CN115810300A - 船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法，包括如下步骤：在一个服务器构建船舶机电装备的虚拟环境及其实体要素和故障数据库；服务器响应于一个实训终端的演示请求，查询故障数据库中与演示请求的故障内容数据以及对应的维修演示数据；将故障内容数据和维修演示数据反馈至实训终端，并在实训终端显示船舶机电装备的虚拟环境；实训终端根据用户对实训终端的操作以及故障内容数据和维修演示数据，在船舶机电装备的虚拟环境中以实体要素的变化逐步延时故障维修方案。本申请的有益之处在于提供一种通过在虚拟环境中对实体要素所代表的船舶机电装备进行动态重现的方式逼真进行故障维修演示的方法。
Description
技术领域
本申请涉及船舶实训技术领域，具体而言，涉及一种船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法。
背景技术
船机电装备故障现象多样、故障原因难以确定、无法及时高效处置，存在较多难题，这给船机电专业理论与实践技能的教学训练提出了很高的要求。
船机电装备维修传统教学过程，以课堂理论学习为主，辅助以现场实践，但由于实际装备条件、故障模拟条件所限，学员很难有足够的时间深入学习，导致很难快速提高维修技能。
随着现代计算机信息化技术的发展，建设基于故障维修数据库与虚拟仿真的教学系统，可以带来更加逼真的体验，对于提高学员的维修理论基础、故障定位技能、维修实操能力有重大的意义。
在相关技术中，船舶机电装备维系实训时并不能很好的对船舶机电维修方案进行生动演示从而造成实训效果较差。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法，以解决故障维修演示效果差的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法，包括如下步骤：在一个服务器构建船舶机电装备的虚拟环境及其实体要素和故障数据库；所述服务器响应于一个实训终端的演示请求，查询所述故障数据库中与所述演示请求的故障内容数据以及对应的维修演示数据；将所述故障内容数据和维修演示数据反馈至所述实训终端，并在所述实训终端显示所述船舶机电装备的虚拟环境；所述实训终端根据用户对所述实训终端的操作以及所述故障内容数据和所述维修演示数据，在所述船舶机电装备的虚拟环境中以所述实体要素的变化逐步延时故障维修方案。
进一步的，所述虚拟环境的实体要素包含船舶机电设备。
进一步的，所述虚拟环境的实体要素包含维修设备。
进一步的，所述故障数据库包含故障编号数据。
进一步的，所述故障数据库包含故障名称数据。
进一步的，所述故障内容数据至少包含故障设备列表。
进一步的，所述故障内容数据至少包含与所述故障设备列表中的设备对应的设备故障内容。
进一步的，所述维修演示数据包括若干维修步骤列表以及对应所述维修步骤列表中每个步骤的步骤维修内容。
进一步的，所述步骤维修内容包含所述虚拟环境中实体要素的移动轨迹。
进一步的，所述步骤维修内容包含所述虚拟环境中实体要素的状态变化。
本申请的有益之处在于：提供一种通过在虚拟环境中对实体要素所代表的船舶机电装备进行动态重现的方式逼真进行故障维修演示的船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请一种实施例的船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法的主要步骤示意框图；
图2是根据本申请一种实施例的船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法所应用的软件的界面示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
参照图1所示，本申请一种实施例的船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法包括如下步骤：
S1:在一个服务器构建船舶机电装备的虚拟环境及其实体要素和故障数据库。
具体而言，故障数据库的建设是基于整体的实训系统的建设，系统总体方案包含如下几个方面：
(1)以各型船机电装备故障维修案例资源库为依据和基础，确定数据规范、格式，进而整理故障数据库基础数据，最终录入到数据库，建立故障维修数据库应用系统，实现故障案例分类、查询、修改、新增和删除等操作；
(2)故障信息编辑终端与故障维修数据库进行交互，供维修保障人员录入故障、查询故障，实现故障维修经验的分享与传承，其主要特点是故障信息专用终端、便携式使用；
(3)故障信号采集系统实现故障信号采集、分析、波形显示，包括振动、温度、电流、电压等，提供给故障维修数据库软件系统，进行更深入的离线信号分析，并形成故障信号案例；
(4)根据装备照片、图纸，对装备模型、外部环境、检测工具进行三维建模，处理合格后完成模型导入，进而开发故障信息模拟平台，实现装备结构、电路结构、典型工艺、典型故障等虚拟仿真训练，系统支持后期扩展。
作为具体实施的方案，本申请的系统软硬件实施方案为：
(1)故障数据库服务器1套，上面部署故障数据库软件系统，局域网内用户可以访问故障数据库服务；
(2)故障信息编辑终端硬件21套，上面安装故障信息编辑APP软件，可以离线单机使用；也可以通过有线网络接入服务器所在局域网，实现在线使用；
(3)故障信息模拟工作站1台，配置高性能图形显卡，上面安装故障信息模拟平台软件，提供PC单机版、PC考试版、故障信息数据库软件web端(网页版)集成三种使用方式；
(4)故障信息采集系统硬件4套，其上安装故障信息采集软件，支持数据导出，进而导入故障数据库；并提供测试试验台1台。
软件系统架构分为4个层次，由下而上结构清晰，层次分明：
运行环境：本系统最终将部署到局域网环境独立服务器中；
数据层：系统中数据主要为结构化数据，例如设备信息、用户信息等，将使用MYSQL数据库存储；对于被访问命中率较高的数据，则使用mongodb进行管理，提高数据层访问效率。
业务层：业务层实现系统中各种业务逻辑的处理。包括：用户管理、角色管理、故障案例、技能管理、故障分析、系统管理等。
展示层和前端UI：基于HTML/HTML5/Vue/CSS3开发web前端页面，兼容主流浏览器。展现层和数据层完全分离，通过跨域实现前后端数据通信。
本申请的系统包含一个故障信息模拟平台作为实装训练的补充手段，通过虚拟仿真技术对故障案例进行模拟、训练、考核，以三维虚拟场景为基础并结合文字、图片、教学课件、教学视频，对故障案例步骤进行讲解、训练、考核，具有沉浸感、自主性、交互性等特点，从而达到提高学员学习效率的目的。
按照船机电装备故障维修工艺分类展开，平台分为五大功能模块：部件拆卸与组装、部件维护保养、部件修复工艺、电气故障排除、机械故障排除；三种学习模式：讲解模式、训练模式、考核模式。
至于虚拟环境的构建，实体元素的构建和实施方案为：虚拟维修使用Unity3D引擎进行制作，Unity3D一般指Unity。Unity是实时3D互动内容创作和运营平台。包括游戏开发、美术、建筑、汽车设计、影视在内的所有创作者，借助Unity将创意变成现实。Unity平台提供一整套完善的软件解决方案，可用于创作、运营和变现任何实时互动的2D和3D内容，支持平台包括手机、平板电脑、PC、游戏主机、增强现实和虚拟现实设备。
下面对Unity 3D开发引擎的特色进行阐述。
1)跨平台
开发者可以通过不同的平台进行开发。制作完成后，无需任何修改即可直接一键发布到常用的主流平台上。
Unity 3D可发布的平台包括Windows、Linux、MacOS X、iOS、Android、Xbox360、PS3以及Web等。跨平台开发可以为开发者节省大量时间。
以往开发中，开发者要考虑平台之间的差异，比如屏幕尺寸、操作方式、硬件条件等，这样会直接影响到开发进度，给开发者造成巨大的麻烦，Unity 3D几乎为开发者完美地解决了这一难题，将大幅度减少移植过程中不必要的麻烦。
2)综合编辑
Unity 3D的用户界面具备视觉化编辑、详细的属性编辑器和动态预览特性。Unity3D创新的可视化模式让开发者能够轻松构建互动体验，当程序运行时可以实时修改参数值，方便开发，为开发节省大量时间。
3)资源导入
项目可以自动导入资源，并根据资源的改动自动更新。Unity 3D支持几乎所有主流的三维格式，如3ds Max、Maya、Blender等，贴图材质自动转换为U3D格式，并能和大部分相关应用程序协调工作。
4)一键部署
Unity 3D只需一键即可完成作品的多平台开发和部署，让开发者的作品在多平台呈现。
5)脚本语言
Unity 3D集成了MonoDeveloper编译平台，支持C#、JavaScript和Boo 3种脚本语言，其中C#和JavaScript是在软件开发中最常用的脚本语言。
6)联网
Unity 3D支持从单机应用到大型多人联网软件的开发。
7)着色器
Unity 3D着色器系统整合了易用性、灵活性、高性能。
8)地形编辑器
Unity 3D内置强大的地形编辑系统，该系统可使开发者实现任何复杂的地形，支持地形创建和树木与植被贴片，支持自动的地形LOD、水面特效，尤其是低端硬件亦可流畅运行广阔茂盛的植被景观，能够方便地创建场景中所用到的各种地形。
9)物理特效
物理引擎是模拟牛顿力学模型的计算机程序，其中使用了质量、速度、摩擦力和空气阻力等变量。Unity 3D内置NVIDIA的PhysX物理引擎，开发者可以用高效、逼真、生动的方式复原和模拟真实世界中的物理效果，例如碰撞检测、弹簧效果、布料效果、重力效果等。
10)光影
Unity 3D提供了具有柔和阴影以及高度完善的烘焙效果的光影渲染系统。
虚拟维修的培训流程任务框架主要依赖Playmaker插件实现，PlayMaker是Unity3D的一款可视化的有限元状态机(Finite-state machine，简称Fsm)插件，用来进行交互设计。有限状态机又称有限状态自动机，简称状态机，是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。
Fsm将对象的复杂行为特征归纳为有限个不同的“状态”，然后在每个状态中分别指定一系列“行为”让处于该该状态的对象来执行，同时设置一些“条件”(在FSM中称做“事件”)，当这些条件被满足时(按FSM的说法就是事件被触发)，对象的从当前状态变换为另一个状态，由此带来其所执行“行为”的的变化。例如，在虚拟维修中每个流程含有多个步骤，每个步骤就是状态机，每个状态机又含有多个状态(state)，将每个步骤应该执行的视角切换、物体高亮、物体显示隐藏、播放动画、监听点击等状态组合成一个状态机，然后将所有的状态机放入步骤集合，依次进行执行，就形成了整套任务流程。
案例选择界面中的模型展示使用CameraPath3插件实现，首先在Canvas面板中新建Raw Image组件，然后在资源文件夹Project中新建Render Texture用于将相机渲染的画面渲染到UI界面上，这样就实现了相机画面实时显示至Raw Image上，再使用CameraPath3插件编辑相机视角的移动。
在CameraPath组件中，具有以下模式：
(1)Path Points-定义路径的路径。
(2)Control Points-仅用于贝塞尔曲线，这些控制点控制曲线的形状。
(3)FOV-用于在动画过程中控制摄像机的视场。
(4)Speed-用于控制曲线上动画的速度。
(5)Delay-可以添加点以将动画延迟特定时间段。
(6)Ease Curves-控制动画在特定停止点的动画速度的缓和度。
(7)Events-将事件添加到可以调用其他对象中的函数或广播事件的路径。
(8)Orientations-通过路径控制摄像机的方向，仅在自定义动画模式下使用。
(9)Tilts-通过跟随路径动画模式中使用的路径控制相机倾斜选件等。
通过以上方案，可以实现虚拟环境的构建和维修的播放。
作为优选方案，所述虚拟环境的实体要素包含船舶机电设备和维修设备，这样在进行演示时可以清楚展示采用何种设备对几点设备进行维修。
作为优选方案，故障数据库包含故障编号数据和故障名称数据，这两种数据是相互对应的，系统通过故障编号数据作为主键关联数据库中各种关联数据以形成动态数据关联从而进行维修中连贯的步骤演示。
故障内容数据至少包含故障设备列表与故障设备列表中的设备对应的设备故障内容。由于故障往往是多个设备综合产生的，所以故障内容数据中列出个能关联的设备以及这些设备的子故障。这样可以通过单独设备的子故障形成索引，查询对应的维修演示数据。
类似的，维修演示数据包括若干维修步骤列表以及对应维修步骤列表中每个步骤的步骤维修内容，步骤维修内容包含虚拟环境中实体要素的移动轨迹，步骤维修内容包含虚拟环境中实体要素的状态变化。
S2:服务器响应于一个实训终端的演示请求，查询故障数据库中与演示请求的故障内容数据以及对应的维修演示数据。在实际应用中，实训终端的用户在学习时或模拟操作时，可以发出需要演示的请求给服务器。实训终端根据当前学习的进度所对应的设备，发出具体请求。
S3:将故障内容数据和维修演示数据反馈至实训终端，并在实训终端显示船舶机电装备的虚拟环境。
S4：实训终端根据用户对实训终端的操作以及故障内容数据和维修演示数据，在船舶机电装备的虚拟环境中以实体要素的变化逐步延时故障维修方案。
通过这样方案，如图2所示，可以在虚拟环境中进行模拟维修的动作，从而帮助用户学习和掌握维修技巧。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法，包括如下步骤：
在一个服务器构建船舶机电装备的虚拟环境及其实体要素和故障数据库；
所述服务器响应于一个实训终端的演示请求，查询所述故障数据库中与所述演示请求的故障内容数据以及对应的维修演示数据；
将所述故障内容数据和维修演示数据反馈至所述实训终端，并在所述实训终端显示所述船舶机电装备的虚拟环境；
所述实训终端根据用户对所述实训终端的操作以及所述故障内容数据和所述维修演示数据，在所述船舶机电装备的虚拟环境中以所述实体要素的变化逐步延时故障维修方案。
2.根据权利要求1所述船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法，其特征在于：
所述虚拟环境的实体要素包含船舶机电设备。
3.根据权利要求1所述船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法，其特征在于：
所述虚拟环境的实体要素包含维修设备。
4.根据权利要求1所述船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法，其特征在于：
所述故障数据库包含故障编号数据。
5.根据权利要求1所述船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法，其特征在于：
所述故障数据库包含故障名称数据。
6.根据权利要求1所述船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法，其特征在于：
所述故障内容数据至少包含故障设备列表。
7.根据权利要求6所述船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法，其特征在于：
所述故障内容数据至少包含与所述故障设备列表中的设备对应的设备故障内容。
8.根据权利要求1所述船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法，其特征在于：
所述维修演示数据包括若干维修步骤列表以及对应所述维修步骤列表中每个步骤的步骤维修内容。
9.根据权利要求1所述船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法，其特征在于：
所述步骤维修内容包含所述虚拟环境中实体要素的移动轨迹。
10.根据权利要求1所述船舶机电装备虚拟环境中故障维修方案演示方法，其特征在于：
所述步骤维修内容包含所述虚拟环境中实体要素的状态变化。
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