甄洪斌，向 東，徐建霖，吳 強(qiáng)

(海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 湖北 武漢 430033)

艦船電氣設(shè)備虛擬維修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

甄洪斌，向 東，徐建霖，吳 強(qiáng)

(海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 湖北 武漢 430033)

文章圍繞艦船電氣設(shè)備的維修訓(xùn)練和考核需求，規(guī)劃設(shè)計(jì)虛擬維修系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和軟件模塊，運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制流程及數(shù)據(jù)通信交互模式，詳細(xì)闡述了訓(xùn)練考核教控管理、三維模型顯示交互、數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算等軟件功能。利用LabVIEW、3DMAX和PostEngineer軟件聯(lián)合開發(fā)，研制完成了艦船海水淡化裝置虛擬維修系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)交互、運(yùn)行特性仿真、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信和訓(xùn)練考核評(píng)估等性能。

艦船電氣設(shè)備；虛擬維修；訓(xùn)練考核系統(tǒng)；海水淡化裝置

Abstract:To meet the demand of training and evaluation for shipboard electrical equipments,the structure and software modules of virtual maintenance system have been designed.In this paper,the control processes of running state transition and the interaction pattern of data communication are analyzed.The functions of software modules,such as teaching management control of training and evaluation,display and interaction of three-dimensional models,simulation and calculation of mathematical models,also have been expounded.With the software development platform of Lab VIEW,3DMAX and PostEngineer,the virtual maintenance system for marine sea-water desalting plant has been realized,which has the function of virtual reality interaction,operating characteristics simulation,realtime data communication,and assessment of training and evaluation.

Keywords：shipboard electrical equipment;virtual maintenance;training and evlauation system;sea-water desalting plant

隨著艦船電氣化、自動(dòng)化程度的不斷提高，電氣設(shè)備越來越復(fù)雜，故障形式多種多樣。艦船電氣設(shè)備維修涉及操作使用規(guī)程、原理線路識(shí)別、工具儀表使用、故障排查定位等多方面知識(shí)和能力的綜合應(yīng)用，是艦船電工專業(yè)維修保障工作人員的必備技能，需要進(jìn)行專門的教學(xué)訓(xùn)練和考核評(píng)估。

在實(shí)際裝備上開展維修教學(xué)訓(xùn)練和考核面臨諸多的問題，如經(jīng)費(fèi)投入較大、訓(xùn)練設(shè)備數(shù)量少、對(duì)訓(xùn)練場地要求高、故障設(shè)置和恢復(fù)難度大、設(shè)備損耗和故障率大、裝備安全性能差等[1-2]。虛擬維修系統(tǒng)是以裝備維修教學(xué)訓(xùn)練和考核評(píng)估為研究對(duì)象，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，為復(fù)雜裝備的維修教學(xué)訓(xùn)練建立起一個(gè)實(shí)裝仿真環(huán)境軟硬件系統(tǒng)，可以有效解決傳統(tǒng)維修訓(xùn)練和考核評(píng)估中存在的諸多問題，對(duì)培養(yǎng)高技能的維修保障人員具有重要意義[3-5]。

本文以艦船海水淡化裝置為研究對(duì)象，規(guī)劃設(shè)計(jì)電氣設(shè)備虛擬維修系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和軟件模塊，研究運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制流程及數(shù)據(jù)通信交互模式，開發(fā)完成訓(xùn)練考核教控管理軟件、三維模型顯示交互軟件、數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算軟件，采用桌面式虛擬顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)仿真、系統(tǒng)功能仿真、維修考核評(píng)估、仿真數(shù)據(jù)交互等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

虛擬維修系統(tǒng)是實(shí)際維修訓(xùn)練依托計(jì)算機(jī)的虛擬實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)容要素需求就在于將裝備、工具器材、維修人員、維修過程等內(nèi)容要素體現(xiàn)在虛擬環(huán)境中[6-8]。艦船電氣設(shè)備訓(xùn)練考核系統(tǒng)利用虛擬維修操作平臺(tái)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)方式實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的操作使用、維修訓(xùn)練和考核評(píng)估。該系統(tǒng)通過教控管理軟件設(shè)置一定數(shù)量的電氣故障，訓(xùn)練考核人員在規(guī)定的考核時(shí)間內(nèi)根據(jù)故障現(xiàn)象、操作手冊及原理圖，利用虛擬儀表設(shè)備進(jìn)行信號(hào)檢測，判斷故障元件位置并排除故障[9]。

1.1系統(tǒng)功能

艦船電氣設(shè)備虛擬維修系統(tǒng)面向電氣維修保障人員，目的是快速掌握電氣設(shè)備的工作原理、操作步驟和維修技能，需要有高度的臨場感，可在全天候、安全零損耗的情況下使用[10-11]。根據(jù)艦船電氣設(shè)備的維修手冊和訓(xùn)練要求，確定系統(tǒng)主要功能。

1)虛擬訓(xùn)練考核。包括電氣設(shè)備的維修教學(xué)訓(xùn)練與考核，實(shí)現(xiàn)對(duì)主要元器件的拆卸裝配、信號(hào)檢測及故障排除等操作。

2)教練控制管理。包括后臺(tái)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫修改、用戶管理操作過程監(jiān)控訓(xùn)練、成績評(píng)定等。

3)三維動(dòng)態(tài)顯示。搭載立體顯示設(shè)備，呈現(xiàn)三維立體效果，增強(qiáng)受訓(xùn)人員的沉浸感。

1.2組成結(jié)構(gòu)

艦船電氣設(shè)備虛擬維修系統(tǒng)硬件部分由1臺(tái)服務(wù)器和若干臺(tái)操作終端計(jì)算機(jī)組成，軟件部分包括訓(xùn)練考核教控管理軟件、三維模型顯示交互軟件、數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算軟件3個(gè)模塊，服務(wù)器端運(yùn)行訓(xùn)練考核教控管理軟件，具有教練控制和管理功能；操作終端軟件主要包括三維模型顯示交互軟件以及數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算軟件。虛擬維修系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬維修系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

2 軟件模塊功能

2.1模塊組成及數(shù)據(jù)通信方式

訓(xùn)練考核系統(tǒng)由訓(xùn)練考核教控管理軟件、三維模型顯示交互軟件、數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算軟件等模塊協(xié)同運(yùn)行，通過網(wǎng)絡(luò)通信和內(nèi)部動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(Dynamic Data Exchange，DDE)通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

服務(wù)器與操作終端采用網(wǎng)絡(luò)通信，三維模型顯示交互軟件與數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算軟件之間采用DDE通信方式。DDE通信內(nèi)容主要包括：命令下達(dá)和回復(fù)、故障信息、設(shè)備元件的各部件狀態(tài)、導(dǎo)線操作、萬用表狀態(tài)、測點(diǎn)和測量值、儀表和指示燈顯示數(shù)據(jù)等。

2.2訓(xùn)練考核教控管理軟件

1)登錄權(quán)限管理。主要包括教練員登錄管理、故障設(shè)置權(quán)限管理。

2)網(wǎng)絡(luò)通信管理。進(jìn)行服務(wù)器和操作終端的網(wǎng)絡(luò)通信，保證訓(xùn)練考核全過程網(wǎng)絡(luò)的正常連接。

3)控制命令下達(dá)。下達(dá)訓(xùn)練和考核過程控制命令；檢測和顯示各終端的當(dāng)前狀態(tài)以及命令執(zhí)行情況(初始化、登錄、考核、交卷等)。

4)用戶登錄管理。操作人員在操作終端登錄考試系統(tǒng)輸入用戶名等信息；在服務(wù)器端可以查看并記錄所有操作人員的登錄信息(網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、是否登錄、用戶名、工位號(hào)等)。

5)故障信息設(shè)置。人為選擇或隨機(jī)產(chǎn)生故障信息，采用表格形式，主要字段為“序號(hào)、故障元件編號(hào)、故障類型、故障現(xiàn)象”。

6)訓(xùn)練內(nèi)容發(fā)布。在服務(wù)器端能夠針對(duì)每臺(tái)終端機(jī)下發(fā)相同或不同的訓(xùn)練考核內(nèi)容故障信息，并能反饋查看所發(fā)布的訓(xùn)練考核內(nèi)容；與三維模型顯示交互軟件和數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算軟件通信，用于初始化。

7)訓(xùn)練計(jì)時(shí)管理。操作人員登錄考試系統(tǒng)、檢查考核資料和器材工具完畢后，服務(wù)器端能夠根據(jù)所設(shè)定的考核時(shí)間統(tǒng)一下達(dá)計(jì)時(shí)操作開始指令并自動(dòng)計(jì)時(shí)，考核過程中實(shí)時(shí)剩余時(shí)間能在服務(wù)器端和操作終端界面顯著的位置同步顯示。

8)訓(xùn)練信息收集。各終端機(jī)訓(xùn)練或考核結(jié)果信息收集、成績的自動(dòng)評(píng)定、記錄和打??；考核結(jié)果的內(nèi)容包括“工位號(hào)、用戶名、考核開始時(shí)間，考核總時(shí)長，考核成績，每個(gè)錄入的故障信息(序號(hào)、故障元件編號(hào)、故障類型、錄入時(shí)間、正確與否等)，安全問題信息(序號(hào)、類型、時(shí)間等)”。

9)成績評(píng)判打印。服務(wù)器端根據(jù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算該批次所有操作人員的質(zhì)量分、安全分和時(shí)間分，并以文檔形式輸出每位操作人員的用戶名、工位號(hào)、考核內(nèi)容、考核時(shí)間、輸入的故障信息、安全問題信息、考核成績等，打印后交由操作人員簽字確認(rèn)。

10)系統(tǒng)狀態(tài)恢復(fù)。該批次考核工作全部完成后，能夠在服務(wù)器端將所有操作終端計(jì)算機(jī)恢復(fù)至初始狀態(tài)，以備進(jìn)行下一批次的考核設(shè)置。

2.3三維模型顯示交互軟件

1)數(shù)據(jù)信息交換。安裝于操作終端計(jì)算機(jī)，能與訓(xùn)練考核教控管理軟件和數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算軟件傳遞數(shù)據(jù)，其中與數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算軟件以DDE通信方式進(jìn)行信息交換。

2)命令貫徹執(zhí)行。命令接收、下傳；命令執(zhí)行反饋；人員用戶名與密碼登錄；考核計(jì)時(shí)及顯示；主動(dòng)或強(qiáng)制結(jié)束考核(考核時(shí)間未到，可提交結(jié)束；倒計(jì)時(shí)時(shí)間到，則自動(dòng)結(jié)束。考核結(jié)束后，操作交互被禁止)；在主動(dòng)或強(qiáng)制結(jié)束后，立即將考核輸入故障信息上傳至服務(wù)器端。

3)三維交互操作。三維模型系統(tǒng)初始化與實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示；可以進(jìn)行三維虛擬界面操作和虛擬維修檢測操作，對(duì)海水淡化裝置進(jìn)行開關(guān)操作、按鈕操作、管路閥門操作、電器元件線路端子拆裝(斷開/連接導(dǎo)線)，操作信息傳送至數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算軟件；接收數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算軟件提供的數(shù)據(jù)信息，在電控箱和儀表盤等顯示指示燈狀態(tài)、儀表數(shù)據(jù)、蜂鳴器聲音等。

4)數(shù)據(jù)測量顯示。通過萬用表測量電器元件檢測點(diǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，萬用表顯示值由數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算軟件運(yùn)算響應(yīng)提供，可進(jìn)行電壓和電阻等測量檔位的選擇切換。

5)故障比對(duì)判斷。操作人員選擇故障定位菜單后，點(diǎn)擊故障元件，彈出元件各部件選項(xiàng)，查表獲得故障元件編號(hào)(若點(diǎn)擊測點(diǎn)，則彈出與此測點(diǎn)相連的所有導(dǎo)線信息，選擇后確定故障元件編號(hào))，選擇故障類型(短路或斷路)；確認(rèn)故障信息輸入后，與預(yù)設(shè)故障信息比對(duì)，如果正確則發(fā)送信息給數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算軟件，撤銷該設(shè)置故障；同時(shí)記錄該錄入信息、錄入時(shí)間和正確性。

6)安全信息管控。考核過程中，如因操作人員操作失誤導(dǎo)致虛擬維修操作平臺(tái)發(fā)生虛擬設(shè)備短路跳閘、熔斷器熔斷或檢測儀表損壞等安全問題，能夠自動(dòng)記錄安全問題類型、出現(xiàn)時(shí)間等信息，并通過彈出式窗口提示操作人員，待操作人員確認(rèn)后通過數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算軟件和三維模型顯示交互軟件自動(dòng)消除該安全問題。

2.4數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算軟件

1)數(shù)學(xué)仿真運(yùn)算。與訓(xùn)練考核教控管理軟件和三維模型顯示交互軟件通信，數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)初始化與參數(shù)、狀態(tài)、測量值等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)仿真運(yùn)算。

2)數(shù)據(jù)信息交換。與訓(xùn)練考核教控管理軟件通信，接收發(fā)布的考核內(nèi)容、考核指令、操作人員輸入的故障信息等相關(guān)數(shù)據(jù)，并回送有關(guān)信息；與三維模型顯示交互軟件以DDE通信方式進(jìn)行信息交換，接收三維虛擬操作狀態(tài)、測量儀表檔位、測點(diǎn)等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并將模型仿真數(shù)據(jù)回送以進(jìn)行狀態(tài)或數(shù)據(jù)顯示。

3)故障比對(duì)判斷。接收訓(xùn)練考核教控管理軟件提供的操作人員故障信息比對(duì)結(jié)果，如果正確則對(duì)該條故障進(jìn)行自動(dòng)撤銷，如果錯(cuò)誤則不進(jìn)行任何動(dòng)作。

4)安全信息管控。接收訓(xùn)練考核教控管理軟件提供的安全信息，如因操作人員操作失誤導(dǎo)致安全問題，待操作人員在彈出式窗口確認(rèn)后與三維模型顯示交互軟件配合自動(dòng)消除該安全問題。

3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程

各軟件模塊根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程執(zhí)行相應(yīng)功能，軟件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換通過數(shù)據(jù)通信相互協(xié)調(diào)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制及信息交互流程如圖2所示。

圖2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換及信息交互流程

訓(xùn)練和考核的轉(zhuǎn)換控制過程為：①教控員預(yù)設(shè)故障和考核時(shí)間；②系統(tǒng)初始化；③訓(xùn)練考核人員登錄；④訓(xùn)練考核開始；⑤操作交互和故障確認(rèn)；⑥交卷及訓(xùn)練考核記錄；⑦計(jì)算并打印訓(xùn)練考核成績。

4 訓(xùn)練考核系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

以艦船海水淡化裝置為對(duì)象，虛擬維修訓(xùn)練考核系統(tǒng)利用集成開發(fā)環(huán)境軟件Microsoft Visual Studio、圖形化程序開發(fā)環(huán)境軟件LabVIEW、三維動(dòng)畫渲染制作軟件3DMAX和三維可視化引擎軟件PostEngineer聯(lián)合開發(fā)，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真、系統(tǒng)功能仿真、維修考核評(píng)估、仿真數(shù)據(jù)交互等功能[12]，如圖3所示。

圖3 虛擬維修系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)通過維修動(dòng)作過程仿真和系統(tǒng)電路功能仿真，在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)電氣設(shè)備的正常及故障工況，通過觀察和使用虛擬儀器儀表進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量和拆裝，訓(xùn)練考核故障定位和排查技能，實(shí)現(xiàn)真實(shí)維修訓(xùn)練的效果。

訓(xùn)練考核教控管理軟件采用客戶端-服務(wù)器模式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以設(shè)定故障內(nèi)容并記錄維修過程中的故障定位信息和錯(cuò)誤操作，最后通過根據(jù)設(shè)定的質(zhì)量、安全和時(shí)間等評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合評(píng)判。教練員可以掌握所有操作人員的數(shù)據(jù)記錄，通過比較分析可對(duì)訓(xùn)練內(nèi)容和訓(xùn)練過程進(jìn)行有針對(duì)性地調(diào)整，提高訓(xùn)練效果。教控臺(tái)可對(duì)訓(xùn)練考核的管理和過程控制，對(duì)故障類型和故障數(shù)量進(jìn)行自由設(shè)置，對(duì)故障排查結(jié)果進(jìn)行記錄和自動(dòng)評(píng)分。

圖4 海水淡化裝置虛擬維修系統(tǒng)操作界面

客戶端可以進(jìn)行正常的設(shè)備操作、導(dǎo)線的拆裝操作、萬用表測量操作、故障定位排除操作。操作員可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)、停機(jī)、檢測等操作，操作過程會(huì)禁止引起設(shè)備損壞性的錯(cuò)誤操作，并給予相應(yīng)的提示信息。系統(tǒng)操作界面如圖4所示。

三維模型顯示交互軟件采用桌面式虛擬顯示技術(shù)，將實(shí)際設(shè)備各部分完整地呈現(xiàn)在三維虛擬界面中，包括管路、閥門、儀表、電氣控制箱及其內(nèi)部電器元件等，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)各種工作狀態(tài)下的三維效果展示。

數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算軟件采用邏輯功能仿真與電路仿真結(jié)合方式，無需事先建立故障數(shù)據(jù)庫，在LabVIEW編程環(huán)境下面向?qū)ο蠼?shí)現(xiàn)故障的投入與切除，可以靈活地、高自由度進(jìn)行故障設(shè)置，訓(xùn)練考核中動(dòng)態(tài)完成故障定位與排除操作，實(shí)現(xiàn)任意電路節(jié)點(diǎn)之間的電壓、電阻的動(dòng)態(tài)測量。系統(tǒng)仿真流程如圖5所示。

圖5 虛擬維修系統(tǒng)仿真流程

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船用海水淡化裝置各項(xiàng)操作及控制系統(tǒng)中的增壓泵、高壓泵的自動(dòng)及手動(dòng)控制的模擬，也可實(shí)現(xiàn)用萬用表檢測電氣控制箱線路中任意測點(diǎn)的電路參數(shù)動(dòng)態(tài)模擬。依據(jù)反滲透海水淡化原理實(shí)現(xiàn)海水淡化裝置管路及閥門壓力的仿真計(jì)算，運(yùn)行過程中可顯示各壓力表及流量的情況。通過設(shè)置電氣控制箱主電路、控制電路的故障，用于故障排查訓(xùn)練及考核，涵蓋了海水淡化裝置中幾乎所有的類型：接觸器、時(shí)間繼電器、中間繼電器、熱繼電器、熔斷器、指示燈、開關(guān)、按鈕、導(dǎo)線等。

5 結(jié)束語

虛擬維修訓(xùn)練考核作為一種行之有效的手段，具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿?，可以緩解甚至解決當(dāng)前維修訓(xùn)練考核中存在的突出矛盾。

本文以艦船海水淡化裝置作為設(shè)計(jì)研究對(duì)象，開發(fā)完成訓(xùn)練考核教控管理軟件、三維模型顯示交互軟件、數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算軟件，采用虛擬現(xiàn)實(shí)方式實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的操作使用和維修訓(xùn)練。該系統(tǒng)考核艦員和維修保障人員對(duì)海水淡化裝置電氣原理圖識(shí)圖和電氣設(shè)備故障查找及排除能力，將維修理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐動(dòng)手訓(xùn)練相結(jié)合，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。

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甄洪斌(1979-)，男,山東德州人,副教授,博士,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化、艦船電氣維修保障等。

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10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.012

2017-04-17