劉東輝 張國立 孫恪成 董海杰 朱進全

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300450)

1 概述

根據(jù)美國國家儀器公司定義,虛擬儀表技術(shù)就是指利用高性能模塊化硬件,集合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。其中由于軟件具有靈活擴展的特點,能夠方便構(gòu)建完全自定義的界面,模塊化的硬件能夠方便的提供全方面的系統(tǒng)集成。對于各個儀表的時鐘同步,也可以輕而易舉的解決。工程師通過虛擬儀表技術(shù)把蓬勃發(fā)展的IT 技術(shù)引入到工業(yè)的測試、控制和設(shè)計的各個環(huán)節(jié)中,從而帶來更加準確的模擬和測量。

傳統(tǒng)儀表雖然隨著計算機技術(shù)和其它相關(guān)技術(shù)的進步,以及制造工藝的精密,其性能和測量精度都有了長足的進步,但是對于環(huán)境苛刻,測量結(jié)果受影響參量多,對于人員要求高,操作、維護頻繁的場合,傳統(tǒng)儀表還是不能滿足現(xiàn)場要求,同時在進行科研項目或者工程項目建設(shè)過程中,為了保證控制指標,常需要各種儀器儀表的參與,這些設(shè)備往往比較笨重、價格昂貴、占用場地。虛擬儀表的出現(xiàn)能夠克服以上的種種不足,把信號檢測、分析、處理等多種功能集成在一起,在一臺計算機上就可以按需加載各種儀表,替代傳統(tǒng)儀表。虛擬儀表技術(shù)繼承了現(xiàn)代計算機技術(shù),特別是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使其優(yōu)勢不斷擴大,表現(xiàn)為高速讀寫磁盤和文件處理能力；以較少的硬件投入即可滿足測量系統(tǒng)性能不斷提高的需求；在驅(qū)動和應(yīng)用的兩個層面上把軟件設(shè)計與計算機、儀器儀表、通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合,實現(xiàn)快捷配置、發(fā)布、維護。

2 虛擬儀表研究現(xiàn)狀

美國國家儀器公司開發(fā)的LabView 程序開發(fā)平臺,是研發(fā)測量和控制系統(tǒng)的優(yōu)秀的工具,它提供豐富的控件且與傳統(tǒng)的儀表(液位計、流量、電壓、電流等)外觀相似。LabView 充分利用了計算機數(shù)據(jù)處理能力,方便的自定義用戶界面,延伸出更多功能強大的儀表。Creator 和Vega 是美國MultiGen-Paradigm 公司研發(fā)的虛擬現(xiàn)實軟件系統(tǒng),其中Creator 用于數(shù)學(xué)和物理的模型建立而MultiGen-Paradigm 用于2d、3d 等軟件系統(tǒng)的開發(fā),其作為軟件開發(fā)環(huán)境可以快速搭建航空領(lǐng)域的儀表,相關(guān)領(lǐng)域的模板比較成熟,但是其儀表種類比較少。2014 年谷歌發(fā)布了Android Auto 系統(tǒng),融合語音控制和人工智能的技術(shù)完成了整個汽車的儀表顯示和控制功能。

國內(nèi)虛擬儀表技術(shù)研究比較晚,依靠LabView 開發(fā)環(huán)境我國學(xué)者也開發(fā)了礦井提升監(jiān)控系統(tǒng),并利用DataSocket 技術(shù)實現(xiàn)了對提升機的現(xiàn)場監(jiān)控；國內(nèi)學(xué)者吧信號處理的相關(guān)理論算法整合到虛擬儀表中開發(fā)了機械設(shè)備故障檢測系統(tǒng)。近幾年,我國在智能化虛擬儀表的研發(fā)速度也在加速,結(jié)合以往積累的微機技術(shù)與虛擬儀器的信號分析和處理的方法也研發(fā)除了一些成熟的產(chǎn)品。但是在虛擬儀表設(shè)計平臺軟件的研發(fā)上投入較少,沒有開發(fā)出具有影響力、成熟的虛擬儀表軟件系統(tǒng),可見加強虛擬儀表通用性平臺和核心語言的開發(fā)就顯得尤為重要。

3 虛擬儀表建模方法

3.1 虛擬儀表可視化技術(shù)

虛擬儀表可視化技術(shù)是指運用圖像處理技術(shù),把采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的圖形、圖像,并顯示在相應(yīng)設(shè)備上。把抽象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形圖像,可以給人直觀的認識,對于快速洞察儀表的問題和測量數(shù)據(jù)的變化、發(fā)展的趨勢預(yù)判都有意義。虛擬儀表可視化技術(shù)包括數(shù)據(jù)可視化技術(shù)和信息可視化技術(shù)。

數(shù)據(jù)可視化技術(shù)是指借助圖形化的手段,清晰有效的對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行顯示。其基本概念包括：

①數(shù)據(jù)空間：是由n 維屬性和m 個元素組成的數(shù)據(jù)集所構(gòu)成的多維信息空間；

②數(shù)據(jù)開發(fā)：是指利用一定的算法和工具對數(shù)據(jù)進行定量的推演和計算；

③數(shù)據(jù)分析：指對多維數(shù)據(jù)進行切片、塊、旋轉(zhuǎn)等動作剖析數(shù)據(jù),從而能多角度多側(cè)面觀察數(shù)據(jù)；

④數(shù)據(jù)可視化：是指將大型數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)以圖形圖像形式表示,并利用數(shù)據(jù)分析和開發(fā)工具發(fā)現(xiàn)其中未知信息的處理過程。

信息可視化技術(shù)是對數(shù)據(jù)進行抽象性、交互性處理,目的是增強人對抽象信息的理解、認識,同時提高人對信息的檢索速度,使得用戶能夠目睹、探索乃至理解理解大量的信息。

按照Stuart K.Card 在1989 年信息可視化理論信息可視化模型表示如圖1。

圖1

3.2 虛擬儀表數(shù)學(xué)模型建立方法

本文將著重討論虛擬指針儀表和柱狀儀表的建模方法。根據(jù)實際的應(yīng)用場景,指針型儀表主要是在表針的轉(zhuǎn)動,指示范圍,旋轉(zhuǎn)幅度等控制上。傳統(tǒng)儀表中以指針型壓力表為例,其壓力值對應(yīng)的指針偏轉(zhuǎn)的角度是成線性關(guān)系。同理對于液位計,溫度計柱狀儀表來說,其對應(yīng)測量值和顯示的柱狀標識的高度也成線性關(guān)系?？梢杂猛ㄓ镁€性函數(shù)表示為：

其中：y顯：實際在表盤標注的物理量值；x測：是讀入計算機的測量值,k,b 是相關(guān)常量。

虛擬儀表中數(shù)據(jù)從串口、RJ45 網(wǎng)口等硬件接口獲得,測量值與顯示值之間成線性關(guān)系。其函數(shù)關(guān)系也可以表示為：

為了求出最為合理的k 和b 值需要運用最小二乘法來進行參數(shù)估計,其基本原理如下：

為了使算式：yi-(kxi+b),(i=1,2,…n)值為最小,因此考慮選取參數(shù)k0,b0,使得:

中M 的值最小,求方程k0,b0的值。

對于從計算機新讀入的x測,帶入y顯=k0x測,可以求得將顯示的值y顯。

4 虛擬儀表可視化建模程序設(shè)計

本次課題應(yīng)用WPF 技術(shù)(Windows Presentation Foundation)開發(fā),WPF 是微軟新發(fā)布的Vista 操作系統(tǒng)的三個核心開發(fā)庫之一,是微軟推出的基于Windows Vista 的用戶界面框架,屬于.NET Framework 3.0 的一部分,并且已經(jīng)在2018 微軟公司宣布開源,它提供了統(tǒng)一的編程模型、語言和框架,真正做到了分離界面設(shè)計人員與開發(fā)人員的工作；同時它提供了全新的多媒體交互用戶圖形界面。

本次開發(fā)采用xaml 語言建模,通過數(shù)據(jù)綁定進行顯示,對用戶鼠標或者觸摸的事件用命令的方式來響應(yīng),其代碼組織圖如圖2 所示。

圖2

WpfDragM.command 類主要完成整個虛擬儀表系統(tǒng)中鼠標點擊響應(yīng),包括關(guān)閉、最小化窗口事件,WpfDragM.views.jiaoHuChart 類主要完成整個虛擬儀表的統(tǒng)計圖表的生成；Snoop.Views 為開源的插件完成虛擬儀表部分動畫的效果；WpfDragM.views 類完成所有虛擬儀表的外觀建立工作。本次課題虛擬儀表的仿真流程如圖3。

圖3

以本次研究中的液位顯示的虛擬儀表來說,程序首先繪制出液位計的整體,然后再繪制一個覆蓋整個液位計液位顯示部分的灰色矩形,通過對這個灰色矩形的裁剪來完成紅色液位高度的動態(tài)顯示,顯然這個裁剪的高度就是將要在屏幕上顯示的液位高度y顯。最后把測得的數(shù)據(jù)帶入已經(jīng)求出最優(yōu)參數(shù)的線性方程y顯=kx測+b中,求出紅色矩形的高度值y顯,最后把y顯值綁定在灰色矩形高度上。通過以上過程就可以用較少的代碼來實現(xiàn)一個現(xiàn)場液位計的虛擬仿真。

圖4

對于溫度計虛擬儀表來說,其外觀建立使用wpf path語句描述,并動態(tài)綁定溫度值變量temp,其部分代碼如下：

Binding bind0 = new Binding();

bind0.Source = DataContext;

bind0.Path = new PropertyPath ("Temp");wendd.Path_315.SetBinding(MarginProperty, bind0);

其中變量“Temp”是計算機獲得溫度值,“Path_315”是繪制溫度計液柱的矢量。通過把這兩個對象進行程序綁定,就可以把采集到的溫度值顯示在計算機屏幕上(圖5)。為了追求對現(xiàn)場儀表的真實再現(xiàn),本文還編寫了更為逼真的耐震型壓力表的虛擬儀表。對于耐震型壓力表主要考慮其表殼中填充的阻尼液的動畫仿真,當(dāng)壓力表的指針在阻尼液的上方時,表針會造成液面一些擾動(見圖6),表現(xiàn)為表針透過阻尼液的一個動態(tài)折射的變化,這個過程本文力求真實再現(xiàn)。具體做法為：通過在阻尼液界面處放置一個水花樣的圖形,當(dāng)壓力表指針經(jīng)過阻尼液的界面時啟動水花動畫,顯示效果為指針帶著小水花在阻尼液上方水平移動。雖然壓力表指針用擺動的角度代表壓力的大小,但其擺動的角度與計算機采集的數(shù)值也是線性關(guān)系。同理通過上文中的最小二乘法也可以求出虛擬儀表指針擺動角度與采集數(shù)據(jù)之間的最優(yōu)線性方程,這樣就可以對采集數(shù)據(jù)進行顯示,完成虛擬儀表可視化的功能。

圖5

圖6

虛擬儀表進行可視化,還包括統(tǒng)計圖表的顯示(見圖7),這是本文第二研究的內(nèi)容。本文做法是首先把采集的數(shù)據(jù)存儲在后臺數(shù)據(jù)集合中,每隔一段時間進行數(shù)據(jù)的序列化操作,并存儲在本地硬盤或者數(shù)據(jù)庫中。同時把數(shù)據(jù)通過依次連線的方式顯示在圖像上,數(shù)據(jù)之間連線可以直接用直線連接,根據(jù)數(shù)據(jù)對采集時間的光滑情況也可以用樣條插值的方法連接。程序?qū)崿F(xiàn)過程就是在必要的時候更新圖表的圖案來顯示當(dāng)前時間段的曲線。

圖7

對于數(shù)據(jù)的交互,本文操作是按下鼠標右鍵選中曲線一段數(shù)據(jù),同時用一個半透明的灰色的矩形覆蓋選中的區(qū)域,然后對這段數(shù)據(jù)進行提取,或者分析。當(dāng)用戶滾動鼠標滾輪時,圖表會在X 軸方向上進行縮放,方便查看采集比較密集的數(shù)據(jù)。

最終虛擬儀表仿真顯示如圖8-9 所示：左半部分為對應(yīng)的儀表顯示界面,可以通過下拉列表框進行儀表切換,右面是對歷史數(shù)據(jù)的一個圖表統(tǒng)計,可以通過鼠標選取一段數(shù)據(jù)進行提取、分析。關(guān)閉整個仿真界面需要點擊功能區(qū)下拉列表中的關(guān)閉按鈕。

圖8

圖9

5 總結(jié)和展望

伴隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,虛擬儀表技術(shù)也在各行各業(yè)進行廣泛的應(yīng)用,并有逐步取代傳統(tǒng)儀表的趨勢。我國在虛擬儀表的研究上距離國外還有較大的差距,本文給出的應(yīng)用WPF 技術(shù)進行虛擬儀表可是化建模方法的研究,同時也探討了對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理的一些數(shù)學(xué)方法。通過本文的討論可以看出WPF 建立模型更貼合真實的儀表,同時代碼量少,人機交互的方式豐富。近日WPF 整個UI 框架已經(jīng)宣布開源,對其進行工業(yè)軟件的研發(fā),能在一定程度上減少國外軟件的依賴,提升自主研發(fā)實力。在下一步研究中將著重研究把一些機器學(xué)習(xí)算法結(jié)合到統(tǒng)計圖表的生成中,同時研究常用的工業(yè)通訊協(xié)議下,數(shù)據(jù)接收、存儲和實時顯示的問題。