基于實裝與模擬聯動的重型機械化橋維修訓練系統開發

王添禹，雷智強，公丕平，劉小林，劉武強

（1.陸軍工程大學，江蘇 南京 210007；2.66336 部隊，河北 保定 074000；3.中部戰區陸軍保障部，河北 石家莊 050081）

引言

某重型機械化橋是我軍工程兵部隊的骨干裝備，由于其具有機械化程度高、機動性好、架設速度快、橋面調整方便、通載穩定可靠、作業人員少、勞動強度低等一系列的優勢而被我軍廣泛列裝于工程兵部（分）隊，其編配數量大、使用頻繁、應用范圍廣。由于缺乏先進的維修訓練手段，目前普遍采用課堂授課，用實裝對人員進行簡單維修訓練的傳統培訓方式已難以適應新型工程裝備維修訓練的需要。研制基于實裝與模擬聯動的重型機械化橋維系訓練系統顯得尤為迫切，其意義在于可較好地解決重型機械化橋維修訓練實踐性環節的練兵平臺問題，實現裝備工作原理演示、故障判斷排除等動態模擬與實裝聯動演示的功能，縮短理論教學與實裝訓練的距離，對于降低維修訓練費用、保障維修訓練安全、改進維修訓練方式、提高維修訓練效能、解決當前新裝備維修訓練中存在的問題具有極大的促進作用，可為院校和部隊的教學與訓練提供一種比較先進的裝備維修訓練手段。

1 系統總體設計

本系統是基于重型機械化橋液壓系統、電控系統與氣動系統原理，采用單片機、嵌入式及高精度三維仿真等技術手段研發的，實現重型機械化橋裝備工作原理演示、故障虛擬再現、故障判斷排除等功能的軟硬件集成系統。系統總體功能包括采集實裝控制盒發送的電控信號，并將信號傳輸路徑通過原理圖或三維方式展示出來，通過故障設置模塊設置裝備在使用過程中的典型故障，并通過故障再現模塊逼真地進行展示，用戶可以通過故障可視化與維修指導模塊進行故障排查，為實裝故障排除/檢修提供訓練手段。通過對使用對象、訓練目標、訓練科目及內容等的分析確定，基于實裝與模擬聯動的重型機械化橋維修訓練系統應能滿足維修訓練實際需求，并對環境具有一定的適應能力。第一，能夠實現某重型機械化橋電控系統、液壓系統、氣動系統工作原理一體化直觀展示。第二，能夠實現工作原理展示與實裝動作的協調有序進行。第三，能夠依托某重型機械化橋工作原理進行故障設置。第四，能夠實現某重型機械化橋常見故障的準確虛擬再現。第五，能夠實現某重型機械化橋常見故障診斷輔助指導。

1.1 系統硬件結構框架

依據基于實裝與模擬聯動的重型機械化橋維修訓練系統研究研制總要求，按照“模塊化、層次化、服務化”的系統構建思想，研制一個集裝備原理一體化展示、虛擬故障在線模塊、故障維修可視化指導、故障設置模塊等功能于一體，結構合理、體系完整、特色鮮明、技術先進、開放性好、互操作性強的以某重型機械化橋故障維修訓練為核心的軟硬件系統，系統總體硬件結構框架如下頁圖1 所示。

1.2 系統結構組成

根據某重型機械化橋使用對象分析、維修訓練目的分析、維修訓練內容分析、系統需求分析等，基于實裝與模擬聯動的重型機械化橋維修訓練系統主要由聯動連接單元（與實裝聯動）、工作原理一體化模擬訓練平臺、故障設置模塊（軟件）和故障檢測模塊等組成，如下頁圖2 所示。各組成均由軟件和硬件組成，其中系統軟件包含某重型機械化橋三維模型、某重型機械化橋故障數據庫、硬件的運行驅動軟件、可視化維修與指導模塊，硬件包含一體化模擬訓練平臺、聯動連接單元（與實裝聯動）、故障設置模塊等[1-3]。

圖1 基于實裝與模擬聯動的重型機械化橋維修訓練系統整體硬件總體結構

本項目設計的系統軟件總體結構如圖3 所示，系統軟件由原理展示軟件、故障設置軟件、故障診斷輔助指導軟件、工作原理一體化模擬訓練平臺驅動軟件和聯動連接單元軟件組成。工作原理一體化模擬訓練平臺軟件是基于Windows 系統，采用Lab-Windows/CVI 語言進行開發的。由于軟件總體設計要求，維修訓練系統所實現的全部功能是在工控機的控制下完成的，在工控機軟件設計中，中心調度模塊是整個軟件系統的核心模塊，實現控制聯動連接單元數據的上傳、工控機數據指令的下傳，實現各功能模塊邏輯關聯、調度及運行時序，其設計的好壞直接決定著整個系統運行的效率、原理展示的精度和數據傳輸的正確率，是系統軟件功能實現的關鍵。

圖3 系統軟件總體結構

聯動連接單元軟件是采用Keil C 語言進行設計的，設計完之后通過燒寫器寫入到單片機內部，聯動連接單元軟件主要完成數據的采集與調理、與工控機進行通信，實現某重型機械化橋與工作原理一體化模擬訓練平臺之間的信號隔離、放大、濾波等功能。聯動連接單元采用模塊化、系列化、標準化設計，因此可適應各種開關量信號的連接方式。

2 系統設計與實現

2.1 聯動連接單元設計與實現

根據系統總體設計、維修訓練需求中關于工作原理一體化模擬訓練平臺與某重型機械化橋聯動的需求，聯動連接單元整體設計思路為：采取嵌入式數據采集的方式采集某重型機械化橋架設系統的控制信號，通過MCU（微處理器）系統，遵循統一的數據接口協議，對架設系統的所有控制類模擬信號（開關量信號、瞬時觸發信號等）進行解析與編碼，并按規定的通信協議傳輸給工作原理一體化模擬訓練平臺，控制工作原理一體化模擬訓練平臺內仿真實體（某重型機械化橋三維模型）的行為。同時，聯動連接單元實時接收來自工作原理一體化模擬訓練平臺的實體狀態信號數據，經MCU 解析與編碼后輸出控制信號，控制某重型機械化橋移動操縱盒上各類燈光顯示設備的亮滅。

根據以上設計思路，設計聯動連接單元，主要由封裝殼體、數據采集與控制模塊、嵌入式航插、RS232 串口等組成，其中數據采集與控制模塊是聯動連接單元的核心部件，聯動連接單元如圖4 所示。

2.2 工作原理一體化模擬訓練平臺設計

按照模塊化設計原則，結合其實現功能，工作原理一體化模擬訓練平臺主要由工控機模塊、顯示控制模塊、電源模塊、數據采集模塊、原理展示模塊等組成。

通過對工控機、液晶屏及觸摸屏、電源模塊的選型與調試，實現工作原理一體化模擬訓練平臺硬件的設計，工控機在啟動后運行Windows 10 系統，通過RS232 串行總線將顯示數據傳輸至液晶屏進行數據顯示，通過USB 總線與觸摸屏進行數據交互，如圖5 所示。

圖4 聯動連接單元整體框架設計

圖5 工作原理一體化模擬訓練平臺

按照上文確定的軟件結構，用Labwindows/CVI程序語言開發環境編制了工作原理一體化模擬訓練平臺軟件。軟件運行后程序主要界面分為五類：入口界面、原理一體化展示界面、故障設置界面、故障可視化維修指導界面和虛擬故障再現界面。

2.3 故障設置與故障再現模塊設計與實現

通過調研，收集部隊關于某重型機械化橋維修訓練過程中的實際故障，分析故障形式、故障原因、故障部位及故障判排的方法，采用單片機、繼電器、開關等元件，研究通過工作原理一體化模擬訓練平臺設置模擬故障形式、模擬故障部位等，全面、逼真、形象地反應裝備實際故障，通過實裝與原理相結合的方式，實現隱蔽設障、全面設障與無損設障。

本模塊采用與工作原理一體化模擬訓練平臺中原理展示模塊相同的Unity 開發引擎，設計了故障設置模塊軟件界面，該軟件界面與原理展示、故障再現、故障診斷輔助指導等軟件采用相同的形式。

2.4 可視化維修指導模塊開發與實現

故障診斷輔助指導程序的設計首先需要選擇合理的故障診斷的方法，而后制定故障診斷的步驟，以指導維修人員根據某重型機械化橋出現的故障現象進行分析，并對可能的故障點進行檢查和檢測，以判斷實裝具體故障部位。

根據系統軟件設計，可視化故障診斷輔助指導軟件依托工作原理一體化模擬訓練平臺運行，為了提高軟件的兼容性和系統運行速度，可視化故障診斷輔助指導軟件與原理展示軟件、故障設置軟件采用相同引擎開發。根據工作原理一體化模擬訓練平臺軟件設計，在一體化訓練平臺上依托其界面設計，通過軟件調度模塊進入可視化維修與指導軟件界面，如圖6 所示，在該界面通過復選框控件選擇故障類型下的故障現象，點擊下一步進入故障診斷指導程序[4-6]。

圖6 故障可視化維修與指導故障列表

3 結論

本課題在對某重型機械化橋維修保障實際需求深入分析的基礎上，提出了基于實裝與模擬聯動的重型機械化橋維修訓練系統需求，完成了某重型機械化橋維修訓練的科目設計，通過對某重型機械化橋液壓系統、氣動系統及電氣系統基本結構、工作原理、故障判斷與排除、修理等詳細研究的基礎上，確定了本系統的功能，進行了總體方案設計，綜合運用單片機技術、數據采集與處理技術及嵌入式技術等，完成了基于實裝與模擬聯動的重型機械化橋維修訓練系統的研制、軟硬件平臺的開發等。

本課題研制的維修訓練系統，可用于部隊院校及各級維修訓練機構，能夠解決部隊在某重型機械化橋維修訓練時存在的“圖紙空講”“結構原理難理解”“故障診斷程序方法難掌握”等難題，提高部隊信息化維修保障能力，具有重要的軍事應用價值。