CN111738883A - 一种基于虚拟现实的列车电气仿真与诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电气仿真的技术领域，公开了一种基于虚拟现实的列车电气仿真与诊断系统，包括基础学习、操控仿真、故障诊断检修、能力考核四大模块，所述基础学习模块用于学员针对车辆电气系统基础知识的学习；所述操控仿真模块用于学员通过对列车电气系统的操控仿真，了解列车电气系统工作时的电流走向以及各个受控器件的动作过程；所述故障诊断检修模块用于学员进行车辆电气系统故障诊断与检修的技能培训，以及检修员对现场的检修方案进行推演验证；所述能力考核模块用于管理员对学员专业技术水平进行考核，分为基础知识考核和实际操作考核两个模块。

Description

一种基于虚拟现实的列车电气仿真与诊断系统

技术领域

本发明涉及电气仿真的技术领域，尤其涉及一种基于虚拟现实的列车电气仿真与诊断系统。

背景技术

轨道列车是一种人类科技高度集成的现代化系统工程，它是将机械工程、现代控制、电气、材料、通信以及计算机等多方面的尖端技术融为一体，而生成的产物。限于轨道列车的系统复杂性，电气系统仿真平台必须具有良好的可扩展性和兼容性，方便研究人员对列车电气系统进行模块化仿真，根据自身对列车电气的了解程度和仿真能力随时进行搭建，并为其他功能模块预留扩展接口，方便日后对仿真平台整体范围的扩建。一直以来，科研人员对列车维保检修做了大量的研究，一定程度上为列车安全运行提供了保障。

列车电气系统是列车动力输出和安全稳定运行的基础控制装备设施，是轨道列车的重要组成系统之一，列车电气仿真系统的运用质量对于整列车的安全运行和列车功能正常维护具有直接性的影响。在进行列车电气系统基础知识学习、检修维护以及故障诊断的设计开发的过程中，列车电气仿真系统所显示的工作原理和动作过程的真实模拟，能直接影响到使用者对列车电气系统基础知识学习、维保技术的练习和故障诊断技术的培训效果，是衡量该系统质量性能的一项主要指标。传统的列车电气系统工作原理的学习以及列车电气系统检修与故障诊断技术的学习和培训，大都是通过学习书本上的内容和纸质版的二维电路图，然后通过师徒带教的方式，在故障诊断与检修的现场进行实际操作与经验传授，这种模式下，学员所看到的二维电路图比较抽象、难以理解，而且专业技术培训和实际经验积累的机会少之又少，所以很难将日常所学的专业知识与技能和实际电气系统故障诊断与检修操作结合起来。

发明内容

本发明提供了一种基于虚拟现实的列车电气仿真与诊断系统，解决了现有学习模式主要通过师徒带教，专业技术培训和实际经验积累的机会少等问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种基于虚拟现实的列车电气仿真与诊断系统，包括基础学习、操控仿真、故障诊断检修、能力考核四大模块，所述基础学习模块用于学员针对车辆电气系统基础知识的学习；所述操控仿真模块用于学员通过对列车电气系统的操控仿真，了解列车电气系统工作时的电流走向以及各个受控器件的动作过程；所述故障诊断检修模块用于学员进行车辆电气系统故障诊断与检修的技能培训，以及检修员对现场的检修方案进行推演验证；所述能力考核模块用于管理员对学员专业技术水平进行考核，分为基础知识考核和实际操作考核两个模块。

进一步，所述操控仿真模块用于通过人机交互的操作，模拟列车电气系统中对应分支系统的电流流动及对应受控器件的动作过程；所述故障诊断检修模块包括自我训练模块和推演验证模块，所述自我训练模块用于通过学员自行设置故障模式、故障点、故障分支系统，对自己所学专业技能进行巩固训练和自我检测，所述推演验证模块用于根据实际的故障问题设置故障模式、故障点、故障分支系统，找到相关电路图，自由设置检测节点，分段检测电路工作状态，直到故障排除，电路能够正常工作。

进一步，所述故障诊断模块用于根据故障现象，直接在数据库中的故障资料进行检索，若能够匹配到，则直接把匹配到的诊断结果和故障资料以及解决办法显示出来，若不能匹配到，通过模糊神经网络技术，给出故障诊断的推理结果。

进一步，所述基础知识考核模块用于根据当前阶段学员的学习和培训内容，考官自由设置考试的内容和难易程度，学员登录考核模式后，从题库中随机抽取与之相关的试题进行考试；所述实际操作考核模块用于考官根据学员的学习和培训内容，自由设置不同操作场景以及与之相对应的故障模式、故障点、故障分支系统，学员在计算机和虚拟现实技术设备生成的模拟环境中进行模拟操作考核。

进一步，所述基础学习模块用于利用数据库技术将列车及其各系统的基本知识、维保检修作业的基本知识、操作流程讲解、操作注意事项及要求相关的教材、图片、音视频资料、典型故障案例记录内容进行系统化整理，然后嵌入列车电气仿真及诊断系统中，通过显示屏显示出来，以供学员学习。

本发明有益的技术效果在于：

列车电气仿真及诊断系统的设计开发，能够通过虚拟现实技术真实模拟故障诊断与检修现场环境，结合员工的现实需求和专业知识掌握的薄弱点，科学有效的进行列车电气系统故障诊断与检修技能学习与训练，提升自身的专业技能。虚拟现实技术能够建设一个模块化的仿真系统，学员可以根据自身的实际需求自由地选择学习模块和培训模块，并根据自己的时间情况来有弹性的进行主动学习，合理利用空闲时间，充分发挥该系统资源的优势，实现时间利用最大化和学习训练的差异性和针对性，利用多媒体设备使学员充分的进行模拟操作，这种人机交互的学习方式能够充分调动学员学习的自主性，对真实的电气检修与故障诊断场景进行全面的仿真模拟，能够吸引学员的学习兴趣，有效的提高培训的效果。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的基础学习模块的具体框架示意图；

图3为本发明的操控仿真模块中一个示例演示过程示意图；

图4为本发明的车辆电气系统故障诊断与检修流程示意图；

图5为本发明的系统逻辑架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

列车电气仿真及诊断系统主要目的是方便工作人员进行电气系统观察，供维保人员对列车电气系统工作原理和动作过程的学习研究，此外，还有对列车电气系统的故障模拟、诊断和检修等，该电气仿真及诊断系统功能框架的设计需要满足这些基本目的。如图1所示，本发明提供了一种基于虚拟现实的列车电气仿真与诊断系统，包括基础学习、操控仿真、故障诊断检修、能力考核四大模块，该基础学习模块用于学员针对车辆电气系统基础知识的学习；该操控仿真模块用于学员通过对列车电气系统的操控仿真，了解列车电气系统工作时的电流走向以及各个受控器件的动作过程；该故障诊断检修模块用于学员进行车辆电气系统故障诊断与检修的技能培训，以及检修员对现场的检修方案进行推演验证；该能力考核模块用于管理员对学员专业技术水平进行考核，分为基础知识考核和实际操作考核两个模块。

该基础学习模块用于利用数据库技术将列车及其各系统的基本知识、维保检修作业的基本知识、操作流程讲解、操作注意事项及要求相关的教材、图片、音视频资料、典型故障案例记录内容进行系统化整理，然后嵌入列车电气仿真及诊断系统中，通过显示屏显示出来，以供学员学习。具体地，在列车电气仿真系统场景内设置一块显示屏，将列车电气系统相关的基础知识保存在系统后台的数据库里，经过程序控制，使场景内的显示器与数据库的这部分内容相关联，使其显示基础知识内容，学员可以根据显示器上的内容以及辅助的列车模型学习电气系统的基础知识。基础学习模块包括列车及其各系统的基本知识、维保检修作业的基本知识、操作流程讲解、操作注意事项及要求、典型故障案例等几个部分的内容。利用数据库技术将相关的教材、图片、音视频资料、典型故障案例记录等内容进行系统化整理，然后嵌入列车电气仿真及诊断系统中，方便学员根据自身实际需求和自身专业技能水平掌握程度来有针对性的选取薄弱环节查漏补缺，进行全方位的学习，提升专业技能培训效果，其具体框架结构如图2所示。

该操控仿真模块用于通过人机交互的操作，模拟列车电气系统中对应分支系统的电流流动及对应受控器件的动作过程，具体地，进入操控仿真平台之后，即可以操作展示列车电气系统，通过人机交互的操作，来真实模拟列车电气系统工作原理及动作过程，模拟电流流动的全过程，以及列车电气系统故障诊断与检修的全过程，为了使学员观察视野里的环境更加清晰和直观，可以灵活的选择车体消隐或者显示，也可以使车体透明。将列车电气系统通常分为15个不同分支系统，故而学员能够根据实际需求，选择列车电气系统总览或者选择不同的分支系统，展示在所选分支系统下的列车电气系统，生动直观的展示列车电气系统的工作原理和动作过程，观察故障诊断与检修的整个过程。动画演示过程如图3所示，根据个人需要选择电气系统全示或者选择分支系统、静态电路或者动态电路，点击动作触点，演示动画开始。

该故障诊断检修模块包括自我训练模块和推演验证模块，其中，自我训练模块用于通过学员自行设置故障模式、故障点、故障分支系统，对自己所学专业技能进行巩固训练和自我检测，推演验证模块用于根据实际的故障问题设置故障模式、故障点、故障分支系统，找到相关电路图，自由设置检测节点，分段检测电路工作状态，直到故障排除，电路能够正常工作，其具体流程如图4所示，列车电气系统故障检修单位可以用此来对自己的检修方案进行推理验证的模式，遇到解决难以确定故障点的问题时，在正式投入实际检修之前用此对检修方案推理演示，配合实际检修现场，找出不足和隐患，完善检修方案，消除隐藏意外的可能。

具体地，故障诊断推理分为两方面，一方面是经验推理，与诊断系统背后数据库里的历史资料库相匹配，调出历史故障诊断与故障检修的信息；另一方面是模糊神经网络推理，通过模糊神经网络推理规则得出故障原因，提供给检修员排除故障，由此为地铁公司维修人员提供故障查询、故障诊断。

在故障诊断过程中，在系统界面输入故障现象，如果能够直接从数据库中的故障资料检索匹配到，则系统直接把匹配到的诊断结果和故障资料以及解决办法等显示出来，如果输入的故障现象不能直接从数据库中的故障资料检索匹配到，通过模糊神经网络技术，系统自动进行科学有效的故障诊断推理该能力考核模块用于管理员对学员专业技术水平进行考核，分为基础知识考核和实际操作考核两个模块。针对基础知识部分，考官可以针对当前阶段学员的学习和培训内容，自由设置考试的内容和难易程度，学员登录考核模式后，在考官所设置的范围内，随机抽取相应的试题，针对实操考核部分，考官可以设置不同操作场景，自由设置故障模式、故障点、故障分支系统(学员所用系统无此权限)，让学员通过计算机和虚拟现实技术设备生成的模拟环境中进行模拟操作，考核学员对故障检修技术的掌握情况，面对不同学习阶段的学员，考官可以有针对性的设置考核的难易程度。

本发明的系统主要通过以下步骤进行构建：

步骤一：模型搭建

使用Creo建模软件建立列车整车模型、列车电气系统模型以及虚拟环境空间其他模型，并对虚拟系统的空间场景和三维模型进行适度优化，以降低系统中三维模型的数据冗余，减轻计算机图形和虚拟场景等数据加载的负荷。

步骤二：模型渲染和动画制作

为何配合虚拟场景交互，系统中包含了受电弓升起、降落，列车停车、启动等大量的动画。将三维模型导入3d max软件中，做模型的进一步渲染，制作电气系统动作过程动画以及检修诊断等动画。以列车受电弓的升降为例，司机按下控制按钮后电路开始流通，从蓄电池流出的电流经过导线、各种元器件流到受电弓升降电机，最后受电弓升起、降落。在3DMAX软件中，将这整个过程中的零部件动作动画开发出来，导出成适合unity软件使用的FBX格式，方便应用到场景交互。

步骤三：基于UGUI开发系统的底层框架

通过unity 3D引擎的NGUI插件的开发环境，将系统的模型和后台数据库以及操作交互功能等集成综合，并用C#语言建立建立与后台数据库的联系。

步骤四：基于unity构建虚拟场景

将提前搭建好的模型和动画导入到系统虚拟场景中，并进行适当的空间排布和位置调整，进行更进一步的渲染加持和光源添加，使其变得更加真实，从而增强空间既视感。

步骤五：实现交互以及漫游功能

场景交互和漫游技术是本系统的核心，使用Unity 3D作为系统的开发引擎，结合C#语言编写脚本，实现交互和漫游功能，具体如下：

(1)车体虚化消隐

使用NGUI插件设置button按钮，编写脚本加持到该按钮，点击则会将选中的物体虚化消隐。

(2)电流动态显示

电气系统故障检修和电气系统工作原理展示都需要体现电流流向，在unity里以电路为操作对象，使用C#语言编程制作电流动画脚本，控制电流流动，使电路逐渐变成红色，表示电流流向。

(3)场景漫游

场景漫游是虚拟系统中必不可少的功能，用户可以模拟现实动作，进入到列车车体内部。编写脚本加载到摄像机上，设置操控手柄键为场景旋转键，上、下、左、右键分别代表向上、向下、向左、向右移动，操作方式简单方便，可以使用户在虚拟场景中进行自由漫游。

本发明的列车电气仿真及诊断系统的逻辑架构自上而下可以分为界面层、处理层、数据层、硬件支持层四层，系统整体逻辑架构图如图5所示。

(1)界面层

界面层是列车电气仿真及诊断系统的登录界面和系统功能模块选择的显示界面。学员可以在登录界面输入自己的用户名和登录密码以及登录模式，进入系统，选择想要使用的系统功能模块，进入系统工作环境，然后用户就可以进行正式操作应用。

(2)交互层

交互层是系统提供人机交互功能的虚拟场景所显示的三维立体环境。能对所需展示的电气系统进行自由选择，获取操作对象的模型和场景。与此同时，交互层还能够适时调用其它的培训和学习资料，是整个虚拟现实系统非常关键的一层。交互层收到使用者通过界面层和操作按钮发出的指令后，直接从数据层调取所需要的文字、视频、音频、三维模型等各种资料，同时生成相应的虚拟仿真场景，并且根据指令向显示设备输出生成的虚拟画面。

(3)数据层

数据层是整个虚拟仿真系统的基础层，主要包括三维模型数据库和基础知识资料数据库。三维模型数据库主要存储着列车模型、列车电气系统模型、列车关键部件模型、工具设备以及虚拟环境的模型数据及其它跟模型构造相关的数据信息。基础知识资料数据库中主要存储着音频、视频、文字等以及考试题库等各种基础学习模块和能力考核模块的相关资料。

(4)硬件支撑层

硬件支撑层是虚拟仿真系统正常运行的硬件基础，主要由VR设备、数据服务器、图形工作站、通讯网络、计算机等硬件设备组成。VR设备的作用是为操作者与虚拟场景之间提供人机交互操作连接功能，常见的有VR虚拟头盔、操作手柄等。数据服务器主要作用是存储虚拟系统所需要的各种资料和模型等数据。图形工作站的主要作用是支持虚拟仿真环境中所需的各种模型图像的渲染和调取及生成虚拟场景等工作。计算机主要作用是供管理员对虚拟仿真系统进行日常维护、制定考试内容、调整培训内容等，也可以为学员提供基础知识学习的途径。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种基于虚拟现实的列车电气仿真与诊断系统，其特征在于：包括基础学习、操控仿真、故障诊断检修、能力考核四大模块，所述基础学习模块用于学员针对车辆电气系统基础知识的学习；所述操控仿真模块用于学员通过对列车电气系统的操控仿真，了解列车电气系统工作时的电流走向以及各个受控器件的动作过程；所述故障诊断检修模块用于学员进行车辆电气系统故障诊断与检修的技能培训，以及检修员对现场的检修方案进行推演验证；所述能力考核模块用于管理员对学员专业技术水平进行考核，分为基础知识考核和实际操作考核两个模块。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的列车电气仿真与诊断系统，其特征在于：所述操控仿真模块用于通过人机交互的操作，模拟列车电气系统中对应分支系统的电流流动及对应受控器件的动作过程；所述故障诊断检修模块包括自我训练模块和推演验证模块，所述自我训练模块用于通过学员自行设置故障模式、故障点、故障分支系统，对自己所学专业技能进行巩固训练和自我检测，所述推演验证模块用于根据实际的故障问题设置故障模式、故障点、故障分支系统，找到相关电路图，自由设置检测节点，分段检测电路工作状态，直到故障排除，电路能够正常工作。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的列车电气仿真与诊断系统，其特征在于：所述故障诊断模块用于根据故障现象，直接在数据库中的故障资料进行检索，若能够匹配到，则直接把匹配到的诊断结果和故障资料以及解决办法显示出来，若不能匹配到，通过模糊神经网络技术，给出故障诊断的推理结果。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的列车电气仿真与诊断系统，其特征在于：所述基础知识考核模块用于根据当前阶段学员的学习和培训内容，考官自由设置考试的内容和难易程度，学员登录考核模式后，从题库中随机抽取与之相关的试题进行考试；所述实际操作考核模块用于考官根据学员的学习和培训内容，自由设置不同操作场景以及与之相对应的故障模式、故障点、故障分支系统，学员在计算机和虚拟现实技术设备生成的模拟环境中进行模拟操作考核。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的列车电气仿真与诊断系统，其特征在于：所述基础学习模块用于利用数据库技术将列车及其各系统的基本知识、维保检修作业的基本知识、操作流程讲解、操作注意事项及要求相关的教材、图片、音视频资料、典型故障案例记录内容进行系统化整理，然后嵌入列车电气仿真及诊断系统中，通过显示屏显示出来，以供学员学习。

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