基于數據驅動的燃氣輪機工況狀態可視化系統設計

賀雷 張衛東

摘??要：基于Lab?VIEW并結合虛擬現實與視景仿真技術開發設計，利用Pro/Engineer軟件創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中進行加載仿真監測。為了能夠將動畫幀序列與燃氣輪機的運轉和工質的流動相匹配，針對幀序列文件進行分組加載，在軟件程序中采用For循環和Case結構，針對不同工況通過判斷調用不同的控件（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。

關鍵詞：數據驅動??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，在仿真監測的同時，對于實時動態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電模塊半物理仿真平臺，結合虛擬現實技術和視景仿真技術，設計一個船舶燃氣輪機發電模塊半物理仿真平臺運行演示系統，用以完善已有的監測系統，方便監測人員的監測，可使燃氣輪機的監測系統既直觀又生動地展現給測控人員，從而解決傳統半物理仿真技術的弊端，進而優化了監測系統[6-7]。

1??燃氣輪機發電模塊半物理仿真平臺介紹

燃氣輪機發電模塊半物理仿真平臺實物部分主要由發電模塊（電動機、轉速扭矩儀、發電動機及整流橋堆）、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?燃氣輪機工況狀態可視化系統

該系統基于燃氣輪機半物理仿真平臺研究開發，主要是將半物理仿真技術與虛擬現實技術相結合，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）創建燃氣輪機三維幾何模型：根據總體構架設計本文中的燃氣輪機幾何模型，并對其主體結構進行相應的簡化。

（2）設計燃氣輪機虛擬運行過程：包括啟動和穩定運行設計。

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

2.1?創建燃氣輪機三維幾何模型

燃氣輪機發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子轉動、工質流向和顏色變化、各個監測點的溫度以及各個監測點的壓力，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流動效果模擬，環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的演示系統設計

基于燃氣輪機發電模塊半物理仿真平臺以燃氣輪機發電模塊發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容。實驗監測演示系統界面如圖3所示。

虛擬視景監測窗口的設計采取了虛擬現實與視景仿真技術，利用Pro/Engineer軟件創建幾何模型，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中進行加載仿真監測。燃氣輪機虛擬視景監測窗口界面如圖4所示，該窗口中表示燃氣輪機工質的粒子，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時工質的狀態，同時窗口上側的7個視窗能夠顯示燃氣輪機各個監測點精確的壓力值，下側的7個視窗能夠顯示燃氣輪機各個監測點精確的溫度值，這給測控人員尤其是新成員的監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測窗口的主體。本程序設計主要是以圖片函數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）輸入端為圖像數據（圖像數據包括：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和工質的流動，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別并有選擇地循環加載。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構面板中的For循環和Case結構（如圖6所示）。For循環用于將給定的圖片加載程序執行指定的次數，完成幀序列的循環加載和順序播放，從而使二維圖片控件（VI）中正確地展示燃氣輪機運轉和工質流動的虛擬視景仿真動畫；Case結構則是根據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定的運轉過程。

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，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測窗口中各個溫度和壓力監測點是與仿真平臺中設計的溫度、壓力監測點一一對應的，每個監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據。

3?結論

本文基于燃氣輪機發電模塊半物理仿真平臺，通過Pro/Engineer三維造型軟件創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，基本實現了燃氣輪機半物理仿真與實時動態虛擬視景的結合。

（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，同時為今后半物理仿真平臺演示系統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研究做了鋪墊。

參考文獻

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

[2]?蔣洪德.加速推進重型燃氣輪機核心技術研究開發和國產化[J].動力工程學報，2011，31（8）：563-566.

[3]?李翔宇，霍玉鑫，徐海成，等.船用燃氣輪機動力渦輪氣動設計及優化研究[J].推進技術，2023，44（2）：143-151.

[4]?申春艷，楊輝，趙勇.基于LabVIEW的燃氣輪機發電機組勵磁控制器測試系統設計[J].工程與試驗，2023，63（4）：68-70.

[5]?吳楠.基于不平衡數據集的燃氣輪機故障檢測及診斷研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2022.

[6]?楊鈺暾.基于強化學習的燃氣輪機轉速控制策略研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2022.

[7]?王娟，葛曉霞，王毅林，等.燃氣輪機發電裝置課程項目化教學的建設與應用[J].創新創業理論研究與實踐，2023，6（18）：39-42.