基于實(shí)裝與模擬聯(lián)動的重型機(jī)械化橋維修訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)

王添禹，雷智強(qiáng)，公丕平，劉小林，劉武強(qiáng)

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

引言

某重型機(jī)械化橋是我軍工程兵部隊(duì)的骨干裝備，由于其具有機(jī)械化程度高、機(jī)動性好、架設(shè)速度快、橋面調(diào)整方便、通載穩(wěn)定可靠、作業(yè)人員少、勞動強(qiáng)度低等一系列的優(yōu)勢而被我軍廣泛列裝于工程兵部（分）隊(duì)，其編配數(shù)量大、使用頻繁、應(yīng)用范圍廣。由于缺乏先進(jìn)的維修訓(xùn)練手段，目前普遍采用課堂授課，用實(shí)裝對人員進(jìn)行簡單維修訓(xùn)練的傳統(tǒng)培訓(xùn)方式已難以適應(yīng)新型工程裝備維修訓(xùn)練的需要。研制基于實(shí)裝與模擬聯(lián)動的重型機(jī)械化橋維系訓(xùn)練系統(tǒng)顯得尤為迫切，其意義在于可較好地解決重型機(jī)械化橋維修訓(xùn)練實(shí)踐性環(huán)節(jié)的練兵平臺問題，實(shí)現(xiàn)裝備工作原理演示、故障判斷排除等動態(tài)模擬與實(shí)裝聯(lián)動演示的功能，縮短理論教學(xué)與實(shí)裝訓(xùn)練的距離，對于降低維修訓(xùn)練費(fèi)用、保障維修訓(xùn)練安全、改進(jìn)維修訓(xùn)練方式、提高維修訓(xùn)練效能、解決當(dāng)前新裝備維修訓(xùn)練中存在的問題具有極大的促進(jìn)作用，可為院校和部隊(duì)的教學(xué)與訓(xùn)練提供一種比較先進(jìn)的裝備維修訓(xùn)練手段。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于重型機(jī)械化橋液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)與氣動系統(tǒng)原理，采用單片機(jī)、嵌入式及高精度三維仿真等技術(shù)手段研發(fā)的，實(shí)現(xiàn)重型機(jī)械化橋裝備工作原理演示、故障虛擬再現(xiàn)、故障判斷排除等功能的軟硬件集成系統(tǒng)。系統(tǒng)總體功能包括采集實(shí)裝控制盒發(fā)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(shè)置模塊設(shè)置裝備在使用過程中的典型故障，并通過故障再現(xiàn)模塊逼真地進(jìn)行展示，用戶可以通過故障可視化與維修指導(dǎo)模塊進(jìn)行故障排查，為實(shí)裝故障排除/檢修提供訓(xùn)練手段。通過對使用對象、訓(xùn)練目標(biāo)、訓(xùn)練科目及內(nèi)容等的分析確定，基于實(shí)裝與模擬聯(lián)動的重型機(jī)械化橋維修訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)能滿足維修訓(xùn)練實(shí)際需求，并對環(huán)境具有一定的適應(yīng)能力。第一，能夠?qū)崿F(xiàn)某重型機(jī)械化橋電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)工作原理一體化直觀展示。第二，能夠?qū)崿F(xiàn)工作原理展示與實(shí)裝動作的協(xié)調(diào)有序進(jìn)行。第三，能夠依托某重型機(jī)械化橋工作原理進(jìn)行故障設(shè)置。第四，能夠?qū)崿F(xiàn)某重型機(jī)械化橋常見故障的準(zhǔn)確虛擬再現(xiàn)。第五，能夠?qū)崿F(xiàn)某重型機(jī)械化橋常見故障診斷輔助指導(dǎo)。

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架

依據(jù)基于實(shí)裝與模擬聯(lián)動的重型機(jī)械化橋維修訓(xùn)練系統(tǒng)研究研制總要求，按照“模塊化、層次化、服務(wù)化”的系統(tǒng)構(gòu)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(dǎo)、故障設(shè)置模塊等功能于一體，結(jié)構(gòu)合理、體系完整、特色鮮明、技術(shù)先進(jìn)、開放性好、互操作性強(qiáng)的以某重型機(jī)械化橋故障維修訓(xùn)練為核心的軟硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)框架如下頁圖1 所示。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)某重型機(jī)械化橋使用對象分析、維修訓(xùn)練目的分析、維修訓(xùn)練內(nèi)容分析、系統(tǒng)需求分析等，基于實(shí)裝與模擬聯(lián)動的重型機(jī)械化橋維修訓(xùn)練系統(tǒng)主要由聯(lián)動連接單元（與實(shí)裝聯(lián)動）、工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺、故障設(shè)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(tǒng)軟件包含某重型機(jī)械化橋三維模型、某重型機(jī)械化橋故障數(shù)據(jù)庫、硬件的運(yùn)行驅(qū)動軟件、可視化維修與指導(dǎo)模塊，硬件包含一體化模擬訓(xùn)練平臺、聯(lián)動連接單元（與實(shí)裝聯(lián)動）、故障設(shè)置模塊等[1-3]。

圖1 基于實(shí)裝與模擬聯(lián)動的重型機(jī)械化橋維修訓(xùn)練系統(tǒng)整體硬件總體結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，系統(tǒng)軟件由原理展示軟件、故障設(shè)置軟件、故障診斷輔助指導(dǎo)軟件、工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺驅(qū)動軟件和聯(lián)動連接單元軟件組成。工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺軟件是基于Windows 系統(tǒng)，采用Lab-Windows/CVI 語言進(jìn)行開發(fā)的。由于軟件總體設(shè)計(jì)要求，維修訓(xùn)練系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的全部功能是在工控機(jī)的控制下完成的，在工控機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，中心調(diào)度模塊是整個軟件系統(tǒng)的核心模塊，實(shí)現(xiàn)控制聯(lián)動連接單元數(shù)據(jù)的上傳、工控機(jī)數(shù)據(jù)指令的下傳，實(shí)現(xiàn)各功能模塊邏輯關(guān)聯(lián)、調(diào)度及運(yùn)行時序，其設(shè)計(jì)的好壞直接決定著整個系統(tǒng)運(yùn)行的效率、原理展示的精度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率，是系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

圖3 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

聯(lián)動連接單元軟件是采用Keil C 語言進(jìn)行設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)完之后通過燒寫器寫入到單片機(jī)內(nèi)部，聯(lián)動連接單元軟件主要完成數(shù)據(jù)的采集與調(diào)理、與工控機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)某重型機(jī)械化橋與工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺之間的信號隔離、放大、濾波等功能。聯(lián)動連接單元采用模塊化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，因此可適應(yīng)各種開關(guān)量信號的連接方式。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 聯(lián)動連接單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、維修訓(xùn)練需求中關(guān)于工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺與某重型機(jī)械化橋聯(lián)動的需求，聯(lián)動連接單元整體設(shè)計(jì)思路為：采取嵌入式數(shù)據(jù)采集的方式采集某重型機(jī)械化橋架設(shè)系統(tǒng)的控制信號，通過MCU（微處理器）系統(tǒng)，遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口協(xié)議，對架設(shè)系統(tǒng)的所有控制類模擬信號（開關(guān)量信號、瞬時觸發(fā)信號等）進(jìn)行解析與編碼，并按規(guī)定的通信協(xié)議傳輸給工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺，控制工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺內(nèi)仿真實(shí)體（某重型機(jī)械化橋三維模型）的行為。同時，聯(lián)動連接單元實(shí)時接收來自工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺的實(shí)體狀態(tài)信號數(shù)據(jù)，經(jīng)MCU 解析與編碼后輸出控制信號，控制某重型機(jī)械化橋移動操縱盒上各類燈光顯示設(shè)備的亮滅。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)聯(lián)動連接單元，主要由封裝殼體、數(shù)據(jù)采集與控制模塊、嵌入式航插、RS232 串口等組成，其中數(shù)據(jù)采集與控制模塊是聯(lián)動連接單元的核心部件，聯(lián)動連接單元如圖4 所示。

2.2 工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺設(shè)計(jì)

按照模塊化設(shè)計(jì)原則，結(jié)合其實(shí)現(xiàn)功能，工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺主要由工控機(jī)模塊、顯示控制模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、原理展示模塊等組成。

通過對工控機(jī)、液晶屏及觸摸屏、電源模塊的選型與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺硬件的設(shè)計(jì)，工控機(jī)在啟動后運(yùn)行Windows 10 系統(tǒng)，通過RS232 串行總線將顯示數(shù)據(jù)傳輸至液晶屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，通過USB 總線與觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如圖5 所示。

圖4 聯(lián)動連接單元整體框架設(shè)計(jì)

圖5 工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺

按照上文確定的軟件結(jié)構(gòu)，用Labwindows/CVI程序語言開發(fā)環(huán)境編制了工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺軟件。軟件運(yùn)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(shè)置界面、故障可視化維修指導(dǎo)界面和虛擬故障再現(xiàn)界面。

2.3 故障設(shè)置與故障再現(xiàn)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過調(diào)研，收集部隊(duì)關(guān)于某重型機(jī)械化橋維修訓(xùn)練過程中的實(shí)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(jī)、繼電器、開關(guān)等元件，研究通過工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺設(shè)置模擬故障形式、模擬故障部位等，全面、逼真、形象地反應(yīng)裝備實(shí)際故障，通過實(shí)裝與原理相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)隱蔽設(shè)障、全面設(shè)障與無損設(shè)障。

本模塊采用與工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺中原理展示模塊相同的Unity 開發(fā)引擎，設(shè)計(jì)了故障設(shè)置模塊軟件界面，該軟件界面與原理展示、故障再現(xiàn)、故障診斷輔助指導(dǎo)等軟件采用相同的形式。

2.4 可視化維修指導(dǎo)模塊開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

故障診斷輔助指導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)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(dǎo)維修人員根據(jù)某重型機(jī)械化橋出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，并對可能的故障點(diǎn)進(jìn)行檢查和檢測，以判斷實(shí)裝具體故障部位。

根據(jù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，可視化故障診斷輔助指導(dǎo)軟件依托工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺運(yùn)行，為了提高軟件的兼容性和系統(tǒng)運(yùn)行速度，可視化故障診斷輔助指導(dǎo)軟件與原理展示軟件、故障設(shè)置軟件采用相同引擎開發(fā)。根據(jù)工作原理一體化模擬訓(xùn)練平臺軟件設(shè)計(jì)，在一體化訓(xùn)練平臺上依托其界面設(shè)計(jì)，通過軟件調(diào)度模塊進(jìn)入可視化維修與指導(dǎo)軟件界面，如圖6 所示，在該界面通過復(fù)選框控件選擇故障類型下的故障現(xiàn)象，點(diǎn)擊下一步進(jìn)入故障診斷指導(dǎo)程序[4-6]。

圖6 故障可視化維修與指導(dǎo)故障列表

3 結(jié)論

本課題在對某重型機(jī)械化橋維修保障實(shí)際需求深入分析的基礎(chǔ)上，提出了基于實(shí)裝與模擬聯(lián)動的重型機(jī)械化橋維修訓(xùn)練系統(tǒng)需求，完成了某重型機(jī)械化橋維修訓(xùn)練的科目設(shè)計(jì)，通過對某重型機(jī)械化橋液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、工作原理、故障判斷與排除、修理等詳細(xì)研究的基礎(chǔ)上，確定了本系統(tǒng)的功能，進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)及嵌入式技術(shù)等，完成了基于實(shí)裝與模擬聯(lián)動的重型機(jī)械化橋維修訓(xùn)練系統(tǒng)的研制、軟硬件平臺的開發(fā)等。

本課題研制的維修訓(xùn)練系統(tǒng)，可用于部隊(duì)院校及各級維修訓(xùn)練機(jī)構(gòu)，能夠解決部隊(duì)在某重型機(jī)械化橋維修訓(xùn)練時存在的“圖紙空講”“結(jié)構(gòu)原理難理解”“故障診斷程序方法難掌握”等難題，提高部隊(duì)信息化維修保障能力，具有重要的軍事應(yīng)用價值。