SMILE故障診斷引擎與VAPS XT人機(jī)界面設(shè)計(jì)工具的集成

石磊

（中航通飛研究院有限公司 廣東省珠海市 519000）

VAPS XT是一款用于汽車、航空領(lǐng)域人機(jī)界面設(shè)計(jì)的工具，其的優(yōu)勢在于人機(jī)界面的快速開發(fā)，SMILE是一個(gè)基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的仿真接口引擎，其優(yōu)勢在于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的分析，將前者的顯示和后者的處理集成在一起，應(yīng)用到帶有故障診斷功能擴(kuò)展的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，可以提升故障診斷系統(tǒng)開發(fā)、驗(yàn)證的效率。

1 使用工具介紹

1.1 VAPS XT工具

如圖1所示，VAPS XT是加拿大Presagis公司提供的一款商用貨架軟件開發(fā)工具，該軟件為開發(fā)人員提供了駕駛艙人機(jī)顯示圖像的快速開發(fā)平臺(tái)，簡化了開發(fā)流程。憑借內(nèi)置的代碼生成工具CODE nGen工具，VAPS XT將開發(fā)人員從代碼編寫工作中解放出來，使其專注于圖形界面的設(shè)計(jì)。開發(fā)人員無需將代碼編譯，就可以對設(shè)計(jì)效果進(jìn)行實(shí)時(shí)的驗(yàn)證，相對于直接應(yīng)用OpenGL進(jìn)行開發(fā)，使用VAPS XT可以大大縮短人機(jī)界面開發(fā)的時(shí)間[1]。如果有需要，開發(fā)的架構(gòu)還允許設(shè)計(jì)人員對自動(dòng)生成的代碼進(jìn)行調(diào)整。VAPS XT還通過nCOM接口提供于當(dāng)前各主流仿真設(shè)計(jì)軟件的交互功能，包括DOORs，Simulinks等，實(shí)現(xiàn)顯示與控制人機(jī)界面的實(shí)時(shí)仿真[2]。

1.2 GeNie工具

GeNIe Modeler是由BayesFusion,LLC公司開發(fā)的SMILE Engine圖形用戶界面，允許交互式模型構(gòu)建和學(xué)習(xí)。它是為Windows環(huán)境編寫的，但也可以在Wine下的macOS和Linux上使用。GeNIe可以創(chuàng)建和修改故障診斷網(wǎng)絡(luò)模型，定義模型節(jié)點(diǎn)屬性，輸入節(jié)點(diǎn)證據(jù)，動(dòng)態(tài)查看診斷結(jié)果。自1998年以來，它已在該領(lǐng)域進(jìn)行了全面測試，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界得到了廣泛認(rèn)可，并在全球擁有數(shù)千名用戶。本文演示使用的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型采用的是BayesFusion,LLC公司官方網(wǎng)站提供的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)故障診斷模型（Engine Fuel System）[3]。模型在GeNIe打開的界面如圖2所示。

1.3 SMILE引擎

SMILE是結(jié)構(gòu)化建模、推理和學(xué)習(xí)引擎（Structural Modeling,Inference,and Learning Engine）的縮寫，SMILE引擎也是由BayesFusion,LLC公司推出的一款針對圖形模型（如貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，影響圖和結(jié)構(gòu)方程模型等）的推理和學(xué)習(xí)/因果查找引擎。它是一個(gè)C++類庫，可以通過其API接口被用戶軟件調(diào)用和集成，進(jìn)而通過決策建模功能增強(qiáng)用戶軟件的功能[4]。通過對SMILE引擎的調(diào)用，可以直接應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和影響圖等工具進(jìn)行故障診斷，快速利用多種推理算法進(jìn)行故障診斷和預(yù)測。SMILE需要授權(quán)使用，本文使用的是學(xué)術(shù)試用版。

2 將VAPS XT與SMILE引擎集成

圖1：VAPS XT人機(jī)接口設(shè)計(jì)工具軟件界面

圖2：GeNIe建模計(jì)算工具的用戶圖形界面

SMILE的功能集中在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的故障診斷，如果要為SMILE引擎開發(fā)可視化界面，需要專門開展人機(jī)交互界界面的編程，工作量較大。VAPS XT提供的自動(dòng)代碼生成工具，以及靈活的第三方插件接口功能，為SMILE與VAPS XT的集成提供了條件。

2.1 用戶自定義編程對象

VAPS XT支持通過C++編程定制用戶編程對象，這種方式生成的對象擁有更靈活的功能。設(shè)計(jì)人員首先要使用VAPS XT創(chuàng)建一個(gè)空的對象，定義好出入輸出接口后，通過CodeGEN自動(dòng)生成模板C++工程，然后利用Microsoft Visual Studio對模板C++工程進(jìn)行補(bǔ)充工程開發(fā)。不同版本VAPS XT支持的Visual Studio版本不同，其中VAPS XT4.1支持的Visual Studio版本2012版。在補(bǔ)充開發(fā)模板工程時(shí)，可以添加引用包括SMILE在內(nèi)的第三方庫，擴(kuò)充VAPS XT的性能[5]。當(dāng)用戶完成代碼編寫、編譯調(diào)試后，就可以生成動(dòng)態(tài)鏈接庫，進(jìn)而被VAPS XT調(diào)用，如果要生成獨(dú)立的界面可執(zhí)行程序，則還要將用戶自定義代碼編譯成靜態(tài)庫。

2.2 創(chuàng)建并編輯模板工程

生成模板工程的第一步是先定義一個(gè)空對象，如圖3所示，在VAPS XT中新建——高級對象——class，輸入對象名稱并確定解可。

在編程對象定義窗口中，可以對這個(gè)對象的輸入輸出接口進(jìn)行定義，如圖4所示。其中，Base Class，是新創(chuàng)建的用戶自定義對象的基類，如果是圖形類的對象，則基類為GrObject，如果是計(jì)算類的對象，則基類為Calculator。此處由于是定制基于SMILE的模型處理接口，需要將基類改為Calculator。需要將Has Update Function的選項(xiàng)框選，以便對象能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)輸入證據(jù)的變化給出對應(yīng)的診斷結(jié)果。

在“Properties”屬性頁中可以添加新的接口參數(shù)，輸入每一個(gè)接口參數(shù)的“名稱”、“類型”、“訪問”、“默認(rèn)值”等屬性。其中，名稱就是接口參數(shù)的名稱，類型為接口參數(shù)的數(shù)據(jù)類型，可以在下拉菜單中選擇接口的數(shù)據(jù)類型，包括浮點(diǎn)、整形、布爾、字符串等；訪問屬性指明該參數(shù)是作為輸入還是作為輸出，或者雙向訪問，默認(rèn)值就是該參數(shù)在初始化時(shí)被設(shè)置的值。

在開展接口屬性定義前，應(yīng)當(dāng)結(jié)合對象要實(shí)現(xiàn)的功能、對象與VAPS XT之間的交互方式等內(nèi)容，對接口進(jìn)行規(guī)劃，因?yàn)樾薷慕涌诘牟僮鲿?huì)導(dǎo)致后續(xù)一系列工作的反復(fù)。

完成自定義編程對象的屬性定義后，保存對象，就可以通過VAPS XT自帶的CODE nGEN功能生成模板工程。如圖5所示。

自動(dòng)生成的模板工程文件夾的存放位置默認(rèn)在VAPS XT工程目錄下的codedobject文件夾下，使用Visual Studio 2013打開Root Project PathCodedObjectclassNamemake下的vxtClsclassName.vcxproj文件，即可打開模板工程項(xiàng)目。

生成模板工程項(xiàng)目后，需要添加對SMILE引擎的引用。首先要更改模板工程項(xiàng)目的屬性，在C/C++,General設(shè)置頁中，找到Additional Include Directories，將SMILE頭文件存在的路徑添加進(jìn)去。在Linker，General設(shè)置頁中，找到Additional Library Directories，將SMILE引擎的靜態(tài)庫文件所在的路徑添加進(jìn)去。

在模板工程的源文件中找到“vxtClsclsFuelModel.h”，在該頭文件中添加對Smile引擎頭文件的引用。在模板工程的源文件中找到“vxtClsclsFuelModel.cpp”，在該源文件中添加對SMILE引擎License頭文件的引用。至此，模板工程就可以利用SMILE引擎提供的接口調(diào)用各種貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法開展編程了。

分析vxtClsclsFuelModel.cpp源文件的結(jié)構(gòu)，除了構(gòu)造函數(shù)，和析構(gòu)函數(shù)外，還有一個(gè)主要的函數(shù)就是vUpdate函數(shù)。在構(gòu)造函數(shù)中，主要添加SMILE引擎初始化需要做的工作，如模型文件的讀取，將讀取后的模型對象保存到一個(gè)全局變量中，然后就是模型對象屬性的讀取以及輸出?？梢栽诖颂幊跏蓟疍SL_network對象，制定后續(xù)的模型計(jì)算。在析構(gòu)函數(shù)中，主要添加SMILE引擎關(guān)閉后需要做的工作，如文檔對象的銷毀、內(nèi)存的釋放等。

算法的過程都包含在vUpdate函數(shù)中，這個(gè)函數(shù)定義了在VAPS XT應(yīng)用更新時(shí)，對象需要處理的工作。對象需要添加的故障診斷函數(shù)就添加到這里?？梢詤⒖糞MILE引擎的接口定義文檔，執(zhí)行模型載入、節(jié)點(diǎn)證明設(shè)置、模型更新、獲取節(jié)點(diǎn)屬性等操作。將圖2中定義的對象參數(shù)，作為vUpdate函數(shù)中模型計(jì)算的輸入和輸出參數(shù)，就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的更新。

2.3 創(chuàng)建用戶自定義插件實(shí)例

圖3：新建用戶自定義編程對象

圖4：定義輸入輸出接口

圖5：使用CODE nGEN生成模板工程

生成用戶自定義對象的動(dòng)態(tài)連接庫之后，還需要在VAPS XT中定義一個(gè)對象實(shí)體以便“實(shí)例化”這個(gè)自定義對象，這就需要再定義一個(gè)Coded Implementation對象。圖6所示為創(chuàng)建Coded Implementation的界面。

在創(chuàng)建頁面需要輸入對象的名稱、對象所在的項(xiàng)目，然后再Class Name下來菜單中選擇剛剛定義好的用戶自定義對象class，選擇上一步生成的DLL的路徑，然后VAPS XT會(huì)自動(dòng)選擇CPP和頭文件的路徑。點(diǎn)擊確定后，在VAPS XT的資源窗口中，clsFuelModel對象下面就生成出了一個(gè)Implementation對象。

2.4 在VAPS XT的Format中使用新建對象

完成用戶自定義對象的創(chuàng)建后，就可以在Format中調(diào)用這個(gè)對象了，調(diào)用方式與其他VAPS XT中內(nèi)置的對象類似。需要注意的一點(diǎn)是，如果用戶自定義對象中使用了內(nèi)置的文件讀取模式，則一定要確保訪問路徑下有對應(yīng)的文件可以被訪問到。否則在使用用戶自定義對象時(shí)將會(huì)出錯(cuò)。建議在用戶自定義對象的接口定義時(shí)，增加文件路徑選擇的輸入接口，然后在實(shí)現(xiàn)

圖6：創(chuàng)建Coded Implementation對象

圖7：在Format中應(yīng)用新定義的對象

圖8：SMILE引擎在VAPS XT中可視化的效果

只要把這個(gè)對象從工程資源窗口中拖進(jìn)Format的Implementation View窗口中即可。如圖7所示。

選中clsFuelModel對象，可以在他的屬性窗口中看到對象的輸入輸出參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，自定義對象已經(jīng)輸出了初始化的數(shù)值。

接下來就可以在Format中開展設(shè)計(jì)，通過圖8所示的多狀態(tài)按鈕，將證據(jù)的值傳遞給，然后將SMILE實(shí)時(shí)更新輸出的節(jié)點(diǎn)屬性輸出給Format界面中的數(shù)據(jù)條和數(shù)字文本，實(shí)現(xiàn)故障的診斷。

3 集成后的調(diào)試、編譯及運(yùn)行

3.1 在VAPS XT環(huán)境下的調(diào)試

在VAPS XT中，可以通過運(yùn)行指令，實(shí)時(shí)對Format中的界面進(jìn)行功能驗(yàn)證。對于帶有SMILE用戶自定義對象的Format來說也是一樣的，用戶可以對Format界面的輸出結(jié)果和顯示邏輯進(jìn)行驗(yàn)證，更改分以下幾種情況：

（1）Format界面本身設(shè)計(jì)的問題，比如數(shù)據(jù)流定義錯(cuò)誤、圖形符號(hào)的樣式不合適，可以隨時(shí)對Format界面進(jìn)行調(diào)整。

（2）SMILE自定義對象的問題，不涉及到接口的變更；比如診斷結(jié)果不正確，無法讀取文件等錯(cuò)誤，則需要對模板工程的源代碼進(jìn)行修改。然后重新編譯生成動(dòng)態(tài)鏈接庫。

（3）SMILE自定義對象的問題，涉及到接口的變更。如需要增加接口參數(shù)，參數(shù)的數(shù)據(jù)類型要更改，這種更改，需要首先修改用戶自定義對象的接口屬性，再重新生成模板工程。重新生成用戶自定義對象實(shí)例后，還需要重新加載該實(shí)例到Format中，替換掉原來的實(shí)例，如果在Format中有默認(rèn)對象和用戶自定義對象之間的數(shù)據(jù)流，則還需要重新定義數(shù)據(jù)流。涉及的更改量比較大，因此要盡量在前期定義好接口。

3.2 靜態(tài)鏈接庫的生成

自定義對象動(dòng)態(tài)鏈接庫是為了在VAPS XT環(huán)境下實(shí)時(shí)對Format界面的設(shè)計(jì)效果進(jìn)行驗(yàn)證。一旦驗(yàn)證設(shè)計(jì)滿足預(yù)期，為了能讓Format界面運(yùn)行在獨(dú)立于VAPS XT的環(huán)境下，則需要將用戶自定義對象編譯為靜態(tài)庫。編譯平臺(tái)需要由Release改為StaticOGL。

3.3 代碼自動(dòng)生成

當(dāng)完成用戶自定義對象的編譯調(diào)試，成功生成動(dòng)態(tài)、靜態(tài)鏈接庫之后，就可以利用VAPS XT自帶的CODE nGEN功能生成Format的工程代碼，然后編譯生成可執(zhí)行程序。

此時(shí)在VAPS XT中通過CODE nGEN自動(dòng)生成源代碼，在編譯的時(shí)候，會(huì)提示找到不smile.h，編譯無法通過。因?yàn)镃ODE nGEN編譯時(shí)使用的目標(biāo)平臺(tái)使用的是wogl.cfg，指的是Windows環(huán)境下，利用opengl庫進(jìn)行編譯。該平臺(tái)的編譯設(shè)置，保存在VAPS XT根目錄configwogl.cfg文件中，找到CUSTOM_INCS所在的行，添加SMILE引擎頭文件的引用即可。

$(INCLUDE_DIR_COPTION)$(VAPSXT_ROOT_PRJ_DIR)$(DIR_SEP)smile

將smile的頭文件拷貝至該路徑下，然后將smile的庫文件拷貝至：

VAPSXT_ROOT_PRJ_DIRCode Gen路徑下，此處的formatName就是通過CODE nGEN自動(dòng)生成format源程序所在的路徑。再次選擇編譯，可以正常生成formatName_wogl.exe。

3.4 通過腳本運(yùn)行VAPS XT界面程序

編譯生成的可執(zhí)行程序可以直接運(yùn)行。如果在自動(dòng)生成代碼前未設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，則有可能在首次直接運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)屏幕未對準(zhǔn)，比例不匹配的問題。比較穩(wěn)妥的方式就是通過腳本程運(yùn)行界面可執(zhí)行程序。新建一個(gè)txt文檔，將下面的腳本程序粘貼進(jìn)去。

start TestFormat_wogl.exe-noborder-fit

文件另存為start.bat，然后就可以通過雙擊bat文件的方式，啟動(dòng)顯示界面程序。

除了顯示配置的參數(shù)，腳本程序啟動(dòng)的方式還可以對nCom等功能進(jìn)行配置，具體參見VAPS XT的CODE nGEN用戶手冊。

4 結(jié)語

本文對SMILE故障診斷引擎與VAPS XT人機(jī)界面設(shè)計(jì)工具集成的方法進(jìn)行了介紹，在總結(jié)工具基本特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，說明了在VAPS XT中利用用戶自定義編程對象調(diào)用SMILE引擎的過程，以及利用生成的插件實(shí)例開展人機(jī)界面設(shè)計(jì)的過程，利用SMILE引擎官方網(wǎng)站提供的模型，對集成過程進(jìn)行了測試，對集成后的調(diào)試和運(yùn)行方法進(jìn)行了說明，表明通過兩種工具的集成，可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成SMILE引擎的可視化，為后續(xù)開展基于貝葉斯故障診斷模型的用戶界面設(shè)計(jì)提供了參考。