基于数据驱动的燃气轮机工况状态可视化系统设计

贺雷 张卫东

摘  要：基于Lab VIEW并结合虚拟现实与视景仿真技术开发设计，利用Pro/Engineer软件创建燃气轮机几何模型，3Ds软件对其进行模型处理、动画制作及渲染帧序列，在Lab VIEW中进行加载仿真监测。为了能够将动画帧序列与燃气轮机的运转和工质的流动相匹配，针对帧序列文件进行分组加载，在软件程序中采用For循环和Case结构，针对不同工况通过判断调用不同的控件（VI），以20 ms为最小加载周期进行迭代，进而流畅、形象地展示燃气轮机工作状态。

关键词：数据驱动  可视化   Lab VIEW   燃气轮机

中图分类号：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

半物理仿真技术在仿真技术中置信度水平最高，但是其物理模型比较抽象、对于测控人员的专业水平要求较高、新成员上手较慢的弊端是不言而喻的，因此，在仿真监测的同时，对于实时动态虚拟视景仿真也提出了相应需求[1-5]。立足于船舶燃气轮机发电模块半物理仿真平台，结合虚拟现实技术和视景仿真技术，设计一个船舶燃气轮机发电模块半物理仿真平台运行演示系统，用以完善已有的监测系统，方便监测人员的监测，可使燃气轮机的监测系统既直观又生动地展现给测控人员，从而解决传统半物理仿真技术的弊端，进而优化了监测系统[6-7]。

1  燃气轮机发电模块半物理仿真平台介绍

燃气轮机发电模块半物理仿真平台实物部分主要由发电模块（电动机、转速扭矩仪、发电动机及整流桥堆）、配电模块（开关、熔断器）、电力变换模块（升压稳压器）、推进电动机模块、电力负载模块等组成，如图1所示。

2 燃气轮机工况状态可视化系统

该系统基于燃气轮机半物理仿真平台研究开发，主要是将半物理仿真技术与虚拟现实技术相结合，消除半物理仿真技术抽象显示的弊端，主要分为3个部分，具体如下。

（1）创建燃气轮机三维几何模型：根据总体构架设计本文中的燃气轮机几何模型，并对其主体结构进行相应的简化。

（2）设计燃气轮机虚拟运行过程：包括启动和稳定运行设计。

（3）演示系统总体程序设计：基于Lab VIEW进行设计开发的，包括转子实时仿真设计、虚拟视景监测设计以及演示系统总体界面设计。

2.1 创建燃气轮机三维几何模型

燃气轮机发电模块半物理仿真平台以一台三轴燃气轮机为原型机，在此基础上，进行模型简化设计，由于演示过程只展示燃气轮机的转子转动、工质流向和颜色变化、各个监测点的温度以及各个监测点的压力，所以对于燃气轮机的几何模型加以简化，未对其附属系统进行建模。具体的几何模型包括：机匣（包含燃烧室）、低压压气机、高压压气机、高压涡轮、低压涡轮以及动力涡轮。

2.2 燃气轮机几何模型设置及渲染

燃气轮机几何模型渲染主要完成燃气轮机工质流动效果模拟，环境光效果模拟及燃气轮机纹理效果模拟等。通过三维场景的建立、灯光和材质的设置、几何变换以及纹理贴图等效果使燃气轮机几何模型渲染的图像更为逼真，增强图像的真实感，具体的过程如图2所示。

2.3 基于Lab VIEW的演示系统设计

基于燃气轮机发电模块半物理仿真平台以燃气轮机发电模块发出电后输送给推进电机，推进电机带螺旋桨负载加速过程为半物理仿真实验内容。实验监测演示系统界面如图3所示。

虚拟视景监测窗口的设计采取了虚拟现实与视景仿真技术，利用Pro/Engineer软件创建几何模型，3Ds软件对其进行设置，制作成动画并渲染出生动逼真的帧序列，在Lab VIEW中进行加载仿真监测。燃气轮机虚拟视景监测窗口界面如图4所示，该窗口中表示燃气轮机工质的粒子，其流动的起始时刻是与仿真平台中电动机的启动时刻是同步的，粒子颜色由蓝到红的变化与燃气轮机工质的温度变化基本是一致的。此窗口可以形象生动地模拟燃机的启动过程和运转时工质的状态，同时窗口上侧的7个视窗能够显示燃气轮机各个监测点精确的压力值，下侧的7个视窗能够显示燃气轮机各个监测点精确的温度值，这给测控人员尤其是新成员的监测提供了极大的便利。

Lab VIEW中帧序列的加载以及虚拟仿真视景动画的程序设计是燃气轮机虚拟视景监测窗口的主体。本程序设计主要是以图片函数VI面板中的绘制平化像素图（VI）为核心进行设计的，平化像素图（VI）输入端为图像数据（图像数据包括：图像类型、图像深度、图像、掩码、颜色以及矩形），因此，本程序中同样使用了图形格式VI面板中的读取JPEG文件（VI），平化像素图（VI）输出端为新图片，在本文的设计中选择二维图片控件（VI）来作为帧序列的输出终端。图片加载程序如图5所示。

在此程序的设计中，虽然能够加载之前渲染好的帧序列，但是为了能够逼真、形象地展示燃气轮机的运转和工质的流动，使前面板中二维图片控件（VI）所展示的是一个燃气轮机从启动到运转至额定工况的虚拟视景仿真动画，那么就需要将帧序列加以区别并有选择地循环加载。其中关于燃气轮机启动时的这部分帧序列只加载一次，后边稳定后的帧序列进行重复的加载。因而在本程序设计中采用了结构面板中的For循环和Case结构（如图6所示）。For循环用于将给定的图片加载程序执行指定的次数，完成帧序列的循环加载和顺序播放，从而使二维图片控件（VI）中正确地展示燃气轮机运转和工质流动的虚拟视景仿真动画；Case结构则是根据程序中所给出的条件来进行相应的选择，完成相应的程序运行，从而使二维图片控件（VI）中完美地展示燃气轮机启动过程以及之后稳定的运转过程。

由于在一个独立的二维图片控件（VI）不能同时被不同条件下的两个程序使用，因此在本设计中引入了局部变量。局部变量相当于它所链接的函数的一个传递地址，当信息写入局部变量之后，局部变量就将此信息传递到它所链接的函数，也就是说写入的信息直接传递到了其想要连接的终端。

燃气轮机虚拟视景监测窗口中各个温度和压力监测点是与仿真平台中设计的温度、压力监测点一一对应的，每个监测视窗显示的温度值和压力值都是从仿真平台中采集的，从而能够为测控人员提供精确的数据。

3 结论

本文基于燃气轮机发电模块半物理仿真平台，通过Pro/Engineer三维造型软件创建燃气轮机几何模型，利用3Ds软件对燃气轮机几何模型的设置与渲染，之后再利用Lab VIEW进行程序设计，基本实现了燃气轮机半物理仿真与实时动态虚拟视景的结合。

（1）对燃气轮机半物理仿真平台进行了介绍，为燃气轮机选型建模提供了依据，同时为今后半物理仿真平台演示系统的设计提供了基本思路。

（2）对Pro/Engineer、3Ds软件进行了详细的介绍，主要包括对软件的适用范围进行了阐述，对软件之间的不同接口协议的特点进行了分析并做出了对比。通过这些介绍对虚拟视景仿真的前期工作提供了便利。

（3）研究了Lab VIEW的基本程序设计思路，并就本课题的程序设计做了详细的阐述，为以后带有虚拟视景仿真的测控系统研究做了铺垫。

参考文献

[1] 马伟明.舰船动力发展的方向：综合电力系统[J].上海海运学院学报，2004（1）：1-11.

[2] 蒋洪德.加速推进重型燃气轮机核心技术研究开发和国产化[J].动力工程学报，2011，31（8）：563-566.

[3] 李翔宇，霍玉鑫，徐海成，等.船用燃气轮机动力涡轮气动设计及优化研究[J].推进技术，2023，44（2）：143-151.

[4] 申春艳，杨辉，赵勇.基于LabVIEW的燃气轮机发电机组励磁控制器测试系统设计[J].工程与试验，2023，63（4）：68-70.

[5] 吴楠.基于不平衡数据集的燃气轮机故障检测及诊断研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2022.

[6] 杨钰暾.基于强化学习的燃气轮机转速控制策略研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2022.

[7] 王娟，葛晓霞，王毅林，等.燃气轮机发电装置课程项目化教学的建设与应用[J].创新创业理论研究与实践，2023，6（18）：39-42.