汽車故障診斷模擬訓練系統(tǒng)設計研究

摘要：為提高相關人員對于汽車維修方面的質量與效率，同時提升整體汽車行業(yè)智能化操作水平，可充分利用計算機技術，開發(fā)出一套汽車故障仿真訓練模擬系統(tǒng)。基于此，分析汽車故障診斷模擬訓練系統(tǒng)框架設計與開發(fā)，并深入探討故障診斷系統(tǒng)的模擬實現方法。

關鍵詞：汽車故障診斷；模擬訓練系統(tǒng)；系統(tǒng)框架設計

中圖分類號：U472 收稿日期：2023-06-14

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.037

1 系統(tǒng)總體框架設計

1.1 基本框架設計

為全面提升汽車維修人員的故障維修與診斷能力，有必要構建現代化故障診斷仿真訓練系統(tǒng)。本次案例系統(tǒng)框架主要運用MAYA軟件進行開發(fā)設計，對汽車內部結構零件實施三維虛擬建模，整體實訓系統(tǒng)主要由維修人員操作系統(tǒng)與實訓控制系統(tǒng)兩大子系統(tǒng)構成。其中維修人員操作系統(tǒng)包括汽車故障診斷考核、診斷實訓等方面的技能操作，而實訓控制系統(tǒng)則主要包括系統(tǒng)管理、理論管理、實訓管理及用戶管理等功能模塊。在整體構架設計中，學生系統(tǒng)診斷考核功能模塊主要包括考核創(chuàng)建、布設考核流程及考核評價等方面，而診斷實訓功能模塊主要包括工具及儀表儀器的應用、蓄電池及液位的檢查、設備安裝與拆卸及各個器件的操作。教師系統(tǒng)管理功能模塊主要包括系統(tǒng)初始化、數據備份及數據還原等功能，理論管理功能模塊主要包括汽修人員考核管理、練習管理、試題信息及題庫信息管理等理論功能，實訓管理功能模塊主要包括維修人員成績管理、考核管理及練習管理等實訓管理功能，而用戶管理功能模塊主要包括維修人員信息、用戶信息及部門信息等信息管理，其均具備對各種信息參數的增刪改查等功能操作權限[1]。

1.2 軟件主要開發(fā)內容

a.構建基礎平臺。設計人員在構建基礎平臺方面主要結合現代網絡技術與數據庫技術，根據具體需求進行設計開發(fā)，該平臺具有豐富的汽車信息資源庫，是整體實訓方面的重要數據供給中心。在實際設計過程中，相關人員應明確劃分各個用戶權限，并全面結合人機運行流程進行合理化設計，簡化操作流程豐富學習資源。b.構建教學資源系統(tǒng)模塊。此系統(tǒng)模塊主要用于對汽車故障、結構等方面多媒體素材進行開發(fā)、篩選、整理和搜集、存儲，其中主要包括文檔資料、維修資料、課件及圖片等方面，其擁有批量數據分析存儲分析與自動更新功能，同時也是幫助汽修人員掌握最新汽修材料的主要功能模塊。c.構建模擬教學功能模塊。模擬教學功能模塊主要包括汽車電氣、汽車底盤和發(fā)動機三個方面，而系統(tǒng)則需覆蓋對各個功能模塊的實訓考核、理論測試、故障檢測、仿真測試、工作原理及總體構造。

2 模擬訓練系統(tǒng)開發(fā)

2.1 模擬實訓場景設計

本次案例系統(tǒng)主要采用虛擬實現技術VRML來構建虛擬實訓場景，并參照某汽修院校實訓車輛和實訓場地設計開發(fā)，其中建模部分包括汽車尾氣排放、汽車舉升機及實訓車輛等。整體采用3D技術來實施對實訓車間模型進行渲染處理，可運用鼠標操作來實現場景縮放及360°旋轉功能及一系列交互操作，如控制舉升墊塊、開車輪擋塊、發(fā)動機及車門等。此外，本次案例系統(tǒng)實訓場景設計還包括實物造型、實訓環(huán)境、視點點位、VRML源碼、空間坐標等方面的設計與開發(fā)，并運用由MAYA技術構建的3D模型通過內部功能，轉換成為系統(tǒng)可識別的WRL格式文件，最后通過VRML進行細節(jié)修改得到實際場景模型。其整體包括以下幾方面：

a.為切實提升操作員在實訓過程中的真實體驗，虛擬場景建模的仿真度尤為重要。因此，案例項目設計人員根據汽修人員實訓場地情況，首先構建了虛擬實訓場地，并將升降機、實訓車輛、照明設備、氣動設備、排放設備、零件柜等裝置，實施最大化仿真建模，進而提升汽修人員在整體系統(tǒng)操作時真實感，如圖1所示[2]。

b.設計人員在構建駕駛室時應在保障虛擬設計真實感的同時，應著重突出仿真模型整體質感，尤其在操作面板設計方面必須符合實訓車輛設計情況，進而保障整體虛擬系統(tǒng)的完整性與真實性。本次案例項目人員在系統(tǒng)實際開發(fā)過程中，主要針對實訓車輛類型布設了仿真儀表盤，并基于實物特征設計了100%仿真操作按鈕、空調面板、指示燈、儀表等操作界面。

c.發(fā)動機作為車輛故障檢測的關鍵區(qū)域，同時也是汽修人員學習實訓課程中最為關鍵的實訓部分。因此，必須對發(fā)動機艙進行等比例縮放虛擬設計，并要求在細節(jié)設計上超過實物本身。還應合理布設每個監(jiān)測點位場景，科學分配每個場景菜單選項。

2.2 維修工具及檢測儀器模型設計

為增強汽車維修人員對汽車故障診斷儀器操作水平，本次案例不但構建了萬用表、傳統(tǒng)汽修設備虛擬模型，還對現代故障汽車故障診斷儀、示波器等裝置實施仿真建模，如真空表、氣缸及燃油壓力表、廢氣分析儀示波儀及相關儀器儀表等。萬用表模型可真實檢測汽車零部件導通性、電阻和直流電壓，示波器模型可對發(fā)動機裝置在汽車運轉時的各種波形信號進行實時檢測，而故障診斷儀模型則可實施主動測試、定格數據讀取、動態(tài)數據讀取、故障碼讀取及清除等多種功能。除此之外，本次案例系統(tǒng)還構建了汽修工具箱仿真模型，主要包括汽修專用鉗子、扳手、套筒等，各個汽修人員可運用系統(tǒng)操作，運用各種虛擬模型工具實施安裝、拆卸和維修，進而提升汽修人員對于維修工具操作的真實體驗感。

3 故障診斷模擬實現

3.1 故障設置與排除功能介紹

本次案例系統(tǒng)設計項目主要采用現代三維網絡動畫技術，對實訓車輛進行一系列故障仿真診斷與故障排除操作模擬，并將各種常見汽車故障錄入電腦系統(tǒng)中。汽修人員可通過系統(tǒng)操作靈活運用各種虛擬工具，對汽車故障進行虛擬診斷和維修，系統(tǒng)全程記錄每個學員的操作細節(jié)，從而為學員成績評價、考核評價等方面提供完整的數據參考。除此之外，本案例系統(tǒng)可通過真實故障類型模擬功能，將故障發(fā)生時汽車各個零件真實運轉狀態(tài)清楚地體現出來，并以真實案例為基數對汽修人員在系統(tǒng)操作過程中的操作動作，給予規(guī)范性和技術性評價，進而在最大限度上幫助汽修人員掌握相關技能和專業(yè)知識，其中主要體現在以下幾方面：a.案例系統(tǒng)中擁有30多個實訓車輛故障診斷案例項目，90多個實訓車輛常見故障類型，還具有故障設置功能。b.系統(tǒng)可以完整顯示出現實實訓車間內部的全部應用工具和應用設備，如示波儀等工具，整體采用3D動畫技術來渲染虛擬實訓空間，并具有多角度縮放功能，且可以靈活切換各個仿真實訓場景。c.系統(tǒng)中擁有各種虛擬維修工具建模，可根據汽修人員工具使用情況和使用順序等對其進行詳細的實訓評價，并在系統(tǒng)內部自動生成實訓報告，且具有材料打印和查詢等功能。d.系統(tǒng)內部提供各種工具施工規(guī)范、故障類型及維修方法，使用者可隨時查看和修改，但必須具有相應的操作權限。

3.2 故障設置與故障排除功能操作

3.2.1 故障設置

本次案例系統(tǒng)包括手動設置與隨機設置兩種故障設置方式，均以系統(tǒng)內部對話框的方式來操作，并在整體操作過程中全程連接內部邏輯數據庫。手動故障設置方式可在系統(tǒng)內部界面中手動點擊“故障”功能按鈕，并選擇手動故障設置模式進行整體設置，通過點擊相應圖標后便會彈出相應的手動故障對話框[3]。

在通過點擊界面中復選框按鈕后，便可根據實際需求在相應的故障類型方框中勾選。但必須注意的是，在選擇故障類型時故障數量不得超過3個，且每個故障不得存在矛盾、沖突。而隨機故障設置通常可在菜單欄中點擊隨機故障設置按鈕來實現，在點擊完成后，相應的功能界面中便會產生故障數量選擇界面。同理，隨機故障選擇數量為1～3個。除此之外，在系統(tǒng)內部還設有相應的虛擬實訓車輛運行狀態(tài)監(jiān)測模塊，當故障設置完成后該監(jiān)測窗口便會發(fā)出異常提示，操作人員可通過該功能窗口來查看虛擬實訓車輛真實狀態(tài)。而在故障處理成功后，該功能窗口異常提示也會隨即消失。

3.2.2 故障清除

在完成實訓車輛故障設置后，汽修人員必須根據檢測窗口所顯示的具體信息來判斷故障類型，并確定故障發(fā)生點位。在經過詳細判斷后，汽修人員可在右側操作界面上選擇自己判斷的故障零件，若選擇零件確為故障零件，則系統(tǒng)會發(fā)出正確提示。反之則會發(fā)出錯誤提示。待最終確認相應的故障零件或故障區(qū)域后，汽修人員便可根據實際情況進行修復處理。此外，若故障發(fā)生區(qū)域屬于電路圖，則必須借助系統(tǒng)內部萬用表等虛擬模型來實施輔助檢測。

3.3 發(fā)動機故障診斷模擬實現

3.3.1 怠速抖動故障診斷

a.確認故障范圍，主要是將氣門等區(qū)域零件，在設備運行時所引發(fā)汽車故障零件通過軟件系統(tǒng)做成3D動畫。b.將怠速抖動故障診斷操作流程制作成相應的圖片PPT文件并逐一對照。c.用動畫方式展示怠速抖動故障診斷與檢測方法，合理運用尾氣分析儀、故障診斷儀等設備確定故障發(fā)生區(qū)域。d.構建故障范圍動畫，如某項裝置安裝位置錯誤，則必須將其與正確動畫進行對比分析。e.采用氣缸測量儀和壓力表來測試氣缸裝置的密封性，并利用系統(tǒng)功能構建設備檢測動畫。

3.3.2 加速不良故障診斷

a.確認故障范圍，主要是將廢氣渦輪增壓等裝置，在設備運行時所引發(fā)汽車故障零件通過軟件系統(tǒng)做成3D動畫。b.將加速不良故障診斷操作流程制作成相應的圖片PPT文件并逐一對照。c.合理運用系統(tǒng)內部故障診斷儀模型來讀取全部故障代碼信息，改變各個節(jié)氣門裝置數據流，并采用系統(tǒng)動畫方式對比實際運行數據，從而確認故障程英。d.用動畫方式展示加速不良故障診斷與檢測方法，合理運用尾氣分析儀、故障診斷儀等設備確定故障發(fā)生區(qū)域。e.運用系統(tǒng)功能構建故障區(qū)域動畫，如以動畫形式來表達節(jié)氣門區(qū)域傳感裝置整體結構、檢修過程及工作原理，同時分析故障發(fā)生時相關設備所產生的其他不良現象。

3.3.3 無法啟動故障診斷

a.確認故障范圍，主要是將高壓線等裝置，在設備運行時所引發(fā)汽車故障零件通過軟件系統(tǒng)做成3D動畫。b.將全部故障范圍采用仿真技術進行模擬演示。c.將加速不良故障診斷操作流程制作成相應的圖片PPT文件并逐一對照。d.運用系統(tǒng)功能以動畫方式展現故障診斷儀模型讀取故障碼等全過程。e.采用波形分析儀來調節(jié)裝置轉速，并運用系統(tǒng)功能以動畫方式展現多個并列波、平列波與重疊波，并將測試數據與標準數據進行分析對比，合理判斷故障區(qū)域。f.用動畫方式展示無法啟動故障診斷與檢測方法，合理運用尾氣分析儀、故障診斷儀等設備確定故障發(fā)生區(qū)域。g.運用系統(tǒng)功能構建故障區(qū)域動畫，如以動畫形式來表達傳感裝置整體結構、檢修過程及工作原理，同時分析曲軸區(qū)域與發(fā)動機轉速傳感裝置在故障發(fā)生時，相關設備所產生的其他不良現象。

3.3.4 排氣異味故障診斷

a.確認故障范圍，主要是將排氣系統(tǒng)漏氣或堵塞、氧傳感裝置等，在設備運行時所引發(fā)汽車故障零件通過軟件系統(tǒng)做成3D動畫。b.將全部故障范圍采用仿真技術進行模擬演示。c.將排氣異味故障診斷操作流程制作成相應的圖片PPT文件并逐一對照。d.合理調節(jié)混合氣體濃度，采用尾氣分析儀裝置來測量車輛尾氣，并運用系統(tǒng)功能以動畫方式展示。e.用動畫方式展示排氣異味故障診斷與檢測方法，合理運用尾氣分析儀、故障診斷儀等設備確定故障發(fā)生區(qū)域。f.運用系統(tǒng)功能構建故障區(qū)域動畫，如以動畫形式來表達氧傳感裝置整體結構、檢修過程及工作原理，同時分析節(jié)氣門傳感裝置在故障發(fā)生時，相關設備所產生的其他不良現象。

4 結語

通過對模擬訓練系統(tǒng)框架及基礎功能設計，構建虛擬化汽車故障診斷模型，并建立多元化仿真實訓場景，使汽修人員在實訓過程中，能夠通過運用系統(tǒng)功能，在第一時間內掌握故障類型與故障發(fā)生點位，進而制定故障解決策略，不斷提升自身的技術水平。

參考文獻：

[1]唐偉萍，賴德鵬.基于案例信息檢索的汽車故障診斷系統(tǒng)的構建[J].大眾科技，2022，24（10）：4-7.

[2]申慧君，李德貴，王競.基于故障類型的新能源汽車故障診斷系統(tǒng)研究[J].專用汽車，2022（6）：91-93.

[3]解淑英.基于LMS算法及BP神經網絡的汽車發(fā)動機故障診斷模型研究[J].微型電腦應用，2021，37（12）：44-47.

作者簡歷：

張珺，男，1971年生，技師，研究方向為汽車專用類。