舰船电气设备虚拟维修系统的设计与实现

甄洪斌，向 东，徐建霖，吴 强

(海军工程大学 电气工程学院， 湖北 武汉 430033)

舰船电气设备虚拟维修系统的设计与实现

甄洪斌，向 东，徐建霖，吴 强

(海军工程大学 电气工程学院， 湖北 武汉 430033)

文章围绕舰船电气设备的维修训练和考核需求，规划设计虚拟维修系统的组成结构和软件模块，运行状态转换控制流程及数据通信交互模式，详细阐述了训练考核教控管理、三维模型显示交互、数学模型仿真计算等软件功能。利用LabVIEW、3DMAX和PostEngineer软件联合开发，研制完成了舰船海水淡化装置虚拟维修系统，实现虚拟现实交互、运行特性仿真、实时数据通信和训练考核评估等性能。

舰船电气设备；虚拟维修；训练考核系统；海水淡化装置

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

随着舰船电气化、自动化程度的不断提高，电气设备越来越复杂，故障形式多种多样。舰船电气设备维修涉及操作使用规程、原理线路识别、工具仪表使用、故障排查定位等多方面知识和能力的综合应用，是舰船电工专业维修保障工作人员的必备技能，需要进行专门的教学训练和考核评估。

在实际装备上开展维修教学训练和考核面临诸多的问题，如经费投入较大、训练设备数量少、对训练场地要求高、故障设置和恢复难度大、设备损耗和故障率大、装备安全性能差等[1-2]。虚拟维修系统是以装备维修教学训练和考核评估为研究对象，以虚拟现实技术为基础，为复杂装备的维修教学训练建立起一个实装仿真环境软硬件系统，可以有效解决传统维修训练和考核评估中存在的诸多问题，对培养高技能的维修保障人员具有重要意义[3-5]。

本文以舰船海水淡化装置为研究对象，规划设计电气设备虚拟维修系统的组成结构和软件模块，研究运行状态转换控制流程及数据通信交互模式，开发完成训练考核教控管理软件、三维模型显示交互软件、数学模型仿真计算软件，采用桌面式虚拟显示技术实现了虚拟现实仿真、系统功能仿真、维修考核评估、仿真数据交互等功能。

1 系统总体设计

虚拟维修系统是实际维修训练依托计算机的虚拟实现，其内容要素需求就在于将装备、工具器材、维修人员、维修过程等内容要素体现在虚拟环境中[6-8]。舰船电气设备训练考核系统利用虚拟维修操作平台，采用虚拟现实方式实现电气设备的操作使用、维修训练和考核评估。该系统通过教控管理软件设置一定数量的电气故障，训练考核人员在规定的考核时间内根据故障现象、操作手册及原理图，利用虚拟仪表设备进行信号检测，判断故障元件位置并排除故障[9]。

1.1系统功能

舰船电气设备虚拟维修系统面向电气维修保障人员，目的是快速掌握电气设备的工作原理、操作步骤和维修技能，需要有高度的临场感，可在全天候、安全零损耗的情况下使用[10-11]。根据舰船电气设备的维修手册和训练要求，确定系统主要功能。

1)虚拟训练考核。包括电气设备的维修教学训练与考核，实现对主要元器件的拆卸装配、信号检测及故障排除等操作。

2)教练控制管理。包括后台运行数据库修改、用户管理操作过程监控训练、成绩评定等。

3)三维动态显示。搭载立体显示设备，呈现三维立体效果，增强受训人员的沉浸感。

1.2组成结构

舰船电气设备虚拟维修系统硬件部分由1台服务器和若干台操作终端计算机组成，软件部分包括训练考核教控管理软件、三维模型显示交互软件、数学模型仿真计算软件3个模块，服务器端运行训练考核教控管理软件，具有教练控制和管理功能；操作终端软件主要包括三维模型显示交互软件以及数学模型仿真计算软件。虚拟维修系统总体结构如图1所示。

图1 虚拟维修系统组成结构

2 软件模块功能

2.1模块组成及数据通信方式

训练考核系统由训练考核教控管理软件、三维模型显示交互软件、数学模型仿真计算软件等模块协同运行，通过网络通信和内部动态数据交换(Dynamic Data Exchange，DDE)通信方式进行数据交换。

服务器与操作终端采用网络通信，三维模型显示交互软件与数学模型仿真计算软件之间采用DDE通信方式。DDE通信内容主要包括：命令下达和回复、故障信息、设备元件的各部件状态、导线操作、万用表状态、测点和测量值、仪表和指示灯显示数据等。

2.2训练考核教控管理软件

1)登录权限管理。主要包括教练员登录管理、故障设置权限管理。

2)网络通信管理。进行服务器和操作终端的网络通信，保证训练考核全过程网络的正常连接。

3)控制命令下达。下达训练和考核过程控制命令；检测和显示各终端的当前状态以及命令执行情况(初始化、登录、考核、交卷等)。

4)用户登录管理。操作人员在操作终端登录考试系统输入用户名等信息；在服务器端可以查看并记录所有操作人员的登录信息(网络连接状态、是否登录、用户名、工位号等)。

5)故障信息设置。人为选择或随机产生故障信息，采用表格形式，主要字段为“序号、故障元件编号、故障类型、故障现象”。

6)训练内容发布。在服务器端能够针对每台终端机下发相同或不同的训练考核内容故障信息，并能反馈查看所发布的训练考核内容；与三维模型显示交互软件和数学模型仿真计算软件通信，用于初始化。

7)训练计时管理。操作人员登录考试系统、检查考核资料和器材工具完毕后，服务器端能够根据所设定的考核时间统一下达计时操作开始指令并自动计时，考核过程中实时剩余时间能在服务器端和操作终端界面显著的位置同步显示。

8)训练信息收集。各终端机训练或考核结果信息收集、成绩的自动评定、记录和打印；考核结果的内容包括“工位号、用户名、考核开始时间，考核总时长，考核成绩，每个录入的故障信息(序号、故障元件编号、故障类型、录入时间、正确与否等)，安全问题信息(序号、类型、时间等)”。

9)成绩评判打印。服务器端根据评分标准计算该批次所有操作人员的质量分、安全分和时间分，并以文档形式输出每位操作人员的用户名、工位号、考核内容、考核时间、输入的故障信息、安全问题信息、考核成绩等，打印后交由操作人员签字确认。

10)系统状态恢复。该批次考核工作全部完成后，能够在服务器端将所有操作终端计算机恢复至初始状态，以备进行下一批次的考核设置。

2.3三维模型显示交互软件

1)数据信息交换。安装于操作终端计算机，能与训练考核教控管理软件和数学模型仿真计算软件传递数据，其中与数学模型仿真计算软件以DDE通信方式进行信息交换。

2)命令贯彻执行。命令接收、下传；命令执行反馈；人员用户名与密码登录；考核计时及显示；主动或强制结束考核(考核时间未到，可提交结束；倒计时时间到，则自动结束。考核结束后，操作交互被禁止)；在主动或强制结束后，立即将考核输入故障信息上传至服务器端。

3)三维交互操作。三维模型系统初始化与实时状态显示；可以进行三维虚拟界面操作和虚拟维修检测操作，对海水淡化装置进行开关操作、按钮操作、管路阀门操作、电器元件线路端子拆装(断开/连接导线)，操作信息传送至数学模型仿真计算软件；接收数学模型仿真计算软件提供的数据信息，在电控箱和仪表盘等显示指示灯状态、仪表数据、蜂鸣器声音等。

4)数据测量显示。通过万用表测量电器元件检测点运行数据，万用表显示值由数学模型仿真计算软件运算响应提供，可进行电压和电阻等测量档位的选择切换。

5)故障比对判断。操作人员选择故障定位菜单后，点击故障元件，弹出元件各部件选项，查表获得故障元件编号(若点击测点，则弹出与此测点相连的所有导线信息，选择后确定故障元件编号)，选择故障类型(短路或断路)；确认故障信息输入后，与预设故障信息比对，如果正确则发送信息给数学模型仿真计算软件，撤销该设置故障；同时记录该录入信息、录入时间和正确性。

6)安全信息管控。考核过程中，如因操作人员操作失误导致虚拟维修操作平台发生虚拟设备短路跳闸、熔断器熔断或检测仪表损坏等安全问题，能够自动记录安全问题类型、出现时间等信息，并通过弹出式窗口提示操作人员，待操作人员确认后通过数学模型仿真计算软件和三维模型显示交互软件自动消除该安全问题。

2.4数学模型仿真计算软件

1)数学仿真运算。与训练考核教控管理软件和三维模型显示交互软件通信，数学模型系统初始化与参数、状态、测量值等实时数据仿真运算。

2)数据信息交换。与训练考核教控管理软件通信，接收发布的考核内容、考核指令、操作人员输入的故障信息等相关数据，并回送有关信息；与三维模型显示交互软件以DDE通信方式进行信息交换，接收三维虚拟操作状态、测量仪表档位、测点等相关数据信息，并将模型仿真数据回送以进行状态或数据显示。

3)故障比对判断。接收训练考核教控管理软件提供的操作人员故障信息比对结果，如果正确则对该条故障进行自动撤销，如果错误则不进行任何动作。

4)安全信息管控。接收训练考核教控管理软件提供的安全信息，如因操作人员操作失误导致安全问题，待操作人员在弹出式窗口确认后与三维模型显示交互软件配合自动消除该安全问题。

3 状态转换流程

各软件模块根据状态转换的过程执行相应功能，软件的状态转换通过数据通信相互协调。状态转换控制及信息交互流程如图2所示。

图2 状态转换及信息交互流程

训练和考核的转换控制过程为：①教控员预设故障和考核时间；②系统初始化；③训练考核人员登录；④训练考核开始；⑤操作交互和故障确认；⑥交卷及训练考核记录；⑦计算并打印训练考核成绩。

4 训练考核系统实现

以舰船海水淡化装置为对象，虚拟维修训练考核系统利用集成开发环境软件Microsoft Visual Studio、图形化程序开发环境软件LabVIEW、三维动画渲染制作软件3DMAX和三维可视化引擎软件PostEngineer联合开发，实现虚拟现实仿真、系统功能仿真、维修考核评估、仿真数据交互等功能[12]，如图3所示。

图3 虚拟维修系统功能结构

该系统通过维修动作过程仿真和系统电路功能仿真，在虚拟环境中模拟真实电气设备的正常及故障工况，通过观察和使用虚拟仪器仪表进行动态测量和拆装，训练考核故障定位和排查技能，实现真实维修训练的效果。

训练考核教控管理软件采用客户端-服务器模式网络系统，可以设定故障内容并记录维修过程中的故障定位信息和错误操作，最后通过根据设定的质量、安全和时间等评分标准进行综合评判。教练员可以掌握所有操作人员的数据记录，通过比较分析可对训练内容和训练过程进行有针对性地调整，提高训练效果。教控台可对训练考核的管理和过程控制，对故障类型和故障数量进行自由设置，对故障排查结果进行记录和自动评分。

图4 海水淡化装置虚拟维修系统操作界面

客户端可以进行正常的设备操作、导线的拆装操作、万用表测量操作、故障定位排除操作。操作员可以对设备进行启动、停机、检测等操作，操作过程会禁止引起设备损坏性的错误操作，并给予相应的提示信息。系统操作界面如图4所示。

三维模型显示交互软件采用桌面式虚拟显示技术，将实际设备各部分完整地呈现在三维虚拟界面中，包括管路、阀门、仪表、电气控制箱及其内部电器元件等，根据系统实时数据实现各种工作状态下的三维效果展示。

数学模型仿真计算软件采用逻辑功能仿真与电路仿真结合方式，无需事先建立故障数据库，在LabVIEW编程环境下面向对象建模实现故障的投入与切除，可以灵活地、高自由度进行故障设置，训练考核中动态完成故障定位与排除操作，实现任意电路节点之间的电压、电阻的动态测量。系统仿真流程如图5所示。

图5 虚拟维修系统仿真流程

系统实现对舰船用海水淡化装置各项操作及控制系统中的增压泵、高压泵的自动及手动控制的模拟，也可实现用万用表检测电气控制箱线路中任意测点的电路参数动态模拟。依据反渗透海水淡化原理实现海水淡化装置管路及阀门压力的仿真计算，运行过程中可显示各压力表及流量的情况。通过设置电气控制箱主电路、控制电路的故障，用于故障排查训练及考核，涵盖了海水淡化装置中几乎所有的类型：接触器、时间继电器、中间继电器、热继电器、熔断器、指示灯、开关、按钮、导线等。

5 结束语

虚拟维修训练考核作为一种行之有效的手段，具有巨大的技术优势和发展潜力，可以缓解甚至解决当前维修训练考核中存在的突出矛盾。

本文以舰船海水淡化装置作为设计研究对象，开发完成训练考核教控管理软件、三维模型显示交互软件、数学模型仿真计算软件，采用虚拟现实方式实现电气设备的操作使用和维修训练。该系统考核舰员和维修保障人员对海水淡化装置电气原理图识图和电气设备故障查找及排除能力，将维修理论学习与实践动手训练相结合，具有较强的实用性和可操作性。

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甄洪斌(1979-)，男,山东德州人,副教授,博士,研究方向为电力系统自动化、舰船电气维修保障等。

U673

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.012

2017-04-17