基于半實物仿真的航空電子裝備維護訓練系統設計

■ 陳鴻 李進杰 王煒珽/海軍航空工學院青島校區

近年來,新型航空電子裝備不斷裝備部隊,給維護訓練帶來了諸多難題,如新設備復雜昂貴、缺乏培訓實裝等,為了解決上述問題,目前國內外廣泛采用仿真維護訓練手段。本文提出了一種基于半實物仿真的航空電子裝備地勤維護訓練系統構架,詳細介紹了其軟硬件組成和實現途徑,能夠為各具體型號航空電子裝備地勤維護訓練系統的設計和實現提供有益參考。

1 地勤維護訓練系統功能設計

該系統具體功能如下：

1） 拆卸安裝訓練,具備與實裝相同的外型尺寸、安裝方式和電纜連接關系,具有真實的拆卸和安裝手感。用于訓練維護人員使用工具和掌握技能的正確性和熟練度。

2） 通電檢查訓練,能夠對仿真裝備進行機上通電檢查,能模擬機上的顯示控制,響應仿真裝備的上電、自檢、功能檢查等操作,給出相應顯示結果。用于訓練維護人員機上通電操作技能和外場反應能力。

3） 功能檢查訓練,能夠對仿真裝備進行地面功能檢查,通過對配套地面保障設備的半實物仿真, 能夠向仿真裝備發出模擬信號,使其完成對應功能,如通信、探測、干擾等功能。用于訓練維護人員操作使用地面保障設備進行裝備功能檢查的能力。

4） 故障排除訓練,能夠在仿真裝備內及連接電纜上設置故障,模擬包括器件故障、線路通斷、性能下降等多種實際工作中常遇到的典型故障,用于訓練維護人員故障分析和排除能力。

5） 訓練效果評估,訓練開始后能自動采集訓練過程中的學員操作,發現其中的錯誤操作,訓練結束后自動完成訓練成績的評定。

2 系統硬件實現

整個維修訓練系統可分為五大組成部分：半實物仿真裝備、半實物機上顯控單元、半實物地面檢測設備、信息采集與控制單元、導調與訓練效果評估平臺,系統組成如圖1所示。

2.1 半實物仿真裝備

半實物仿真裝備采用1：1比例,從硬件上真實再現實裝各外場可更換單元（LRU）的外觀、接口、連接以及機上固定方式,作為訓練時進行外部檢查、內部檢查、安裝拆卸等實踐動手科目的訓練平臺。同時,半實物仿真裝備內部還根據裝備功能、故障設置等要求設計了相應的電路。

1） 信號仿真電路

信號可以說是航空電子裝備的靈魂。仿真實裝是否逼真,是否具有可操作性,除了要求仿真其外形外,更重要的是如何模擬實裝內部的各種信號。這些信號包括射頻信號、控制信號、供電信號等。在一定制作成本下,可以采用低頻代替射頻,低壓代替高壓等方法建立仿真裝備的信號功能電路。為了保證半實物裝備仿真的逼真度,所有電路的走線均同實裝一致。

2） 故障設置電路

用于對LRU的工作狀態進行設置,一般可采用程控繼電器組或者手動開關組構成故障設置電路,在仿真信號電路上設置繼電器組或開關組,通過通斷來實現LRU內部工作狀態的模擬,如故障、良好、性能下降等。

圖1 維護訓練系統硬件組成

2.2 信息采集與控制單元

信息采集與控制單元是整個系統的神經中樞,是半實物仿真裝備與半實物座艙、半實物地面檢測設備實現信息交聯的關鍵單元。從實現上應滿足兩點：一是采集半實物仿真裝備的電路狀態（工作狀態、故障狀態等）,并將采集到的信息實時交給上位計算機（座艙工控機或檢測單片機）；二是響應上位機的控制指令（上電、通斷、發射等）,以改變半實物仿真裝備的電路狀態。可以采用目前通用的I/O模塊來實現上述功能,如數字采集卡、總線轉換模塊等。

2.3 半實物機上顯控單元

座艙顯示控制是進行操作控制訓練、機上通電檢查訓練、檢查結果顯示的關鍵。可半實物仿真再現飛機座艙內的關鍵顯示控制部件,如多功能顯示器、航空電子啟動板、綜合控制板、油門桿等。這些顯控部件實際上是人機交互接口,為了使各模擬部件具備與真實座艙內控制部件一致的控制動作和操作響應,需要將它們以星型連接到仿真座艙內的工控機上,通過工控機來實現控制和顯示。工控機在響應用戶操作的同時,將用戶的操作轉換為指令,通過總線與信息采集與控制單元交聯,實現對仿真裝備的通電控制；同時不斷采集仿真裝備的當前狀態,實時在顯示器上輸出對應畫面。

2.4 半實物地面檢測設備

半實物地面檢測設備模擬內外場地面檢測訓練時需要用到的各種一二線檢測設備,如外場使用的故障檢測儀、內場用到的自動測試設備（ATE）等。模擬的檢測設備具有與部隊實際檢測設備一致的外觀和操作。通過與信息采集與控制單元的通信,獲取半實物仿真裝備的狀態信息,并給出對應的檢測結果。

2.5 導調與訓練效果評估平臺

導調與訓練效果評估平臺是培訓教員的主要工作平臺,具有兩大功能：一是訓練科目下達和故障設置；二是訓練成績評定與記錄,對訓練結果進行存檔、查詢、再現。前者可通過發送指令至信息采集與控制單元,控制半實物仿真裝備中故障設置點的狀態來達到。后者可通過與半實物仿真座艙中的工控機通信,記錄學員的所有操作,然后評定成績。這兩大功能都可通過通用計算機來實現。

3 系統軟件實現

維護訓練系統需要通過軟件驅動硬件工作,來響應用戶指令、采集信息并顯示相應結果。在整個航空電子裝備維護訓練系統中運行的軟件有三類,在半實物座艙工控機中運行的是“機上顯控軟件”；在各種半實物一二線地面檢測設備的半片機或工控機中運行的是“一二線檢測軟件”； 在導調與訓練效果評估平臺通用計算機中運行的是“導調與訓練效果評估軟件”。這三類軟件不是獨立運行的,相互之間有通信連接,整個系統的軟件總框架如圖2所示。

1） 機上顯控軟件

機上顯控軟件是半實物仿真座艙能夠實現顯示控制的核心,通過實時監聽通信串口,響應不同地址編碼對應的按鍵,調用對應的信息響應與處理程序組,如加電、自檢、功能檢查等,來對應采集半實物仿真裝備的狀態,最后將結果通過指示燈或多功能顯示器顯示出來。與此同時,機上顯控軟件通過遠程訪問在導調與訓練效果評估平臺上的訓練過程數據庫,將訓練過程中人員在座艙中的所有操作記錄到數據庫中,供訓練結束后進行訓練效果評估和訓練過程回放。

2） 一二線地面檢測軟件

一二線地面檢測軟件運行在各種外場地面檢測設備的單片機或內場地面檢測設備的工控機中。雖然具體型號的航空電子裝備的地面檢測設備有很多種,但其核心工作原理是一樣的,對其進行半實物仿真時,可采用通用的軟件框架,即首先發送指令或信號使仿真裝備工作于某種指定狀態（上電、自檢、加卸載等）,然后采集該狀態下半實物仿真裝備內各LRU檢測點的信息,最后依據這些采集信息給出對應的檢測結果。

3） 導調與訓練效果評估軟件

導調與訓練效果評估軟件運行在導調與訓練效果評估平臺通用計算機上,在下達訓練科目后,如通電自檢、告警功能檢查、發射機故障排除等,軟件自動設置裝備狀態,并將訓練科目記錄在數據庫中；然后開始該科目訓練,在訓練過程中,軟件作為數據庫服務器,不斷接收客戶端（機上顯控軟件）的操作,并記錄在數據庫中,同時顯示在屏幕上；訓練結束后,軟件依據學員的所有操作記錄自動得出訓練成績,并給出操作正確與否的判斷。

圖2 航空電子裝備地勤維護訓練系統軟件框圖

圖3 維護訓練流程圖

4 應用驗證

基于上述軟硬件結構,目前已開發出多套維護訓練系統,并投入院校教學和部隊的技術保障訓練實踐中,利用該系統進行維護訓練的一個典型流程如圖3所示。

當教員在導調臺上下達訓練科目后,受訓學員依據維護方法對半實物仿真裝備進行各項檢查,若設置了故障,維護訓練器座艙和地面檢測設備上將顯示對應的故障現象。學員記錄現象,使用半實物地面檢測設備進行測試,通過分析測量結果逐步定位故障,確定維修方案,最后排除故障。在這個過程中訓練了學員綜合運用檢測設備、維修工具以及正確分析故障原因、快速排除故障的能力。

5 結束語

本文提出了一種基于半實物仿真實現的航空電子裝備地勤維護訓練系統通用框架,該框架采用分布式總線的軟硬件測控體系,很好地解決了模擬座艙、仿真裝備、一二線地面檢測設備三者間交聯控制關系復雜的問題。實際使用表明,基于該框架構建的地勤訓練系統能夠有效克服當前訓練中存在的理論教學生動性差、實踐教學實裝少、組織困難、不安全因素多等缺點,且系統的可擴展性好,使用方便,可靠性高。該通用框架在各型航空電子裝備地勤維護訓練模擬器中具有一定的推廣應用價值。

[1] 李靜昭, 張迪. 虛實結合的飛機儀表顯示系統實踐教學研究[J]. 實驗技術與管理. 2016(33):142-145.

[2] 魏維偉,于巍巍,程愛軍,等. 無線電高度表實時飛控半實物仿真技術研究[J].制導與引信. 2016(37),14-18.

[3] 耿朝陽, 劉德明. 武器裝備虛擬維修訓練系統的設計與實現[J]. 電子測試, 2014(1):7-9.

[4] 擺衛兵, 元豐. 基于半實物仿真的維修訓練系統設計[J] ,儀表技術, 2013(2):22- 24.

[5] 樊智勇, 王娟, 王勇. 多功能飛機維護訓練器的建設和教學實踐[J]. 實驗技術與管理,2012, 29(5)：182-184,191.

[6] 查國云,劉鵬飛,陳秋鳳,等.某型飛機航空軍械仿真訓練系統設計[J]. 計算機測量與控制. 2011,19(10):2455-2458.

[7] 魏國,張迪,杜維杰. 工程教育模式下航空電子維修實踐教學的改革與探索[J]. 黑龍江科技信息,2011(11):139.

[8] 賈晨星, 朱元昌, 邸彥強. 裝備虛擬操作訓練的過程建模方法研究[J]. 計算機測量與控制,2011,19(12):3102-3104.

[9] 王哲, 譚業雙, 霍曉磊. 裝備維修訓練中模擬故障設置方法與實現[J]. 信息技術,2013(12):174-176,184.