虛擬儀表可視化建模方法研究

劉東輝 張國立 孫恪成 董海杰 朱進全

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司,天津 300450)

1 概述

根據美國國家儀器公司定義,虛擬儀表技術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、測量和自動化的應用。其中由于軟件具有靈活擴展的特點,能夠方便構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把蓬勃發展的IT 技術引入到工業的測試、控制和設計的各個環節中,從而帶來更加準確的模擬和測量。

傳統儀表雖然隨著計算機技術和其它相關技術的進步,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,但是對于環境苛刻,測量結果受影響參量多,對于人員要求高,操作、維護頻繁的場合,傳統儀表還是不能滿足現場要求,同時在進行科研項目或者工程項目建設過程中,為了保證控制指標,常需要各種儀器儀表的參與,這些設備往往比較笨重、價格昂貴、占用場地。虛擬儀表的出現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,替代傳統儀表。虛擬儀表技術繼承了現代計算機技術,特別是計算機網絡技術的發展使其優勢不斷擴大,表現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性能不斷提高的需求；在驅動和應用的兩個層面上把軟件設計與計算機、儀器儀表、通訊方面的最新技術結合,實現快捷配置、發布、維護。

2 虛擬儀表研究現狀

美國國家儀器公司開發的LabView 程序開發平臺,是研發測量和控制系統的優秀的工具,它提供豐富的控件且與傳統的儀表(液位計、流量、電壓、電流等)外觀相似。LabView 充分利用了計算機數據處理能力,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 公司研發的虛擬現實軟件系統,其中Creator 用于數學和物理的模型建立而MultiGen-Paradigm 用于2d、3d 等軟件系統的開發,其作為軟件開發環境可以快速搭建航空領域的儀表,相關領域的模板比較成熟,但是其儀表種類比較少。2014 年谷歌發布了Android Auto 系統,融合語音控制和人工智能的技術完成了整個汽車的儀表顯示和控制功能。

國內虛擬儀表技術研究比較晚,依靠LabView 開發環境我國學者也開發了礦井提升監控系統,并利用DataSocket 技術實現了對提升機的現場監控；國內學者吧信號處理的相關理論算法整合到虛擬儀表中開發了機械設備故障檢測系統。近幾年,我國在智能化虛擬儀表的研發速度也在加速,結合以往積累的微機技術與虛擬儀器的信號分析和處理的方法也研發除了一些成熟的產品。但是在虛擬儀表設計平臺軟件的研發上投入較少,沒有開發出具有影響力、成熟的虛擬儀表軟件系統,可見加強虛擬儀表通用性平臺和核心語言的開發就顯得尤為重要。

3 虛擬儀表建模方法

3.1 虛擬儀表可視化技術

虛擬儀表可視化技術是指運用圖像處理技術,把采集的數據轉換成對應的圖形、圖像,并顯示在相應設備上。把抽象的數據轉化為圖形圖像,可以給人直觀的認識,對于快速洞察儀表的問題和測量數據的變化、發展的趨勢預判都有意義。虛擬儀表可視化技術包括數據可視化技術和信息可視化技術。

數據可視化技術是指借助圖形化的手段,清晰有效的對數據庫中的數據進行顯示。其基本概念包括：

①數據空間：是由n 維屬性和m 個元素組成的數據集所構成的多維信息空間；

②數據開發：是指利用一定的算法和工具對數據進行定量的推演和計算；

③數據分析：指對多維數據進行切片、塊、旋轉等動作剖析數據,從而能多角度多側面觀察數據；

④數據可視化：是指將大型數據集中的數據以圖形圖像形式表示,并利用數據分析和開發工具發現其中未知信息的處理過程。

信息可視化技術是對數據進行抽象性、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 虛擬儀表數學模型建立方法

本文將著重討論虛擬指針儀表和柱狀儀表的建模方法。根據實際的應用場景,指針型儀表主要是在表針的轉動,指示范圍,旋轉幅度等控制上。傳統儀表中以指針型壓力表為例,其壓力值對應的指針偏轉的角度是成線性關系。同理對于液位計,溫度計柱狀儀表來說,其對應測量值和顯示的柱狀標識的高度也成線性關系。可以用通用線性函數表示為：

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 是相關常量。

虛擬儀表中數據從串口、RJ45 網口等硬件接口獲得,測量值與顯示值之間成線性關系。其函數關系也可以表示為：

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計

本次課題應用WPF 技術(Windows Presentation Foundation)開發,WPF 是微軟新發布的Vista 操作系統的三個核心開發庫之一,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,并且已經在2018 微軟公司宣布開源,它提供了統一的編程模型、語言和框架,真正做到了分離界面設計人員與開發人員的工作；同時它提供了全新的多媒體交互用戶圖形界面。

本次開發采用xaml 語言建模,通過數據綁定進行顯示,對用戶鼠標或者觸摸的事件用命令的方式來響應,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中鼠標點擊響應,包括關閉、最小化窗口事件,WpfDragM.views.jiaoHuChart 類主要完成整個虛擬儀表的統計圖表的生成；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。最后把測得的數據帶入已經求出最優參數的線性方程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一個現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)。為了追求對現場儀表的真實再現,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),表現為表針透過阻尼液的一個動態折射的變化,這個過程本文力求真實再現。具體做法為：通過在阻尼液界面處放置一個水花樣的圖形,當壓力表指針經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值也是線性關系。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據之間的最優線性方程,這樣就可以對采集數據進行顯示,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,還包括統計圖表的顯示(見圖7),這是本文第二研究的內容。本文做法是首先把采集的數據存儲在后臺數據集合中,每隔一段時間進行數據的序列化操作,并存儲在本地硬盤或者數據庫中。同時把數據通過依次連線的方式顯示在圖像上,數據之間連線可以直接用直線連接,根據數據對采集時間的光滑情況也可以用樣條插值的方法連接。程序實現過程就是在必要的時候更新圖表的圖案來顯示當前時間段的曲線。

圖7

對于數據的交互,本文操作是按下鼠標右鍵選中曲線一段數據,同時用一個半透明的灰色的矩形覆蓋選中的區域,然后對這段數據進行提取,或者分析。當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據。

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

圖8

圖9

5 總結和展望

伴隨著計算機技術的飛速發展,虛擬儀表技術也在各行各業進行廣泛的應用,并有逐步取代傳統儀表的趨勢。我國在虛擬儀表的研究上距離國外還有較大的差距,本文給出的應用WPF 技術進行虛擬儀表可是化建模方法的研究,同時也探討了對數據進行預處理的一些數學方法。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 框架已經宣布開源,對其進行工業軟件的研發,能在一定程度上減少國外軟件的依賴,提升自主研發實力。在下一步研究中將著重研究把一些機器學習算法結合到統計圖表的生成中,同時研究常用的工業通訊協議下,數據接收、存儲和實時顯示的問題。