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为贯彻落实国务院《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》，按照《工业互联网APP培育工程实施方案（-年）》（以下简称《实施方案》）要求，由工业和信息化部、天津市人民政府主办，天津市工业和信息化局、中国工业技术软件化产业联盟、工业和信息化部电子第五研究所联合承办的中国（天津）工业APP创新应用大赛（以下简称“大赛”）已圆满结束。

本次大赛涌现出了一批具有示范效应、产业带动性强的优秀作品，为加强典型经验总结和优秀案例推广，推动工业互联网APP生态建设，中国工业技术软件化产业联盟将陆续甄选部分优秀解决方案与各位分享。

本期分享的优秀解决方案是来自上海数巧信息科技有限公司的“Toptimizer在线结构拓扑优化及模型数据管理平台”。

上海数巧信息科技有限公司

Toptimizer在线结构拓扑优化及模型数据管理平台

本解决方案是通用的在线结构拓扑优化设计系统，基于WebGL三维渲染和云计算等技术，创新地将Web应用技术、云计算技术与结构拓扑优化技术相结合，辅以在线模型数据管理系统，形成一套基于Web浏览器的在线结构拓扑优化软件系统（SimrightToptimizer），实现在任何有浏览器的电脑、平板甚至智能手机上，可随时随地进行结构优化设计，并且直接将结果在浏览器中进行三维展示。

本解决方案完全采用Web化应用，无需安装软件、插件，界面清晰、操作简单，用户上手快。在云计算技术加持下，计算求解快速稳定，通常在数分钟内即可获得优化结果。结合系统内建的5级几何光顺化算法，用户可将拓扑优化得到的结果进行自动光顺化处理后，直接导出为STL格式模型，传输到3D打印机进行打印成形，快速获得结构优化设计的实体零件。

本系统为无仿真分析基础的产品概念设计师、CAD建模工程师提供了一个简单、高效的结构优化设计解决方案，其优化结果工程可用性强，模型数据可在线共享，能够满足企业在产品设计阶段的结构优化以及在线协同设计的需求。同时通过按需订阅（SaaS）和云计算的方式，大大降低用户的软硬件使用成本。

传统的单机版工业软件价格昂贵，学习、维护成本高，有不小的“准入门槛”。简洁高效、工程可用且成本可控的结构优化软件解决方案，能帮助企业更快地提升其产品设计和制造水平。为此，本解决方案紧紧围绕操作简便、执行高效、自动化流程数据管理进行架构设计。

（一）技术架构

本解决方案的软件系统架构为B/S架构，即“浏览器端/服务器端”结构，浏览器端与服务器端通信遵循RESTful-API架构体系，属于“轻客户端、重服务器端”的运行模式，以此实现最大程度降低对用户电脑硬件的要求，同时保证系统在求解计算时的快速、稳定。系统架构图见图1。

图1系统架构图

根据结构优化、仿真软件的特点，浏览器端包括了系统前处理、后处理两大模块的显示与交互。前处理模块主要用于导入三维模型、设置结构拓扑优化计算的各项参数；后处理模块主要完成计算后的结果三维显示和STL模型导出。

在服务器端，以各个功能算法模块，执行数据处理、云计算和数据管理，主要包括网格划分、有限元求解、拓扑优化算法、几何光顺算法，以及模型数据管理。

（二）技术难点

在浏览器端，最大的技术挑战是如何在用户硬件配置有限的浏览器环境下，实现大模型的三维显示、交互功能。本解决方案中，依托公司基于WebGL技术自主研发的三维渲染引擎，以及针对CAD模型和STL模型的多项数据压缩、优化算法，实现大尺寸复杂模型在浏览器中的三维显示，可支持数据规模达10GB的STL格式装配体模型在线展示，并且在普通配置电脑上依然具备优秀的模型操作流畅度。

在服务器端，四大云计算模块的计算效率、计算结果可用性是结构优化软件需要面对的关键挑战。本解决方案中，在服务器端集成了成熟、稳定的开源有限元求解器，并且自主研发了功能强大的全自动网格剖分引擎、高效的拓扑优化算法以及5级可调的自动几何光顺化算法，保证了在结构拓扑优化任务过程中，从网格剖分、求解计算到优化模型光顺化、STL模型输出，全流程高效的自动化执行，能充分展现云计算整合硬件计算资源的架构优势。

为实现将传统的仿真优化软件变成与工业云深度整合的新一代云计算在线应用，本解决方案中包含了自主研发的多项核心技术，包括Web3D技术（Web三维渲染引擎）、网格剖分引擎、拓扑优化算法、几何光顺化算法，自主建立了一套仿真数据管理系统（SDM），并且遵循RESTful架构实现浏览器端-服务器端通信、采用Docker微服务进行分布式部署等，团队积累了大量先进的互联网系统搭建和部署方式的实战经验。

以下简要介绍前述的各项创新技术：

（1）Web3D技术

Web3D是实现网页中虚拟现实的一种最新技术，其标准接口为WebGL。WebGL（全称WebGraphicsLibrary）是一种3D绘图协议，这种绘图技术标准允许把JavaScript和OpenGLES结合在一起。WebGL可以为HTML5Canvas提供硬件3D加速渲染，这样Web开发人员就可以借助系统显卡在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型。

公司从基于底层的WebGL接口，完全自主地开发了三维Web渲染引擎。它的特点主要包括：

○高性能

○跨平台

○支持移动端

○针对CAE优化

Web3D技术是面向3D对象的软件系统实现B/S架构的核心技术之一。应用Web3D技术，可以在浏览器前端实现本项目中对于前处理、后处理的图形化显示、编辑等需求。

（2）网格剖分引擎

无论是CAE仿真分析，还是结构拓扑优化计算，网格剖分都是其数据准备过程中非常核心的一步，甚至往往是关系到计算能否顺利完成、结果是否准确可靠的关键。

传统的国际CAE软件公司，都拥有各自的网格剖分软件，多数都是通过自动剖分加手工修改的方式，来实现对各种复杂工程模型的处理，多数情况下，还需要对几何模型进行一定的“合理简化”处理。随着各行业产品设计、迭代的速度不断加快，几乎所有厂商都在寻求满足其各自需求的“全自动网格剖分”软件，以求缩短在网格剖分环节所投入的大量人员和工时。

针对这样的产业需求，技术团队通过多年的技术积累，开发了拥有完全自主知识产权的“全自动四面体网格剖分引擎”，并且仍不断根据客户的实际需求进行功能迭代升级，以适应更多的工程应用场景。目前的网格剖分引擎在众多应用场景下，剖分速度超越国外商业软件，在许多其他商业软件无法完成自动剖分的场景下，实现了“一键自动剖分”。

将此自动网格剖分引擎应用到本解决方案中，不再需要繁琐的手工操作进行网格调整，使得在工业云平台上的在线结构优化应用变得简单、易用。

（3）拓扑优化算法

拓扑优化算法无疑是本解决方案中最核心的算法之一。公司采用自主研发的拓扑优化算法，完全自主可控，相比主流商业软件，更注重将拓扑优化算法与云计算平台相结合，最大程度利用云计算平台并行计算资源丰富的特点。在硬件资源相对充裕的云平台上，算法效率能够在大多数应用场景下比肩甚至超过主流商业软件，充分展现了云计算平台的特点和优势。

另外，自主可控的算法代码也使得系统拥有更好的扩展性，可集成更多不同类型的结构优化算法，不断提升系统的求解能力和结果的应用价值。

（4）几何光顺化算法

目前商用的结构拓扑优化算法获得的优化模型大多表面“凹凸不平”，不具备直接生产的可行性。几何光顺化处理是获得优化模型后必不可少的一步处理环节。

与多数商业软件运用各种建模工具进行手工光顺处理不同，公司针对云平台应用的使用场景，专门开发了“自动几何光顺算法”，其具有5级光顺程度可选，解决了优化后的模型“工艺性”较差的问题，使得自动光顺后的模型具备直接进行3D打印生产的可行性，可以说是完成了“结构优化工程”的“最后一公里”建设。

（5）SDM仿真数据管理系统

SDM（Simulation?Data?Management）即仿真数据管理系统，是一种面向CAE工程仿真数据的管理系统，对企业产品研制的初级、概要和详细设计等各个阶段的仿真相关数据进行统一存储，支持文件级和参数级的数据跟踪，实现仿真数据的浏览、检索和管理，能够基于仿真数据进行后处理，实现多方案、多工况和各历史版本之间的对比和分析及报告生成，能够基于仿真数据实现研发过程中相关各专业人员之间的协作和共享，在保证数据安全性的同时提高研制和管理的工作效率。

基于SDM提供的仿真数据管理支持，保证了本解决方案具备完整的在线数据流管理、调用能力，使其成为一个真正完全“云”化的在线工业软件系统。

○RESTful架构

REST（ResourceRepresentationalStateTransfer）表征性状态转移，描述了一个架构样式的互联系统（如Web应用程序）。其主要优点为：REST约束条件作为一个整体应用时，将生成一个简单、可扩展、有效、安全、可靠的架构。由于它简便、轻量级以及通过HTTP直接传输数据的特性，RESTfulWeb服务成为基于SOAP服务的一个最有前途的替代方案。

使用RESTful架构，使得本解决方案中系统的Web服务和动态Web应用程序的多层架构可以实现“可重用性”、“简单性”、“可扩展性”和“组件可响应性”的清晰分离，使得在云平台上构建此类复杂的工业软件系统得以实现。

○Docker微服务架构

Docker是PaaS提供商dotCloud开源的一个基于LXC的高级容器引擎，源代码托管在Github上，基于GO语言并遵从Apache2.0开源协议，实现将应用及其依赖包打包到一个可移植的容器中，然后发布到任何运行Linux操作系统的机器上。其优点为：

○便于部署，可移植，易迁移；

○环境隔离，轻量化，启动快；

○空间资源占用少，系统基于轻量化的HOSTOS。

公司经过多年的使用和运营，在Docker微服务这种部署方式上积累了许多实际经验，并已将其灵活地应用到公司所有的云平台解决方案当中。

（一）定制轻量化矫形鞋垫—拓扑优化与3D打印的完美结合

（1）应用背景：足部畸形与疾病

人类最基本的特征——直立行走，牵涉到几乎全身所有环节，而作为直接接触地面的环节——足部，在整个过程中起到了重要的作用。在各种外界因素的影响下，足部的各个部分往往受力不均，造成足部不适，同时引发各类足部疾病，严重影响日常生活行动。以临床上常见的足部畸形疾病之一扁平足为例，根据文献统计，全球大约有10亿扁平足患者，扁平足在我国青少年中占比高达25%，在运动员中占比高达11.7%。其主要表现为足弓塌陷或足弓缺失，使足底触地面积较正常足增大，足底部组织相对松弛，改变了足的功能，给身体带来了危害。扁平足实际发病率远比相关文献统计数据高。我国人口调查报告显示，近30年来青少年扁平足患者增加了约20%，给个人健康和家庭生活造成很大负担。因此，合理有效地矫正足部畸形对提高足部健康、预防足部疾病具有重要意义。

图2扁平足

（2）扁平足矫正方法：矫形鞋垫

在足部疾病的防治方面，鞋类的作用至关重要。研究表明，基于生物力学的矫形鞋垫可有效改善步态特征及足底压力分布。目前临床上治疗扁平足多采用矫形鞋垫，在正常足的足弓部位设计适当的凸起结构，用以支撑塌陷的足弓。在长期使用中，矫正鞋垫通过为足部提供受力补偿、调整足部受力，对足部压力进行重新分配，可以增大足部受力面积，减轻各部分压强，减缓运动冲击，具有改善扁平足足部疼痛、内侧肌肉疼痛、腱鞘炎、关节的异常运动等功能，从而达到预防由于受力异常产生的足部疾病。

（3）矫形鞋垫的个性化定制需求

为保证矫形鞋垫的矫正效果，往往需要根据每个患者足部结构进行个性化定制。同时，需要考虑到支撑刚度、穿戴舒适性，以及鞋垫的轻量化效果等因素影响。随着计算机辅助设计技术的发展，当前较为先进的制造方法是由三维扫描仪获取足部三维结构，进行曲面重构后生成具有足弓特征表面的鞋垫三维模型，利用矫形鞋垫加工装置对鞋垫坯料进行雕刻加工。但是鞋垫材料密度过于均匀往往会带来轻量化与支撑效果之间的矛盾。

图3足底压力测量结果示例

（4）矫形鞋垫轻量化

拓扑优化技术与3D打印技术的出现则带来了在保证鞋垫力学性能的基础上实现轻量化的可能性。随着3D打印技术的成熟及点阵结构自身高比刚度、高比强度、轻质等特性，越来越受到