賀雷 張衛(wèi)東

摘??要：基于Lab?VIEW并結(jié)合虛擬現(xiàn)實與視景仿真技術(shù)開發(fā)設(shè)計，利用Pro/Engineer軟件創(chuàng)建燃?xì)廨啓C幾何模型，3Ds軟件對其進(jìn)行模型處理、動畫制作及渲染幀序列，在Lab?VIEW中進(jìn)行加載仿真監(jiān)測。為了能夠?qū)赢嫀蛄信c燃?xì)廨啓C的運轉(zhuǎn)和工質(zhì)的流動相匹配，針對幀序列文件進(jìn)行分組加載，在軟件程序中采用For循環(huán)和Case結(jié)構(gòu)，針對不同工況通過判斷調(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工作狀態(tài)。

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

中圖分類號：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、對于測控人員的專業(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)測的同時，對于實時動態(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發(fā)電模塊半物理仿真平臺，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)和視景仿真技術(shù)，設(shè)計一個船舶燃?xì)廨啓C發(fā)電模塊半物理仿真平臺運行演示系統(tǒng)，用以完善已有的監(jiān)測系統(tǒng)，方便監(jiān)測人員的監(jiān)測，可使燃?xì)廨啓C的監(jiān)測系統(tǒng)既直觀又生動地展現(xiàn)給測控人員，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)測系統(tǒng)[6-7]。

1??燃?xì)廨啓C發(fā)電模塊半物理仿真平臺介紹

燃?xì)廨啓C發(fā)電模塊半物理仿真平臺實物部分主要由發(fā)電模塊（電動機、轉(zhuǎn)速扭矩儀、發(fā)電動機及整流橋堆）、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)電動機模塊、電力負(fù)載模塊等組成，如圖1所示。

2?燃?xì)廨啓C工況狀態(tài)可視化系統(tǒng)

該系統(tǒng)基于燃?xì)廨啓C半物理仿真平臺研究開發(fā)，主要是將半物理仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(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個部分，具體如下。

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

（2）設(shè)計燃?xì)廨啓C虛擬運行過程：包括啟動和穩(wěn)定運行設(shè)計。

（3）演示系統(tǒng)總體程序設(shè)計：基于Lab?VIEW進(jìn)行設(shè)計開發(fā)的，包括轉(zhuǎn)子實時仿真設(shè)計、虛擬視景監(jiān)測設(shè)計以及演示系統(tǒng)總體界面設(shè)計。

2.1?創(chuàng)建燃?xì)廨啓C三維幾何模型

燃?xì)廨啓C發(fā)電模塊半物理仿真平臺以一臺三軸燃?xì)廨啓C為原型機，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行模型簡化設(shè)計，由于演示過程只展示燃?xì)廨啓C的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動、工質(zhì)流向和顏色變化、各個監(jiān)測點的溫度以及各個監(jiān)測點的壓力，所以對于燃?xì)廨啓C的幾何模型加以簡化，未對其附屬系統(tǒng)進(jìn)行建模。具體的幾何模型包括：機匣（包含燃燒室）、低壓壓氣機、高壓壓氣機、高壓渦輪、低壓渦輪以及動力渦輪。

2.2?燃?xì)廨啓C幾何模型設(shè)置及渲染

燃?xì)廨啓C幾何模型渲染主要完成燃?xì)廨啓C工質(zhì)流動效果模擬，環(huán)境光效果模擬及燃?xì)廨啓C紋理效果模擬等。通過三維場景的建立、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幾何模型渲染的圖像更為逼真，增強圖像的真實感，具體的過程如圖2所示。

2.3?基于Lab?VIEW的演示系統(tǒng)設(shè)計

基于燃?xì)廨啓C發(fā)電模塊半物理仿真平臺以燃?xì)廨啓C發(fā)電模塊發(fā)出電后輸送給推進(jìn)電機，推進(jìn)電機帶螺旋槳負(fù)載加速過程為半物理仿真實驗內(nèi)容。實驗監(jiān)測演示系統(tǒng)界面如圖3所示。

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

Lab?VIEW中幀序列的加載以及虛擬仿真視景動畫的程序設(shè)計是燃?xì)廨啓C虛擬視景監(jiān)測窗口的主體。本程序設(shè)計主要是以圖片函數(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)計中選擇二維圖片控件（VI）來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的運轉(zhuǎn)和工質(zhì)的流動，使前面板中二維圖片控件（VI）所展示的是一個燃?xì)廨啓C從啟動到運轉(zhuǎn)至額定工況的虛擬視景仿真動畫，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啟動時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運轉(zhuǎn)和工質(zhì)流動的虛擬視景仿真動畫；Case結(jié)構(gòu)則是根據(jù)程序中所給出的條件來進(jìn)行相應(yīng)的選擇，完成相應(yīng)的程序運行，從而使二維圖片控件（VI）中完美地展示燃?xì)廨啓C啟動過程以及之后穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)過程。

由于在一個獨立的二維圖片控件（VI）不能同時被不同條件下的兩個程序使用，因此在本設(shè)計中引入了局部變量。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)，也就是說寫入的信息直接傳遞到了其想要連接的終端。

燃?xì)廨啓C虛擬視景監(jiān)測窗口中各個溫度和壓力監(jiān)測點是與仿真平臺中設(shè)計的溫度、壓力監(jiān)測點一一對應(yīng)的，每個監(jiān)測視窗顯示的溫度值和壓力值都是從仿真平臺中采集的，從而能夠為測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發(fā)電模塊半物理仿真平臺，通過Pro/Engineer三維造型軟件創(chuàng)建燃?xì)廨啓C幾何模型，利用3Ds軟件對燃?xì)廨啓C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，基本實現(xiàn)了燃?xì)廨啓C半物理仿真與實時動態(tài)虛擬視景的結(jié)合。

（1）對燃?xì)廨啓C半物理仿真平臺進(jìn)行了介紹，為燃?xì)廨啓C選型建模提供了依據(jù)，同時為今后半物理仿真平臺演示系統(tǒng)的設(shè)計提供了基本思路。

（2）對Pro/Engineer、3Ds軟件進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，主要包括對軟件的適用范圍進(jìn)行了闡述，對軟件之間的不同接口協(xié)議的特點進(jìn)行了分析并做出了對比。通過這些介紹對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)計思路，并就本課題的程序設(shè)計做了詳細(xì)的闡述，為以后帶有虛擬視景仿真的測控系統(tǒng)研究做了鋪墊。

參考文獻(xiàn)

[1]?馬偉明.艦船動力發(fā)展的方向：綜合電力系統(tǒng)[J].上海海運學(xué)院學(xué)報，2004（1）：1-11.

[2]?蔣洪德.加速推進(jìn)重型燃?xì)廨啓C核心技術(shù)研究開發(fā)和國產(chǎn)化[J].動力工程學(xué)報，2011，31（8）：563-566.

[3]?李翔宇，霍玉鑫，徐海成，等.船用燃?xì)廨啓C動力渦輪氣動設(shè)計及優(yōu)化研究[J].推進(jìn)技術(shù)，2023，44（2）：143-151.

[4]?申春艷，楊輝，趙勇.基于LabVIEW的燃?xì)廨啓C發(fā)電機組勵磁控制器測試系統(tǒng)設(shè)計[J].工程與試驗，2023，63（4）：68-70.

[5]?吳楠.基于不平衡數(shù)據(jù)集的燃?xì)廨啓C故障檢測及診斷研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2022.

[6]?楊鈺暾.基于強化學(xué)習(xí)的燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制策略研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2022.

[7]?王娟，葛曉霞，王毅林，等.燃?xì)廨啓C發(fā)電裝置課程項目化教學(xué)的建設(shè)與應(yīng)用[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐，2023，6（18）：39-42.