基于虛擬儀器可過程監(jiān)控反饋的油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建*

管亮 楊庭棟 鄢豪 段宇恒

1 陸軍勤務(wù)學(xué)院 重慶 401311 2 聯(lián)勤保障部隊(duì)軍需能源質(zhì)量監(jiān)督總站 北京 100036

0 引言

油料是戰(zhàn)爭的“血液”，現(xiàn)代戰(zhàn)爭的各類物資消耗中，油料消耗占比超過70%，質(zhì)量合格的油料是作戰(zhàn)油料裝備安全高效運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)，對(duì)油料進(jìn)行分析化驗(yàn)是作戰(zhàn)油料保障的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。油料化驗(yàn)工作也是軍地油庫業(yè)務(wù)工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)油料的接收、儲(chǔ)存、使用具有極為重要的指導(dǎo)意義[1]。系統(tǒng)、全面培養(yǎng)化驗(yàn)員油品分析檢測能力是軍地油料保障專業(yè)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。油料化驗(yàn)是一門以油料化驗(yàn)室化驗(yàn)員為主要培養(yǎng)對(duì)象的崗位任職核心課程。從課程內(nèi)容來說，油料化驗(yàn)是一門以油品分析方法標(biāo)準(zhǔn)為手段，以油品產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，重點(diǎn)是對(duì)油品的收發(fā)、儲(chǔ)運(yùn)、加注等各環(huán)節(jié)的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)的課程。無論是軍隊(duì)還是地方油庫，油料化驗(yàn)一般區(qū)分為接收化驗(yàn)、入庫化驗(yàn)、儲(chǔ)存化驗(yàn)和其他化驗(yàn)，各類化驗(yàn)項(xiàng)目涉及的數(shù)量較多。例如，車用汽油、車用柴油等燃料油的化驗(yàn)項(xiàng)目有19 項(xiàng)之多。

虛擬儀器(Virtual Instrument)是一種以模塊化硬件為基礎(chǔ)，結(jié)合軟件資源和接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測試測量、自動(dòng)化控制和仿真等領(lǐng)域的功能需求的信息化工具[2]。虛擬儀器技術(shù)的核心概念是“硬件是基礎(chǔ)，軟件即儀器”，其基于計(jì)算機(jī)等通用軟硬件平臺(tái)，內(nèi)置性能強(qiáng)大的功能和函數(shù)，從數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)、界面顯示等方面為用戶提供便捷的解決方案[3]。目前，虛擬儀器技術(shù)在電工電子[4]、機(jī)械工程[5]、化學(xué)類[6-7]、傳感器[8-9]、物聯(lián)網(wǎng)[10]等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。虛擬儀器靈活高效的軟件能完成自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能滿足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求[11]。只有同時(shí)擁有高效的軟件、模塊化的I/O 硬件和用于集成的軟硬件平臺(tái)這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器的性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢(shì)[12]。

本文在分析油料化驗(yàn)教學(xué)過程存在的矛盾問題的基礎(chǔ)上，充分利用虛擬儀器軟硬件系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建了具有擴(kuò)展性強(qiáng)、集成性能突出的油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，目的是解決當(dāng)前油料化驗(yàn)員培訓(xùn)過程中存在的實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)控及教學(xué)效果反饋難等系列矛盾問題[13-14]。

1 油料化驗(yàn)教學(xué)中存在的主要矛盾問題

油料化驗(yàn)課程屬于化學(xué)類課程[15]，是一門以實(shí)驗(yàn)實(shí)踐為核心的課程[16]，以陸軍勤務(wù)學(xué)院油料化驗(yàn)課程為例，課程總學(xué)時(shí)180 學(xué)時(shí)，教學(xué)大綱規(guī)定實(shí)驗(yàn)實(shí)踐學(xué)時(shí)不能低于60%，而實(shí)際學(xué)時(shí)為120學(xué)時(shí)。學(xué)員必須將所學(xué)的理論知識(shí)和操作技能不折不扣地落實(shí)到每一個(gè)化驗(yàn)項(xiàng)目和每一個(gè)操作步驟中去，才能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的[17]。目前，油料化驗(yàn)教學(xué)過程中存在以下突出的矛盾問題。

1.1 實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)控及教學(xué)效果反饋難

油料化驗(yàn)本質(zhì)上是一類“過程性”和“條件性”的實(shí)驗(yàn)，油料化驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)必須嚴(yán)格依據(jù)方法標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)步驟進(jìn)行，否則所得出的試驗(yàn)結(jié)果將會(huì)因?yàn)椴环戏椒?biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的程序要求而無效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和可靠性與實(shí)驗(yàn)過程控制密切相關(guān)[15]，必須對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)控和反饋，才能有效評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)效果和結(jié)果的正確性[18]。油料化驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過程的監(jiān)督、監(jiān)控和效果反饋，是確保油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)效果的基本前提條件。但是，目前采用的整體灌輸式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，教員巡視指導(dǎo)分組實(shí)施的實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織形式使得教員無法有效掌控學(xué)員的實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)員在實(shí)驗(yàn)過程中的錯(cuò)誤、異常等只能通過實(shí)驗(yàn)學(xué)員本人和教員進(jìn)行人工反饋，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)有效的過程和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果反饋，實(shí)驗(yàn)教學(xué)沒有體現(xiàn)因材施教和有的放矢的教學(xué)原則。

1.2 理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練分離割裂

油料化驗(yàn)類課程屬于分析化學(xué)范疇，每種試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)都有較為系統(tǒng)的分析方法和檢測理論支撐，但理論教學(xué)一般枯燥、乏味、抽象、晦澀，而且由于理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)是分開進(jìn)行的，即：一般是先在教室進(jìn)行理論教學(xué)，然后到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。受到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的制約，學(xué)員無法方便地根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象驗(yàn)證理論知識(shí)，這就造成了目前學(xué)員理論學(xué)習(xí)時(shí)主動(dòng)性和積極性不高、理論知識(shí)掌握不牢靠，實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練時(shí)又容易忘記相關(guān)理論和注意事項(xiàng)；實(shí)驗(yàn)時(shí)手忙腳亂、效果差，甚至亂實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練教學(xué)效果差。有效地將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練相融合，一直是油料化驗(yàn)類課程教學(xué)研究的核心問題之一，這就要求我們：學(xué)員在進(jìn)行理論學(xué)習(xí)時(shí)能夠自主地進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練時(shí)能夠自主地進(jìn)行各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的理論提示。

1.3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置無法全面覆蓋

油料化驗(yàn)類課程實(shí)驗(yàn)涉及對(duì)象多，項(xiàng)目多[19]。根據(jù)油品的類別油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象分為燃料油、潤滑油、潤滑脂、特種液等四種類型。主油（燃料油）可分為航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料、車用汽油、噴氣燃料、車用柴油、軍用柴油、軍艦用燃料油、航空洗滌汽油等若干品種；附油還可區(qū)分為潤滑油（液壓油）、潤滑脂、制動(dòng)液、冷卻液（防凍液）、難燃液壓液、緩蝕劑、防冰添加劑等若干模塊。還可根據(jù)油品固有的屬性進(jìn)一步細(xì)分為油品的蒸發(fā)性測定、潔凈性測定、腐蝕性測定、安全性測定、安定性測定、低溫性測定、黏度測定及其他性能測定等模塊。

總的來說，燃料油的化驗(yàn)項(xiàng)目包括外觀水分雜質(zhì)、顏色、密度、水溶性酸或堿、餾程（蒸餾）、（總）酸度（值）、氧化安定性（以總不溶物計(jì)）、實(shí)際膠質(zhì)（膠質(zhì)含量）、鉛含量、水反應(yīng)、電導(dǎo)率、銅片腐蝕、銀片腐蝕、閃點(diǎn)（閉口）、凝點(diǎn)、冷濾點(diǎn)、黏度、十六烷指數(shù)和水分離指數(shù)等19 項(xiàng)；潤滑油脂和特種液的化驗(yàn)項(xiàng)目包括外觀、水分、密度、酸值、閃點(diǎn)（開、閉）、傾（凝）點(diǎn)、腐蝕（銅、鋼）、黏度、錐入度、（寬溫度）滴點(diǎn)、分油量、游離堿或游離有機(jī)酸、破（抗）乳化、平衡回流沸點(diǎn)、橡膠相溶性、冰點(diǎn)、pH 值、折光度、沸程等19 項(xiàng)。

目前采用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容組織形式和教學(xué)模式，覆蓋油品類型和指標(biāo)少而不全面。例如，對(duì)于餾程指標(biāo)，車用汽油、車用柴油、軍用柴油和噴氣燃料等不同類型油品的餾程實(shí)驗(yàn)在選用儀器配件和試驗(yàn)條件控制方面存在較大的差異，但由于教學(xué)時(shí)間的限制，只能選取一種油品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其他類型油品只能進(jìn)行理論提示，學(xué)員不能得到有針對(duì)性的較為全面的實(shí)踐訓(xùn)練，導(dǎo)致很多學(xué)員到工作崗位后需要進(jìn)一步進(jìn)行有針對(duì)性的培訓(xùn)，例如，航空油料化驗(yàn)員要求對(duì)噴氣燃料的化驗(yàn)項(xiàng)目必須熟練掌握，而油庫油料化驗(yàn)員必須熟練掌握車用柴油、軍用柴油等常見燃料的化驗(yàn)操作技能[17]。

1.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)本質(zhì)被忽視

目前油料化驗(yàn)類課程實(shí)踐教學(xué)基本上是將學(xué)員分成組，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的實(shí)驗(yàn)步驟、要求和注意事項(xiàng)進(jìn)行操作。大部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間都是用于油料化驗(yàn)操作，學(xué)員也僅僅是為了得到數(shù)據(jù)而進(jìn)行操作，忽略了實(shí)驗(yàn)的目的和對(duì)問題的分析，不適用于目前追求的探究式的教學(xué)方式，也就是“只知道要這么做”，而“不知道為什么這么做”。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，學(xué)生只是機(jī)械地照搬照抄，不會(huì)進(jìn)行后期的消化與思考。對(duì)于一些自覺性較差的學(xué)生，極容易造成達(dá)不到實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的效果。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自由設(shè)計(jì)的靈活性小，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，不能滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，一定程度上影響了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)和綜合實(shí)踐能力的提高。油料化驗(yàn)是軍隊(duì)油料質(zhì)量保障技術(shù)手段和組成部分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)本質(zhì)被忽視了。

2 基于虛擬儀器可重構(gòu)的油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

根據(jù)各類不同的油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，基于虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)建了一套“虛”“實(shí)”結(jié)合的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：首先利用各類傳感器將油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程中相關(guān)物理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，或者可以從其他測試儀器中直接采集輸出的電信號(hào)；然后，利用虛擬儀器系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、處理和分析能力，將模擬的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再利用虛擬儀器軟件系統(tǒng)編寫相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器虛擬界面，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理。通過虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)，可以針對(duì)不同類別的儀器或?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)不同的虛擬儀器或?qū)嶒?yàn)界面。這樣，就形成了一個(gè)能將不同的油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)或儀器聯(lián)系在一起的油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)虛擬儀器系統(tǒng)。

基于虛擬儀器的油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室的主要特色是“虛”“實(shí)”結(jié)合，以獲取油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)時(shí)反饋信息為手段，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控和評(píng)價(jià)學(xué)員實(shí)驗(yàn)效果的目的。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于虛擬儀器的油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室體系架構(gòu)

首先，對(duì)油料化驗(yàn)所涉及的化驗(yàn)項(xiàng)目類型進(jìn)行了總結(jié)歸類，具體分為蒸發(fā)性測定、潔凈性測定、腐蝕性測定、安全性測定、安定性測定、低溫性測定、黏度測定和其他性能測定等8 種。通過分析這8 種化驗(yàn)項(xiàng)目類型，對(duì)所用到的化驗(yàn)儀器設(shè)備根據(jù)功能進(jìn)行了模塊化抽象處理，區(qū)分為加熱模塊、制冷模塊、溫度檢測模塊、振動(dòng)測定模塊、稱重模塊、顏色分析模塊、電位分析模塊、電導(dǎo)率模塊、儀器分析模塊等9 個(gè)模塊，據(jù)此可以實(shí)現(xiàn)35 個(gè)化驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋。

其中加熱模塊、制冷模塊及與其密切相關(guān)的溫度檢測模塊是油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的主要核心模塊，涉及35 個(gè)化驗(yàn)項(xiàng)目中的24 個(gè)。其余類別或是與這三類相關(guān)，或是可以采用純虛擬實(shí)驗(yàn)的方式實(shí)現(xiàn)，例如，儀器分析模塊。

2.1 加熱類實(shí)驗(yàn)?zāi)K構(gòu)建

加熱類化驗(yàn)儀器設(shè)備是油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)最常用的類型，其體系架構(gòu)如圖2 所示。由于石油產(chǎn)品本質(zhì)上是一類組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的有機(jī)混合物體系，其大多數(shù)質(zhì)量指標(biāo)與其煉制過程緊密相關(guān)，例如蒸餾特性、閃點(diǎn)等指標(biāo)。加熱類實(shí)驗(yàn)?zāi)K需要和溫度檢測模塊聯(lián)合設(shè)計(jì)，主要包括恒溫功能單元和加熱速率控制功能單元，覆蓋餾程（蒸餾）、閃點(diǎn)（開、閉）等21 個(gè)化驗(yàn)項(xiàng)目。

圖2 加熱類實(shí)驗(yàn)?zāi)K架構(gòu)

2.2 制冷類實(shí)驗(yàn)?zāi)K構(gòu)建

制冷類化驗(yàn)儀器設(shè)備主要涉及油品的低溫性能測試，其體系架構(gòu)如圖3 所示。制冷類實(shí)驗(yàn)?zāi)K需要和溫度檢測模塊聯(lián)合設(shè)計(jì)，主要包括恒溫功能單元和制冷速率控制功能單元，覆蓋凝點(diǎn)、冷濾點(diǎn)、冰點(diǎn)等3 個(gè)化驗(yàn)項(xiàng)目。

圖3 制冷類實(shí)驗(yàn)?zāi)K架構(gòu)

2.3 其他類型實(shí)驗(yàn)?zāi)K構(gòu)建

振動(dòng)、稱重、顏色分析、電位分析、電導(dǎo)率分析等5 類實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，一些與加熱、制冷、溫度檢測實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｏ嚓P(guān)，例如，振動(dòng)類的密度測定實(shí)驗(yàn)，稱重類的氧化安定性和實(shí)際膠質(zhì)（膠質(zhì)含量）實(shí)驗(yàn)，顏色分析類的腐蝕實(shí)驗(yàn)等。電位分析本來自動(dòng)化程度較高，可以采取直接采集實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)。電導(dǎo)率檢測一般采用的是手持式儀器，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短。儀器分析類實(shí)驗(yàn)?zāi)K由于儀器系統(tǒng)復(fù)雜，操作過程煩瑣，可以采用全虛擬化的形式來實(shí)現(xiàn)。表1 總結(jié)了這幾類實(shí)驗(yàn)?zāi)K涉及到的化驗(yàn)項(xiàng)目。

表1 幾類實(shí)驗(yàn)?zāi)K涉及的化驗(yàn)項(xiàng)目

2.4 虛擬儀器系統(tǒng)相關(guān)構(gòu)建

基于梳理的油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)功能模塊，設(shè)計(jì)虛擬儀器系統(tǒng)如圖4 所示，主要區(qū)分為軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)可以采用經(jīng)典的LabVIEW 軟件[20]，也可以采用簡儀科技開發(fā)的銳視開源軟件。

圖4 虛擬儀器系統(tǒng)架構(gòu)圖

硬件系統(tǒng)包括虛擬儀器硬件系統(tǒng)，如信號(hào)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、模塊化儀器、常規(guī)信號(hào)采集等模塊，以及外部輔助硬件系統(tǒng)。其中外部輔助硬件系統(tǒng)是利用原有化驗(yàn)儀器設(shè)備，例如，可以利用蒸餾測定器和閃點(diǎn)測定儀的加熱硬件等。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于硬件和軟件系統(tǒng)的可重構(gòu)性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

一是基于虛擬儀器的硬件系統(tǒng)完全共用，不同實(shí)驗(yàn)類型能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)通道數(shù)可以通過軟件快速定制，實(shí)現(xiàn)快速的重構(gòu)增減。

二是外部輔助硬件系統(tǒng)部分共用，屬于加熱、制冷、其他等類型內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠?qū)崿F(xiàn)充分共用。

三是實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)靈活多變。一方面，通過功能化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，學(xué)員既能夠完成教員既定的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，又能夠在教員的指導(dǎo)下通過自我積木式的系統(tǒng)搭建，完成創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)。另一方面，教員可以通過該系統(tǒng)設(shè)置“故意”的“誤”模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)院的深層次的考核。

3 結(jié)束語

針對(duì)油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)控及教學(xué)效果反饋難等系列矛盾問題，充分利用的虛擬儀器軟硬件系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建了具有擴(kuò)展性強(qiáng)、集成性能突出的油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

新的油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將油料化驗(yàn)所涉及的化驗(yàn)項(xiàng)目歸類總結(jié)為蒸發(fā)性測定、潔凈性測定、腐蝕性測定、安全性測定、安定性測定、低溫性測定、黏度測定和其他性能測定等8 種類型；并以此將所用到的化驗(yàn)儀器設(shè)備根據(jù)功能進(jìn)行模塊化抽象處理為加熱模塊、制冷模塊、溫度檢測模塊、振動(dòng)測定模塊、稱重模塊、顏色分析模塊、電位分析模塊、電導(dǎo)率模塊、儀器分析模塊等9 個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)了35 個(gè)化驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋。

在此基礎(chǔ)上，課題團(tuán)隊(duì)將在“虛”“實(shí)”結(jié)合的油料化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加“誤”的功能模塊，即，通過合理設(shè)置錯(cuò)誤的設(shè)置和操作模塊，讓學(xué)員在排除故障和解決問題的過程中對(duì)理論知識(shí)和實(shí)操技能有質(zhì)的飛躍提升，從而滿足不同層次學(xué)員的教學(xué)需求。