基于TCP協議的A320起落架遠程維修輔助系統設計

單琦

摘? 要： 為了解決航空機務與異地專家關于維護信息的溝通問題，基于TCP協議，利用Unity引擎、SOLIDWORKS及3ds Max等工具，開發出可用于Android＼Windows平臺的A320起落架遠程維修輔助系統，詳細描述了系統各項功能、關鍵技術及開發流程。最后以一個典型案例介紹了系統如何對起落裝置的維護起到輔助作用。

關鍵詞： 遠程維修; TCP協議; 跨平臺通信; 航空維修

中圖分類號：TP399? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）05-46-04

Abstract： In order to solve the problem of communication of maintenance information between maintenance personnel and other experts， an A320 landing gear remote maintenance assistant system for Android and/or Windows based on TCP protocol is developed with tools such as Unity engine， SOLIDWORKS and 3ds Max. The functions， key technologies and development process of the system are described in detail. Finally， a typical case is given to illustrate the system how to play an auxiliary role in the maintenance of landing gear.

Key words： remote maintenance; TCP protocol; cross-platform communication; aviation maintenance

0 引言

隨著民用航空器的發展，航空器械的集成度、復雜度越來越高，所以擁有豐富一線維修經驗的航空機務人員越來越成為稀缺的優質資源。我國民航業快速擴張，優秀機務人員的培訓速度不可避免地落后于新增航線的擴張速度。在一些關鍵維修業務上，欠缺經驗的新手機務人員需要技術專家的指導與支持，而現有的電子工卡系統和一般通訊方式無法提供直觀明了的維修操作步驟，難以滿足工況需要。因此，遠程維修的概念在航空器維修領域的提出，為快速提升維修人員的技能熟練度與排故障能力，提供了新的思路。

遠程維修是一種基于無線通信和移動終端的新型維修支援方式，具有高便攜性、高即時性、可擴展性等特點。近年來，許多研究機構將網路通信技術引入航空維修工程之中。汪誠等認為跨地域、多領域專家的合作求解問題，是網絡故障診斷和維修中所面臨的一個重要課題[1]，且將診斷結果、維修方案等通過網絡反饋給外場維修人員，能夠幫助其理解診斷過程，積累經驗[2]。宋維嘉列舉了航空維修數據遠程傳輸的限制與瓶頸[3];耿汝光提出了使用虛擬專用網構建航空維修服務的數據通道的設想[4]。

空客A320是一款在我國各大航空公司都有引進的機型，保有數量較大，因此決定以該機型的起落裝置作為技術驗證方案的對象。本文將網絡通信技術應用于民航維修領域，搭建了一個遠程維修輔助系統，目的是讓身處一線的機務和異地的技術專家能進行高效的溝通，并獲取正確、直觀、易懂的維修步驟指示，以提高維修勤務與故障排除的效率。

1 系統方案

A320起落架遠程維修輔助系統是一個跨平臺系統，按照服務對象不同分為3個獨立的部分：一線維修人員使用的Android端軟件、異地工程師與技術支持人員使用的Windows客戶端以及架設在云服務器上的通信處理伺服程序。三者的關系及主要職能概述如圖1所示。

1.1 系統功能

運行在Android系統上的機務端軟件一般安裝在智能手機、平板電腦或其他合適的移動設備上，其擁有在線和離線兩種工作狀態，在線狀態下有電子工卡瀏覽、維修手冊查看、起落架零部件拆解演示和遠程呼叫工程師支持四個主要功能，離線狀態下無法獲取當日工卡及與工程師實時通訊，但仍可使用其他功能。

工程師端軟件安裝在Windows計算機上，必須在登陸后保持在線狀態才可以使用，有查詢在線機務名單、分發電子工卡、瀏覽維修手冊、接收機務端呼叫并提供技術支持等功能，比機務端功能更強，權限更高。

運行在云計算平臺的通信伺服程序用于實現機務端和工程師端的通信，由于在遠程維修過程中，系統使用者之間有大量較為機密的信息通過網絡傳輸，如結構維修記錄、零部件故障率、機務人員工作情況等，云服務器需要確保以上信息順利傳輸同時避免出現非法訪問、數據泄露的可能。

1.2 三維模型制作

本文使用SOLIDWORKS軟件建立三維模型，完成零件形狀的建模后導出為STEP格式文件，并導入3ds Max軟件進行零件表面的材質編輯與貼圖渲染等工作，最終以FBX格式文件導出作為遠程維修輔助系統的預置模型文件。

1.3 軟件開發

遠程維修輔助系統的交互式軟件界面主要采用Unity引擎進行開發。我們選用該引擎的主要理由是其具有優秀的跨平臺特性，使得開發人員只需要完成一次功能代碼的編寫，就能幾乎無修改地發布到Unity支持的各個平臺上運行，滿足了本系統的多平臺開發需求。

Unity引擎支持多種語言編寫邏輯腳本，本文選用c#語言作為開發語言，其優點在于Windows上的Visual Studio集成開發環境功能強大，對c#特性支持完備，且能與Unity進行交互調試，比引擎自帶的Mono編輯器擁有更多功能。

主要開發流程見圖2所示，在系統開發中的首要任務是實現功能模塊的分別建立。本文借助于Unity中場景（Scene）的概念，將不同的功能模塊放置在不同的場景中，彼此相互獨立而又能通過場景管理器（Scene Manager）進行切換，以實現各項功能的相互調用。在所有場景建完畢立后，本文使用引擎內置的UI編輯器分別為Android和Windows上的兩個終端程序制作了各個場景的交互界面。

完成了功能分類和UI設計的工作后，主要工作集中在三維模型的導入和功能邏輯代碼的編寫上。在三維模型制作階段完成的FBX格式的模型可以便捷且無損失地導入Unity中。而借助于Unity的對象（GameObject）組件系統，原有需要數百上千行代碼才能實現邏輯功能可以被拆散為許多獨立的代碼腳本，通過掛載組件的方式使腳本生效，最終實現設計中的邏輯功能。

2 關鍵技術介紹

2.1 底層通訊架構

由于本系統涉及的通訊必須保證可靠的連接，由于現有無線通信方式（Wi-Fi或蜂窩網絡）所支持的TCP協議具有傳輸可靠、遺漏重發的特點[5]，因此將其作為主要通訊協議是最佳的選擇。軟件的基本架構為Client/Server模式，即典型的客戶端-服務器模式，由C#語言實現編碼，方便集成到Unity引擎內提供通訊功能。由于需要網絡通信的內容大多為指令或者文字字符串，所以通信的數據量較小，對即時性的要求不高，因此本文選用異步socket編程[6]實現本系統的底層通訊架構完全滿足系統需求。

在具體編程方面，本系統引用了.NET框架中的System.Net.Sockets命名空間，運用TcpCient類和TcpListener類及NetworkStream網絡數據流構建了整個底層網絡通訊代碼。底層通信模塊中的客戶端（Client）將指令和數據以字符串的形式通過網絡傳遞給服務器（Server），服務器收到字符串后加以解析，并按照預先制定好的規則向另一個客戶端發送命令參數，從而完成了兩個客戶端之間的一次通信。在本系統的通訊架構中，無論是機務端還是工程師端的軟件，均視作通信模型中的客戶端（Client）。二者不能直接通訊，必須借助云端的服務器（Server）進行消息的傳遞轉發。

2.2 交互通信的實現

無論是安裝在Android設備上的機務端軟件，還是安裝在Windows計算機上的工程師系統，系統的兩個終端設備要實現相互通訊，必須其中一方擁有相對固定的公網IP。這一要求在當今互聯網大環境以IPv4協議為主導致IP地址稀缺的情況下難以被滿足[7]，因此需要額外引入一臺或多臺擁有公網IP的服務器來提供消息處理和轉發的功能。本文租用了阿里云服務器來承載云端伺服程序，云計算服務器和本系統的其他終端的指令流和信息流如圖3所示。

2.3 維修步驟可視化

本系統的最大特點就是能以三維模型運動的形式為一線機務提供準確、直觀的維修維護步驟，包括零部件拆裝的順序、說明、注意事項及推薦使用的工具型號。為了實現這一維修可視化的功能，本文使用了Unity引擎所提供Transform類的幾個方法和屬性[8]。

⑴ Translate方法：使物體沿XYZ三軸進行平移運動，主要用于零部件模型的平移。

⑵ Rotate方法：使物體繞XYZ三軸進行旋轉運動，主要用于零部件模型的旋轉。

⑶ Scale屬性：通過改變其數值實現對物體的縮放，主要用于零部件的展示與強調。

3 系統展示

3.1 電子工卡查看

機務使用賬號和密碼從平板電腦登錄本系統，進入電子工卡瀏覽模塊，下載并查看當日工卡。電子工卡查看界面如圖4所示，當機務完成任務卡上的某項操作后，代表該操作的標簽將會改變顏色，作為工作進度的一種參考提示。查看界面的左側實時加載操作步驟中相關三維零件的拆裝輔助動畫，以幫助新手機務熟悉操作。

3.2 機務與工程師的通信

在對前起落架的目視檢查中，一名新手機務發現了前起落架的異常狀況：前起落架在拖拽的過程中發出了較大的摩擦噪聲。由于缺少故障排除的經驗，該機務選擇使用本系統的通信功能，立即呼叫在線的維修工程師請求技術支持，通信功能界面如圖5所示。他首先在通信準備界面的左側的故障部件菜單中選擇了“NOSE GEAR”，界面右上方隨之出現了前起落架的三維模型。他可以通過縮放旋轉與點擊操作從三維模型中選中出現故障的部件，也可使用右上角切換按鍵，將三維零件模型切換成更為清晰明了的文字選項進行選擇操作。隨后該機務通過下方的文本框輸入一些簡單的故障描述，即可通過發送按鈕將故障信息快速傳遞給他所呼叫的工程師。

工程師接受機務的呼叫后，其工作界面左上側出現了相關的TSM與AMM手冊超鏈接，單擊這些鏈接就會加載相關的手冊內容到右側的文字顯示區，供工程師查閱。界面的右下側則會加載相關故障部件的三維模型，方便參考。相關工作界面如圖6所示。

工程師制定完排故方案后，可通過系統提供的選項生成排故指令，并以追加工卡的形式發送到機務端，機務接收該排故工卡后，可通過3.1節中的方式，在本系統提供的步驟指示和相關三維零件模型拆裝動畫的輔助下，順利完成排故過程。

4 結論

本文基于TCP協議設計了A320起落架的遠程維修輔助系統，為一線機務與異地專家提供了高效溝通的解決方案，充分利用了Unity引擎強大的跨平臺特性和友好交互性，彌補了現有電子工卡系統不能提供形象維修步驟的缺陷。由于本系統涉及較多的飛機零部件拆裝過程與維護步驟，因此以拓展系統適用零部件或機型為目的的二次開發周期較長，工作量較大。

本系統是遠程維修這一概念在民航維修領域的一種探索實踐，基于互聯網通信的遠程輔助維修具有迅速提高機務操作熟練度、降低維修專家人力成本等優點，互聯網技術與維修可視化的結合將是未來民航維修的一種發展趨勢。

參考文獻（References）：

[1] 汪誠，李應紅，張恒喜.航空發動機遠程智能故障診斷與維修[J].裝備指揮技術學院學報，2003.14（3）：42-45

[2] 汪誠，李應紅，張恒喜.基于CBR技術的航空遠程故障診斷和維修體系[J].航空維修與工程，2004.2：53-55

[3] 宋維嘉.航空維修數據的遠程傳輸[J].航空維修與工程，2008.3：69-71

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[5] 謝希仁.計算機網絡[M].電子工業出版社，2017.

[6] 馬駿.C#網絡應用高級編程[M].人民郵電出版社，2006.

[7] 黃曉華.物聯網環境下IPv6與IPv4共存與過渡分析[J].通訊世界，2018.10：63-64

[8] Alan Thorn.Unity腳本設計[M].清華大學出版社，2016.