飛機系統虛擬仿真實踐教學平臺開發

陳 聰， 金 洋， 王 軒， 孫一蕾

(1. 中國民航大學 航空工程學院，天津 300300；2. 北京飛機維修工程有限公司，北京 100621)

飛機系統虛擬仿真實踐教學平臺開發

陳 聰1， 金 洋1， 王 軒1， 孫一蕾2

(1. 中國民航大學 航空工程學院，天津 300300；2. 北京飛機維修工程有限公司，北京 100621)

為使學生充分了解完整維修過程及其在飛機系統上的應用，針對現有飛機系統實驗教學資源有限而導致的實驗教學內容單一、學生參與性不足以及虛擬維修實驗室利用率低等問題，開發了一套虛擬仿真實踐教學平臺。采用Matlab/Simulink軟件建立B737和A320飛機常用系統模型，LabVIEW軟件建立飛機控制指示儀表板，SQL server數據庫建立維修技術手冊等資料庫，以Authorware或flash制作多媒體動畫演示系統工作原理，采用C#搭建用戶界面建立實踐教學平臺，開發的飛機系統虛擬仿真實踐教學平臺既可滿足現代飛機維護專業實踐教學的需求，又可為解決工程問題提供支持。

飛機系統； 虛擬維修； 實踐教學平臺； Simulink； LabVIEW

0 引 言

虛擬現實技術代替真實場景的實驗不僅成為可能，而且成為日益緊迫的需求[1]。為使學生充分理解完整維修過程并結合飛機主要系統進行應用，利用虛擬仿真技術建立實踐教學平臺順應教育信息化的發展趨勢和現實需要，必將對高等教育質量的提升和實驗教學改革的深化，產生積極而重要的影響[2]。

針對現有飛機系統實驗教學資源限制而導致的實驗教學內容單一、學生參與性不足以及虛擬維修實驗室利用率低等問題，開發了一套虛擬仿真實踐教學平臺。將理論教學與實踐環節完整有機地結合起來，是民用航空卓越工程師教育計劃的一次合理探索與有益嘗試[3-4]。

1 平臺建設方案[5-8]

建立的虛擬仿真實踐教學平臺在飛機主要系統的控制、指示和排故過程實現完整的閉環過程。其基本功能如圖1所示。

圖1 系統基本功能圖

平臺基本功能包括顯示、控制、維修等環節，實現完整的虛擬維修流程。主要采用Matlab軟件中的Simulink模塊對系統進行建模，以LabVIEW軟件模擬儀表板的警告及指示信息。通過SQL server數據庫[9]建立相關機型AMM(Aircraft Maintenance Manual)手冊等技術資料庫，對于系統工作原理以Authorware或flash制作多媒體動畫進行展示[10]，最后采用C#搭建用戶界面建立實踐教學平臺[11]。為實現系統原理-系統顯示-系統控制的各個模塊功能[12-14]，系統結構框架設計如圖2所示。

圖2 系統結構框架圖

整個虛擬維修平臺在參考波音、空客飛機機載維護系統的組成[4]后，合理規劃平臺建設方案，設計擁有系統原理演示、控制面板仿真、維護手冊查詢以及維護訓練等四大功能，并著力解決了C#編程語言與其他不同軟件的接口技術與數據通訊功能。

針對平臺的核心功能模塊——維護訓練，以LabVIEW開發控制指示面板，利用Matlab強大的運算能力，將LabVIEW采集的數據或者前面板中用戶自定義的初始值送到Matlab中進行相應的運算處理，最后再送達LabVIEW進行輸出或顯示[15]。利用Matlab中的Simulink模塊進行系統仿真建模，以控制系統的模型為基礎，用數學模型代替實際的控制系統[16-17]。LabVIEW與Matlab混合編程, 能充分發揮兩者的優勢, 開發功能強大的智能化虛擬儀器，在工程測試與控制應用中具有非常實用的價值。混合編程的關鍵是對LabVIEW與Matlab的數據通信，在本實踐平臺中，采用sit技術實現，并將混合編程的模型包生成可執行文件.exe，方便平臺調用。平臺內容依據B737和A320飛機的主要系統建立(見圖3)。

圖3 平臺內容組成圖

2 平臺功能實現

2.1 手冊查詢功能

得益于.net平臺優異的兼容性，在飛機技術手冊查詢界面成功調用FoxitReader Control控件，可內嵌到Windows窗體應用程序中的.com組件，通過三重C#控件ListBox逐級選擇想要查詢瀏覽的機型、手冊、章節而定位到最終的章節。同時FoxitReader Control控件提供有PDF文件內目錄定位，通過該功能可以繼續定位下級的節、目，直接查看需要使用的內容，十分方便快捷。另外平臺為后續完善預留了FIM、SRM、IPC、WDM等手冊的接口，隨時可以將內容加載到平臺上使用。手冊查詢界面如圖4所示。

圖4 機型手冊查詢界面

2.2 面板仿真

控制面板仿真界面采用儀表功能強大的LabVIEW軟件進行制作。但由于飛機儀表板顯示的特殊性，無合適的功能控件可以直接選用。根據主顯示面板的顯示需求，采用雷達圖配合圖片函數設計完成，以發動機信息為例，主操控界面采用條件結構，布爾函數等功能設計[8]。

采用雷達圖顯示控件是利用編程將真實的面板顯示內容繪制在雷達圖指定的坐標位置上，利用顯示控件顯示，以圖片類型連接數據，采用了圖片函數的繪制圖形功能，分別設計并利用條件結構或while循環等連接雷達圖的各部分。圖5所示為雷達圖設計的一小部分。顯示效果如圖6所示。

圖5 雷達圖設計

圖6 發動機信息顯示界面

本實踐平臺，選擇民航主力機型B737和A320，建立各主要系統的仿真面板。之后將各仿真面板.vi文件設計制作后，生成各自仿真面板.exe文件，為其分別創建項目，然后在項目瀏覽器的程序生成規范，最后在C#中進行調用。

2.3 系統原理演示

在系統原理演示界面成功地使用了Windows Media Player的內嵌式調用來播放原理演示視頻資源庫中的系統原理演示視頻文件。通過點擊界面左側不同的鏈接，即可在Windows Media Player控件中播放不同的演示文件(見圖7)。

2.4 維護訓練

維護訓練模塊是本實踐教學平臺的核心功能，是根據實際排故流程分析建立的，維修流程見圖8。

在模擬過程中，通過LabVIEW面板設定顯示故障信息或者設定系統參數，通過sit接口將數據發送給Simulink模塊進行計算，數據運算后再顯示到系統面板上，實現系統故障顯示的駕駛艙效應，最終再根據故障現象查閱相關技術文件進行模擬維修，實現完整維修流程。

圖7 系統原理演示界面

圖8 維修流程圖

以發動機燃油流量為例[18-20]，軟件仿真效果如圖9、10所示，可切換控制觀察面板，觀察到依據飛機實際運行的QAR數據計算得到的燃油流量FF(FuelFlow)實時變化的曲線及燃油在油箱中的消耗情況。當燃油系統出現LOW、IMBL或CONFIG等其他故障信息時，顯示在系統顯示面板上，另外通過故障診斷界面可以進行相應技術文件的查找和閱讀。

圖9 燃油流量曲線

圖10 故障診斷界面

3 結 語

開發的飛機系統虛擬仿真實踐教學平臺較好地展示了B737、A320等常見機型各系統的工作原理、駕駛艙指示與控制，實現維護技術資料查看、系統原理演示、駕駛艙查看、系統故障模式設置及維護訓練等功能。相比較于傳統的實踐環節有很大優勢，機務培訓內容豐富，可擴展性好，成本低，易推廣。既可滿足飛機維護專業相關實踐教學需求，又可為解決工程問題提供支持。

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Development of Virtual Maintenance Simulation Platform for Airplane Systems

CHENCong1,JINYang1,WANGXuan1,SUNYilei2

(1.College of Aeronautical Engineering, Civil Aviation University of China,Tianjin 300300, China; 2.Aircraft Maintenance and Engineering Corporation, Beijing 100621, China)

For the complete presentation of maintenance process and the application on aircraft systems, aimed at limited resource of aircraft system experiment teaching，dull practice teaching content and low rate of virtual maintenance laboratory use，we developed a virtual simulation practice teaching platform. Platform functions were designed detailedly, common system models of B737 and A320 airplane were built by Matlab/Simulink， aircraft control indicator panels were built by LabVIEW， technical manuals and other database were established by SQL Server， system working principle demonstration was made by Authorware or Flash, user platform was built by C# for the establishment of the practice teaching platform. The development of aircraft system virtual simulation practice teaching platform can meet the modern aircraft maintenance needs of professional practice teaching, and provide support to solve engineering problems.

airplane system; virtual maintenance； practical teaching platform； Simulink； LabVIEW

2016-08-28

中央高校基本科研業務費中國民航大學專項(3122014D019)；中國民航大學教育教學研究課題(CAUC-ETRN-2015-07)

陳 聰(1982-)，女，遼寧鞍山人，碩士，講師，主要研究方向為航空維修與故障診斷、虛擬維修與仿真。

Tel.：13920424881；E-mail：conger_1982@sina.com.cn

TP 271.4

A

1006-7167(2017)04-0084-04