基于虛擬仿真的機載電子系統教學素材庫設計

陳玖圣 張曉瑜 郭潤夏

摘要：分析了當前民航航空電子系統理論和實踐教學的發展趨勢和現狀，提出了基于虛擬仿真技術的機載電子系統教學素材庫建設思路。系統仿真機載電子組件在不同外部環境和電源條件下的具有精確的時間響應的正常和異常操作，滿足飛機電子系統認知、原理分析和飛機正常和異常操作等不同層次的教學需求，同時虛擬仿真教學素材庫系統大大降低了培訓成本，為提升機載電子系統的專業教學水平提供有效的技術支撐。

關鍵詞：素材庫；計算機輔助教學；航空電子；虛擬仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）29-0080-02

一、引言

目前，民航機務人員培訓包括理論培訓、實踐培訓、在崗培訓，理論培訓采用課堂教學方式，實踐培訓在模擬維修環境進行模擬維修操作培訓，而在崗培訓是在飛機維修現場進行，但是由于維修成本以及維修安全的要求，學員在崗培訓過程中大部分都是以參觀的形式進行的，因此在培訓結束后，學員對飛機結構、操作以及工作過程了解甚少。為了提高培訓效果，減少培訓成本，在理論培訓過程中引入虛擬維修，將實踐培訓與在崗培訓過程中部分內容轉移到虛擬操作中。隨著虛擬現實技術的蓬勃發展和廣泛應用，民航機務人員的培訓轉入以模擬機輔助教學為主的模式，利用虛擬現實技術將需要在維修現場進行的維護訓練操作轉入虛擬維修系統，大大降低培訓成本，避免培訓過程中出現工作失誤，提高飛行安全。當前世界的虛擬維修模擬器主要有美國Aerosim Mechtronix、加拿大CAE以及法國Faros三家公司，虛擬維修系統涵蓋機載系統，按照空客公司和波音公司的數據包提供的系統設計文檔進行仿真建模。但是，這些虛擬維修系統的采購與維護等成本巨大，不適用于教學過程中。本文提出的機載電子系統教學素材庫以民航行業需求為導向，分析目前主流機型（例如B737NG、A320等）的機載電子系統邏輯，基于虛擬仿真技術實現機載系統原理、基本操作等內容，能夠應用于課堂教學過程中，同時適用于課外自學機載系統的相關知識，方式靈活，大大降低了維修模擬機的教學成本。

二、民航維修培訓關于機載電子系統內容的需求分析

機載電子系統的教學內容的制訂應以民航行業需求為導向，以民航規章要求的專業知識為著眼點，以培養應用型人才為目標，在適度的基礎知識和理論體系覆蓋下延伸工程技術應用的內容和關鍵點。因此機載電子系統教學素材庫建設內容設計過程中需要注重理論的應用，引入專業基礎課程理論，實現專業課程與基礎課程的縱向鏈接，達到理論和實踐統一。

（一）基于民航法規的機載電子系統培訓需求

民航作為國際性運營行業，從機載電子設備的設計到機載電子設備的報廢整個生命周期都必須滿足國際通用標準，作為機載電子設備使用和維護者的培養也不例外。在機務維護領域，所有維護工作必須遵從飛機注冊國的民航規章與標準，我國范圍內的飛機維護人員資質要符合CCAR-66部的要求，民航培訓機構在培養機務維護人員時要滿足CCAR-147部的要求，這些民航規章的制定必須遵從國際規范ATA-100。因此，機載電子系統素材庫的建設內容，必須符合CCAR-66部、CCAR-147部和ATA-100規范的內容要求。綜合各民航規章總結民航飛機的機載電子系統主要包括：通信與監視系統、導航系統、飛行管理與自動飛行控制系統以及機載維護系統，如圖1所示。

（二）機載電子系統教學素材庫內容設計

通過分析機載電子系統的組成、工作原理、操作邏輯等內容，總結任何電子系統都是由輸入輸出接口、電源管理、核心計算機等部分組成，如圖2所示。

輸入接口實現模擬信號、數字信號、離散信號等輸入，包括來自導航系統以及通信系統的無線電模擬信號、來自飛行控制系統控制機構的離散信號、來自控制面板的數字信號等內容。

輸出接口以燈光、音頻、數字顯示等方式將機載電子系統參數、狀態等內容呈現至機組人員，包括控制面板的各種狀態燈、飛機各站位的聲音提示以及駕駛艙電子飛行儀表系統的顯示等內容。

電源管理實現仿真電子組件電源供應以及系統通電邏輯，實現各種電源供應狀態的仿真。

計算機是機載電子系統的核心組件，在通電正常情況下，根據輸入接口的信號，生成輸出信號，其中包括正常信號處理、故障處理以及自測試邏輯。

三、基于虛擬仿真技術的教學素材庫設計

（一）虛擬仿真對象建模

虛擬維修仿真對象建模主要包括幾何建模和物理建模兩個部分。

1.幾何建模。首先通過3dmax、Creator、AC3D等三維視景建模軟件構建機載系統各組件的外觀，在設計與實現中按照機載系統實際尺寸進行構建，實現三維的幾何模型，然后通過OpenSceneGraph系統實現幾何模型渲染，該系統支持VRML2，AC3D，DXF等不同3D文件格式，使呈現出的模型與實際機載系統各組件外觀相近，達到真實感官效應。

2.物理建模。物理建模準確反映機載電子組件的物理運行狀態和物理特征，仿真機載電子組件在不同外部環境和電源條件下的正常和異常操作。機載電子組件功能復雜多樣，依賴的物理原理也各不相同，需要根據實際研究對象建立相應的組件仿真模型，利用數值方法來進行模擬計算。通過分析機載電子組件，分別從組件輸入輸出接口、電源接口、故障處理邏輯接口、自測試邏輯接口、音頻警告接口和系統功能接口等幾部分進行物理建模，實現真實飛機環境中機載電子系統運行狀態的復現。

（二）三維虛擬場景生成

基于虛擬仿真的機載電子系統教學素材庫系統采用一臺計算機、一個顯示器、音箱等組成，通過計算機圖形技術仿真駕駛艙的儀表系統顯示、各控制面板的模擬操作、電源跳開關的閉合狀態、頭頂面板操作與燈光顯示燈內容。（1）計算機是系統控制中心，包含幾何模型、物理模型、系統工作邏輯等內容的仿真以及信號源的模擬，計算機對模擬信號源以及來自于其他系統的模擬輸入進行處理，生成輸出信號，分別與其他系統接口、顯示輸出、音頻輸出等相連；（2）顯示器實現駕駛艙各儀表板顯示以及控制面板、電源面板的操作，顯示器所呈現的儀表、控制面板等按照實際機載系統的位置進行仿真，使學生能夠直觀了解駕駛艙儀表、系統操作等相關內容。

四、結語

基于虛擬仿真技術的機載電子系統教學素材庫系統呈現出以下特點：

1.系統能夠直觀呈現機載電子系統的顯示、布局以及操作，課堂教學過程中能夠為學生展示實際機載系統的相關內容，學習效果較好。

2.占用場地較小，解決了實習場地不足的問題。仿真系統采用一臺電腦與一個顯示器組成，比傳統的維護訓練器的體積大大減小。

3.維修成本很低。由于采用了仿真技術，實際維護過程中僅需要解決軟件的bug以及部分硬件出現的問題，相對比維護訓練器維修成本大大降低。

參考文獻：

[1]李妍，崔永利.仿真技術在實踐教學中的應用與研究[J].信息技術，2006，（11）.

[2]王晨.高校教學素材庫建設探討[J].教育與職業，2014，（12）.

[3]吳學敏.高職共享型專業教學資源庫建設的探索[J].中國高等教育，2010，（21）.

[4]張煜.航空器維護訓器練器在飛機維修工作的應用[J].航空維修與工程，2009，（5）.

[5]王文舉，李光耀.虛擬維修仿真技術的研究與進展[J].系統仿真學報，2011，（9）.