基于Android的船用柴油机三维维修决策智能终端开发.pdf

第 38 卷 第 2 期Vol.38 No.2北部湾大学学报JOURNAL OF BEIBU GULF UNIVERSITY2023 年 4 月Apr.,2023DOI:10.19703/j.bbgu.2096-7276.2023.02.0016 收稿日期 20220402 基金项目 福建省自然科学基金项目(2020J01687);福建省教育厅科技项目(JAT200279);中国交通教育研究会课题(JTYB20-305)作者简介 翁石光(1964),男,福建莆田人,厦门海洋职业技术学院副教授、高级轮机长,研究方向:船舶轮机动力设备仿真的研究与应用、船舶轮机管理与维护、船舶防污染研究;通信作者:王永坚(1972),男,福建晋江人,集美大学教授、高级轮机长,硕士生导师,研究方向:轮机仿真技术与船舶动力装置智能故障诊断技术,E-mail:wyongjian55 基于 Android 的船用柴油机三维维修决策智能终端开发翁石光1,王永坚2(1.厦门海洋职业技术学院 航海学院,福建 厦门 361012;2.集美大学 轮机工程学院,福建 厦门 361021)摘 要 为解决船用柴油机现场检修过程中与故障设备检修有关的维修信息缺乏、故障诊断辅助手段少、准确率偏差等问题,基于现代移动终端和触摸交互技术,采用 Android 操作系统,综合运用数据库、虚拟现实等现代信息技术,开发具有在检修现场任意查阅船用柴油机主要部件拆检子步骤和整体拆检动态演示功能的三维拆检辅助支持系统;设计具有实时查询与修改功能的备件、物料、工具管理模块;开发基于模糊综合评判法的柴油机故障问题智能决策系统,并将船用柴油机三维维修决策智能系统封装为 APK 文件,用于移动设备上安装使用。关键词 船用柴油机;维修决策;故障诊断;Android;三维 中图分类号 TH137 文献标识码 A 文章编号 20967276(2023)02001606随着船舶轮机设备自动化、智能化程度的不断提高,高效地开展轮机设备维护保养,准确诊断并预测设备的故障隐患,及时排除故障,已成为现代船舶轮机管理追求的目标1。当前,基于现代船舶机舱的设备故障智能化诊断还处于初期开发阶段,自 20 世纪 80 年代以来,国内外船舶轮机研究人员对船用柴油机的维护检修决策的研究已经过了预防检修、故障后维修及可靠性检修等研究过程,但仍无法根据故障现象在现场实时调阅与查询相关检修信息。比较先进的柴油机诊断系统有:Sulzer 公司开发的发动机诊断(SEDS)系统、MAN-B&W 公司开发的 CAPA 专家系统和荷兰WARTSILA 公司开发的柴油机故障避免知识(FAKS)系统等。此外,在基于移动 Android 操作系统的智能终端开发方面,文献2介绍了基于移动设备软件平台 Android 实现移动终端应用程序的开发,文献3介绍 Android 操作系统下应用程序的开发与研究。上述文献为本文基于 An-droid 操作系统开发智能化、现场化的故障诊断维修决策系统提供了很好的借鉴。为解决船用柴油机现场检修过程中与故障设备检修有关的各种维修信息缺乏、诊断准确率偏低以及故障解决措施获取不易等影响柴油机高效维修的实际问题,本文基于现代移动终端和触摸交互技术,将数据库、虚拟现实等技术与船用柴油机维修决策体系进行融合,开展基于 Android 操第 2 期翁石光,王永坚:基于 Android 的船用柴油机三维维修决策智能终端开发作系统的船用柴油机三维维修决策智能终端的研究,以期使用便携式移动终端可实现柴油机检修现场所需各种信息的实时查询、调阅和智能化故障诊断与维修决策管理,这对提高船用柴油机的维修保养质量、实现高效维修具有显著的现实意义。1 系统整体架构及其开发环境1.1 系统整体架构及其功能系统基于 Android 操作系统,采用面向移动终端的 C/S 架构(也可设计成 B/S 架构),搭建基于3DS Max 船用柴油机吊缸及各重要部件虚拟拆检仿真操作模型,用于检修现场柴油机主要部件拆检子步骤的实时查阅、交互仿真操作以及整体拆检过程的动态演示的三维拆检辅助支持系统;设计基于模糊综合评判理论的故障问题智能评判与决策系统,通过输入故障柴油机现场参数信息可自动获取不同权重列表的故障树,用于快速排查故障原因;通过 SQLite 数据库设计实现备件、物料、工具以及检修设备电子说明书的快速查询与信息修改。整个系统由操作展示层、通信业务层和数据访问层构成,具体架构如图 1 所示。图 1 船用柴油机三维维修决策智能终端整体架构(1)操作展示层。该层用于处理数据访问层的各种数据表的解释及其交互页面的展示以及数据的加密和解密,并为不同设备的通信提供公共语言支持。(2)通信业务层。该层是系统的核心部分,处于操作展示层与数据访问层之间,起到承上启下以及数据信息传输的作用,负责业务规则制定、各子系统操作流程实现等操作逻辑关系与信息传输机制的业务管理。(3)数据访问层(支持层)。该层位于系统最底层,用于各子系统数据库信息的存储并接受调阅访问和各种数据表的查询、增删与修改。1.2 系统开发工具及其应用综合运用现代移动终端、触摸交互技术以及数据库、虚拟现实等现代信息技术开展基于 An-droid 操作系统的智能终端设计,开发工具简述如下。Android 平台是一个开放性操作系统,具有跨平台,支持 Windows、Mac OS X 和 Linux 等操作系统的优点2,通过 Java 全功能跨平台编程语言,可完成各种资源和文档的设计,其开发环境以Android SDK(Software Development Kit)和 Eclipse为核心4,应用程序的开发主要使用 Eclipse 开发工具来完成。SQLite 是数据库管理应用最广泛的软件之一,本系统在设计时遵循持久性、隔离性、一致性等原则,通过确定每个功能模块所用数据的字段名、类型以及范围和数据库设计的约束条件开展系统各类型数据库的设计。基于 3D Studio Max 建模软件具有强大的可视化三维虚拟场景建模功能且建模过程较为简单直观的特点,模型几何设计、贴图和材质、灯光设计、场景对象动画设置和场景渲染与优化等过程均可在集成环境下完成,便于开发人员实时查看等优点5,使用其开展船用柴油机虚拟拆检仿真场景的搭建,并通过 Visual Studio 2019 和 C+程序语言设计仿真操作过程的人机交互逻辑和操作步骤顺序。2 系统功能模块设计与实现通过对专业使用人员有关船用柴油机三维维修决策系统常用功能和期望拥有功能的问卷调查71北部湾大学学报第 38 卷收集相关信息,系统设置四大功能模块:登录界面,船用柴油机三维拆检辅助支持系统,物料、备件、工具管理模块以及故障问题维修决策系统。2.1 系统登录界面的设计在 Eclipse 工具的 res 文件夹下创建一个以线性布局(LinerLayout)方式布置的文本视图、按钮控件以及可编辑的文本框控件。屏幕中定义两个可编辑的文本框控件 EditText,分别用来作为用户名和密码的输入框,然后再设置三个文本控件TextView,分别用来作为用户名、密码和错误提示信息的展示区,最后设置一个登录按钮(Button)。输入用户名和密码进入主页面,点击该页面快捷图标便可访问相应的功能界面。登录页面(如图2 所示)的布局设计主要以简洁、可分辨性高为主要特点,以保证该系统能在较低的硬件配置设置上使用,从而拥有较广泛的用户。图 2 船用柴油机三维维修决策智能终端的登录界面2.2 船用柴油机三维拆检辅助支持系统的设计在该系统设计中,三维拆装模块功能是基于DismountingFragment.java、DismountingVideoActivi-ty.java 两个文件实现的。DismountingFragment.java主要是用来加载 dismounting_fragment.xml 布局文件并显示三维拆装主页面,而 DismountingVideoAc-tivity.java 则是用于播放动画,视频播放器的布局文 件,为 dismounting _ video _ activity.xml,使 用VideoView标签来实现对拆装视频的播放。船用柴油机主要部件三维拆检时有二个模块,一是各子步骤实时查阅和仿真操作以及整体拆检过程三维动态演示模块;二是柴油机检修电子说明书查阅模块。基于 Android 操作系统,通过搭建高逼真度、具有人机交互功能的船用柴油机三维拆检仿真模型,便可完成三维拆检各操作子步骤查询和整体拆检过程三维动态演示模块的建立。该模块可用来对柴油机主要部件拆检仿真操作过程中各拆检子步骤的实时调阅查询和仿真操作以及对整体拆检的过程进行三维动态演示,以协助现场维修人员高效地完成拆检任务。通过将柴油机拆检有关的电子说明书和图纸建立数字存档关系,使其具备查询功能,便可进行实时查阅子系统的开发。该子系统可实现检修人员能够实时调阅查询有关柴油机拆检材料的目标。船用柴油机虚拟拆检三维仿真场景通过如下三方面完成设计与建模:(1)场景模型的搭建与渲染。根据母型船机舱副机层实际设备布置以及发电柴油机及其附属系统现场图片和相关技术资料分析,运用 Photo-shop 良好的图片、文字、色彩处理能力以及 3DS Max 高逼真度三维仿真模型的建模优势完成机舱副机层、发电柴油机各组成部件及其附属系统、副机操控及报警系统等虚拟仿真场景的设计与搭建。为提升仿真场景模型逼真度,在 3DS Max 环境下,使用烘焙、灯光投射和抗锯齿功能键完成场景模型逼真度的提升,并将模型数据输出为专用格式(tbd)5;最后,在 3DS Max 环境中加载,通过专用图形渲染工具 TDuExpertor 转换为 3D仿真引擎的专用优化格式6。(2)场景在 3DS Max 环境中构建及优化。通过贴图优化、减少重复贴图与改进贴图方式、几何面优化与合并相近点、相同物体采用引用机制、高倍压缩等途径对模型进行优化7,可获得与网页中使用的 jpeg 图片质量相同级别,数据大小为10 kB1.5 MB 的场景模型。(3)场景对象动画设计与操作逻辑设计。为了便于现场维修人员利用柴油机三维拆检辅助支持系统实时查询各重要部件拆检操作过程(如柴油机吊缸检修、高压油泵和喷油器拆检、缸套更换、进排气阀拆检、主轴承和连杆轴承拆检与更换等),在 3DS Max 环境下对仿真操作对象通过设置动画时间、利用动画工具“自动关键点”和“设置关键点”以及设置拆检顺序关键帧等完成柴油机各拆检项目操作步骤、检修工具选取和使用等操作动画的设计。在此基础上,利用在子系统设置的“柴油机拆装项目编辑模块”,通过配置文件(XML),根据实际操作步骤和顺序完成仿真拆检81第 2 期翁石光,王永坚:基于 Android 的船用柴油机三维维修决策智能终端开发过程操作逻辑的设置。如采用动作命令(变量类型 Step)设置活塞连杆吊装操作、活塞环等易损件更换动作和逻辑等。图 3、图 4 为具有实时查询与交互操作功能的船用柴油机高压油泵和喷油器拆检仿真操作场景。基于上述设计原理,该子系统共设计近 20 项柴油机主要部件拆检仿真操作场景,完成船用柴油机三维拆检辅助支持系统的设计。这些数据文件,封装成 APK 文件后安装在移动设备终端,用于协助检修人员完成船用柴油机现场检修工作。图 3 高压油泵虚拟拆检仿真操作场景图 4 喷油器虚拟拆检仿真操作场景2.3 物料、备件、工具管理模块设计及应用基于 Android 操作系统和 SQLite 数据库强大的数据存储与处理能力,采用 Android SDK、E-clipse 开发工具开发物料、备件、工具管理模块。通过物料界面的增加或者修改功能打开物料详细界面,Android 操作系统会调用 MaterialDetailAc-tivity.java 中的 onCreate()方法进行初始化,包含初始化界面控件以及向数据库查询字典数据,比如物料类别、库位、部门等。当用户编辑该界面字段的时候,点击保存按钮会触发 ButtonOnClickLis-tener 中的 onClick()方法,设置 material 对象的值,并调用 MaterialService 服务中的 saveMaterial()方法进行保存,如果保存成功,则会关闭 material_detail_activity.xml 的界面。运用 SQLite 数据库的编写功能设计用于记录物料、备件、工具信息(中英文名称、编号、规格型号、库存量、制造供应商等)和物料、备件、工具增耗的信息数据表:库位表(t_storage)、清单表(t_material)、类别表(t_ma-terial_type)等。在移动终端交互界面设计方面,根据专业人员的使用习惯和使用偏好将物料、备件、工具管理模块设计为查询页面(material_fragment.xml)、清单显示界面(material_list_item.xml)、增删和修改操作界面(material_detail_activity.xml)以及该模块各数据库业务操作逻辑层(materialDao.java)。该模块使用 Android SDK、Eclipse 等工具开发并且配合使用 SQLite 数据库编写功能从而使得该模块能够实现以下功能:(1)全船物料、备件、工具的实时查询,包括物料、备件、工具库存情况(数量、存放位置、出入库时间等)和增耗情况(增耗量和时间、型号、制造供应商等)的实时查询;(2)自动生成报表,与船舶管理信息库联网,能按 SMS 要求自动生成每月或每季度物料、备件、工具存耗报表;(3)数量存耗预警提示,当全船物料、备件、工具低于法定要求或公司规定数量时,移动终端主页面自动形成报警提示。图 5 为物料、备件、工具增删和修改操作界面。图 5 物料、备件、工具增删和修改操作界面该模块功能还包括可以将各数据表、交互页面设计程序等封装成 APK 文件安装在移动终端,在设备检修现场,检修人员通过触摸交互方式(触屏笔)和一、二级菜单访问方式可实时调阅查询检修过程中所需备件、物料、工具数据库,快速、便捷地查询上述物资的存放位置、数量等信息,指导轮机人员领取和存放。2.4 基于模糊综合评判理论故障维修决策系统的设计2.4.1船用柴油机故障问题综合评判与决策模型的设计与应用为了让轮机管理人员或检修人员在船用柴油91北部湾大学学报第 38 卷机发生故障时快速、准确地通过故障现象查找出故障原因,排除故障隐患,在深入剖析船用四冲程柴油机 30 余种常见故障问题及其表现形式、与之关联的可能原因等的基础上,基于模糊综合评判理论,对运行中柴油机出现的故障问题和现象,通过系统模块设置的模糊评判规则和机制,设计故障问题综合评判与决策模型并存储于 SQLite 数据库。该模型安装于 Android 移动终端,其功用是:在故障现场,轮机管理人员在移动终端点击相应界面,输入现场采集的故障问题及故障现象等信息,可自动获取按不同权重列表的可能的故障原因,引导轮机管理人员快速查找、排除故障问题。现以“船用柴油机单缸排温过高且爆压偏低”的故障问题为例,详细介绍基于模糊综合评判理论的柴油机故障问题综合评判与决策模型的设计过程及在移动终端的应用。表 1 为“船用柴油机单缸排温过高且爆压偏低”故障原因专家评价统计表。表 1“船用柴油机单缸排温过高且爆压偏低”故障原因的专家评价统计表因素集 U评价集 V关联性高关联性较高关联性一般相关联关联性低喷油时间过晚,产生后燃(u1)2(f11)2(f12)2(f13)1(f14)0(f15)喷油器启阀压力低,雾化差(u2)3(f21)2(f22)1(f23)1(f24)0(f25)气缸技术状态差(u3)1(f31)3(f32)3(f33)0(f34)0(f35)进气量不足(u4)3(f41)1(f42)0(f43)3(f44)0(f45)其他(u5)0(f51)0(f52)1(f53)0(f54)6(f55)模糊综合评判法的评判要素包括反映故障原因的评价因素集和反映评判原则的评判集6。(1)因素集和评价集的选择。因素集是指对评价对象进行评价的各方因素的集合。评价集是评价者对评价对象进行考核时做出的各种评价因素的集合。在“船用柴油机单缸排温过高且爆压偏低”的故障案例中,根据柴油机工作原理和工作性能参数进行两方面的选定:一是选定如下 5方面组成该故障问题评价因素集 U=(u1,u2,u3,u4,u5),其中,u1为喷油时间过晚,产生后燃;u2为喷油器启阀压力低,雾化差;u3为气缸技术状态差;u4为进气量不足;u5其他。二是选定如下 5方面组成故障问题评价集 V=(v1,v2,v3,v4,v5),其中,v1表示关联性高;v2表示关联性较高;v3表示关联性一般;v4表示相关联;v5表示关联性低。(2)单因素评价矩阵 R 与权重向量 A 的确定。单因素评价矩阵 R=(rij,rim),rij(i=1,2,n;j=1,2,m)表示某个被评价对象从因素 ui角度对评价 vj等级的隶属度。rij 越大,表明 ui和 vj之间关联越密切6。单因素评价矩阵是以各单因素考核评价集的隶属度为行组成的矩阵:R=r11r12r1mr21r22r2mrn1rn2rnm 。(1)隶属度的确认。本系统通过问卷调查方式,由 7 名评价专家(轮机长)分别针对引起该故障问题及其原因的关联性进行评价,用各因素集获得的票数进行统计,其中 fij(i=1,2,3,4,5;j=1,2,3,4,5)是赞成第 i 项因素 ui(i=1,2,3,4,5)的第 j 种评价 vj(j=1,2,3,4,5)获得的票数,如表1 所示。通过 rij=fij/5j=1fij,其中5j=1fij=7,计算得单因素评价矩阵:R=0.290.280.290.1400.440.290.130.1400.140.430.43000.430.1400.430000.1400.86(喷油时间过晚,产生后燃)(喷油器启阀压力低)(气缸技术状态差)(进气量不足)(其他)(2)02第 2 期翁石光,王永坚:基于 Android 的船用柴油机三维维修决策智能终端开发权重向量 A。权重向量反映各因素的重要程度,由各权重组成权重集 A=(a1,a2,an),另外通过 15 名行业专家问卷调查统计确认:该故障问题各评价单因素权重:A故障1=(0.25,0.15,0.10,0.45,0.05)。(3)综合评判与决策模型。确定单因素评价矩阵 R 和权重向量 A 后,建立综合评判与决策模型:B=AR=(b1,b2,bm)。由式(2)及权重集 A故障1计算得:B故障1=AR=(0.21,0.23,0.12,0.33,0.04),归一化处理得到:B故障1=(0.23,0.25,0.13,0.35,0.04)。据此可以获得不同因素集 ui导致故障问题产生的概率,如进气量不足(u4)导致故障产生的概率为 35%,经故障机的现场拆检验证,该故障是因故障缸进气通道(特别是进气阀)结碳的脏堵严重造成进气量不足引起的,验证了该方法的有效性。本系统其他案例故障问题综合评判与决策模型的搭建与该案例相类似,不再一一赘述。2.4.2 船用柴油机故障智能评价与决策系统的设计与应用该模块以 Android 为交互操作系统,基于SQLite 数据库强大的数据存储与处理能力,在系统中分别设置 30 余种船用柴油机常见故障问题查询与决策子项目,利用 SQLite 数据库管理软件设计相关数据表:故障原因数据表(t_fault_rea-son)、决策结果数据表(t_decision)、故障现象数据表(t_fault)。移动终端交互界面设计方面,采用Android SDK、Eclipse 开发工具和 SQLite 数据库设计相关交互页面并赋予相关功能:决策查询输入页面(DecisionFragment.java)、决策查询结果显示界面(DecsionDetailActivity.java)、决策计算层(Deci-sionDao.java),这些数据封装成 APK 文件后安装在移动终端,在设备检修现场,检修人员通过触摸交互方式(触屏笔),点击“决策”功能键,进入决策查询界面,将现场柴油机出现的故障问题及现象分别输入相应信息栏,决策系统基于系统内部设计的程序和模糊评判原则,计算并按不同权重列表显示可能的故障原因,供检修人员开展故障排查。图 6是“某缸排温过高且爆压偏低”故障问题查询与决策结果。该模块预留有相应的通信接口,可通过现场总线(CAN)与柴油机监测与报警系统连接,自动采集相关监测参数并给出可能故障原因的决策信息,引导检修人员进行故障排查。图 6“某缸排温过高且爆压偏低”故障问题查询与决策结果3 系统的应用为测试整个系统各组成模块实际运行的有效性、实用性和便捷性,在笔者工作单位共建船公司所属船舶的 3 台发电柴油机上进行系统功能测试与实际应用,将系统各组成模块数据库、交互界面、程序编辑信息等数据封装为 APK 文件,装于ipad4 移动终端,应用于上述 3 台发电柴油机(wrtsil 6L20)的维护保养检修过程,在一年多的机舱检修现场使用中,通过该移动终端,轮机员在发电柴油机吊缸及缸盖拆检等检修过程中可便捷地在三维仿真场景内查阅各拆检步骤,也可在吊缸等检修前使用该终端在仿真场景内查看该机型吊缸检修全过程,对提高柴油机吊缸等检修效率和质量有很大的帮助;在故障问题查询决策方面,在故障现场,轮机员多次通过该系统可快速诊断并排除故障问题;物料、备件、工具可在检修现场实时查询调阅,上述功能均获得轮机员的一致好评,也验证了系统的有效性和实用性。4 结语为了让轮机检修人员在船用柴油机维修现场便捷、高效地查询与故障设备相关的各种检修信息,基于现代移动终端和触摸交互技术,将虚拟现实、数据库等现代信息技术与船舶轮机设备维护保养体系相融合开展研究。系统的开发为现代船舶轮机设备高效维修保养提供了实用、便捷的方法和辅助工具,为建立现代船舶轮机设备故障诊断和维修决策体系提供了技术参考和有益的借鉴。(下转第 27 页)12第 2 期刘立新,赵晓非,王爱荣,等:基于直接接触膜蒸馏脱盐过程传质传热的综合实验设计6 DING Z W,MA R Y,FANE A G.A new model for mass transfer in direct contact membrane 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