。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種著裝人體熱質(zhì)傳遞并行仿真方法，所述方法包括：

對(duì)人體著裝組合、外部環(huán)境、活動(dòng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理；

對(duì)人體和服裝進(jìn)行并行物理仿真計(jì)算；

對(duì)并行仿真獲取的人體體征參數(shù)結(jié)果進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。

優(yōu)選地，所述對(duì)人體著裝組合、外部環(huán)境、活動(dòng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理的步驟包括：

獲取人體著裝組合的相關(guān)參數(shù)；

對(duì)外部環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

對(duì)活動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

對(duì)仿真控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

采集人體初始的體征參數(shù)。

優(yōu)選地，所述獲取人體著裝組合的相關(guān)參數(shù)的步驟，包括：

設(shè)置人體上半身和下半身所穿服裝的組合；

設(shè)置人體所穿服裝的層數(shù)；

設(shè)置服裝覆蓋所需人體部位；

設(shè)置每一層所采用何種紡織材料；

設(shè)置每一層紡織材料的厚度。

優(yōu)選地，所述對(duì)人體和服裝進(jìn)行并行物理仿真計(jì)算的步驟，包括：

進(jìn)行人體熱生理平衡的數(shù)學(xué)建模，對(duì)人體部位細(xì)分為有限體積元；

進(jìn)行服裝系統(tǒng)的建模，將服裝系統(tǒng)分層，每一層使用不同的織物，并將其看成是多孔的非飽和介質(zhì)，每一層織物和空氣層交錯(cuò)出現(xiàn)，對(duì)每一層織物建立熱質(zhì)平衡方程；

采用并行有限元處理中的大規(guī)模并行方法處理有限體積元。

優(yōu)選地，所述對(duì)并行仿真獲取的人體體征參數(shù)結(jié)果進(jìn)行可視化呈現(xiàn)的步驟，包括：

將仿真后不同人體部位的溫度放入到二維坐標(biāo)系上進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，并將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；

將服裝的表面的溫度放入到二維坐標(biāo)系上進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，并將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；

將人體不同部位的出汗率、皮膚水汽蒸發(fā)率放入到二維坐標(biāo)系上進(jìn)行可視化顯示。

相應(yīng)地，本發(fā)明還提供一種著裝人體熱質(zhì)傳遞并行仿真系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

信息輸入模塊，用于對(duì)人體著裝組合、外部環(huán)境、活動(dòng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理；

并行仿真模塊，用于對(duì)人體和服裝進(jìn)行并行物理仿真計(jì)算；

可視化處理模塊，用于對(duì)并行仿真獲取的人體體征參數(shù)結(jié)果進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。

優(yōu)選地，所述信息輸入模塊包括：

服裝組合構(gòu)建單元，用于獲取人體著裝組合的相關(guān)參數(shù)；

環(huán)境參數(shù)構(gòu)建單元，用于對(duì)外部環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

活動(dòng)參數(shù)構(gòu)建單元，用于對(duì)活動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

仿真控制構(gòu)建單元，用于對(duì)仿真控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

采集單元，用于采集人體初始的體征參數(shù)。

優(yōu)選地，所述服裝組合構(gòu)建單元還用于設(shè)置人體上半身和下半身所穿服裝的組合；設(shè)置人體所穿服裝的層數(shù)；設(shè)置服裝覆蓋所需人體部位；設(shè)置每一層所采用何種紡織材料；設(shè)置每一層紡織材料的厚度。

優(yōu)選地，所述并行仿真模塊包括：

人體建模單元，用于進(jìn)行人體熱生理平衡的數(shù)學(xué)建模，對(duì)人體部位細(xì)分為有限體積元；

服裝建模單元，用于進(jìn)行服裝系統(tǒng)的建模，將服裝系統(tǒng)分層，每一層使用不同的織物，并將其看成是多孔的非飽和介質(zhì)，每一層織物和空氣層交錯(cuò)出現(xiàn)，對(duì)每一層織物建立熱質(zhì)平衡方程；

處理單元，用于采用并行有限元處理中的大規(guī)模并行方法處理有限體積元。

優(yōu)選地，所述可視化處理模塊包括：

對(duì)比單元，用于將仿真后不同人體部位的溫度放入到二維坐標(biāo)系上進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，并將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；將服裝的表面的溫度放入到二維坐標(biāo)系上進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，并將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；

顯示單元，用于將人體不同部位的出汗率、皮膚水汽蒸發(fā)率放入到二維坐標(biāo)系上進(jìn)行可視化顯示。

在本發(fā)明實(shí)施例中，通過(guò)用戶(hù)信息的采集，環(huán)境信息的采集，活動(dòng)相關(guān)參數(shù)的輸入以及建立的人體和服裝系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)熱質(zhì)傳遞過(guò)程進(jìn)行并行仿真，并將物理仿真得到的人體體征數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理并顯示；通過(guò)數(shù)學(xué)模型的仿真得到的人體體征參數(shù)數(shù)據(jù)可以及時(shí)地預(yù)警人在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的危險(xiǎn)性；同時(shí)可以提高計(jì)算機(jī)集群資源的有效利用，縮短仿真時(shí)間耗費(fèi)，同時(shí)為醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)領(lǐng)域?qū)崟r(shí)預(yù)警人體在不同狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)成為可能。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的著裝人體熱質(zhì)傳遞并行仿真方法的流程示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中參數(shù)預(yù)處理的流程示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)人體和服裝進(jìn)行并行物理仿真計(jì)算的流程示意圖；

圖4a、4b是本發(fā)明實(shí)施例中人體組織部分及人體有限元的劃分示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中非均勻服裝系統(tǒng)的示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中人體有限元中的邊界節(jié)點(diǎn)的示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例中并行求解的模型分區(qū)和CPU布局的示意圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例中執(zhí)行引擎的執(zhí)行流程圖；

圖9a、9b分別是本發(fā)明實(shí)施例中仿真人體溫度和出汗率變化可視化圖和仿真著裝人體服裝溫度和水汽濃度變化可視化圖；

圖10是本發(fā)明實(shí)施例的著裝人體熱質(zhì)傳遞并行仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的著裝人體熱質(zhì)傳遞并行仿真方法的流程示意圖，如圖1所示，該方法包括：

S1，對(duì)人體著裝組合、外部環(huán)境、活動(dòng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理；

S2，對(duì)人體和服裝進(jìn)行并行物理仿真計(jì)算；

S3，對(duì)并行仿真獲取的人體體征參數(shù)結(jié)果進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。

其中，如圖2所示，S1進(jìn)一步包括：

S11，獲取人體著裝組合的相關(guān)參數(shù)；

S12，對(duì)外部環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

S13，對(duì)活動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

S14，對(duì)仿真控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

S15，采集人體初始的體征參數(shù)。

在S11中，具體地包括設(shè)置人體上半身和下半身的服裝組合；服裝覆蓋哪些人體部位；人體所穿服裝的層數(shù)；每一層服裝采用何種紡織材料，每一層紡織材料的厚度。

在S12中，具體地包括設(shè)置仿真過(guò)程的環(huán)境段數(shù)設(shè)置；每一段環(huán)境的空氣溫度；每一段外部環(huán)境的輻射溫度；每一段環(huán)境中的對(duì)流系數(shù)；每一段環(huán)境對(duì)應(yīng)的輻射系數(shù)；每一段環(huán)境對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度。

在S13中，具體地包括仿真活動(dòng)參數(shù)的總段數(shù)設(shè)置；每一段活動(dòng)的類(lèi)型設(shè)置；每一段活動(dòng)的新陳代謝率設(shè)置。

在S14中，具體地包括設(shè)置每一段環(huán)境和活動(dòng)的仿真時(shí)間設(shè)置以及仿真時(shí)每秒進(jìn)行有限元仿真迭代的次數(shù)。

S11進(jìn)一步包括：

設(shè)置人體上半身和下半身所穿服裝的組合；

設(shè)置人體所穿服裝的層數(shù)；

設(shè)置服裝覆蓋所需人體部位；

設(shè)置每一層所采用何種紡織材料；

設(shè)置每一層紡織材料的厚度。

對(duì)外部環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的步驟，包括：

設(shè)置仿真的外部環(huán)境總段數(shù)；

設(shè)置每一段外部環(huán)境的空氣溫度；

設(shè)置每一段外部環(huán)境的平均輻射溫度；

設(shè)置每一段外部環(huán)境的對(duì)流系數(shù)；

設(shè)置每一段外部環(huán)境的輻射系數(shù)；

設(shè)置每一段外部環(huán)境的相對(duì)濕度。

對(duì)活動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的步驟，包括：

設(shè)置仿真的活動(dòng)總段數(shù)；

設(shè)置每一段活動(dòng)的類(lèi)型；

設(shè)置每一段活動(dòng)的新陳代謝率。

具體做法實(shí)施中，獲取本次仿真的人體上下半身的服裝組合，具體地包括本次仿真的服裝覆蓋哪些人體部位，人體所穿服裝的層數(shù)，每一層所使用的紡織材料，每一層紡織材料的厚度。因?yàn)榭椢飳雍涂諝鈱邮墙诲e(cuò)出現(xiàn)的，所以使用織物層的外半徑定義以及厚度定義來(lái)定義這種結(jié)構(gòu)。一旦選定所使用的紡織材料，那么本次仿真就會(huì)給相應(yīng)的紡織材料編號(hào)，以后使用就會(huì)按照紡織材料的編號(hào)。相應(yīng)地還要設(shè)置織物的厚度、干阻、比熱、蒸發(fā)阻、密度以及相對(duì)濕度。

獲取本次仿真的外部環(huán)境的相關(guān)參數(shù)。具體地，獲取本次仿真所需要多少段外部環(huán)境的參數(shù)，每一段的環(huán)境的空氣溫度、平均輻射溫度、對(duì)流系數(shù)、輻射系數(shù)、空氣相對(duì)濕度等。

獲取本次仿真的人體活動(dòng)狀態(tài)的相關(guān)參數(shù)，具體地包括本次仿真所需要的活動(dòng)段數(shù)，每一段對(duì)應(yīng)的活動(dòng)類(lèi)型以及新陳代謝率。

獲取本次仿真所需的控制參數(shù)，具體地包括仿真的時(shí)間以及仿真時(shí)每秒進(jìn)行有限元方法時(shí)迭代的次數(shù)。

獲取本次仿真所需的人體網(wǎng)元的溫度初始值，通過(guò)讀取約定好的文件(存儲(chǔ)了對(duì)應(yīng)于人體網(wǎng)元的溫度)格式的形式獲取。

如圖3所示，S2進(jìn)一步包括：

S21，進(jìn)行人體熱生理平衡的數(shù)學(xué)建模，對(duì)人體部位細(xì)分為有限體積元；

S22，進(jìn)行服裝系統(tǒng)的建模，將服裝系統(tǒng)分層，每一層使用不同的織物，并將其看成是多孔的非飽和介質(zhì)，每一層織物和空氣層交錯(cuò)出現(xiàn)，對(duì)每一層織物建立熱質(zhì)平衡方程；

S23，采用并行有限元處理中的大規(guī)模并行方法處理有限體積元。

其中，在S21中，根據(jù)人體生理學(xué)建立人體數(shù)學(xué)模型。從人體生理學(xué)出發(fā)將人體分為四大主要部分，分別是人體組織、循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)，如圖4a、4b所示，并將人體組織劃分為15個(gè)部分，分別為頭，頸，軀干，左右邊的上臂、前臂、手，左右邊大腿、小腿、腳。

進(jìn)行組織劃分時(shí)將每個(gè)部分看成一個(gè)同心圓柱體，最外面是脂肪層和皮膚層，人體組織劃分的15個(gè)部分，需要進(jìn)行再次細(xì)分為網(wǎng)格有限元單元，每個(gè)人體元通過(guò)動(dòng)脈、靜脈、毛細(xì)血管中的血液流動(dòng)相聯(lián)系。如圖4b所示，對(duì)每個(gè)元進(jìn)行徑向、軸向、角向細(xì)分為網(wǎng)元，其中徑向是根據(jù)同心殼的個(gè)數(shù)和以及厚度來(lái)定義，角向表示每個(gè)圓周被劃分的塊數(shù)，軸向表示Z軸被劃分的段數(shù)，被細(xì)分的網(wǎng)格元通過(guò)靜脈、動(dòng)脈以及淺靜脈相連。每個(gè)部位只通過(guò)人體的血液流動(dòng)相聯(lián)系，同時(shí)考慮淺靜脈將人體各個(gè)部位連接在一起，這些連接可以依靠血液對(duì)流使得每個(gè)有限元都有熱量傳輸。考慮循環(huán)系統(tǒng)以及呼吸系統(tǒng)以及熱控系統(tǒng)對(duì)人體熱生理活動(dòng)的作用，根據(jù)人體血管分布將循環(huán)系統(tǒng)劃分為5個(gè)部分，因?yàn)楹粑到y(tǒng)只在頭和頸部以及軀干內(nèi)因此將呼吸系統(tǒng)分為兩大部分，最后對(duì)每一個(gè)人體網(wǎng)元建立熱質(zhì)傳遞方程。

在S22中，將服裝細(xì)分為網(wǎng)格元；對(duì)每一個(gè)服裝網(wǎng)格元建立熱質(zhì)傳遞方程；將細(xì)分的網(wǎng)格元組合成全服裝系統(tǒng)，計(jì)算整個(gè)服裝系統(tǒng)的熱質(zhì)傳遞。人體部位不是都被服裝所覆蓋的，如圖5所示，總共分3種情況，人體網(wǎng)元圓柱體未被服裝覆蓋、被部分覆蓋、全部覆蓋。按照?qǐng)D4a、4b所示方式將服裝細(xì)分為一個(gè)個(gè)網(wǎng)格元；對(duì)每個(gè)服裝網(wǎng)格元建立的熱質(zhì)傳遞方程，對(duì)應(yīng)于人體人體熱生理計(jì)算模塊的劃分將服裝系統(tǒng)劃分為5大計(jì)算模塊，即除了頭部完全沒(méi)有服裝覆蓋外其它部位都是部分或全部服裝覆蓋，這5大模塊和人體的其他5大模塊一一對(duì)應(yīng)；將所細(xì)分的網(wǎng)格元組和成全服裝系統(tǒng)，計(jì)算整個(gè)服裝系統(tǒng)的熱質(zhì)傳遞。

在S23中，為了減少仿真時(shí)間耗費(fèi)，采用并行化仿真技術(shù)。首先將人體分為相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算模塊，此處將15個(gè)元組合為6個(gè)計(jì)算模塊，如圖6所示；利用區(qū)域分解出來(lái)的計(jì)算模塊采用有限元并行處理技術(shù)分配不同的CPU，這些CPU的計(jì)算是相對(duì)獨(dú)立的，但是它們通過(guò)交互機(jī)制來(lái)交換產(chǎn)生的熱質(zhì)數(shù)據(jù)；根據(jù)計(jì)算模型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行引擎；采用執(zhí)行引擎將除軀干模塊外的5個(gè)模塊作為并行模塊進(jìn)行仿真計(jì)算，將它們的仿真結(jié)果作為邊界條件去仿真軀干模塊。

在6個(gè)計(jì)算模塊中，頭部和頸部組合為一個(gè)計(jì)算模塊；左邊的上臂、前臂、手組合為一個(gè)計(jì)算模塊；相應(yīng)的右邊的上臂、前臂、手組合為一個(gè)計(jì)算模塊；左邊的大腿、小腿、腳組合為一個(gè)計(jì)算模塊；相應(yīng)的右邊的大腿、小腿、腳組合為一個(gè)計(jì)算模塊；軀干組合為另一個(gè)計(jì)算模塊。

上述執(zhí)行引擎采用多線(xiàn)程技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)流程級(jí)別和活動(dòng)級(jí)別的并行執(zhí)行策略。服務(wù)流程經(jīng)過(guò)控制線(xiàn)程池里的控制線(xiàn)程轉(zhuǎn)到執(zhí)行線(xiàn)程，然后對(duì)各種執(zhí)行活動(dòng)進(jìn)行線(xiàn)程級(jí)別的調(diào)度。

在并行模塊劃分的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)有屬于不同計(jì)算模塊兩個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)，稱(chēng)之為邊界節(jié)點(diǎn)，從物理上來(lái)說(shuō)其屬于一個(gè)區(qū)域，但從邏輯上來(lái)講共屬于兩個(gè)處理器。在人體有限體積元的劃分上有兩種形式，一種是6節(jié)點(diǎn)楔形有限元單元，另一種是8節(jié)點(diǎn)塊狀有限元單元。因此會(huì)產(chǎn)生兩種邊界類(lèi)型，如圖6所示，在6節(jié)點(diǎn)楔形有限元和8節(jié)點(diǎn)塊狀有限元中，上半部分屬于軀干部分，下半部分屬于腿部，中間連接上下兩個(gè)部位的就是邊界節(jié)點(diǎn)，因此在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)需要每個(gè)處理器將邊界節(jié)點(diǎn)的仿真數(shù)據(jù)共享，發(fā)送給鄰居節(jié)點(diǎn)，如圖7所示信息交換包括邊界節(jié)點(diǎn)位置，熱質(zhì)傳遞相關(guān)參數(shù)。

使用有限元并行處理時(shí)，具體地說(shuō)先將有限元分成不同的區(qū)域即將人體有限元分為6大部分，服裝系統(tǒng)有限元分為5大部分，如圖7所示的各個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)通過(guò)邊界節(jié)點(diǎn)相互作用。然后將這5個(gè)分區(qū)依次分配給CPU，CPU在計(jì)算在仿真迭代過(guò)程中交換信息。

執(zhí)行引擎采用多線(xiàn)程技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)流程級(jí)別和活動(dòng)級(jí)別的并行執(zhí)行策略。如圖8所示，服務(wù)流程經(jīng)過(guò)控制線(xiàn)程池里的控制線(xiàn)程轉(zhuǎn)到執(zhí)行線(xiàn)程，然后對(duì)各種執(zhí)行活動(dòng)進(jìn)行線(xiàn)程級(jí)別的調(diào)度。

根據(jù)多線(xiàn)程的執(zhí)行引擎進(jìn)行并行仿真計(jì)算，具體地說(shuō)首先利用消息傳遞接口將邊界信息發(fā)送給相關(guān)的各個(gè)計(jì)算模塊；執(zhí)行引擎計(jì)算人體生理模型中相關(guān)參數(shù)包括能量代謝率，血流率，以及蒸發(fā)率；執(zhí)行引擎使用剛度矩陣(有限元方法中的剛度矩陣)和力矢量計(jì)算動(dòng)脈血管壓力、出汗率、以及各個(gè)有限網(wǎng)元的溫度；更新動(dòng)脈血管壓力、出汗率、以及各個(gè)有限網(wǎng)元的溫度數(shù)據(jù)；計(jì)算模塊更新人體邊界節(jié)點(diǎn)的各參數(shù)；如果人體生理模型的計(jì)算模塊沒(méi)有被服裝包裹則從開(kāi)始再次循環(huán)直到設(shè)置的仿真時(shí)間，否則按照?qǐng)?zhí)行引擎的流程計(jì)算服裝系統(tǒng)有限元的各種參數(shù)數(shù)據(jù)。

在對(duì)服裝系統(tǒng)有限元進(jìn)行計(jì)算時(shí)和人體有限元的計(jì)算模塊基本一致，首先利用消息傳遞接口將服裝邊界元的信息發(fā)送給相關(guān)的各個(gè)計(jì)算模塊；執(zhí)行引擎計(jì)算每個(gè)計(jì)算模塊的蒸汽壓、液態(tài)水、熱傳輸?shù)男碌闹?；更新蒸汽壓、液態(tài)水、熱傳輸數(shù)據(jù)。

具體實(shí)施中，S3進(jìn)一步包括：

將仿真后不同人體部位的溫度放入到二維坐標(biāo)系上進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，并將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；

將服裝的表面的溫度放入到二維坐標(biāo)系上進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，并將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；

將人體不同部位的出汗率、皮膚水汽蒸發(fā)率放入到二維坐標(biāo)系上進(jìn)行可視化顯示。

圖9a、9b是并行仿真系統(tǒng)在仿真如下情景的人體溫度的變化。測(cè)試對(duì)象穿著聚丙烯材料的外套和褲子在30℃，空氣濕度50％RH的環(huán)境中站立150分鐘。其中圖9a中a是人體頭、軀干、以及左腿的皮膚溫度的可視化圖，b圖是人體相應(yīng)部位的出汗率的可視化圖，其中實(shí)線(xiàn)代表并行仿真的結(jié)果，虛線(xiàn)代表實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。圖9b中的圖a是前臂、軀干、大腿處對(duì)應(yīng)的服裝處的溫度可視化圖，圖b是相應(yīng)部位服裝的水汽濃度變化圖。從圖9a和圖9b仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以看出并行仿真系統(tǒng)的仿真結(jié)果精確。

相應(yīng)地，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種著裝人體熱質(zhì)傳遞并行仿真系統(tǒng)，如圖10所示，該包括：

信息輸入模塊1，用于對(duì)人體著裝組合、外部環(huán)境、活動(dòng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理；

并行仿真模塊2，用于對(duì)人體和服裝進(jìn)行并行物理仿真計(jì)算；

可視化處理模塊3，用于對(duì)并行仿真獲取的人體體征參數(shù)結(jié)果進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。

其中，信息輸入模塊1包括：

服裝組合構(gòu)建單元，用于獲取人體著裝組合的相關(guān)參數(shù)；

環(huán)境參數(shù)構(gòu)建單元，用于對(duì)外部環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

活動(dòng)參數(shù)構(gòu)建單元，用于對(duì)活動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

仿真控制構(gòu)建單元，用于對(duì)仿真控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

采集單元，用于采集人體初始的體征參數(shù)。

服裝組合構(gòu)建單元還用于設(shè)置人體上半身和下半身所穿服裝的組合；設(shè)置人體所穿服裝的層數(shù)；設(shè)置服裝覆蓋所需人體部位；設(shè)置每一層所采用何種紡織材料；設(shè)置每一層紡織材料的厚度。

并行仿真模塊2包括：

人體建模單元，用于進(jìn)行人體熱生理平衡的數(shù)學(xué)建模，對(duì)人體部位細(xì)分為有限體積元；

服裝建模單元，用于進(jìn)行服裝系統(tǒng)的建模，將服裝系統(tǒng)分層，每一層使用不同的織物，并將其看成是多孔的非飽和介質(zhì)，每一層織物和空氣層交錯(cuò)出現(xiàn)，對(duì)每一層織物建立熱質(zhì)平衡方程；

處理單元，用于采用并行有限元處理中的大規(guī)模并行方法處理有限體積元。

可視化處理模塊3包括：

對(duì)比單元，用于將仿真后不同人體部位的溫度放入到二維坐標(biāo)系上進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，并將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；將服裝的表面的溫度放入到二維坐標(biāo)系上進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，并將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；

顯示單元，用于將人體不同部位的出汗率、皮膚水汽蒸發(fā)率放入到二維坐標(biāo)系上進(jìn)行可視化顯示。

本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)施例中各功能模塊的功能可參見(jiàn)本發(fā)明方法實(shí)施例中的流程處理，這里不再贅述。

在本發(fā)明實(shí)施例中，通過(guò)用戶(hù)信息的采集，環(huán)境信息的采集，活動(dòng)相關(guān)參數(shù)的輸入以及建立的人體和服裝系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)熱質(zhì)傳遞過(guò)程進(jìn)行并行仿真，并將物理仿真得到的人體體征數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理并顯示；通過(guò)數(shù)學(xué)模型的仿真得到的人體體征參數(shù)數(shù)據(jù)可以及時(shí)地預(yù)警人在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的危險(xiǎn)性；同時(shí)可以提高計(jì)算機(jī)集群資源的有效利用，縮短仿真時(shí)間耗費(fèi)，同時(shí)為醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)領(lǐng)域?qū)崟r(shí)預(yù)警人體在不同狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)成為可能。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解上述實(shí)施例的各種方法中的全部或部分步驟是可以通過(guò)程序來(lái)指令相關(guān)的硬件來(lái)完成，該程序可以存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中，存儲(chǔ)介質(zhì)可以包括：只讀存儲(chǔ)器(ROM，Read Only Memory)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM，Random Access Memory)、磁盤(pán)或光盤(pán)等。

另外，以上對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所提供的著裝人體熱質(zhì)傳遞并行仿真方法及其系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。