装备模拟器范文
时间：2023-10-31 11:37:40
装备模拟器篇1
关键词：LCD 电子标识牌 通用模拟器
中图分类号：TN873.93 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）05-0036-03
1 引言
随着模拟技术的不断发展，研制适用于特定领域的通用模拟器在人才培养方面起到了重要作用，发挥出了重大的经济效益和社会效益[1-3]。通用模拟器实现了硬件与软件的通用化，可以模拟同一系列的不同型号装备、设备。在实际训练使用过程中，通用模拟器根据用户的设置可以实现不同型号装备的模拟。由于一般模拟器的功能是固化的，所以采用各种印刷标识牌。这些标识牌无法适应通用模拟器台位功能随训练需要变化的需求。为了实现通用模拟器的标识，需要设计可更换显示内容的标识牌。
在实践中通常采用LED电子桌牌来标识通用模拟器台位，实现模拟器的通用标识。通过通过硬件电路、嵌入式程序实现该功能。但是存在以下问题：采用嵌入式技术不方便与模拟训练系统网络溶合，实现标识牌显示内容与组训设置相配套的设计实现难度大；接收方通过串口接收数据，传输速率较低，使得文本图像显示延迟，且易受环境干扰，造成误码率极高；硬件电路及显示设备故障率高，维护成本高。
针对LED电子桌牌的上述问题，本文设计并实现了基于网络结构的LCD电子标识牌系统，并成功应用到通用模拟训练系统中。该方案的优点：通过设计基于Windows平台的软件实现标识牌显示切换，无需设计硬件电路；基于可视化的编程技术，调试方便；采用网络传输数据，传输速率高且外界环境干扰小；实现显示图像技术简单，无需采集图像像素且无需定时扫描。
2 通用模拟训练系统组成
本文设计实现的LCD电子标识牌系统应用于某舰艇通用作战模拟训练系统中，该系统中大量训练台位模拟了舰艇电子装备标准显控台（简称标显台）。某舰艇通用作战模拟训练系统主要由服务器、A型网络交换机（用于实现通用模拟器台位联网）、B型网络交换机（用于实现LCD电子标识牌联网）、N个通用模拟器台位、N个电子标识牌组成（见图1）。
某舰艇通用作战模拟训练系统由两个网络分系统组成，一个网络分系统用于实现模拟器台位网络通信与协同训练，另一个网络分系统用于实现LCD电子标识牌与服务器的网络通信与标识内容切换。
为了实现多个型号不同专业装备的模拟，在N个通用模拟器台位的计算机主机中设计并安装了多种软件，可实现多个型号装备的功能和性能模拟。在服务器中设计并安装了供用户进行功能设置的组训软件。
在实际使用过程中，用户通过服务器配置每个通用模拟器台位的功能。通用模拟器台位的主机通过网络接收到服务器初始化命令后，启动运行指定型号装备的模拟软件。各模拟器台位上的电子标识牌通过网络接收服务器设置的台位功能信息，并根据该信息选择相应的显示方案进行标识内容切换。
3 电子标识牌系统组成
通用模拟训练系统包括N个通用模拟器台位，每个通用模拟器台位都有一个对应的电子标识牌来显示当前通用模拟器台位所模拟的装备或设备名称。
LCD电子标识牌由网络终端机和LCD显示屏组成。本文选取的网络终端机是Net Station 6680。具有轻便、小巧、成体低等特点。其操作系统是WinCE系统。LCD显示屏为9英寸64万真彩色。
通用模拟训练系统中的电子标识牌实现显示当前通用模拟器台位所模拟的装备或设备名称，组成结构见图2。
在通用模拟器系统中用到N个LCD电子标识牌，网络终端机作为LCD电子标识牌的主机通过远程桌面访问服务器。首先在服务器上设置N+1个计算机用户，分别为Server和Client1、Client2、……ClientN。服务器使用Server访问本机，电子标识牌主机1—N分别通过服务器用户Client1、Client2、……ClientN远程登录服务器。在服务器安装客户端软件程序，实现不同型号多个装备名称的显示。在服务器的Server端安装组训管理软件程序，完成配置通用模拟器台位模拟设备功能及电子标识牌的显示功能。为实现客户端软件与服务器软件自动启动，将客户端软件与服务器软件均设为开机自启动。
在实际使用中，用户通过服务器软件配置电子标识牌的显示功能。电子标识牌收到服务器命令后，客户端软件程序根据指令显示相应的不同型号的设备名称。
4 服务器软件设计
4.1 设计台位信息配置文件
通用模拟训练系统模拟不同型号的不同专业的装备或者设备，为实现LCD电子标识牌显示控制，需要设计台位信息配置文件格式。
下面给出台位信息配置文件所需各类仿真实体的定义：
定义1：模拟舰艇SimSub是由r个型号的舰艇Sub组成，具有独立的功能和特性，能够单独运行。
定义2：单个型号的舰艇Sub是由s个不同专业的装备ProfessionE组成，按照一定的组合方式共同实现舰艇协同训练。
定义3：单专业装备ProfessionE是由模拟方式SimWay、装备名称EName、所属型号Type、装备程序ESoft组成。
根据定义1设计不同型号舰艇配置数据，根据定义2及定义3设计不同型号装备配置数据。最后，将舰艇配置信息和装备配置信息组合生成台位信息配置文件。
4.2 设计组训配置文件
组训配置文件包括组训模式信息、组训模式与装备对应关系信息以及参训装备属性信息等内容。
定义4：组训模式OrgTModel是由t种训练模式TModel组成，每种训练模式具有独立的训练功能。
定义5：每种训练模式 TModel是由n个训练装备TE组成。
定义6：每种训练装备TE由模拟器主机名SHost、电子标识牌访问服务器名CName、装备名称EName、所属型号Type、装备程序ESoft组成。
根据定义4设计组训模式，根据定义5设计组训模式与参训装备对应关系，根据定义6设计装备属性。最后，将三部分信息组合生成组训配置文件。
4.3 服务器软件设计
服务器程序的功能主要包括：读取显示台位信息配置文件及组训配置文件、实时监测网络连接、配置通用模拟器台位、接收客户端软件发送的计算机用户名、下发模拟设备名称至客户端软件，程序界面见图3。
基于VC++设计服务器软件。服务器软件主要包括3个类：CLeftView（左侧树形列表视图类）、CFormViewEx（列表框视图类）、CMainFrame（主窗体类）。
左侧树形列表视图类用来完成读取、记录、显示台位信息及配置模拟设备。列表框视图类用来完成读取、记录、显示每组组训配置文件信息及发送模拟设备信息。主窗体类用来完成网络连接及其检测、显示台位信息及每组组训配置文件信息。
（1）CLeftView（左侧树形列表视图类）。
该类的主要方法有ReadIniFile和DisposeE。
1）ReadIniFile。
该方法用来读取台位信息配置文件并显示模拟设备。输入参数为台位信息配置文件路径。输出参数为所有台位信息的结构体数组。
处理过程：
Step1. 读取台位配置文件，显示模拟设备；
Step2. 记录模拟设备所有相关信息：模拟设备的所属模拟方式、模拟设备名称、模拟设备所属艇型、模拟设备的应用程序路径。
2）DisposeE
该方法实现配置模拟设备。输入参数为模拟设备及其相关信息。输出值为布尔类型，标识配置是否成功。
处理过程：
Step1. 选择模拟设备，存储该模拟设备相关信息；
Step2. 配置该设备至通用模拟器，判断该设备是否符合要求，如果是则转Step3，否则提示不符合要求；
Step3. 将模拟设置配置至通用模拟器台位。
（2）CFormViewEx （列表框视图类）。
该类的主要方法有ReadIniFile、SndOrder。
1）ReadIniFile。
该方法用来读取组训配置文件并将其显示在界面上。输入参数为组训配置文件路径。输出参数为记录所有组训配置文件的结构体数组。
处理过程：
Step1. 读取组训配置文件，显示通用台位信息；
Step2. 记录通用台位所有相关信息：通用台位计算机名、服务器用户名、模拟设备的所属模拟方式、模拟设备名称、模拟设备所属艇型、模拟设备的应用程序路径。
2）SndOrder。
该方法用来将所模拟设备指令下发给通用模拟器或者电子标识牌客户端程序。输入参数为模拟设备相关信息，输出值布尔值，判断发送是否成功。
处理过程：
Step1. 选取要发送的模拟设备；
Step2. 下发指令给通用模拟器或者客户端电子标识牌程序；
Step3. 判断是否发送成功，发送成功结束，否则继续发送。
（3）CMainFrame （主窗体类）。
该类的主要方法是HandleNetWork。该方法实现网络连接、网络接收数据。
处理过程：
Step1. 接收客户端连接请求；
Step2. 接收网络数据；
Step3. 检测网络是否断开。
5 客户端软件设计
客户端软件实现独立控制电子标识牌显示功能，获取访问服务器的用户名并发送给服务器软件。服务器软件根据该用户名控制电子标识牌显示。
电子标识牌客户端软件的功能主要包括：检测网络连接是否正常，若连接失败则继续连接直至成功；实时发送计算机用户名至服务器；接收服务器软件下发的显示指令，根据显示指令显示模拟设备名称及所属艇型。
客户端软件基于VC++设计，主要由LCDShow类实现。该类的主要方法有ShowInfo、ConnnectProc。
（1）ShowInfo。
该方法实现电子标识牌的显示。输入参数是模拟设备名称及其所属艇型，无输出参数。
处理过程：
Step1. 获取计算机用户名；
Step2. 判断该用户名隶属于组训中的哪一组；
Step3. 根据所在组设置背景色；
Step4. 显示接收到的模拟设备名称及所属艇型。
（2）ConnectProc。
该类实现网络连接、发送计算机用户名、接收服务器指令。
处理过程：
Step1. 按照TCP/IP协议进行网络连接，连接失败则继续连接直至成功为止；
Step2. 将计算机用户名发送给服务器，记录当前发送时间，每间隔3S后发送一次；
Step3. 接收指令进行解析。
6 结语
本文设计的基于计算机网络的LCD电子标识牌系统解决了舰艇通用电子装备模拟训练系统中电子标识牌的显示问题。实践证明，该系统稳定、可靠、高效，也可以应用于其他通用模拟器系统。
参考文献
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装备模拟器篇2
关键词；虚拟维修；虚拟仪器；多信号模型
中图分类号：G648 文献标识码：B 文章编号：1672-1578（2013）12-0013-02
目前主要的电子设备包括电台、无线电罗盘、高度表、雷达等，其主要功能是获取信息、传输信息并进行显示。由于电子设备涉及到多个学科和专业，设备复杂，在工作中故障率很高。对电子设备的维修能力是正常使用电子设备的前提。采用实际设备进行维修训练，可以获得较好的训练效果。但由于电子设备昂贵的造价，使得实装训练变得比较困难。并且，使用实际设备直接进行训练，尤其是让新手进行训练，带有很大的风险，容易损害正常的设备。采用计算机软件配合简单的硬件构造虚拟化的维修训练环境，用于训练电子设备维护人员，既可以降低训练成本，又可以避免新手操作不熟练造成对设备的损害，训练效果也有一定的保证。
然而，目前虚拟维修主要应用于机械设备的维修训练，电子设备的虚拟维修较少提及。这是由于电子设备的特殊性。电子设备的虚拟维修训练系统特殊之处包括三点，一是电子设备所产生或接收的各种信号。一般情况下，电子设备通过产生或者接收大量的信号进行工作，这些信号的特性各异，并且信号之间的依赖关系复杂。二是与电子设备状态相关的多种显示符号。不同的设备操作会导致不同的显示符号。三是维修过程中用于测量信号的仪器。因此，开发电子设备的虚拟维修训练系统，关键在于建立电子设备的信号模型，根据信号的依赖关系，建立电子设备的故障模型，同时利用虚拟仪器模拟信号的测量，实现故障维修训练。
本文采用虚拟现实技术和多信号模型，设计并开发了电子设备的虚拟维修训练系统，用于新手的维修训练。本系统采用3DMax建立电子设备的三维模型，用于展示设备的外形；采用GL-Studio建立设备的响应模型，用于训练电子设备的各种操作；采用多信号模型，建立电子设备的故障模型，用于模拟电子设备的各种常见故障；采用虚拟仪器，实现设备主要射频、低频信号的虚拟测试；最后采用专家系统对训练过程进行评估。本论文分为以下几部分：首先介绍虚拟维修的现状，然后介绍了电子设备虚拟维修的关键技术，接着给出了电子设备虚拟维修训练系统的硬件架构和软件架构，并对主要部分进行分析；最后总结了电子设备虚拟维修训练系统的主要特点和发展方向。
1.虚拟维修的研究现状
德国Fraunhofer计算机图形研究所与宝马公司联合开展以宝马汽车装配和维修过程的核查与确认为目的的虚拟装配仿真，美国Lockheed Martin公司在F-16飞机设计过程中采用虚拟维修确认和人素分析[1]，英国Salford大学虚拟环境中心对包括碰撞检测、约束建模等关键性问题展开研究。华中科技大学对虚拟维修拆卸过程规划与仿真进行了深入的研究，该文研究了基于零件约束关系的Petri网拆卸序列规划，对模型特性进行了分析和验证，用获得的拆卸序列建立拆卸序列数据链表，存储零件的信息。
文献[2]对于三维环境下的路径规划，本文先是对三维路径规划中所需要采用的一些关键技术作了研究，包括关键帧路径动画、人体步行周期以及OSG骨骼动画技术。然后本文将这些技术应用于虚拟应急演练系统中，完成了基于OSG的虚拟人路径规划模拟系统。可获得外界数据，达到人机交互，呈现相应信息给用户。
文献[3]设计了某型雷达结构虚拟维修的总体方案和维修仿真规划，建立了维修仿真环境，给出了某型雷达结构虚拟维修的操作流程及可视化的碰撞检测结果，同时对其维修性和人机工效学进行了评估与验证。
2.电子设备虚拟维修训练系统软件架构
该系统通过任务选择和角色指派为受训对象提供虚拟化维修场景和维修训练环境，训练科目包括外场维护和内场维修，主要建设内容包括设备拆装建模、设备信号建模、虚拟仪器建模、三维虚拟场景建模、维修过程建模和维修评估建模等。
装备的三维模型用于展示装备的外观，装备的拆装模型用于训练装备拆装顺序。装备的信号模型用于模拟装备的工作过程和各种故障。装备是否发生故障，在实际训练过程中需要采用虚拟仪器进行虚拟化测试，根据测试得到的结果对装备的状态进行判断。总之，装备的三维与拆装模型、装备的信号模型和虚拟仪器构成电子设备虚拟维修训练系统的维修场景，维修场景编辑器通过编辑装备的状态、设定维修科目实现虚拟化维修训练。
三维虚拟场景用于展示整个的飞机维修场景，维修过程建模将设备所有的标准化维修步骤进行建模，虚拟维修训练系统通过比对训练者每个步骤的操作与标准化维修步骤之间的差别，实现对维修训练效果的评估。
从以上分析可以看出，机载电子装备虚拟维修的核心问题是建立各种模型。尤其是信号模型、故障模型和虚拟仪器模型。这些模型通过模拟真实装备的工作过程，构建虚拟化的训练环境。另外比较重要的模型是维修过程的建模和维修效果的评估，维修过程建模需要考虑多种装备在不同状态和不同任务阶段的维护需求，尤其是在故障排查和维修时，需要考虑多种不同的排故策略。
3.电子设备虚拟维修训练系统关键技术
3.1 交互式操作的仿真。在电子设备的操作过程中，需要通过一些按键、开关或遥感的操作实现对设备状态的改变和监控。因此，电子设备虚拟维修训练系统中，必须实现各种交互式操作的仿真。
为了实现电子装备的交互式操作，本系统采用GL Studio为开发工具，开发了虚拟座舱，图3给出了多功能显示器和平显的交互式操作模型。训练人员可以通过操作各种按键或旋钮，获观察平显上的符号，操控装备。
3.2 虚拟仪器建模。电子设备在维修过程中需要用到必须用到两类仪器，一类是通用仪器；一类是专用仪器。通用仪器包括信号源、频谱仪、示波器、万用表、功率计等；专用仪器是指为电子设备专门研制的外场和内场测试设备，包括雷达信号模拟器、电台模拟器等。这两类仪器的使用熟练程度又直接决定着维修效果，所以必须建立与之对应的虚拟仪器。虚拟仪器是以通用计算机作为系统控制器、由软件来实现人机交互和大部分仪器功能的计算机仪器系统。虚拟仪器的操作和测量结果的显示是以虚拟面板的形式借助于计算机显示来显示的，而且数据的传送、分析、处理等都是由计算机软件来完成的，可提供多人次、多场位的训练环境，改进训练效果，提高仪器的使用水平。
4.小结
为节约训练成本，降低训练风险，采用虚拟现实技术，构建了电子设备虚拟维修训练过程，给出了软件架构和关键技术的实现。该虚拟维修训练系统可以用于多种飞机航空电子设备的虚拟维修训练，具有较大的推广应用价值。
参考文献
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装备模拟器篇3
关键词：港口； 集装箱； 装卸桥； 仿真； 电气控制； PLC
中图分类号：U653.929； TP391.9 文献标志码：A
Container crane simulation system
CAI Zhigang
( Info. Eng. College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China )
Abstract： To decrease the training cost of manipulation and maintenance for container crane, the design method of container crane simulation system is proposed. Considering the practicality in specific design, two different drive systems are designed in the electrical control system, that is, the hoist and gantry share a set of alternating current frequency conversion timing driving system, and the trolley and boom share a set of direct current adjusting voltage and timing system. In order to improve the advantage of control system, the network communication module is added into the control module 90-30 PLC. The system has been put into practice, and it is shown that the system can better help students to improve their ability of driving skills in simulation training and analyzing and excluding electric equipment malfunctions.
Key words： port; container; crane; simulation ; electrical control; PLC
0 引 言
随着仿真技术的飞速发展，各种仿真训练系统［1］已成为当今重大生产设备或过程控制设备运行人员上岗操作和教育培训的必备手段，受到国内外高度重视，并已在航空航天、航海、火力及核能发电、石油化工等许多领域得到广泛使用.目前，仿真训练器已逐步成为培训飞机、船舶和汽车等驾驶人员的重要手段.虚拟现实技术［2］近年来在技术研究领域十分活跃,它汇集计算机图形学、多媒体、人工智能、人机接口、传感器、高度并行的实时计算和人的行为学研究等多项关键技术，是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术高层次的集成和渗透，可以给用户更逼真的体验.
集装箱装卸桥成为港口集装箱装卸行业的主要机械.因其采用最先进的控制设备，成本高，故需要有较强技术能力的人员进行驾驶及维护保养.由于港口装卸作业繁忙、设备昂贵及运行费用高，不宜让受训者在真实环境下进行实训，所以为了降低培训成本，尽可能提供一个真实的实训环境，研制1套集装箱装卸桥仿真系统具有一定的实际意义.
集装箱装卸桥仿真系统［3］通过对桥吊、集装箱船、集装箱、集卡、大海及其他港口建筑物的精确仿真，逼真地模拟装卸集装箱的整个过程，并通过视觉、听觉和触觉等感观反馈形式提供逼真的码头现场环境，是虚拟现实技术在港口机械领域的应用.
集装箱装卸桥仿真系统主要包含两大部分［4］：一是驾驶模拟器，类似机驾驶仿真训练器，通过屏幕投影和三维场景虚拟，加以声音模拟，使训练人员通过操作手柄、按钮等进行身临其境般的操作训练；二是电气控制模拟器，是基于GE 90-30 PLC为核心的电气控制系统，完全模拟真实集装箱装卸桥电气控制系统，只是其控制对象的操作功率相对缩小，使训练人员能在接近真实的环境下进行设备维修训练.两者之间通过以太网及工业现场总线进行数据通信，实现操作台与PLC及视景控制计算机之间的数据交换.本文着重阐述该系统的实现方法.
1 集装箱装卸桥仿真系统设计
国内一些相关单位为了培训或生产制造的需要，曾购买过一些集装箱装卸桥的仿真设备，但均不够完整.如上海振华港机股份有限公司为了能让电气工程师们做一些编程及测试，在购买电气控制设备时，多购1套控制器及驱动器作为设计及故障处理模拟器，同时也可以作为集装箱装卸桥用户方技术人员进行电气控制设备维护技术的短期培训使用.这样的模拟器设备价格比较高、占用空间比较大，同时无法构成比较完整的集装箱装卸桥仿真系统.又如上海港职业技术学院为了培训中职和高职学生及港口集装箱装卸桥驾驶司机，投资70万美元从新加坡购买1套虚拟集装箱装卸桥驾驶模拟器，主要用以模拟集装箱驾驶操作，但缺少与实际装卸桥类似的驾驶操作室及电气控制系统.
研制集装箱装卸桥仿真系统的目的在于尽可能地模拟实际的集装箱装卸桥应用环境，同时考虑系统的先进性及一定的扩展余地.因为空间有限，在实验室里无法构架集装箱装卸桥的钢结构外形，故经相关调研后将系统分为两大部分：虚拟集装箱装卸桥驾驶室和集装箱装卸桥仿真电气控制系统.
1．1 虚拟集装箱装卸桥驾驶室设计
虚拟集装箱装卸桥驾驶室主要由驾驶操作室及虚拟视景投影设备组成.其中驾驶操作室的构成与实际的基本一致，包括操纵联动台及相关操作信号指示装置.虚拟视景投影设备由3台视景控制计算机及2台投影机组成，用于提供前视景和下视景.虚拟集装箱装卸桥驾驶室示意图见图1.
因为虚拟集装箱装卸桥驾驶操作室由国内专业生产集装箱装卸桥的公司制作生产，内部设备及环境完全与真实系统一致，与相似类型的集装箱装卸桥驾驶模拟器比较，具有更加真实的操作训练环境.
这里采用两个方向的虚拟视景投影，与同类集装箱装卸桥仿真训练驾驶模拟器相比，具有更多的视景信息，可以提供更真实的操作训练视景.
考虑到软件的生产成本因素及系统的研制周期问题，驾驶操作室虚拟视景的制作委托上海海军航空兵某部设计完成.主要方法是先用摄像机从外高桥港区获取集装箱装卸桥生产过程的原始图像，再用OpenGVS软件制作成计算机虚拟视景投影，然后由PLC中的位置数据对虚拟视景的图像运动进行控制.
1．2 集装箱装卸桥仿真电气控制系统设计
为了考虑设备的实用性和先进性，在集装箱装卸桥仿真电气控制系统设计时对4大机构的驱动系统做适当调整.一般情况下，两台驱动系统要么均为直流驱动器，要么均为交流驱动器.［5］而在设计的电气控制系统中采用两类不同的驱动系统［6］，即起升与大车共用1套交流变频调速驱动器，小车与臂架俯仰共用1套直流调速驱动器.这样调整的目的在于，训练学员既能认识直流驱动器的驱动特性和控制方法，也能认识交流变频器的驱动特性和控制方法.
为了提高仿真设备的性价比，同时考虑仿真设备的先进性，在交流变频调速控制系统中增加能量逆变装置，借此可以模拟在集装箱起升与下降时的负载特性.［5］在控制器的选择上，考虑到国内大多数集装箱装卸桥的使用情况，控制计算机PLC采用美国GE公司生产的90-30 PLC.同样为了提高控制系统的先进性，在90-30 PLC的I/O模块扩展时增加网络通信模块，可以实现局域网通信及Internet通信.目前，部分集装箱码头的集装箱装卸桥正发展为网络系统维护，即只要在技术人员的办公室或家中，就能通过网络了解某台集装箱装卸桥的设备运行情况，能更有效地进行设备的维护.
在电气控制系统中安装电气控制设备管理器，用1个装在控制柜面板上的触摸屏与PLC通信，读取集装箱装卸桥电气控制系统的有关数据信息，并进行处理显示，能较直观地分析集装箱装卸桥的运行情况，如驱动器电流、有关检测点的故障情况等.
为了能让训练学员进行电气控制设备维护和故障排除的实训，用50台计算机与电气控制系统的PLC进行联网.这样既能进行现场教学，也能让任意1位学员连接到PLC上，从PLC中调出程序进行故障分析和处理.对于PLC编程软件，选用Microsoft公司专为GE公司开发的Versapro软件.与以前使用的Logic Master软件相比该软件具有更好的界面，并能在Win98/Win2000/WinNT下运行，具有更强大的网络通信功能.
综合考虑集装箱装卸桥仿真电气控制系统的实用性、性价比、先进性和可扩展性等因素，将集装箱装卸桥仿真电气控制系统配置成以下几个部分：(1) 配电柜；(2) 起升/大车控制柜；(3) 小车/俯仰控制柜；(4) 吊具控制柜；(5) PLC柜；(6) 继电器柜；(7) 驾驶座控制器；(8) 故障模拟控制屏；(9) 交流变频调速电动机、交流发电机、制动器及编码器；(10) 直流调压调速电动机、制动器及编码器.
集装箱装卸桥仿真系统结构见图2.
2 集装箱装卸桥仿真系统的数据通信
这里将GE的90-30 PLC作为数据交换的中心计算机，它提供一个专门用于工业现场总线通信的高性能通信协议处理模块CMM，内置两个独立RS-232和RS-422串行通信接口，在大多数PLC应用控制系统中，每个通信接口可以独立地为其他设备如PLC网络、直流电机驱动器、交流电机驱动器等提供控制数据通信.GE 90-30的CMM模块支持4种通信协议：CCM，SNP，SNP-X和RTU协议.这里选用CMM协议，它支持两种通信模式：对等模式和主从模式.对等模式即点对点，只允许两种通信设备共用1根通信线路，且双方均可作为初始化方.主从模式（Master-Slave）用于多点通信，即1个主单元，1个或多个从单元，只有主单元才可作为初始化方.这里系统采用点对点通信模式，用于实现驾驶台的操作信号采集PLC模块与90-30主机之间的数据交换.
为了使视景计算机的图像动作与电气系统中限位状态及电动机的转速等保持高度一致性，同时为了满足较高的响应速度，视景计算机无法从PLC的RS-232和RS-422串行通信接口获取实时控制数据，因此在90-30 PLC的I/O模块扩展时增加网络通信模块CMM321 ETHINTER，可以使用TCP/IP协议实现PLC局域网及Interent通信.
由于用高级编程语言VB或VC++等通过TCP/IP协议直接从PLC读取数据并对数据进行解析比较困难，这里采用GE 的专用工业控制组态软件CIMPLICITY作为获取PLC控制数据的桥梁，再由VB 6.0与CIMPLICITY建立动态数据交换链接，实现视景控制计算机从PLC获取控制数据.数据通信流程结构见图3.
CIMPLICITY软件为GE Fanuc基于Microsoft Windows NT的工业控制组态软件，在GE系列PLC产品的各个层次上都具有网络互联能力，能够获得各个层次的系统集成，而不必在1个网络中进行重复组态.
CIMPLICITY软件具有从PLC等设备中采集I/O及寄存器数据状态，并能将这些数据提供给计算机显示屏幕及其他工业控制设备，通过第三方软件如VB或VC++同样可以从中获得设备的I/O及寄存器数据.
CIMPLICITY工控软件与VB数据交换是利用Windows环境中DDE技术实现的.使用DDE可以实现应用程序之间数据的相互发送，让用户的应用程序自动接收来自发送端的数据.这里VB作为接收端程序，而CIMPLICITY作为源端数据发送程序.
集装箱装卸桥驾驶训练模拟器并非纯粹依赖于计算机图像处理，它与电气控制训练模拟器相结合，使视景计算机实际上处于被动接收数据的地位.当训练人员在操纵集装箱装卸桥驾驶模拟器的操纵杆时，操纵杆的动作数据不是直接传入视景计算机，而是将动作数据传向PLC并驱动相关电气设备动作，如电动机的正转或反转，所以视景控制计算机必须从PLC中获取集装箱装卸桥电气控制模拟器的实际动作数据.PLC通过局域网把数据发送到主控制计算机，这样视景控制计算机只要通过局域网从主控制计算机获取数据即可.3 结束语
集装箱装卸桥仿真系统现已投入实际使用，在设备投入使用的1年多中，已经有多批学员进行实际操作训练，主要是有针对性地进行集装箱装卸桥的驾驶模拟训练及电气设备故障分析与排除实践，学员的实践操作能力有了很大提高.
参考文献：
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装备模拟器篇4
关键词：模拟训练;空气滤清器报警装置;训练;考核
对于装备的使用、维护的实践教学目前主要采取的还是传统的依托保障实车实习进行。在实车实习教学中，由于车内空间狭小，造成在实习过程中学员观察比较困难，同时每台车能够保障实习的人数有限制，车少人多的矛盾十分突出，使得实习只能是一台车分批次进行或者多台车辆保障同时进行。这样一来造成实习过程中学员比较分散，给教员教学的组织带来困难;二来由于施展不开而影响教学的实际效果。在装备实践教学中，模拟训练教学是已被实践证明的极为有效地教学手段，它通过对实际装备工作过程及操作流程的模拟，使参训人员通过模拟训练系统，熟悉和掌握装备使用要求，完成使用操作的训练。本设计围绕12150ZLC发动机空气滤清报警装置使用和维护实践教学，对12150ZLC发动机空气滤清阻力报警装置使用和维护实践教学进行了模拟训练装置的设计研究。
1.12150ZLC发动机空气滤清阻力报警装置模拟训练系统设计定位
设计以12150ZLC发动机空气滤清阻力报警装置模拟训练为目的，围绕系统最终要实现的演示空气滤清阻力报警装置工作过程进行教学、训练及考核提供操作平台，通过理论分析和实车调研的方法对模拟系统进行设计。根据机电一体化及自动化的思想对辅助训练及考核的电路进行设计。最终形成一套完整的集教学、训练、考核于一身的模拟训练系统。
2.12150ZLC发动机空气滤清阻力报警装置报警原理分析
空气滤清阻力报警装置是用来检查空气滤清器内滤尘丝盒是否过脏并判断滤清器滤尘丝盒是否需要清洗的装置。该装置为半自动化装置，通过此装置的工作可清楚地掌握滤清器是否需要清洗，改变了之前在对车辆进行定期保养时清洗滤清器的状况，而且车辆在多尘条件下工作时，也可根据空气滤清器报警装置中指示灯的显示而提前对滤清器进行清洗。避免了之前工作的盲目性和凭借使用经验进行保养的随意性。
空气滤清器阻力报警装置的核心元件为空气滤阻力传感器。由图可以看出，当空气滤指示器接通开关关闭时，报警装置中的空气滤阻力传感器与空气滤清器之间是隔开的，不能相互联通。空气滤清器中的空气无法到达报警装置中的空气滤阻力传感器。当空气滤指示器接通开关接通时，空气滤清器与空气滤阻力传感器相互连通，此时空气滤清器中的空气可以通过采样接管和空气滤阻力指示器接通开关到达空气滤阻力传感器。空气滤阻力传感器的作用在于将空气的压力信号转换为电信号，促使报警电路发出报警信号。
空气滤阻力传感器在报警电路中相当于一个电路开关。报警装置中一共有两条电路，这两条电路属于并联的关系，任何一条电路的接通都可以使得报警装置中指示灯盒上的报警指示灯开启。在报警装置使用之前需要先检查装置中的电路是否完好，即接通电源总开关，同时接通阻力指示灯盒上的开关，并按压按钮。此时我们接通了报警装置中的一条电路，如果指示灯盒上的报警指示灯燃亮，那么报警装置中的电路是完好的，我们可以继续进行下面的检查工作;如果按下按钮，指示灯盒上的指示灯未燃亮，那么说明报警装置中的电路存在故障，我们必须将电路中的故障排除掉才能继续进行下面的检查工作。
当检验完电路的完好性并接通空气滤指示器接通开关后，空气滤清器内的空气即通过采样接管到达空气滤阻力传感器中。促使空气滤阻力传感器报警的空气阻力为7.8KPa，即当空气滤清器的滤清阻力为7.8KPa时，报警装置中的空气滤阻力传感器将报警电路中的另一条电路接通，此时指示灯盒上的报警指示灯燃亮，从而提醒驾驶员空气滤清器的滤清阻力过大，发动机气缸内空气供给不足，需要及时清洗空气滤清器。
3.空气滤阻力传感器原理分析
空气滤阻力传感器是将空气的压力信号转换为电信号从而控制报警电路接通与否的关键部件。空气滤阻力传感器内主要部件为电位器和杠杆。杠杆移动主要靠两侧气体产生的压力差来完成的。杠杆两侧分别是与外界相通的大气，和与空气滤清器内部相通的空气。由于发动机的抽吸作用和滤清器的滤清作用，杠杆两侧的气体势必会产生压力差，压力差的大小取决于空气滤清器的脏污程度，滤清器越脏，滤清阻力越大，经过空气滤清器后的气体与外界大气之间的压力差越大，即在压力差的驱动下杠杆的位移量越大。当压力差达到报警极限值即800+60mm水柱时，杠杆上的滑臂触点即接通报警电路，使得报警指示灯燃亮，从而发出报警信号。
4.空气滤清器报警装置的使用
空气滤清阻力报警装置在使用中，需要按照一定操作步骤进行操作和检查，否则可能造成检查结果的不准确，使发动机不能发挥应有的技术性能。空气滤清阻力报警装置的正确使用步骤为：
4.1接通电源总开关，同时接通阻力指示灯盒上的开关;
4.2检查指示灯完好性：按压按钮，指示灯应燃亮，松开后熄灭;
4.3启动发动机，并固定转速在2000转/分;
4.4逆时针转动接通开关上的柱塞约3―4圈，此时开关接通，使空气滤清器中的负压传到阻力传感器中;
4.5若指示灯燃亮，则说明空气滤阻力已达到或超过极限值，空气滤应及时清洗，若灯不亮，则不必清洗空气滤;
4.6旋紧柱塞，断开指示灯盒开关。
5.空气滤清器报警装置阻力报警模拟训练、考核系统设计
5.1空气滤清器阻力报警模拟训练系统设计
空气滤清器阻力报警装置模拟训练系统所要实现的功能之一是实现教学的演示。教学过程中需要将报警装置的工作原理和工作过程清楚地展示给学员，让学员在学习中对其工作原理和工作过程有一个直观的印象。
模拟系统中的设备简介：
5.1.1空气滤清器：空气滤清器是用来滤清空气的，在此处装有空气滤清器主要是为了模拟实际装备在工作中滤清空气的作用，并且空气滤清器本身具有一定的滤清阻力，为在连接管中产生一定的空气负压提供条件。
5.1.2抽气机：抽气机是用来代替发动机工作的，在抽气机的抽吸作用下，空气由滤清器进入，通过连接管在从抽气机流出。模拟的是实际装备工作时空气经滤清器的滤清作用后进入发动机的过程。同时在抽气机的抽吸作用和滤清器的阻力作用下，进入连接管中的空气会与外界大气产生一定的压力差。
5.1.3空气流量调节阀：空气流量调节阀主要是用来控制流经连接管中的空气多少的，通过调节空气流量调节阀开关的大小改变空气流量的大小，从而在连接管中形成不同的气压，模拟实装在使用过程中空气滤清器逐渐变脏的过程。
5.1.4压力感受器及压力指示仪表盘：通过此两个部件随时掌握连接管中的压力情况，以便判断报警装置是否该报警和观察报警时的负压值，给受训人员一个直观的印象。
5.1.5空气滤指示器接通开关：空气滤指示器接通开关主要是连接和断开空气滤阻力传感器和连接管之间的联系的，接通开关空气滤阻力传感器与空气滤清器相连通，关闭开关空气滤阻力传感器与空气滤清器断开。
5.1.6空气滤阻力传感器：空气滤阻力传感器是根据连接管中气体压力的大小来判断是否将报警电路接通的装置，是连接机械部分和电路部分的关键部件。
5.1.7电源：为报警电路提供电能。
5.1.8保险丝：在电路中发生短路或其他原因造成电流过大时断开电路，起保护电源作用。
5.1.9开关：控制整个电路的接通和断开。
5.1.10按钮：在使用时用来检查报警电路的完好性。按压按钮，指示灯亮，电路完好;指示灯不亮，电路存在故障。
5.1.11报警指示灯：报警指示灯用来发出报警信号，通过指示灯的亮暗判断电路是否完好和空气滤清器滤清阻力是否达到极限值。
5.2空气滤清器阻力报警模拟考核系统设计
空气滤清器阻力报警模拟训练系统设计所要实现的功能除了演示空气率阻力报警工作原理和工作过程外，还为学员练习使用空气滤清阻力报警装置提供操作平台，通过此模拟系统实现报警装置使用操作的训练和考核。在设计中，为了教学训练与考核的方便性，设计了指示电路，用于指示学员在进行操作训练时所出现的操作错误。此指示电路的设计严格按照空气滤清器报警装置的使用步骤进行，每一步操作的完成与否都能够在指示电路中得以体现。在每次的操作完成后，操作人员或教员只需观察指示电路中指示灯的工作情况，便可知道操作步骤是否正确。如果操作过程中存在错误，还可知道是操作过程中哪个步骤出现错误。
指示电路主要由灯泡和开关组成的，具体的设计方案如下图1所示：图中粗线表示的电路部分为加装在模拟系统中的指示电路，其说明如下：
指示灯1、指示灯2、指示灯3的功能是指示参训人员的操作步骤是否正确。在模拟训练系统中 检查空气滤清器是否过脏时，操作顺序应该是先接通开关1，然后按压按钮，最后接通空气滤指示器接通开关，上述步骤需按照顺序依次进行。在设计的指示电路中，指示灯1指示的是开关1的接通与否。当开关1接通时指示灯1燃亮，否则指示灯1不亮。指示灯2指示操作人员是否按压按钮，当操作人员将按钮按下，并且在开关1闭合状态下，继电器将产生磁场，将开关2吸合，指示灯2燃亮。指示灯3指示空气滤指示器接通开关接通与否。在空气滤指示器接通开关上安装有一个行程开关，当将空气滤指示器接通开关向外旋出 3―4圈时，行程开关将指示灯3的电路闭合，此时在开关2闭合的情况下指示灯3发亮。
图中，指示灯1、指示灯2、指示灯3的控制开关属于逐级串联的关系，即在前一个指示灯开关未闭合时，下一个指示灯的开关即使已经闭合，相应的指示灯也不会燃亮。即三个指示灯燃亮的顺序只能是按照指示灯1、指示灯2、指示灯3的顺序逐个燃亮。这样在参训人员进行操作训练过程中，其操作顺序只能是按照。
图1 加装指示电路的空气滤报警装置原理图
先闭合开关1，然后按压按钮，最后接通空气滤指示器接通开关的顺序进行，否则指示灯不能全部燃亮。这样可使操作人在训练过程中，可以根据指示灯的燃亮情况逐步寻找出自己是在操作过程中的哪一步出了错。同时，在考核时，监考人员也可以根据最终指示灯是否全部燃亮来判断操作人员的操作装备的训练步骤是否正确。
装备模拟器篇5
关键词：虚拟现实；仿真系统；HLA技术
1 引言
分布式交互系统仿真可以利用计算机网络将多个武器平台仿真系统连接构成一个整体的虚拟现实战场环境，通过仿真系统可以进行装备论证、作战指挥训练、对抗演习和作战决策的实时对抗仿真，对于国防装备现代化有着重要的意义。高层体系结构HLA（High Level Architecture）是一个新的仿真技术框架，其显著的特点是通过运行支撑环境RTI提供通用的、相对独立的支撑服务程序，将仿真应用层同底层支撑环境功能分离开，即将具体的仿真功能实现、仿真运行管理和底层传输三者分离，隐蔽了各自的实现细节，从而使各个部分可以相对独立地开发。
本文研究了基于HLA的火炮虚拟现实仿真系统的设计与实现方法，系统通过虚拟现实的人机交互设备来跟踪用户的动作，为用户提供一个逼真的虚拟环境，并且通过HLA分布式交互系统实现与其他武器仿真平台的交互。
2 系统设计
(1) 火炮虚拟现实仿真平台
火炮虚拟现实仿真平台是一个虚拟现实的仿真应用，该平台采用先进的三维图像和多路传感输入等技术手段高度逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉、动感等行为，进行模拟仿真，利用虚拟现实技术生成新概念火炮装备，通过火炮装备体系研究平台级站点的专用接口投入作战对抗，依次来评价新概念火炮装备自身的效能，为火炮装备的论证、研制、生产、使用及维护保养提供理论依据及定性、定量分析。通过该系统，使用者佩带的头盔式显示器将根据其头部空间位置的不同分别显示炮内或炮外的虚拟视景，操作者的不同操作动作由六自由度跟踪器和数据手套捕捉后作为与系统交互的工具，在这种情况下使用者所操作的对象均是由系统产生的虚拟物体，因此该系统可以适用于各种装甲车辆、各种武器和各种战场环境下的仿真。
(2) 基于HLA的交互仿真接口
HLA主要由三部分组成：规则（rules）、对象模型模板OMT（objectmodeltemplate）和接口规范（interfacespecification）。
HLA接口规范以服务的方式定义了联邦中联邦成员进行信息交互的方式，包括可调用的服务和应提供的回调服务，分为联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理和数据分布管理等。通过定义HLA的接口规范，就可以通过HLA体系结构实现与联邦中其他联邦成员的交互。
3 系统实现
(1) 系统的硬件实现
虚拟现实系统硬件模块包括对新概念火炮装备中乘员身体感觉的仿真，火炮装备每个战斗乘员所需的操纵设备如下：驾驶员需要观瞄设备、手控转向设备（转向操纵杆或方向盘）、换档设备、启动设备、开关、脚控离合器、制动踏板和油门踏板等；炮长观瞄设备、瞄准手操纵台和火控计算机等；炮长观瞄设备、瞄准手操纵台、火控计算机等及电台通信设备，除脚控离合器、制动踏板、油门踏板和座椅外的其他操纵设备均由虚拟现实系统生成，火炮装备的每个战斗乘员通过操作虚拟场景中的虚拟操纵设备来控制虚拟场景，这些动作通过数据手套和六自由度跟踪器来进行跟踪，通过触觉反馈和头盔式显示器实现战斗乘员和虚拟环境之间的交互。视觉系统向操作者提供外界的视觉信息，该系统由产生视觉图像的计算机系统和将信号提供给操作者的头盔显示器组成。为了逼真地模拟真实的炮内和战场环境，虚拟现实系统还将提供和虚拟场景匹配的三维声音以加强乘员的浸没感和交互性。
(2) 分布式网络环境的实现
为实现分布式交互，火炮装备虚拟现实仿真系统的运行需要依靠分布式网络环境，在本系统中依靠的是HLA体系结构。
在火炮装备虚拟现实仿真系统所在的网络环境中，应该至少包含一台RTI服务器和一台数据中心服务器，其中RTI服务器的功能是提供本系统与其他仿真应用系统进行基于HLA的信息交互服务。由于本系统是一个完全支持HLA的分布式仿真应用，所以在仿真应用运行时，本系统是作为特定的联邦成员与其他仿真应用进行交互的。数据中心为本系统提供数据更新服务。为了使系统的维护更加便捷、安全，本系统同时提供了自动功能。
4 系统运行流程
用户启动本系统后首先需要设置一些仿真相关的参数，例如：车辆类型、HLA服务器等，之后便可以开始连接服务器运行仿真应用。连接服务器的过程包含：连接到HLA服务器，更新本地数据，加邦三个部分。
首先，本地系统访问仿真服务器（HLA服务器），察看是否需要更新本地数据。如果需要更新本地数据，则启动数据更新进程，否则直接初始化成员数据。本地系统根据预先制定的FOM表和SOM表将对应RTI所需的信息操作的各种类进行实例化，成功之后就得到了一系列用于与联邦进行数据交互的数据对象和交互对象，之后本地系统需要按照规则声明公布和定购，完成分布式仿真初始化的过程。
第二步，读取本地模型文件。本系统具有车型变化频繁，内部构造多变的特点，其中主要发生变化的部分是炮内的模型，而炮外的战场环境中的模型相对变化的可能性较小。所以针对这个特点，本系统将模型文件分成两种：（1）战场模型，不需要特定的配置文件。只要具有一般的视景仿真所需的特点：LOD、毁伤模型等。（2）炮内模型，除了具备一般的视景仿真的需要，每个炮内模型还需要有一个与其对应的配置文件。在这个配置文件中记录了当前模型所有可调用的DOF的接口，通过这些接口本系统可以实现用户与火炮的交互等重要的功能。
5 结论
在新装备日新月异的今天，炮兵部队的模拟训练已成为各国所关注和研究的重要问题，火炮虚拟现实仿真系统作为满足这一需求的根本物质基础，已成为炮兵作战仿真软件研制和开发需求中的重点内容。
参考文献
[1]姚益平.HLA/RTI的研究与实现[J].系统仿真学报,2000.
[2]周彦,戴剑伟.HLA仿真程序设计[M].北京:电子工业出版社,2002.
装备模拟器篇6
【关键词】可靠性；失效率；伺服系统
1.引言
安置在海底的仪器设备，经常受到海流、鱼群的扰动而发生上升、回转和摇摆运动，使原来的姿态发生改变，这给仪器设备的正常工作带来了不确定因素。水底姿态模拟装置通过升降机构、回转机构和摇摆机构模拟海洋仪器设备在海底的姿态，为实验室中海洋仪器设备的性能测试提供模拟环境。
由于水底姿态模拟装置的伺服控制系统直接影响升降机构、回转机构和摇摆机构的可靠性，进而影响整个模拟装置的可靠性，因此在设计伺服控制系统时必须考虑其可靠性设计。
2.伺服控制系统工作原理
水底姿态模拟装置伺服控制系统原理如图1所示。工业控制计算机1通过数据采集卡2为控制器4发送指令和给定量，采集光电编码器10、位置传感器15和角度传感器16的反馈信号，并为整个系统提供友好的人机界面；控制器4为系统提供控制指令和信号；电流调节放大器5、电压/脉宽变换器6、基极驱动器7和PWM功率驱动器8主要实现控制信号的放大、转换、驱动，以便精确控制交流伺服电机9的运转；升降机构12、摇摆机构13和回转机构14用于模拟仪器设备的姿态。
3.伺服控制系统可靠性框图
可靠性框图是系统可靠性设计的依据，它是以实线将若干独立方块连接起来组成一个整体的图形[1]。其中，实线起连接方块的作用，以表示整个方块的次序和方向；方块则表示系统中的独立功能模块，在系统中完成特定的功能。
根据上述工作原理图可得水底姿态模拟装置伺服控制系统的可靠性框图，如图2所示。
系统可靠性框图中有两个数据采集卡，其中数据采集卡2是备用卡，当数据采集卡1出现故障时，数据采集卡2才启动工作。
4.伺服控制系统可靠性数学模型
4.1 各部件数学模型
大量的实验数据表明，伺服控制系统中绝大部分部件及设备的寿命分布为指数分布[2]。指数分布情况下，部件的可靠性特征量计算公式如下[3]：
平均寿命：
4.4 非工作储备模型
非工作储备系统中有n个部件组成，假定所有部件相同，而且寿命均服从故障率为的指数分布，故障监测和转换装置的可靠度为1，则非工作储备系统的可靠度为：
由可靠性框图可知，水底姿态模拟装置伺服控制系统中数据采集卡部分是非工作贮备模型，其余都是串联模型。
5.系统可靠性设计
5.1 系统可靠性分配
在进行系统的可靠性分配时，应充分考虑系统各分系统在整个系统中的重要性、复杂性、技术难度、工作时间及环境条件等，以便更好地进行系统的可靠性分配[4]。本次水底姿态模拟装置伺服控制系统的可靠性分配采用评分分配法，系统故障率目标值=1000h，其分配结果见表1。
5.2 可靠度计算
通过系统各部件的失效率和可靠性模型可计算出系统的可靠度。水底姿态模拟装置伺服控制系统可靠度的具体计算如表2所示。
6.结束语
通过系统的可靠度计算表可以看出，水底姿态模拟装置伺服控制系统的可靠度为0.98796，且系统各单元的可靠度均满足了可靠性分配指标。为进一步提高整个系统的可靠度，可采取以下措施：（1）提高各部件的可靠度，选择质量更好的部件或设备。鉴于工业控制计算机、控制器、伺服电机和变速箱的可靠度对整个伺服控制系统可靠性的重要性，系统设计时应选取可靠度较高的部件。升降机构、回转机构和摇摆机构设计时，应在材料选择、齿轮配合、部件联接、装置维护、应力分布、机构固定等方面进行合理设计，以尽量提高其可靠度。（2）在适当情况下考虑冗余设计方法[5]。（3）伺服控制系统设计过程中，应采取简化设计的方法，以最少的功能化模块达到系统的功能要求。（4）对整个系统进行日常维护和定期检修。总之，整个伺服控制系统可靠性的提高，应从设计、制造、使用及维护等各个方面进行考虑。
参考文献
[1]李守仁.可靠性工程[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001.
[2]陈明，张京妹.控制系统可靠性设计[M].西安：西北工业大学出版社，2006.
[3]陈炳生.电子可靠性工程[M].北京：国防工业出版社，2003.
[4]陆廷孝，等.可靠性设计与分析[M].北京：国防工业出版社，2001.
[5]谢云叶.机电一体化系统与产品的可靠性设计分析[J].机电工程技术，2004，33（7）：27-31.
装备模拟器篇7
关键词：变电检修；变电设备；仿真；培训
中图分类号：TM文献标识码:B
1．变电设备检修仿真系统的主要功能及模块
1.1．主要功能
构建变电设备虚拟场景需要运用到数字化建模（即建立设备的正常、异常、故障和缺陷等三维实体模型）技术，模型建立质量和数量直接关系到整个系统的优劣，本系统中对变电站的所有一次设备如变压器、断路器、隔离开关、互感器、电抗器、电容器等建立了模型，由此形成了设备建模库，设备库还可对各设备正常和非正常（缺陷）状态的具体细节进行描述。仿真系统要求能在计算机上动态模拟变电设备安装和检修过程，并实现人机交互装配，直观和准确地表达其内部结构、各零部件空间关系，零部件浏览和分析、变电设备缺陷仿真、检修人员技能综合测试以及自动评分等等。系统的主要功能如图1所示。
图1变电设备仿真检修系统的主要功能
变电设备检修仿真系统采用多媒体、三维图像仿真，集图片、图像、图形、视频、文字等为一体，整个变压器动态装配过程均以3D形式投影在大屏幕上，逼真地再现变电站现场设备的动作过程和设备运行状态。
本检修仿真系统基于DirectX9.0c来构建3D图形引擎，开发虚拟现实仿真系统，通过MFC处理系统用户界面，视景平台、动态装配仿真、零部件数字化建模、零部件缺陷仿真、检修技能测试等核心内容都是用C++来实现。
1.2.功能模块
变电检修仿真中心通过VR平台，按照仿真数据仓库中检修仿真算法，分设备类型、生产厂家、型号建立变电设备样本模型库；模拟各类设备的常见故障和解决方案；分常规检修和故障检修两种方式模拟变电设备的检修过程。仿真中心通过算法接口和输入输出接口接收用户控制命令和返回结果数据。
检修训练中心提供人机交互环境，用户使用各类终端设备（鼠标键盘等），通过输入输出接口在虚拟现实的界面发出各类检修操作命令，并通过算法接口与检修仿真中心进行数据交互，完成各类训练动作的执行。为检修人员的培训提供演示和交互操作两种培训方式。
管理监控中心完成各类设备部件划分、部件逻辑关系及其拆装顺序定义和维护；故障知识库中故障现象、故障原因、检修推荐方案的定义和维护；依照《作业指导书》以及《现场作业工序工艺标准卡》等技术标准对检修流程进行设定或变更重组；并完成培训档案建立、培训题库建立、培训过程监视控制、培训过程回放、培训考核评估以及培训各类绩效指标的统计分析。它通过各类算法接口在VR平台上完成对变电检修仿真中心各类仿真模型的管理以及与变电检修控制中心培训管理人员的命令、指令、数据交互。
2.故障分析功能
2.1.故障信息
系统通过在线监测系统以及状态检修系统的联机分析，对故障的信息提供从故障的设备及其故障部件、部位的外部现象、到故障的变化过程、再到故障相关各类数据的全方位支持，为故障的分析和诊断提供从表面到数据的支持。
如变压器过热性故障，系统除了从设备模型给出温度计的读数外，还可以提供一个连续时间段温度的变化情况，并且通过在线监测系统提供各时刻对应油中C2H6、C2H4、H2、C2H2，CO、CO2等气体含量数据。
2.1.故障诊断及检修方法
系统根据故障信息，结合状态检修系统、生产管理系统、在线监测系统的综合分析情况，给出故障的可能原因以及对应的检修对策指导。如变压器过热性故障，当存在C2H6、C2H4增长较快，可能有H2和C2H2，CO和CO2增长不明显的现象，导致该故障的原因可能就是变压器铁心短路，在系统图形界面上就会输出铁心短路的外部状况。用户可以点击相应的检修策略指导，系统会采用动画及互动的方式提供处理铁心短路情况的典型检修方法。
3．变电设备仿真检修系统的特征模型
在变电设备仿真检修系统总体设计初步完成后，即可进行特征模型设计。根据已经确定的方案和主要数据，按技术任务要求进行。变电设备的内部结构复杂，零部件多为不规则几何体，要实现虚拟的装配过程必须先对基本的零件建立三维数字模型。装配之前要进行总体规划，确定各级子装配和各零件的合理安装顺序。还要结合变电站的实际安装程序来安排虚拟场景中各零件或子装配的装配顺序。
以变压器为例说明，本仿真系统将变压器整体结构划分为六部分：总装、油箱、绝缘、引线、铁心、线圈，各部分通过相应的构件连接起来，其主体结构划分如图2所示。
图2变压器结构特征模型
变压器型号用于描述实体的几何形状，是造型中最主要的信息之一。主要参数包含变压器的额定电压，额定容量，连接组别，窗体的长、宽、高等信息。部件间的装配特征用于表达变压器结构的装配关系以及在装配过程中所需信息。构件间关系具有油箱、绝缘、引线、铁心、线圈等结构间的安装定位关系等。
4．基于虚拟现实的动态仿真流程
为了便于清楚地观察装配体结构及装配顺序，需要增加与虚拟世界的交互功能。而动画给了人们一个巨大的空间。用户在进入装配场景后，在任意位置点击鼠标，动态装配过程即呈现在窗口中。基于虚拟现实技术实现动画的流程如图3。
5．系统实现技术方案
5.1．系统拓扑结构
本系统采用B/S的体系结构，系统的核心包含一个业务主机（包括应用服务器和WEB服务器的功能）和一个数据库服务器，包含若干客户机、网络设备等等。
客户机中包括教员机和学员机，教员机通过与业务主机的交互完成对学员机下达各类控制命令，学员机接收并完成这些任务，同时操作过程同样通过与业务主机的交互进行数据和逻辑的通信。
5.2．平台软件
操作系统：根据实际选用的虚拟现实技术平台选用对应的操作系统。
数据库系统：本项目数据库系统有IBM DB2、Oarcle和MS SQL Server2005三种选择，建议本系统采用Oarcle 9i数据库。用于提供高效、海量的数据存储，建立数据仓库为虚拟现实技术的实现和数据分析提供基础。
中间件软件：采用JBoss中间件，用于提供web服务。
商业智能平台：报表工具采用eclipse birt；OLAP工
具采用mondrian，提供数据统计、分析和报表图标展现功能。
ETL工具：采用oracle ODI。用于完成与其他电力信息系统的数据同步。
5.3．虚拟现实技术
虚拟现实技术（Virtual Reality），又称灵境技术，是90年代为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的"虚拟环境"，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其在需要对大量抽象数据进行处理时；同时，它在许多不同领域的应用，可以带来巨大的经济效益。
虚拟现实系统主要由以下模块构成
①检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。②反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。③传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。④控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。⑤建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。
虚拟现实系统开发平台的核心是引擎，它具有四个方面的接口，分别是算法接口、模型贴图输入接口、硬件辅助设备接口和硬件主设备接口。虚拟现实系统开发平台通过这些底层接口向所有上层软件提供强大的功能支持。
6．数据存储及整合技术
6.1．数据存储
建立物理数据仓库的存储；提供集中的数据仓库管理界面来控制、监测和管理数据仓库的操作；为主题分析和决策支持应用提供快速、准确的数据服务。
6.2．数据整合
ETL：包括数据采集、清洗、转换、汇总、加载，数据加载到数据仓库中；建立数据仓库元数据中心存储；Webservice：通过XML交换数据，使系统之间即可靠的交换数据，又降低了系统之间的耦合程度。
6.3．数据仓库管理
包括元数据管理、ETL管理、数据复制与备份管理、数据安全管理等等
7．数据分析技术
7.1．数学建模、数据挖掘
采用三比值法、TD图法、电研法、神经网络算法等有效的诊断算法进行故障诊断；利用时间序列神经网络模型的非线性映射能力和学习能力来预测设备的检修状态；
7.2．商务智能平台
提供包括面向主题的数据集市、即席查询、多维分析、企业日常报表、Dashboard等各种商务智能分析工具；提供一个面向主题的可扩展的应用分析环境；高效、灵活的查询、报告、联机分析处理以及预测功能。
7.3．业务优化平台
通过商业智能平台的多维分析应用、预测分析和OLAP应用来支持检修流程优化等生产管理应用。
8．结束语
变电设备检修仿真系统的应用，不但可提高变电检修人员的技能水平、工作效率，同时缩短检修时间和快速恢复设备送电提供了有力保障。
参考文献
[1]曾福望,黄建红;东莞变电仿真系统[J].广西电力技术,2001年02期.
装备模拟器篇8
1试验检测系统组成和性能
1．1系统组成控压钻井试验检测系统是一套先进的远程控制的硬、软件系统，主要包括4个系统：压力循环系统（包括钻井液泵、钻井液罐、空气包，阻流管汇、配套工具及管线）、数据采集和传输系统、钻井模拟器和远程控制系统。通过压力循环系统的各泵组、平板阀、节流阀的相互切换，配合实时的钻井动态模拟器，构建包括开泵、停泵、正常钻进、活动钻具、起下钻、井漏、井涌等不同钻井工况的工艺流程，待测试的控压钻井系统自动检测工况，做出合理判断。整个试验检测系统与待测试的MPD装备（或工具）都实现远程控制，通讯双盲，尽可能做到模拟真实的钻井现场工况，以检测待测MPD装备的控制能力和稳定性，达到精确控制钻井参数的目标，可进行控压节流性能测试、控压钻井工艺检测，以及控压钻井装置各单项和整体性能等工艺测试等试验，图1为控压钻井试验检测系统的组成。
1．2工艺特征和技术参数
1．2．1控压钻井节流试验主要包括节流阀特性试验、控制响应试验、寿命试验和安全试验；通过切换压力循环系统，测试不同条件下节流阀的流量、开度和压降的关系，建立节流阀特性关系曲线，寻找最优调节区间，并结合其动态控制响应试验，可以构建准确的节流控制模型，为开发、测试或检验MPD装备提供最有效的支持。根据MPD装备性能，该系统能进行0～14MPa的控压节流试验。
1．2．2控压钻井工况检测模拟控压钻井多种井下工况，测试MPD装备多个系统连接后运行信号采集的准确性，测试包括软件和硬件两个方面设备调节的快速性以及控制的稳定性；将井下工况模拟装置模拟的井下工况作为黑匣子处理，不管具体作用机理，仅是控制模拟的井底压力以及井漏量或井涌量，实验、测试过程与现场工程实际很符合，为MPD装备调试提供了可靠的平台。
1．2．3控压钻井工艺试验综合考虑控压钻井的多种工况，在实验室模拟正常钻进、开泵、停泵、起下钻、井漏、井涌等不同井下工况情况，进行控压钻井工艺试验，寻找最佳控制方法和手段，包括井口回压，流量补偿方式等等，该系统能提供7～30L／s的额定排量，基本能模拟控压钻井作业的多种环境，还能提供最大7L／s的侵入（漏失）流量。
2系统研制的关键技术
2．1工艺过程模拟控压钻井涉及钻进、开泵、停泵、起下钻、井漏、井涌等不同井下工况和操作工艺，如何在地面实现井下全工况的模拟是该试验检测系统研制的关键，也是其工艺流程模拟能否合理成功的核心。
2．1．1硬件功能模拟硬件部分主要包括2个钻井液泵组、钻井液罐、空气包，阻流管汇、泄压阀、配套工具及管线，是模拟和构建井下流动工况的必备条件。正常钻进时，钻井液泵开启，模拟钻井现场的大泵作业，额定输出排量28L／s；如果需要模拟大排量控压作业，还可同时开启小钻井液泵组，能提供7．5L／s的额定输出排量。小钻井液泵组根据模拟工况的不同，在微溢模拟、下钻模拟时也作为一个排量输出装置，扮演微流量侵入和下钻环空返出的功能，具体侵入量和返出量根据模拟工况调整。空气包扮演一个缓冲罐的作用，对整个井筒来说，可以当做一个未可压缩的弹性体，加压弹性能积聚，降压弹性能释放，通过空气包的压缩性能的调节就能近似地模拟整个井筒弹性能的大小，避免地面硬管连接的水击震荡。阻流管汇模拟整个井筒环空摩阻的大小，根据泵排量的变化可以近似体现环空压耗随流量变化的特点，根据需要可以变换阻流管汇的连接方式，达到所需要模拟的环空压耗。
2．1．2软件控制模拟软件控制部分包括数据采集和传输系统、钻井模拟器和远程控制系统，其主要功能是实时工况模拟与远程控制。对于控压钻井试验模拟来说，如何还原和模拟实时的钻进工况是个挑战，钻井模拟器通过实时回放真实井的历史数据就可以清晰地再现该井的钻井工况，包括井身结构、钻具组合、钻井液性能、实时录井数据、PWD数据等；数据采集和传输系统为远程控制提供通讯；远程控制系统是一个动态的交互工具，一方面可以单独对该试验检测系统进行远程操作与控制，另一方面在微溢、微漏模拟或起下钻模拟过程中，其根据被测试控压装备的动作，又可按照预先设置的溢漏控制模型，调整溢、漏量，达到一个动态平衡。
2．2评价方法及模型建立通过硬件功能和软件控制的综合模拟，可以构建出一套控压钻进循环钻进、开泵、停泵、起下钻、井漏、井涌等不同井下工况的评价方法（图2、3）。
2．2．1下钻模拟下钻过程部分流体从环空返至MPD节流管汇，类似控压钻井试验检测系统向MPD节流管汇返出流量增加。2号泵组启动，根据下钻速度调整增加的流量，MPD装备自动判断，并采取动作；当达到下钻速度为0，关闭2号泵组，退出下钻模拟。
2．2．2起钻模拟起钻过程MPD节流管汇部分钻井液漏入井筒中，类似控压钻井试验检测系统泄流。开启泄流阀，根据起钻速度调整泄流量，MPD装备自动判断，并采取动作；当达到起钻速度为0，关闭泄流阀，退出起钻模拟。
2．2．3循环钻进首先进入MPD试验检测系统控制软件，开启实时钻井模拟器；同时，检查循环通路，开启大泵，经阻流管汇，输出至待测试的MPD装备；MPD装备根据检测到的工况可以随时调整，钻井模拟器实时监控，确保模拟的井底压力在压力操作窗口之内。
2．2．4微溢模拟钻井模拟器实时监控，检测到模拟的井底压力小于地层压力，进入微溢工况，2号泵组启动，按预置的溢流模型（线形渗流、非线性渗流、随机）调整侵入量，MPD装备自动判断，当检测到溢流采取动作；钻井模拟器实时监控井底压力的变化，当达到临界值时开始关闭2号泵组，退出微溢模拟。
2．2．5微漏模拟钻井模拟器实时监控，检测到模拟的井底压力大于操作窗口，进入微漏工况，开启泄流阀，按预置的漏失模型（等开度变化、等压力变化、随机）调整漏失量，MPD装备自动判断，当检测到漏失采取动作；钻井模拟器实时监控井底压力的变化，当达到临界值时开始关闭泄流阀，退出微漏模拟。
2．3控制软件开发控制软件是整个控压钻井试验和检测系统的载体，图4为MPD试验检测系统控制中心。控压钻井图4MPD试验检测系统控制中心图井试验检测系统的研制成功为开发MPD装备提供了可靠的试验平台，在室内就能进行现场多种控压工况的模拟和调试，特别对控压钻井的压力传播特性，建立微溢流条件的压力控制模型，以及控压钻井工艺理论分析能进行深入的理解与剖析，也为MPD装备的成功开发大大降低了成本，缩短了周期，同时该系统的成功也为今后MPD装备出厂、检修和维护提供了一个快速检测平台，进一步保证了国产控压装备的可靠、安全。
3现场应用与结果分析
该测试系统自2010年9月份投入运行，针对控压钻井设备开发泵、阀、液压、管线等多种元件的单元测试与联调，通过综合模拟正常钻进、开泵、停泵、起下钻、井漏、井涌等不同井下工况情况，为解决控压钻井系统不同工况的过程控制难题提供了必要、及时的手段；加快装备研制，保证装备安全、稳定运行发挥了至关重要的作用。目前该设备已累计进行1000余次整体联调和设备检验，系统安全可靠，无故障，已成为中国石油集团钻井工程技术研究院的控压钻井测试和出厂检测基地。图5为控压钻井自动节流控制系统不同级别压力跟踪和主备阀切换的室内试验数据，在正常钻进模拟状态时，设定压力即井口计算压力，通过实时水力校正模型计算得到，在0．5～0．75MPa之间，当检测到出口流量降低时，软件相应的计算井口压力增加，增加到0．71MPa，调整节流阀开度，实际测量压力与井口压力逼近，直至达到误差范围0．2MPa。中，大泵缓慢停止时，流量降低，同时井口回压却要增加到一个较高的压力级别，相反，大泵缓慢启动时，流量升高，同时井口回压却要降低到一个较低的压力级别，这就需要控压钻井各阀件之间充分的协调控制。在准备接单根，回压泵启动，此时大泵尚未停止，出口流量增加；当大泵停止时，井内循环停止，出口流量等于回压泵流量7．2～7．8L／s，井口设置压力升高到3．07MPa，弥补环空压力损失；接单根作业完成后，大泵开启，井口压力降至原来正常钻进压力值1．18MPa，并切换回主节流通道，此时再关闭回压泵，退出回压补偿系统，接单根完成。图7为起下钻工况下的压力控制曲线，模拟上提钻具时，节流阀打开，部分钻井液漏失，由于抽吸作用的存在，一部分钻井液进入井筒填补上提的钻具体积，出口流量由7．5L／s减少到4．2L／s左右，节流阀自动调整开度大小，保持井口压力稳定；模拟下放钻具时，节流阀关闭，小泵开启，由于激动作用的存在，一部分钻井液溢出井筒，出口流量增加，井口设定压力自动降低，消除激动压力的影响；整个上提和下放钻具模拟过程压力控制误差在±0．5MPa以内。
4结论