某型航空發動機燃調性能測試臺在線測量改造方案設計

卓偉偉 冶西原

摘要：針對現階段傳統測試臺無數字化接口問題，提出一種基于計算機視覺的航空發動機燃調性能試驗臺在線測量改造方案研究辦法。該方法基于人工智能和傳統機器視覺算法，通過字符識別算法實現對試驗過程數據的采集；自動解析工作卡信息，完成試驗數據結構化錄入，實現數據自動判別、計算、統計分析等功能；實現無紙化操作，試驗數據長期保存可追溯；實現質量數據可及時反饋，從而促進工藝優化與創新設計，最終完成檢測與質量控制過程的科學系統性策劃。

關鍵詞：燃油調節器；性能測試臺；視覺識別；改造

Keywords：fuel regulator；performance test bench；visual identity；reconstruction

0 引言

航空發動機燃油調節器（簡稱燃調）是發動機的重要部件之一，用于向發動機主燃燒室和加力燃燒室供給燃油。一直以來，燃調維修過程中，其性能試驗臺是修后驗證的重要關口。當前使用的燃調性能試驗臺建設早，系統構造復雜，應用大量的管路和數顯、機械儀表，試驗數據需通過操作人員實時手動記錄、統計并提交，易出現人為差錯。如果對其進行整體數字化改造，存在周期不可控、成本費用高、改造引發試驗臺性能下降等風險。

針對工業現場檢測工作數字化、智能化等特點，以提升產品質量為核心，以信息技術、人工智能技術及大數據分析技術為基礎，在不改變原試驗臺基本結構的情況下，通過加裝的改造方式，提供一套基于人工智能和傳統機器視覺算法的智能化數據采集系統。

1 概述

本方案通過加設網絡攝像頭獲取測試臺圖像信息，通過網絡傳輸將圖像傳輸至圖形處理服務器進行圖像識別。系統軟件通過文檔解析技術將工作卡結構化，試驗數據結構可自動填入結構化的電子工卡中。本系統可對試驗結果自動判別、統計，并按要求生成表單；試驗過程數據可全程監控，以規范操作者行為習慣；累積數據可通過大數據分析算法，分析和反饋質量結果。

本系統通過加裝改造的方式實現，適用性強，可對維修現場的數字儀器儀表、傳統指針式儀表以及HIMI屏幕儀器儀表通過圖像識別方式進行數據采集，識別準確率高于人工識別結果，為進一步提高識別準確率，可提供人工—機器識別防差錯比對；支持多樣采集方式，包括自動采集、選項選擇、手工填寫、語音輸入等方式；對各種各樣的工作卡模板皆可進行自動化解析；工步內容可編輯，工步與工步之間還可以建立計算邏輯分組進行試驗，為維修單位大量老舊性能測試設備的數字化改造提供了新的更經濟可靠的解決方案。

2 改造性能指標

數顯式儀器儀表的識別為數字識別，要求識別準確率在99.99%以上。傳統指針式儀器儀表識別，由于拍照角度和估讀會對其數值產生影響，數值本身也存在一定誤差。通過圖像識別技術，將傳統指針式儀器儀表的圖像采集入系統并進行數值結果識別，在識別的數值誤差不超過指針式儀器儀表總量程1.5%的情況下判定為識別正確，要求識別準確率在99.99%以上。在準確識別的基礎上要求識別結果百分之百地錄入系統。

3 改造方案

3.1 軟件系統

軟件基本流程應能夠滿足工卡導入、解析為結構化數據并進行數據采集，采集結果錄入指定位置，將數據按原有格式導出。

軟件分為工藝管理、任務管理、量具管理、人員管理等4個模塊。

工藝管理模塊能夠上傳工卡，解析形成數據，與產品型（件）號關聯。

任務管理模塊包含創建任務、開始檢測、查看以及導出功能。其中，“創建任務”功能會根據上傳的工卡選擇待檢測項，按檢測順序或檢測模塊生成不同的任務，創建任務時，工作令號、附件號、工卡編號手動輸入；“開始檢測”通過人工操作觸發，檢測數據分為兩類，一類為單次檢測，即觸發后檢測當前數據，另一類為持續檢測，即觸發后每隔3s檢測一次當前數據（可在工藝管理模塊中設置檢測總時間），當檢測到超出范圍的數值時即終止當前檢測，同時屏幕上可實時讀取數顯式儀器儀表及指針式儀器儀表顯示的讀數，并對數據進行識別保存并包含預覽功能；“查看”功能可查看本次檢測數據及歷史數據，若檢測結果不在技術要求允許的范圍內，將給出紅色提示，每次檢測結果都有相應的照片作為留存的證據；“導出”功能可以在任務完成后導出檢測完成的電子版工卡。數據采集過程、數據采集結果、數據高亮容錯處理示意圖如圖1、圖2、圖3所示。

量具管理模塊可為試驗臺屏幕進行基礎配置及管理。如設備ID與屏幕ID的配置、圖片位置坐標與對應工卡位置的配置等。

人員管理模塊可進行人員管理，配置人員角色，設置權限。如配置工藝員、檢驗員、驗收員三種角色，每種角色的權限不同，對應可操作功能也不同。

軟件應實現以下功能：

1）實現相關工卡的自動解析和上傳。

2）實現每條檢測規范的多功能采集，包括自動采集、選項選擇、手工填寫、語音輸入等。

3）實現數字式儀器儀表和傳統指針式儀表的數據采集。

4）通過編輯公式，實現檢測結果的自動計算。

5）實現任務創建，根據檢測規范相關性定義檢測任務。

6）實現檢測結果以及對應結果圖片的保存、搜索。

7）實現不合格結果的高亮顯示。

8）實現檢測結果的統計分析。

9）具備排故檢功能：指定某個工卡抽取某些工步進行檢測，導出新的word。

10）全數據檢驗，不區分工人及驗收角色。

11）針對擺陣儀器進行識別時，每一工步可單獨繪制波形圖。

12）防遮擋識別。

3.2 人工智能架構

本方案將采用客戶端/服務器架構，在原有系統中嵌入可觸發后臺程序，用于發送待識別的窗口信息。服務器接收窗口信息并通過人工智能算法計算得出所需的結構化信息。服務器處理程序的基本架構如圖4所示，大致分為三個模塊。數據庫模塊用于存儲定位時所需的必要信息；定位模塊將使用圖像配準與神經網絡技術檢測出所需要的信息；識別模塊將定位模塊得到的結果作為輸入，經由神經網絡計算得到數字結果，此數字結果將與數據庫中的信息標簽組合形成最后的輸出，并進行之后的其他操作，從而實現從圖片中提取結構化信息的目的。

3.3 硬件組網及現場設計

系統中PC端、服務器、語音采集設備、圖像采集設備、控制設備等各個硬件及軟件的通信需要通過組網來實現。

現場設計主要包含LED數顯式儀表臺識別采集改造、發動機擺針測量表識別采集改造、單獨LED數顯儀表識別采集改造。

LED數顯式儀表臺如圖5所示，在墻面上打孔安裝網絡攝像頭，通過網絡攝像頭拍攝LED數顯儀表臺（改造位置示意圖見圖6），對所拍照片采用人工智能識別各LED儀表示數并填入工卡對應位置，完成數據的提取與自動錄入過程。

發動機擺針測量表在試驗過程中會受振動、油氣等環境因素影響，機器視覺識別率會有所下降。通過應用數顯角度尺在發動機擺針扇形圓心處加裝角度檢測裝置，將基座固定于擺針扇形圓心底部。隨動擺件固定于擺針圓心，隨動擺件質量很輕，不會干擾到擺針的正常擺動。發動機擺針擺動時，隨動擺件的角度隨之變化，檢測模塊記錄角度信號，再經過RS485轉USB串口接入電腦，即可在電腦端接收到發動機擺針擺動角度信息，通過加裝角度檢測裝置的方式，將發動機擺針的擺動角度檢測輸出并動態記錄。

單獨LED數顯儀表識別采集改造原理與LED數顯儀表臺類同，考慮環境因素及避免操作過程存在干涉，設計示意圖如圖7所示。

4 結束語

現階段人工智能圖像識別算法、傳統機器視覺算法、物聯網技術、大數據分析算法在工業維修現場的應用已經逐步趨于成熟，采用該類技術實現對老舊試驗臺的數字化改造，相比完全換代數字化設備的改造方式成本低、周期可控，改造過程對生產任務影響較小。但識別采集精度是數字化改造的重要攻關課題，短期內難以實現完全自動化采集，仍需結合人工采用防差錯控制、數據對比等手段來確保數據的準確率。隨著技術的逐步發展，將實現檢測完全過程數字化，減少人為因素，最終促進質量數據的健康化管理、精準化預測及智能化應用，實現提質增效的目標。

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