飛機(jī)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)開發(fā)

陳 聰， 金 洋， 王 軒， 孫一蕾

(1. 中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300；2. 北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100621)

飛機(jī)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)開發(fā)

陳 聰1， 金 洋1， 王 軒1， 孫一蕾2

(1. 中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300；2. 北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100621)

為使學(xué)生充分了解完整維修過程及其在飛機(jī)系統(tǒng)上的應(yīng)用，針對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源有限而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容單一、學(xué)生參與性不足以及虛擬維修實(shí)驗(yàn)室利用率低等問題，開發(fā)了一套虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。采用Matlab/Simulink軟件建立B737和A320飛機(jī)常用系統(tǒng)模型，LabVIEW軟件建立飛機(jī)控制指示儀表板，SQL server數(shù)據(jù)庫(kù)建立維修技術(shù)手冊(cè)等資料庫(kù)，以Authorware或flash制作多媒體動(dòng)畫演示系統(tǒng)工作原理，采用C#搭建用戶界面建立實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，開發(fā)的飛機(jī)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)既可滿足現(xiàn)代飛機(jī)維護(hù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的需求，又可為解決工程問題提供支持。

飛機(jī)系統(tǒng)； 虛擬維修； 實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)； Simulink； LabVIEW

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)代替真實(shí)場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)不僅成為可能，而且成為日益緊迫的需求[1]。為使學(xué)生充分理解完整維修過程并結(jié)合飛機(jī)主要系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，利用虛擬仿真技術(shù)建立實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)順應(yīng)教育信息化的發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)實(shí)需要，必將對(duì)高等教育質(zhì)量的提升和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的深化，產(chǎn)生積極而重要的影響[2]。

針對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源限制而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容單一、學(xué)生參與性不足以及虛擬維修實(shí)驗(yàn)室利用率低等問題，開發(fā)了一套虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。將理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)完整有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，是民用航空卓越工程師教育計(jì)劃的一次合理探索與有益嘗試[3-4]。

1 平臺(tái)建設(shè)方案[5-8]

建立的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)在飛機(jī)主要系統(tǒng)的控制、指示和排故過程實(shí)現(xiàn)完整的閉環(huán)過程。其基本功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本功能圖

平臺(tái)基本功能包括顯示、控制、維修等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)完整的虛擬維修流程。主要采用Matlab軟件中的Simulink模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(shù)據(jù)庫(kù)[9]建立相關(guān)機(jī)型AMM(Aircraft Maintenance Manual)手冊(cè)等技術(shù)資料庫(kù)，對(duì)于系統(tǒng)工作原理以Authorware或flash制作多媒體動(dòng)畫進(jìn)行展示[10]，最后采用C#搭建用戶界面建立實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)[11]。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原理-系統(tǒng)顯示-系統(tǒng)控制的各個(gè)模塊功能[12-14]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

整個(gè)虛擬維修平臺(tái)在參考波音、空客飛機(jī)機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)的組成[4]后，合理規(guī)劃平臺(tái)建設(shè)方案，設(shè)計(jì)擁有系統(tǒng)原理演示、控制面板仿真、維護(hù)手冊(cè)查詢以及維護(hù)訓(xùn)練等四大功能，并著力解決了C#編程語(yǔ)言與其他不同軟件的接口技術(shù)與數(shù)據(jù)通訊功能。

針對(duì)平臺(tái)的核心功能模塊——維護(hù)訓(xùn)練，以LabVIEW開發(fā)控制指示面板，利用Matlab強(qiáng)大的運(yùn)算能力，將LabVIEW采集的數(shù)據(jù)或者前面板中用戶自定義的初始值送到Matlab中進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理，最后再送達(dá)LabVIEW進(jìn)行輸出或顯示[15]。利用Matlab中的Simulink模塊進(jìn)行系統(tǒng)仿真建模，以控制系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)，用數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際的控制系統(tǒng)[16-17]。LabVIEW與Matlab混合編程, 能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì), 開發(fā)功能強(qiáng)大的智能化虛擬儀器，在工程測(cè)試與控制應(yīng)用中具有非常實(shí)用的價(jià)值。混合編程的關(guān)鍵是對(duì)LabVIEW與Matlab的數(shù)據(jù)通信，在本實(shí)踐平臺(tái)中，采用sit技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并將混合編程的模型包生成可執(zhí)行文件.exe，方便平臺(tái)調(diào)用。平臺(tái)內(nèi)容依據(jù)B737和A320飛機(jī)的主要系統(tǒng)建立(見圖3)。

圖3 平臺(tái)內(nèi)容組成圖

2 平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 手冊(cè)查詢功能

得益于.net平臺(tái)優(yōu)異的兼容性，在飛機(jī)技術(shù)手冊(cè)查詢界面成功調(diào)用FoxitReader Control控件，可內(nèi)嵌到Windows窗體應(yīng)用程序中的.com組件，通過三重C#控件ListBox逐級(jí)選擇想要查詢?yōu)g覽的機(jī)型、手冊(cè)、章節(jié)而定位到最終的章節(jié)。同時(shí)FoxitReader Control控件提供有PDF文件內(nèi)目錄定位，通過該功能可以繼續(xù)定位下級(jí)的節(jié)、目，直接查看需要使用的內(nèi)容，十分方便快捷。另外平臺(tái)為后續(xù)完善預(yù)留了FIM、SRM、IPC、WDM等手冊(cè)的接口，隨時(shí)可以將內(nèi)容加載到平臺(tái)上使用。手冊(cè)查詢界面如圖4所示。

圖4 機(jī)型手冊(cè)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(qiáng)大的LabVIEW軟件進(jìn)行制作。但由于飛機(jī)儀表板顯示的特殊性，無(wú)合適的功能控件可以直接選用。根據(jù)主顯示面板的顯示需求，采用雷達(dá)圖配合圖片函數(shù)設(shè)計(jì)完成，以發(fā)動(dòng)機(jī)信息為例，主操控界面采用條件結(jié)構(gòu)，布爾函數(shù)等功能設(shè)計(jì)[8]。

采用雷達(dá)圖顯示控件是利用編程將真實(shí)的面板顯示內(nèi)容繪制在雷達(dá)圖指定的坐標(biāo)位置上，利用顯示控件顯示，以圖片類型連接數(shù)據(jù)，采用了圖片函數(shù)的繪制圖形功能，分別設(shè)計(jì)并利用條件結(jié)構(gòu)或while循環(huán)等連接雷達(dá)圖的各部分。圖5所示為雷達(dá)圖設(shè)計(jì)的一小部分。顯示效果如圖6所示。

圖5 雷達(dá)圖設(shè)計(jì)

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)信息顯示界面

本實(shí)踐平臺(tái)，選擇民航主力機(jī)型B737和A320，建立各主要系統(tǒng)的仿真面板。之后將各仿真面板.vi文件設(shè)計(jì)制作后，生成各自仿真面板.exe文件，為其分別創(chuàng)建項(xiàng)目，然后在項(xiàng)目瀏覽器的程序生成規(guī)范，最后在C#中進(jìn)行調(diào)用。

2.3 系統(tǒng)原理演示

在系統(tǒng)原理演示界面成功地使用了Windows Media Player的內(nèi)嵌式調(diào)用來(lái)播放原理演示視頻資源庫(kù)中的系統(tǒng)原理演示視頻文件。通過點(diǎn)擊界面左側(cè)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(hù)訓(xùn)練

維護(hù)訓(xùn)練模塊是本實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的核心功能，是根據(jù)實(shí)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(shè)定顯示故障信息或者設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，通過sit接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給Simulink模塊進(jìn)行計(jì)算，數(shù)據(jù)運(yùn)算后再顯示到系統(tǒng)面板上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障顯示的駕駛艙效應(yīng)，最終再根據(jù)故障現(xiàn)象查閱相關(guān)技術(shù)文件進(jìn)行模擬維修，實(shí)現(xiàn)完整維修流程。

圖7 系統(tǒng)原理演示界面

圖8 維修流程圖

以發(fā)動(dòng)機(jī)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(jù)飛機(jī)實(shí)際運(yùn)行的QAR數(shù)據(jù)計(jì)算得到的燃油流量FF(FuelFlow)實(shí)時(shí)變化的曲線及燃油在油箱中的消耗情況。當(dāng)燃油系統(tǒng)出現(xiàn)LOW、IMBL或CONFIG等其他故障信息時(shí)，顯示在系統(tǒng)顯示面板上，另外通過故障診斷界面可以進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)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(jié) 語(yǔ)

開發(fā)的飛機(jī)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)較好地展示了B737、A320等常見機(jī)型各系統(tǒng)的工作原理、駕駛艙指示與控制，實(shí)現(xiàn)維護(hù)技術(shù)資料查看、系統(tǒng)原理演示、駕駛艙查看、系統(tǒng)故障模式設(shè)置及維護(hù)訓(xùn)練等功能。相比較于傳統(tǒng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)有很大優(yōu)勢(shì)，機(jī)務(wù)培訓(xùn)內(nèi)容豐富，可擴(kuò)展性好，成本低，易推廣。既可滿足飛機(jī)維護(hù)專業(yè)相關(guān)實(shí)踐教學(xué)需求，又可為解決工程問題提供支持。

[1] 陳尹力，彭詩(shī)力. 智能虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究——以計(jì)算機(jī)組裝維修課程為例[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(7)：77-83.

[2] 王衛(wèi)國(guó).虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(12)：5-8.

[3] 李 平，毛昌杰，徐 進(jìn).開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè) 提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(11)：5-8.

[4] 張臣文.基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(3)：260-263.

[5] 王少萍.大型飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)預(yù)測(cè)與健康管理關(guān)鍵技術(shù)[J].航空學(xué)報(bào)，2014，35(6)：1459-1472.

[6] Liang Tang，Michael Roemer，Sudarshan Bharadwaj. An integrated health assessment and fault contingency management system for aircraft[C]//AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit 18-21 August 2008, Honolulu, Hawaii: 2008.

[7] 劉鋇鋇,田 凌,楊宇航.航空虛擬維修系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2012，18(1)：47-57.

[8] 楊徐晗，徐國(guó)標(biāo).虛擬維修技術(shù)在民航中的應(yīng)用初探[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(5)：159-163.

[9] 閆 旭.淺談SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)和基本功能[J].價(jià)值工程，2012(22)：229-231.

[10] 陳 聰，金 洋，鄭 韜. 基于AIRMAN的輔助教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)及其在機(jī)務(wù)工程教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技視界，2016(13):101-102.

[11] 王 坤，胡賢月，葛雅靜. 空客A320航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)開發(fā)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33(3)：112-116

[12] 陳學(xué)軍，徐明銘. 基于虛擬儀器的綜合實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33(10)：250-253.

[13] 樊智勇，王 娟，王 勇. 多功能飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練器的建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(5)：182-184.

[14] 許 謹(jǐn). 面向航空的自動(dòng)化專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)探討[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33(5)：17-20.

[15] 陳 聰. LabVIEW在飛機(jī)系統(tǒng)課程多媒體教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012(30)：174-176.

[16] 胡佑蘭，彭天好, 朱劉英. Matlab和LabVIEW混合編程及在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 機(jī)床與液壓，2009，37(10)：209-212.

[17] 哀 微，盧明陽(yáng).基于LabVIEW和Simulik的過程控制工程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(6)：65-69.

[18] Hao Long, Xinmin Wang. Aircraft fuel system diagnostic fault detection through expert system[C]//Proceedings of the 7th World Congress on Intelligent Control and Automation，Chongqing, China: June 25-27, 2008.

[19] 胡大斌，胡錦暉，吳 峰.基于組態(tài)王與Matlab的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2005，29(2)：234-237.

[20] 劉 婧．基于飛行數(shù)據(jù)分析的飛機(jī)燃油估計(jì)模型[D]．南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

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(yè)務(wù)費(fèi)中國(guó)民航大學(xué)專項(xiàng)(3122014D019)；中國(guó)民航大學(xué)教育教學(xué)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?yàn)楹娇站S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