汽車故障診斷模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘要：為提高相關(guān)人員對于汽車維修方面的質(zhì)量與效率，同時提升整體汽車行業(yè)智能化操作水平，可充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，開發(fā)出一套汽車故障仿真訓(xùn)練模擬系統(tǒng)?；诖耍治銎嚬收显\斷模擬訓(xùn)練系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)與開發(fā)，并深入探討故障診斷系統(tǒng)的模擬實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：汽車故障診斷；模擬訓(xùn)練系統(tǒng)；系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

中圖分類號：U472 收稿日期：2023-06-14

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.037

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

1.1 基本框架設(shè)計(jì)

為全面提升汽車維修人員的故障維修與診斷能力，有必要構(gòu)建現(xiàn)代化故障診斷仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。本次案例系統(tǒng)框架主要運(yùn)用MAYA軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，對汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)零件實(shí)施三維虛擬建模，整體實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要由維修人員操作系統(tǒng)與實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)兩大子系統(tǒng)構(gòu)成。其中維修人員操作系統(tǒng)包括汽車故障診斷考核、診斷實(shí)訓(xùn)等方面的技能操作，而實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)則主要包括系統(tǒng)管理、理論管理、實(shí)訓(xùn)管理及用戶管理等功能模塊。在整體構(gòu)架設(shè)計(jì)中，學(xué)生系統(tǒng)診斷考核功能模塊主要包括考核創(chuàng)建、布設(shè)考核流程及考核評價等方面，而診斷實(shí)訓(xùn)功能模塊主要包括工具及儀表儀器的應(yīng)用、蓄電池及液位的檢查、設(shè)備安裝與拆卸及各個器件的操作。教師系統(tǒng)管理功能模塊主要包括系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)備份及數(shù)據(jù)還原等功能，理論管理功能模塊主要包括汽修人員考核管理、練習(xí)管理、試題信息及題庫信息管理等理論功能，實(shí)訓(xùn)管理功能模塊主要包括維修人員成績管理、考核管理及練習(xí)管理等實(shí)訓(xùn)管理功能，而用戶管理功能模塊主要包括維修人員信息、用戶信息及部門信息等信息管理，其均具備對各種信息參數(shù)的增刪改查等功能操作權(quán)限[1]。

1.2 軟件主要開發(fā)內(nèi)容

a.構(gòu)建基礎(chǔ)平臺。設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建基礎(chǔ)平臺方面主要結(jié)合現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)，根據(jù)具體需求進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，該平臺具有豐富的汽車信息資源庫，是整體實(shí)訓(xùn)方面的重要數(shù)據(jù)供給中心。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，相關(guān)人員應(yīng)明確劃分各個用戶權(quán)限，并全面結(jié)合人機(jī)運(yùn)行流程進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)，簡化操作流程豐富學(xué)習(xí)資源。b.構(gòu)建教學(xué)資源系統(tǒng)模塊。此系統(tǒng)模塊主要用于對汽車故障、結(jié)構(gòu)等方面多媒體素材進(jìn)行開發(fā)、篩選、整理和搜集、存儲，其中主要包括文檔資料、維修資料、課件及圖片等方面，其擁有批量數(shù)據(jù)分析存儲分析與自動更新功能，同時也是幫助汽修人員掌握最新汽修材料的主要功能模塊。c.構(gòu)建模擬教學(xué)功能模塊。模擬教學(xué)功能模塊主要包括汽車電氣、汽車底盤和發(fā)動機(jī)三個方面，而系統(tǒng)則需覆蓋對各個功能模塊的實(shí)訓(xùn)考核、理論測試、故障檢測、仿真測試、工作原理及總體構(gòu)造。

2 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)

2.1 模擬實(shí)訓(xùn)場景設(shè)計(jì)

本次案例系統(tǒng)主要采用虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)VRML來構(gòu)建虛擬實(shí)訓(xùn)場景，并參照某汽修院校實(shí)訓(xùn)車輛和實(shí)訓(xùn)場地設(shè)計(jì)開發(fā)，其中建模部分包括汽車尾氣排放、汽車舉升機(jī)及實(shí)訓(xùn)車輛等。整體采用3D技術(shù)來實(shí)施對實(shí)訓(xùn)車間模型進(jìn)行渲染處理，可運(yùn)用鼠標(biāo)操作來實(shí)現(xiàn)場景縮放及360°旋轉(zhuǎn)功能及一系列交互操作，如控制舉升墊塊、開車輪擋塊、發(fā)動機(jī)及車門等。此外，本次案例系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)場景設(shè)計(jì)還包括實(shí)物造型、實(shí)訓(xùn)環(huán)境、視點(diǎn)點(diǎn)位、VRML源碼、空間坐標(biāo)等方面的設(shè)計(jì)與開發(fā)，并運(yùn)用由MAYA技術(shù)構(gòu)建的3D模型通過內(nèi)部功能，轉(zhuǎn)換成為系統(tǒng)可識別的WRL格式文件，最后通過VRML進(jìn)行細(xì)節(jié)修改得到實(shí)際場景模型。其整體包括以下幾方面：

a.為切實(shí)提升操作員在實(shí)訓(xùn)過程中的真實(shí)體驗(yàn)，虛擬場景建模的仿真度尤為重要。因此，案例項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員根據(jù)汽修人員實(shí)訓(xùn)場地情況，首先構(gòu)建了虛擬實(shí)訓(xùn)場地，并將升降機(jī)、實(shí)訓(xùn)車輛、照明設(shè)備、氣動設(shè)備、排放設(shè)備、零件柜等裝置，實(shí)施最大化仿真建模，進(jìn)而提升汽修人員在整體系統(tǒng)操作時真實(shí)感，如圖1所示[2]。

b.設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建駕駛室時應(yīng)在保障虛擬設(shè)計(jì)真實(shí)感的同時，應(yīng)著重突出仿真模型整體質(zhì)感，尤其在操作面板設(shè)計(jì)方面必須符合實(shí)訓(xùn)車輛設(shè)計(jì)情況，進(jìn)而保障整體虛擬系統(tǒng)的完整性與真實(shí)性。本次案例項(xiàng)目人員在系統(tǒng)實(shí)際開發(fā)過程中，主要針對實(shí)訓(xùn)車輛類型布設(shè)了仿真儀表盤，并基于實(shí)物特征設(shè)計(jì)了100%仿真操作按鈕、空調(diào)面板、指示燈、儀表等操作界面。

c.發(fā)動機(jī)作為車輛故障檢測的關(guān)鍵區(qū)域，同時也是汽修人員學(xué)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程中最為關(guān)鍵的實(shí)訓(xùn)部分。因此，必須對發(fā)動機(jī)艙進(jìn)行等比例縮放虛擬設(shè)計(jì)，并要求在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上超過實(shí)物本身。還應(yīng)合理布設(shè)每個監(jiān)測點(diǎn)位場景，科學(xué)分配每個場景菜單選項(xiàng)。

2.2 維修工具及檢測儀器模型設(shè)計(jì)

為增強(qiáng)汽車維修人員對汽車故障診斷儀器操作水平，本次案例不但構(gòu)建了萬用表、傳統(tǒng)汽修設(shè)備虛擬模型，還對現(xiàn)代故障汽車故障診斷儀、示波器等裝置實(shí)施仿真建模，如真空表、氣缸及燃油壓力表、廢氣分析儀示波儀及相關(guān)儀器儀表等。萬用表模型可真實(shí)檢測汽車零部件導(dǎo)通性、電阻和直流電壓，示波器模型可對發(fā)動機(jī)裝置在汽車運(yùn)轉(zhuǎn)時的各種波形信號進(jìn)行實(shí)時檢測，而故障診斷儀模型則可實(shí)施主動測試、定格數(shù)據(jù)讀取、動態(tài)數(shù)據(jù)讀取、故障碼讀取及清除等多種功能。除此之外，本次案例系統(tǒng)還構(gòu)建了汽修工具箱仿真模型，主要包括汽修專用鉗子、扳手、套筒等，各個汽修人員可運(yùn)用系統(tǒng)操作，運(yùn)用各種虛擬模型工具實(shí)施安裝、拆卸和維修，進(jìn)而提升汽修人員對于維修工具操作的真實(shí)體驗(yàn)感。

3 故障診斷模擬實(shí)現(xiàn)

3.1 故障設(shè)置與排除功能介紹

本次案例系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目主要采用現(xiàn)代三維網(wǎng)絡(luò)動畫技術(shù)，對實(shí)訓(xùn)車輛進(jìn)行一系列故障仿真診斷與故障排除操作模擬，并將各種常見汽車故障錄入電腦系統(tǒng)中。汽修人員可通過系統(tǒng)操作靈活運(yùn)用各種虛擬工具，對汽車故障進(jìn)行虛擬診斷和維修，系統(tǒng)全程記錄每個學(xué)員的操作細(xì)節(jié)，從而為學(xué)員成績評價、考核評價等方面提供完整的數(shù)據(jù)參考。除此之外，本案例系統(tǒng)可通過真實(shí)故障類型模擬功能，將故障發(fā)生時汽車各個零件真實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)清楚地體現(xiàn)出來，并以真實(shí)案例為基數(shù)對汽修人員在系統(tǒng)操作過程中的操作動作，給予規(guī)范性和技術(shù)性評價，進(jìn)而在最大限度上幫助汽修人員掌握相關(guān)技能和專業(yè)知識，其中主要體現(xiàn)在以下幾方面：a.案例系統(tǒng)中擁有30多個實(shí)訓(xùn)車輛故障診斷案例項(xiàng)目，90多個實(shí)訓(xùn)車輛常見故障類型，還具有故障設(shè)置功能。b.系統(tǒng)可以完整顯示出現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)車間內(nèi)部的全部應(yīng)用工具和應(yīng)用設(shè)備，如示波儀等工具，整體采用3D動畫技術(shù)來渲染虛擬實(shí)訓(xùn)空間，并具有多角度縮放功能，且可以靈活切換各個仿真實(shí)訓(xùn)場景。c.系統(tǒng)中擁有各種虛擬維修工具建模，可根據(jù)汽修人員工具使用情況和使用順序等對其進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)訓(xùn)評價，并在系統(tǒng)內(nèi)部自動生成實(shí)訓(xùn)報告，且具有材料打印和查詢等功能。d.系統(tǒng)內(nèi)部提供各種工具施工規(guī)范、故障類型及維修方法，使用者可隨時查看和修改，但必須具有相應(yīng)的操作權(quán)限。

3.2 故障設(shè)置與故障排除功能操作

3.2.1 故障設(shè)置

本次案例系統(tǒng)包括手動設(shè)置與隨機(jī)設(shè)置兩種故障設(shè)置方式，均以系統(tǒng)內(nèi)部對話框的方式來操作，并在整體操作過程中全程連接內(nèi)部邏輯數(shù)據(jù)庫。手動故障設(shè)置方式可在系統(tǒng)內(nèi)部界面中手動點(diǎn)擊“故障”功能按鈕，并選擇手動故障設(shè)置模式進(jìn)行整體設(shè)置，通過點(diǎn)擊相應(yīng)圖標(biāo)后便會彈出相應(yīng)的手動故障對話框[3]。

在通過點(diǎn)擊界面中復(fù)選框按鈕后，便可根據(jù)實(shí)際需求在相應(yīng)的故障類型方框中勾選。但必須注意的是，在選擇故障類型時故障數(shù)量不得超過3個，且每個故障不得存在矛盾、沖突。而隨機(jī)故障設(shè)置通?？稍诓藛螜谥悬c(diǎn)擊隨機(jī)故障設(shè)置按鈕來實(shí)現(xiàn)，在點(diǎn)擊完成后，相應(yīng)的功能界面中便會產(chǎn)生故障數(shù)量選擇界面。同理，隨機(jī)故障選擇數(shù)量為1～3個。除此之外，在系統(tǒng)內(nèi)部還設(shè)有相應(yīng)的虛擬實(shí)訓(xùn)車輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模塊，當(dāng)故障設(shè)置完成后該監(jiān)測窗口便會發(fā)出異常提示，操作人員可通過該功能窗口來查看虛擬實(shí)訓(xùn)車輛真實(shí)狀態(tài)。而在故障處理成功后，該功能窗口異常提示也會隨即消失。

3.2.2 故障清除

在完成實(shí)訓(xùn)車輛故障設(shè)置后，汽修人員必須根據(jù)檢測窗口所顯示的具體信息來判斷故障類型，并確定故障發(fā)生點(diǎn)位。在經(jīng)過詳細(xì)判斷后，汽修人員可在右側(cè)操作界面上選擇自己判斷的故障零件，若選擇零件確為故障零件，則系統(tǒng)會發(fā)出正確提示。反之則會發(fā)出錯誤提示。待最終確認(rèn)相應(yīng)的故障零件或故障區(qū)域后，汽修人員便可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修復(fù)處理。此外，若故障發(fā)生區(qū)域?qū)儆陔娐穲D，則必須借助系統(tǒng)內(nèi)部萬用表等虛擬模型來實(shí)施輔助檢測。

3.3 發(fā)動機(jī)故障診斷模擬實(shí)現(xiàn)

3.3.1 怠速抖動故障診斷

a.確認(rèn)故障范圍，主要是將氣門等區(qū)域零件，在設(shè)備運(yùn)行時所引發(fā)汽車故障零件通過軟件系統(tǒng)做成3D動畫。b.將怠速抖動故障診斷操作流程制作成相應(yīng)的圖片PPT文件并逐一對照。c.用動畫方式展示怠速抖動故障診斷與檢測方法，合理運(yùn)用尾氣分析儀、故障診斷儀等設(shè)備確定故障發(fā)生區(qū)域。d.構(gòu)建故障范圍動畫，如某項(xiàng)裝置安裝位置錯誤，則必須將其與正確動畫進(jìn)行對比分析。e.采用氣缸測量儀和壓力表來測試氣缸裝置的密封性，并利用系統(tǒng)功能構(gòu)建設(shè)備檢測動畫。

3.3.2 加速不良故障診斷

a.確認(rèn)故障范圍，主要是將廢氣渦輪增壓等裝置，在設(shè)備運(yùn)行時所引發(fā)汽車故障零件通過軟件系統(tǒng)做成3D動畫。b.將加速不良故障診斷操作流程制作成相應(yīng)的圖片PPT文件并逐一對照。c.合理運(yùn)用系統(tǒng)內(nèi)部故障診斷儀模型來讀取全部故障代碼信息，改變各個節(jié)氣門裝置數(shù)據(jù)流，并采用系統(tǒng)動畫方式對比實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而確認(rèn)故障程英。d.用動畫方式展示加速不良故障診斷與檢測方法，合理運(yùn)用尾氣分析儀、故障診斷儀等設(shè)備確定故障發(fā)生區(qū)域。e.運(yùn)用系統(tǒng)功能構(gòu)建故障區(qū)域動畫，如以動畫形式來表達(dá)節(jié)氣門區(qū)域傳感裝置整體結(jié)構(gòu)、檢修過程及工作原理，同時分析故障發(fā)生時相關(guān)設(shè)備所產(chǎn)生的其他不良現(xiàn)象。

3.3.3 無法啟動故障診斷

a.確認(rèn)故障范圍，主要是將高壓線等裝置，在設(shè)備運(yùn)行時所引發(fā)汽車故障零件通過軟件系統(tǒng)做成3D動畫。b.將全部故障范圍采用仿真技術(shù)進(jìn)行模擬演示。c.將加速不良故障診斷操作流程制作成相應(yīng)的圖片PPT文件并逐一對照。d.運(yùn)用系統(tǒng)功能以動畫方式展現(xiàn)故障診斷儀模型讀取故障碼等全過程。e.采用波形分析儀來調(diào)節(jié)裝置轉(zhuǎn)速，并運(yùn)用系統(tǒng)功能以動畫方式展現(xiàn)多個并列波、平列波與重疊波，并將測試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，合理判斷故障區(qū)域。f.用動畫方式展示無法啟動故障診斷與檢測方法，合理運(yùn)用尾氣分析儀、故障診斷儀等設(shè)備確定故障發(fā)生區(qū)域。g.運(yùn)用系統(tǒng)功能構(gòu)建故障區(qū)域動畫，如以動畫形式來表達(dá)傳感裝置整體結(jié)構(gòu)、檢修過程及工作原理，同時分析曲軸區(qū)域與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感裝置在故障發(fā)生時，相關(guān)設(shè)備所產(chǎn)生的其他不良現(xiàn)象。

3.3.4 排氣異味故障診斷

a.確認(rèn)故障范圍，主要是將排氣系統(tǒng)漏氣或堵塞、氧傳感裝置等，在設(shè)備運(yùn)行時所引發(fā)汽車故障零件通過軟件系統(tǒng)做成3D動畫。b.將全部故障范圍采用仿真技術(shù)進(jìn)行模擬演示。c.將排氣異味故障診斷操作流程制作成相應(yīng)的圖片PPT文件并逐一對照。d.合理調(diào)節(jié)混合氣體濃度，采用尾氣分析儀裝置來測量車輛尾氣，并運(yùn)用系統(tǒng)功能以動畫方式展示。e.用動畫方式展示排氣異味故障診斷與檢測方法，合理運(yùn)用尾氣分析儀、故障診斷儀等設(shè)備確定故障發(fā)生區(qū)域。f.運(yùn)用系統(tǒng)功能構(gòu)建故障區(qū)域動畫，如以動畫形式來表達(dá)氧傳感裝置整體結(jié)構(gòu)、檢修過程及工作原理，同時分析節(jié)氣門傳感裝置在故障發(fā)生時，相關(guān)設(shè)備所產(chǎn)生的其他不良現(xiàn)象。

4 結(jié)語

通過對模擬訓(xùn)練系統(tǒng)框架及基礎(chǔ)功能設(shè)計(jì)，構(gòu)建虛擬化汽車故障診斷模型，并建立多元化仿真實(shí)訓(xùn)場景，使汽修人員在實(shí)訓(xùn)過程中，能夠通過運(yùn)用系統(tǒng)功能，在第一時間內(nèi)掌握故障類型與故障發(fā)生點(diǎn)位，進(jìn)而制定故障解決策略，不斷提升自身的技術(shù)水平。

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作者簡歷：

張珺，男，1971年生，技師，研究方向?yàn)槠噷Ｓ妙悺?/p>