基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的燃?xì)廨啓C(jī)工況狀態(tài)可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀雷 張衛(wèi)東

摘??要：基于Lab?VIEW并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)與視景仿真技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)，利用Pro/Engineer軟件創(chuàng)建燃?xì)廨啓C(jī)幾何模型，3Ds軟件對(duì)其進(jìn)行模型處理、動(dòng)畫制作及渲染幀序列，在Lab?VIEW中進(jìn)行加載仿真監(jiān)測(cè)。為了能夠?qū)?dòng)畫幀序列與燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和工質(zhì)的流動(dòng)相匹配，針對(duì)幀序列文件進(jìn)行分組加載，在軟件程序中采用For循環(huán)和Case結(jié)構(gòu)，針對(duì)不同工況通過(guò)判斷調(diào)用不同的控件（VI），以20?ms為最小加載周期進(jìn)行迭代，進(jìn)而流暢、形象地展示燃?xì)廨啓C(jī)工作狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)??可視化???Lab?VIEW???燃?xì)廨啓C(jī)

中圖分類號(hào)：U664.1

Design?of?a?Data-Driven?Visualization?System?for?the?Operating?Conditions?of?Gas?Turbines

HE?Lei*??ZHANG?Weidong

Beijing?Aerospace?Propulsion?Institute，?Beijing，?100076?China

Abstract：?Based?on?Lab?VIEW?and?combined?with?virtual?reality?and?visual?simulation?technologies，?development?and?design?are?carried?out，?a?geometric?model?of?a?gas?turbine?is?created?by?Pro/Engineer?software，?3Ds?software?is?used?to?process?the?model，?animate?and?render?frame?sequences，?and?the?simulation?monitoring?of?loading?is?conducted?in?Lab?VIEW.?In?order?to?match?the?animation?frame?sequence?with?the?operation?of?the?gas?turbine?and?the?flow?of?working?fluids，?frame?sequence?files?are?loaded?in?groups，?the?For?loop?and?Case?structure?are?used?in?the?software?program?to?call?different?controls?（VI）?for?different?working?conditions?through?judgment，?and?the?minimum?loading?cycle?of?20ms?is?used?for?iteration，?so?as?to?smoothly?and?vividly?display?the?the?working?state?of?the?gas?turbine.

Key?Words：?Data-driven；Visualization；Lab?VIEW；Gas?turbine

半物理仿真技術(shù)在仿真技術(shù)中置信度水平最高，但是其物理模型比較抽象、對(duì)于測(cè)控人員的專業(yè)水平要求較高、新成員上手較慢的弊端是不言而喻的，因此，在仿真監(jiān)測(cè)的同時(shí)，對(duì)于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)虛擬視景仿真也提出了相應(yīng)需求[1-5]。立足于船舶燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電模塊半物理仿真平臺(tái)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和視景仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)船舶燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電模塊半物理仿真平臺(tái)運(yùn)行演示系統(tǒng)，用以完善已有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，方便監(jiān)測(cè)人員的監(jiān)測(cè)，可使燃?xì)廨啓C(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)既直觀又生動(dòng)地展現(xiàn)給測(cè)控人員，從而解決傳統(tǒng)半物理仿真技術(shù)的弊端，進(jìn)而優(yōu)化了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6-7]。

1??燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電模塊半物理仿真平臺(tái)介紹

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電模塊半物理仿真平臺(tái)實(shí)物部分主要由發(fā)電模塊（電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)速扭矩儀、發(fā)電動(dòng)機(jī)及整流橋堆）、配電模塊（開關(guān)、熔斷器）、電力變換模塊（升壓穩(wěn)壓器）、推進(jìn)電動(dòng)機(jī)模塊、電力負(fù)載模塊等組成，如圖1所示。

2?燃?xì)廨啓C(jī)工況狀態(tài)可視化系統(tǒng)

該系統(tǒng)基于燃?xì)廨啓C(jī)半物理仿真平臺(tái)研究開發(fā)，主要是將半物理仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，消除半物理仿真技術(shù)抽象顯示的弊端，主要分為3個(gè)部分，具體如下。

（1）創(chuàng)建燃?xì)廨啓C(jī)三維幾何模型：根據(jù)總體構(gòu)架設(shè)計(jì)本文中的燃?xì)廨啓C(jī)幾何模型，并對(duì)其主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化。

（2）設(shè)計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)虛擬運(yùn)行過(guò)程：包括啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行設(shè)計(jì)。

（3）演示系統(tǒng)總體程序設(shè)計(jì)：基于Lab?VIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的，包括轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)仿真設(shè)計(jì)、虛擬視景監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)以及演示系統(tǒng)總體界面設(shè)計(jì)。

2.1?創(chuàng)建燃?xì)廨啓C(jī)三維幾何模型

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電模塊半物理仿真平臺(tái)以一臺(tái)三軸燃?xì)廨啓C(jī)為原型機(jī)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行模型簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，由于演示過(guò)程只展示燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)、工質(zhì)流向和顏色變化、各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度以及各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力，所以對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)的幾何模型加以簡(jiǎn)化，未對(duì)其附屬系統(tǒng)進(jìn)行建模。具體的幾何模型包括：機(jī)匣（包含燃燒室）、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、高壓渦輪、低壓渦輪以及動(dòng)力渦輪。

2.2?燃?xì)廨啓C(jī)幾何模型設(shè)置及渲染

燃?xì)廨啓C(jī)幾何模型渲染主要完成燃?xì)廨啓C(jī)工質(zhì)流動(dòng)效果模擬，環(huán)境光效果模擬及燃?xì)廨啓C(jī)紋理效果模擬等。通過(guò)三維場(chǎng)景的建立、燈光和材質(zhì)的設(shè)置、幾何變換以及紋理貼圖等效果使燃?xì)廨啓C(jī)幾何模型渲染的圖像更為逼真，增強(qiáng)圖像的真實(shí)感，具體的過(guò)程如圖2所示。

2.3?基于Lab?VIEW的演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電模塊半物理仿真平臺(tái)以燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電模塊發(fā)出電后輸送給推進(jìn)電機(jī)，推進(jìn)電機(jī)帶螺旋槳負(fù)載加速過(guò)程為半物理仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)演示系統(tǒng)界面如圖3所示。

虛擬視景監(jiān)測(cè)窗口的設(shè)計(jì)采取了虛擬現(xiàn)實(shí)與視景仿真技術(shù)，利用Pro/Engineer軟件創(chuàng)建幾何模型，3Ds軟件對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，制作成動(dòng)畫并渲染出生動(dòng)逼真的幀序列，在Lab?VIEW中進(jìn)行加載仿真監(jiān)測(cè)。燃?xì)廨啓C(jī)虛擬視景監(jiān)測(cè)窗口界面如圖4所示，該窗口中表示燃?xì)廨啓C(jī)工質(zhì)的粒子，其流動(dòng)的起始時(shí)刻是與仿真平臺(tái)中電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)刻是同步的，粒子顏色由藍(lán)到紅的變化與燃?xì)廨啓C(jī)工質(zhì)的溫度變化基本是一致的。此窗口可以形象生動(dòng)地模擬燃機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)工質(zhì)的狀態(tài)，同時(shí)窗口上側(cè)的7個(gè)視窗能夠顯示燃?xì)廨啓C(jī)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)精確的壓力值，下側(cè)的7個(gè)視窗能夠顯示燃?xì)廨啓C(jī)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)精確的溫度值，這給測(cè)控人員尤其是新成員的監(jiān)測(cè)提供了極大的便利。

Lab?VIEW中幀序列的加載以及虛擬仿真視景動(dòng)畫的程序設(shè)計(jì)是燃?xì)廨啓C(jī)虛擬視景監(jiān)測(cè)窗口的主體。本程序設(shè)計(jì)主要是以圖片函數(shù)VI面板中的繪制平化像素圖（VI）為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)的，平化像素圖（VI）輸入端為圖像數(shù)據(jù)（圖像數(shù)據(jù)包括：圖像類型、圖像深度、圖像、掩碼、顏色以及矩形），因此，本程序中同樣使用了圖形格式VI面板中的讀取JPEG文件（VI），平化像素圖（VI）輸出端為新圖片，在本文的設(shè)計(jì)中選擇二維圖片控件（VI）來(lái)作為幀序列的輸出終端。圖片加載程序如圖5所示。

在此程序的設(shè)計(jì)中，雖然能夠加載之前渲染好的幀序列，但是為了能夠逼真、形象地展示燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和工質(zhì)的流動(dòng)，使前面板中二維圖片控件（VI）所展示的是一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)從啟動(dòng)到運(yùn)轉(zhuǎn)至額定工況的虛擬視景仿真動(dòng)畫，那么就需要將幀序列加以區(qū)別并有選擇地循環(huán)加載。其中關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)時(shí)的這部分幀序列只加載一次，后邊穩(wěn)定后的幀序列進(jìn)行重復(fù)的加載。因而在本程序設(shè)計(jì)中采用了結(jié)構(gòu)面板中的For循環(huán)和Case結(jié)構(gòu)（如圖6所示）。For循環(huán)用于將給定的圖片加載程序執(zhí)行指定的次數(shù)，完成幀序列的循環(huán)加載和順序播放，從而使二維圖片控件（VI）中正確地展示燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和工質(zhì)流動(dòng)的虛擬視景仿真動(dòng)畫；Case結(jié)構(gòu)則是根據(jù)程序中所給出的條件來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的選擇，完成相應(yīng)的程序運(yùn)行，從而使二維圖片控件（VI）中完美地展示燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程以及之后穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程。

由于在一個(gè)獨(dú)立的二維圖片控件（VI）不能同時(shí)被不同條件下的兩個(gè)程序使用，因此在本設(shè)計(jì)中引入了局部變量。局部變量相當(dāng)于它所鏈接的函數(shù)的一個(gè)傳遞地址，當(dāng)信息寫入局部變量之后，局部變量就將此信息傳遞到它所鏈接的函數(shù)，也就是說(shuō)寫入的信息直接傳遞到了其想要連接的終端。

燃?xì)廨啓C(jī)虛擬視景監(jiān)測(cè)窗口中各個(gè)溫度和壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)是與仿真平臺(tái)中設(shè)計(jì)的溫度、壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的，每個(gè)監(jiān)測(cè)視窗顯示的溫度值和壓力值都是從仿真平臺(tái)中采集的，從而能夠?yàn)闇y(cè)控人員提供精確的數(shù)據(jù)。

3?結(jié)論

本文基于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電模塊半物理仿真平臺(tái)，通過(guò)Pro/Engineer三維造型軟件創(chuàng)建燃?xì)廨啓C(jī)幾何模型，利用3Ds軟件對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)幾何模型的設(shè)置與渲染，之后再利用Lab?VIEW進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，基本實(shí)現(xiàn)了燃?xì)廨啓C(jī)半物理仿真與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)虛擬視景的結(jié)合。

（1）對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)半物理仿真平臺(tái)進(jìn)行了介紹，為燃?xì)廨啓C(jī)選型建模提供了依據(jù)，同時(shí)為今后半物理仿真平臺(tái)演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了基本思路。

（2）對(duì)Pro/Engineer、3Ds軟件進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，主要包括對(duì)軟件的適用范圍進(jìn)行了闡述，對(duì)軟件之間的不同接口協(xié)議的特點(diǎn)進(jìn)行了分析并做出了對(duì)比。通過(guò)這些介紹對(duì)虛擬視景仿真的前期工作提供了便利。

（3）研究了Lab?VIEW的基本程序設(shè)計(jì)思路，并就本課題的程序設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的闡述，為以后帶有虛擬視景仿真的測(cè)控系統(tǒng)研究做了鋪墊。

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