艦船電氣設備虛擬維修系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

甄洪斌，向 東，徐建霖，吳 強

(海軍工程大學 電氣工程學院， 湖北 武漢 430033)

艦船電氣設備虛擬維修系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

甄洪斌，向 東，徐建霖，吳 強

(海軍工程大學 電氣工程學院， 湖北 武漢 430033)

文章圍繞艦船電氣設備的維修訓練和考核需求，規(guī)劃設計虛擬維修系統(tǒng)的組成結構和軟件模塊，運行狀態(tài)轉換控制流程及數(shù)據(jù)通信交互模式，詳細闡述了訓練考核教控管理、三維模型顯示交互、數(shù)學模型仿真計算等軟件功能。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)，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實交互、運行特性仿真、實時數(shù)據(jù)通信和訓練考核評估等性能。

艦船電氣設備；虛擬維修；訓練考核系統(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、自動化程度的不斷提高，電氣設備越來越復雜，故障形式多種多樣。艦船電氣設備維修涉及操作使用規(guī)程、原理線路識別、工具儀表使用、故障排查定位等多方面知識和能力的綜合應用，是艦船電工專業(yè)維修保障工作人員的必備技能，需要進行專門的教學訓練和考核評估。

在實際裝備上開展維修教學訓練和考核面臨諸多的問題，如經費投入較大、訓練設備數(shù)量少、對訓練場地要求高、故障設置和恢復難度大、設備損耗和故障率大、裝備安全性能差等[1-2]。虛擬維修系統(tǒng)是以裝備維修教學訓練和考核評估為研究對象，以虛擬現(xiàn)實技術為基礎，為復雜裝備的維修教學訓練建立起一個實裝仿真環(huán)境軟硬件系統(tǒng)，可以有效解決傳統(tǒng)維修訓練和考核評估中存在的諸多問題，對培養(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象，規(guī)劃設計電氣設備虛擬維修系統(tǒng)的組成結構和軟件模塊，研究運行狀態(tài)轉換控制流程及數(shù)據(jù)通信交互模式，開發(fā)完成訓練考核教控管理軟件、三維模型顯示交互軟件、數(shù)學模型仿真計算軟件，采用桌面式虛擬顯示技術實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實仿真、系統(tǒng)功能仿真、維修考核評估、仿真數(shù)據(jù)交互等功能。

1 系統(tǒng)總體設計

虛擬維修系統(tǒng)是實際維修訓練依托計算機的虛擬實現(xiàn)，其內容要素需求就在于將裝備、工具器材、維修人員、維修過程等內容要素體現(xiàn)在虛擬環(huán)境中[6-8]。艦船電氣設備訓練考核系統(tǒng)利用虛擬維修操作平臺，采用虛擬現(xiàn)實方式實現(xiàn)電氣設備的操作使用、維修訓練和考核評估。該系統(tǒng)通過教控管理軟件設置一定數(shù)量的電氣故障，訓練考核人員在規(guī)定的考核時間內根據(jù)故障現(xiàn)象、操作手冊及原理圖，利用虛擬儀表設備進行信號檢測，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)艦船電氣設備的維修手冊和訓練要求，確定系統(tǒng)主要功能。

1)虛擬訓練考核。包括電氣設備的維修教學訓練與考核，實現(xiàn)對主要元器件的拆卸裝配、信號檢測及故障排除等操作。

2)教練控制管理。包括后臺運行數(shù)據(jù)庫修改、用戶管理操作過程監(jiān)控訓練、成績評定等。

3)三維動態(tài)顯示。搭載立體顯示設備，呈現(xiàn)三維立體效果，增強受訓人員的沉浸感。

1.2組成結構

艦船電氣設備虛擬維修系統(tǒng)硬件部分由1臺服務器和若干臺操作終端計算機組成，軟件部分包括訓練考核教控管理軟件、三維模型顯示交互軟件、數(shù)學模型仿真計算軟件3個模塊，服務器端運行訓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)學模型仿真計算軟件。虛擬維修系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 虛擬維修系統(tǒng)組成結構

2 軟件模塊功能

2.1模塊組成及數(shù)據(jù)通信方式

訓練考核系統(tǒng)由訓練考核教控管理軟件、三維模型顯示交互軟件、數(shù)學模型仿真計算軟件等模塊協(xié)同運行，通過網絡通信和內部動態(tài)數(shù)據(jù)交換(Dynamic Data Exchange，DDE)通信方式進行數(shù)據(jù)交換。

服務器與操作終端采用網絡通信，三維模型顯示交互軟件與數(shù)學模型仿真計算軟件之間采用DDE通信方式。DDE通信內容主要包括：命令下達和回復、故障信息、設備元件的各部件狀態(tài)、導線操作、萬用表狀態(tài)、測點和測量值、儀表和指示燈顯示數(shù)據(jù)等。

2.2訓練考核教控管理軟件

1)登錄權限管理。主要包括教練員登錄管理、故障設置權限管理。

2)網絡通信管理。進行服務器和操作終端的網絡通信，保證訓練考核全過程網絡的正常連接。

3)控制命令下達。下達訓練和考核過程控制命令；檢測和顯示各終端的當前狀態(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；在服務器端可以查看并記錄所有操作人員的登錄信息(網絡連接狀態(tài)、是否登錄、用戶名、工位號等)。

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

6)訓練內容發(fā)布。在服務器端能夠針對每臺終端機下發(fā)相同或不同的訓練考核內容故障信息，并能反饋查看所發(fā)布的訓練考核內容；與三維模型顯示交互軟件和數(shù)學模型仿真計算軟件通信，用于初始化。

7)訓練計時管理。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，服務器端能夠根據(jù)所設定的考核時間統(tǒng)一下達計時操作開始指令并自動計時，考核過程中實時剩余時間能在服務器端和操作終端界面顯著的位置同步顯示。

8)訓練信息收集。各終端機訓練或考核結果信息收集、成績的自動評定、記錄和打印；考核結果的內容包括“工位號、用戶名、考核開始時間，考核總時長，考核成績，每個錄入的故障信息(序號、故障元件編號、故障類型、錄入時間、正確與否等)，安全問題信息(序號、類型、時間等)”。

9)成績評判打印。服務器端根據(jù)評分標準計算該批次所有操作人員的質量分、安全分和時間分，并以文檔形式輸出每位操作人員的用戶名、工位號、考核內容、考核時間、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。

10)系統(tǒng)狀態(tài)恢復。該批次考核工作全部完成后，能夠在服務器端將所有操作終端計算機恢復至初始狀態(tài)，以備進行下一批次的考核設置。

2.3三維模型顯示交互軟件

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

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；考核計時及顯示；主動或強制結束考核(考核時間未到，可提交結束；倒計時時間到，則自動結束。考核結束后，操作交互被禁止)；在主動或強制結束后，立即將考核輸入故障信息上傳至服務器端。

3)三維交互操作。三維模型系統(tǒng)初始化與實時狀態(tài)顯示；可以進行三維虛擬界面操作和虛擬維修檢測操作，對海水淡化裝置進行開關操作、按鈕操作、管路閥門操作、電器元件線路端子拆裝(斷開/連接導線)，操作信息傳送至數(shù)學模型仿真計算軟件；接收數(shù)學模型仿真計算軟件提供的數(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運行數(shù)據(jù)，萬用表顯示值由數(shù)學模型仿真計算軟件運算響應提供，可進行電壓和電阻等測量檔位的選擇切換。

5)故障比對判斷。操作人員選擇故障定位菜單后，點擊故障元件，彈出元件各部件選項，查表獲得故障元件編號(若點擊測點，則彈出與此測點相連的所有導線信息，選擇后確定故障元件編號)，選擇故障類型(短路或斷路)；確認故障信息輸入后，與預設故障信息比對，如果正確則發(fā)送信息給數(shù)學模型仿真計算軟件，撤銷該設置故障；同時記錄該錄入信息、錄入時間和正確性。

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

2.4數(shù)學模型仿真計算軟件

1)數(shù)學仿真運算。與訓練考核教控管理軟件和三維模型顯示交互軟件通信，數(shù)學模型系統(tǒng)初始化與參數(shù)、狀態(tài)、測量值等實時數(shù)據(jù)仿真運算。

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

3)故障比對判斷。接收訓練考核教控管理軟件提供的操作人員故障信息比對結果，如果正確則對該條故障進行自動撤銷，如果錯誤則不進行任何動作。

4)安全信息管控。接收訓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致安全問題，待操作人員在彈出式窗口確認后與三維模型顯示交互軟件配合自動消除該安全問題。

3 狀態(tài)轉換流程

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

圖2 狀態(tài)轉換及信息交互流程

訓練和考核的轉換控制過程為：①教控員預設故障和考核時間；②系統(tǒng)初始化；③訓練考核人員登錄；④訓練考核開始；⑤操作交互和故障確認；⑥交卷及訓練考核記錄；⑦計算并打印訓練考核成績。

4 訓練考核系統(tǒng)實現(xiàn)

以艦船海水淡化裝置為對象，虛擬維修訓練考核系統(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)，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實仿真、系統(tǒng)功能仿真、維修考核評估、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)功能結構

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

訓練考核教控管理軟件采用客戶端-服務器模式網絡系統(tǒng)，可以設定故障內容并記錄維修過程中的故障定位信息和錯誤操作，最后通過根據(jù)設定的質量、安全和時間等評分標準進行綜合評判。教練員可以掌握所有操作人員的數(shù)據(jù)記錄，通過比較分析可對訓練內容和訓練過程進行有針對性地調整，提高訓練效果。教控臺可對訓練考核的管理和過程控制，對故障類型和故障數(shù)量進行自由設置，對故障排查結果進行記錄和自動評分。

圖4 海水淡化裝置虛擬維修系統(tǒng)操作界面

客戶端可以進行正常的設備操作、導線的拆裝操作、萬用表測量操作、故障定位排除操作。操作員可以對設備進行啟動、停機、檢測等操作，操作過程會禁止引起設備損壞性的錯誤操作，并給予相應的提示信息。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，將實際設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、電氣控制箱及其內部電器元件等，根據(jù)系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)實現(xiàn)各種工作狀態(tài)下的三維效果展示。

數(shù)學模型仿真計算軟件采用邏輯功能仿真與電路仿真結合方式，無需事先建立故障數(shù)據(jù)庫，在LabVIEW編程環(huán)境下面向對象建模實現(xiàn)故障的投入與切除，可以靈活地、高自由度進行故障設置，訓練考核中動態(tài)完成故障定位與排除操作，實現(xiàn)任意電路節(jié)點之間的電壓、電阻的動態(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)實現(xiàn)對艦船用海水淡化裝置各項操作及控制系統(tǒng)中的增壓泵、高壓泵的自動及手動控制的模擬，也可實現(xiàn)用萬用表檢測電氣控制箱線路中任意測點的電路參數(shù)動態(tài)模擬。依據(jù)反滲透海水淡化原理實現(xiàn)海水淡化裝置管路及閥門壓力的仿真計算，運行過程中可顯示各壓力表及流量的情況。通過設置電氣控制箱主電路、控制電路的故障，用于故障排查訓練及考核，涵蓋了海水淡化裝置中幾乎所有的類型：接觸器、時間繼電器、中間繼電器、熱繼電器、熔斷器、指示燈、開關、按鈕、導線等。

5 結束語

虛擬維修訓練考核作為一種行之有效的手段，具有巨大的技術優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Γ梢跃徑馍踔两鉀Q當前維修訓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計研究對象，開發(fā)完成訓練考核教控管理軟件、三維模型顯示交互軟件、數(shù)學模型仿真計算軟件，采用虛擬現(xiàn)實方式實現(xiàn)電氣設備的操作使用和維修訓練。該系統(tǒng)考核艦員和維修保障人員對海水淡化裝置電氣原理圖識圖和電氣設備故障查找及排除能力，將維修理論學習與實踐動手訓練相結合，具有較強的實用性和可操作性。

[1] 劉鵬遠，張錫恩，劉玉海．虛擬維修訓練中基于知識的操作響應機制研究與實現(xiàn)[J]．計算機工程，2003，29(1)：253-255.

[2] 張豫南，黃濤，田鵬，等．裝甲車輛電氣設備虛擬維修訓練系統(tǒng)[J]．計算機應用，2011，31(S1)：199-210.

[3] 解璞，蘇群星，谷宏強．裝備虛擬維修訓練系統(tǒng)設計方法研究[J] ．系統(tǒng)仿真學報，2006，18(8)：2195-2198.

[4] 王文舉，李光耀．虛擬維修仿真技術的研究與進展[J]．系統(tǒng)仿真學報，2011，23(9)：1751-1757.

[5] 方雄兵，陳穎，李濤濤．艦船虛擬維修仿真應用系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]．中國艦船研究，2016，11(6)：136-144.

[6] 郝建平，蔣科藝，王松山．虛擬維修仿真理論與技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[7] 楊曉文，韓燮．虛擬維修訓練系統(tǒng)關鍵技術研究與應用[J]．計算機應用與軟件，2013，30(5)：208-210.

[8] 傅茂聰，陳維義．艦炮火控設備虛擬維修訓練與考核系統(tǒng)[J]．艦船電子工程，2016，36(3)：88-93，150.

[9] 劉正春，王勇，解璞，等．某高炮電氣虛擬維修系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]．火炮發(fā)射與控制學報，2013，34(3)：45-48.

[10] 呂秀平，閆英敏，劉正春，等．某型裝備電氣模擬維修訓練平臺研究[J]．計算機測量與控制，2013，21(9)：2486-2489.

[11] 盧森微，歐鎮(zhèn)，高德基．船舶電機虛擬維修系統(tǒng)的研究[J]．中國修船，2014，27(1)：51-53.

[12] 來德寶，吳強，向東．基于LabVIEW的電氣控制柜虛擬維修訓練系統(tǒng)的仿真方法[J]．四川兵工學報，2015，36(1)：124-127.

甄洪斌(1979-)，男,山東德州人,副教授,博士,研究方向為電力系統(tǒng)自動化、艦船電氣維修保障等。

U673

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.012

2017-04-17