賀雷 張衛(wèi)東

摘??要：基于Lab?VIEW并結(jié)合虛擬現(xiàn)實與視景仿真技術開發(fā)設計，利用Pro/Engineer軟件創(chuàng)建燃氣輪機幾何模型，3Ds軟件對其進行模型處理、動畫制作及渲染幀序列，在Lab?VIEW中進行加載仿真監(jiān)測。為了能夠?qū)赢嫀蛄信c燃氣輪機的運轉(zhuǎn)和工質(zhì)的流動相匹配，針對幀序列文件進行分組加載，在軟件程序中采用For循環(huán)和Case結(jié)構，針對不同工況通過判斷調(diào)用不同的控件（VI），以20?ms為最小加載周期進行迭代，進而流暢、形象地展示燃氣輪機工作狀態(tài)。

關鍵詞：數(shù)據(jù)驅(qū)動??可視化???Lab?VIEW???燃氣輪機

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

半物理仿真技術在仿真技術中置信度水平最高，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需求[1-5]。立足于船舶燃氣輪機發(fā)電模塊半物理仿真平臺，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術和視景仿真技術，設計一個船舶燃氣輪機發(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，可使燃氣輪機的監(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)半物理仿真技術的弊端，進而優(yōu)化了監(jiān)測系統(tǒng)[6-7]。

1??燃氣輪機發(fā)電模塊半物理仿真平臺介紹

燃氣輪機發(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、熔斷器）、電力變換模塊（升壓穩(wěn)壓器）、推進電動機模塊、電力負載模塊等組成，如圖1所示。

2?燃氣輪機工況狀態(tài)可視化系統(tǒng)

該系統(tǒng)基于燃氣輪機半物理仿真平臺研究開發(fā)，主要是將半物理仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術相結(jié)合，消除半物理仿真技術抽象顯示的弊端，主要分為3個部分，具體如下。

（1）創(chuàng)建燃氣輪機三維幾何模型：根據(jù)總體構架設計本文中的燃氣輪機幾何模型，并對其主體結(jié)構進行相應的簡化。

（2）設計燃氣輪機虛擬運行過程：包括啟動和穩(wěn)定運行設計。

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

2.1?創(chuàng)建燃氣輪機三維幾何模型

燃氣輪機發(fā)電模塊半物理仿真平臺以一臺三軸燃氣輪機為原型機，在此基礎上，進行模型簡化設計，由于演示過程只展示燃氣輪機的轉(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，所以對于燃氣輪機的幾何模型加以簡化，未對其附屬系統(tǒng)進行建模。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?燃氣輪機幾何模型設置及渲染

燃氣輪機幾何模型渲染主要完成燃氣輪機工質(zhì)流動效果模擬，環(huán)境光效果模擬及燃氣輪機紋理效果模擬等。通過三維場景的建立、燈光和材質(zhì)的設置、幾何變換以及紋理貼圖等效果使燃氣輪機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)設計

基于燃氣輪機發(fā)電模塊半物理仿真平臺以燃氣輪機發(fā)電模塊發(fā)出電后輸送給推進電機，推進電機帶螺旋槳負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)測窗口的設計采取了虛擬現(xiàn)實與視景仿真技術，利用Pro/Engineer軟件創(chuàng)建幾何模型，3Ds軟件對其進行設置，制作成動畫并渲染出生動逼真的幀序列，在Lab?VIEW中進行加載仿真監(jiān)測。燃氣輪機虛擬視景監(jiān)測窗口界面如圖4所示，該窗口中表示燃氣輪機工質(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，粒子顏色由藍到紅的變化與燃氣輪機工質(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個視窗能夠顯示燃氣輪機各個監(jiān)測點精確的壓力值，下側(cè)的7個視窗能夠顯示燃氣輪機各個監(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計是燃氣輪機虛擬視景監(jiān)測窗口的主體。本程序設計主要是以圖片函數(shù)VI面板中的繪制平化像素圖（VI）為核心進行設計的，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、形象地展示燃氣輪機的運轉(zhuǎn)和工質(zhì)的流動，使前面板中二維圖片控件（VI）所展示的是一個燃氣輪機從啟動到運轉(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。其中關于燃氣輪機啟動時的這部分幀序列只加載一次，后邊穩(wěn)定后的幀序列進行重復的加載。因而在本程序設計中采用了結(jié)構面板中的For循環(huán)和Case結(jié)構（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）中正確地展示燃氣輪機運轉(zhuǎn)和工質(zhì)流動的虛擬視景仿真動畫；Case結(jié)構則是根據(jù)程序中所給出的條件來進行相應的選擇，完成相應的程序運行，從而使二維圖片控件（VI）中完美地展示燃氣輪機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，因此在本設計中引入了局部變量。局部變量相當于它所鏈接的函數(shù)的一個傳遞地址，當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。

燃氣輪機虛擬視景監(jiān)測窗口中各個溫度和壓力監(jiān)測點是與仿真平臺中設計的溫度、壓力監(jiān)測點一一對應的，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

本文基于燃氣輪機發(fā)電模塊半物理仿真平臺，通過Pro/Engineer三維造型軟件創(chuàng)建燃氣輪機幾何模型，利用3Ds軟件對燃氣輪機幾何模型的設置與渲染，之后再利用Lab?VIEW進行程序設計，基本實現(xiàn)了燃氣輪機半物理仿真與實時動態(tài)虛擬視景的結(jié)合。

（1）對燃氣輪機半物理仿真平臺進行了介紹，為燃氣輪機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)的設計提供了基本思路。

（2）對Pro/Engineer、3Ds軟件進行了詳細的介紹，主要包括對軟件的適用范圍進行了闡述，對軟件之間的不同接口協(xié)議的特點進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的基本程序設計思路，并就本課題的程序設計做了詳細的闡述，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

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