某新型飛機維修模擬訓練系統(tǒng)的研制

許 松 羅守華 張 偉

（空軍第一航空學院，河南 信陽 464000）

進入二十一世紀， 現(xiàn)代科學技術(shù)大量的運用在航空裝備上，使航空裝備的科技含量越來越高，其價格之昂貴，專業(yè)之間的交聯(lián)度越來越復雜，培養(yǎng)保障和維護人員也變得日益迫切。同時使用維護保障人員維修保障質(zhì)量影響著航空裝備性能的發(fā)揮，甚至保證飛行安全，因此，提高航空裝備維護人員的保障能力始終是航空裝備保障的首要任務(wù)。 航空維修專業(yè)人員的技術(shù)培訓分為實裝訓練和模擬訓練。開展模擬訓練，對于提高訓練質(zhì)量、縮短訓練周期、降低訓練風險，減少訓練消耗具有重要作用，而且可較好的改善實裝訓練受外界因素制約性強，針對性、可控性差的弱點，大幅提升現(xiàn)代航空裝備維修訓練的質(zhì)量和效益。

1 飛機維修模擬訓練系統(tǒng)的組成

該模擬訓練系統(tǒng)主要由模擬仿真座艙、發(fā)動機性能參數(shù)調(diào)整實習裝置、中央控制系統(tǒng)、監(jiān)控演示系統(tǒng)等和多個綜合程序訓練器組成。 在實際訓練過程中，既可以模擬仿真座艙和發(fā)動機性能參數(shù)調(diào)整實習裝置為依托對維護人員進行各專業(yè)通電檢查、空中特殊情況處置、發(fā)動機性能參數(shù)調(diào)整、常見故障分析等維修技能訓練；還可以依托綜合程序訓練器，通過在維修操作過程中不斷給予維護人員以程序過程訓練提示， 從而實現(xiàn)維修操作的程序過程訓練。 系統(tǒng)總體布局如圖1 所示。

圖1 模擬訓練系統(tǒng)總體布局圖

1.1 模擬仿真座艙

飛機維修模擬訓練系統(tǒng)的模擬仿真座艙是按照實裝飛機座艙1:1 比例仿制而成的，其內(nèi)部設(shè)備的外部結(jié)構(gòu)特征完全與實裝布局相同。 模擬仿真座艙主要由模擬仿真艙體、設(shè)備操縱臺、仿真儀表板、駕駛桿、中央機構(gòu)和油門操縱臺組成。 為便于教學與訓練，模擬仿真座艙采用開放式設(shè)計；艙體底部前輪采用萬向輪，便于移動運輸。

1.2 發(fā)動機性能參數(shù)調(diào)整實習臺

飛機維修模擬訓練系統(tǒng)中的發(fā)動機性能參數(shù)調(diào)整實習臺采用實裝發(fā)動機， 可供維護人員進行發(fā)動機性能參數(shù)調(diào)整實習與訓練。 實裝發(fā)動機安裝在專用的托車架上，便于教學展示，托車架底部還設(shè)計有移動輪和支撐腳，方便地面挪動和維修。 在實裝發(fā)動機上調(diào)整點內(nèi)加裝傳感器，并與中央控制計算機連接，從而實現(xiàn)發(fā)動機性能參數(shù)調(diào)整與座艙現(xiàn)象的實時聯(lián)動。

1.3 中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)由中心控制系統(tǒng)計算機及其軟件系統(tǒng)組成，是模擬訓練系統(tǒng)的控制中樞。 主控計算機通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與飛機維修模擬訓練器、 發(fā)動機性能參數(shù)調(diào)整實習臺和綜合程序訓練器相連，控制整個模擬訓練系統(tǒng)的運行。

1.4 監(jiān)控演示系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控演示控制臺和工業(yè)LCD 觸摸屏顯示器等組成，主要為維護人員進行專業(yè)選擇、訓練科目切換、故障設(shè)置、資料查詢等操作提供人機交互平臺。

1.5 綜合程序訓練器

綜合程序訓練器由訓練器控制計算機和人機接口設(shè)備組成，主要以工業(yè)LCD 顯示屏搭建的模擬座艙環(huán)境為實景，通過在維修操作過程中不斷給予受訓人員以過程提示， 從而實現(xiàn)維修人員的程序過程訓練。

2 維修模擬訓練系統(tǒng)的總體設(shè)計

以工業(yè)控制計算機作為模擬訓練系統(tǒng)的控制平臺，大量運用虛擬儀表、圖形圖像控制、多線程數(shù)據(jù)采集、三維建模與仿真、多媒體、網(wǎng)絡(luò)、接口等技術(shù)，為航空裝備保障單位研制出一種可靠性高、維修性好、擴展性強，價格低廉，可進行多專業(yè)、多層次、多人同步訓練的模擬維修訓練平臺， 不僅從根本上解決航空裝備維修訓練器材缺乏的問題，而且為縮短培訓周期，降低維修訓練成本提供有效手段。

2.1 模擬訓練系統(tǒng)功能

某型飛機維修模擬訓練系統(tǒng)的模擬仿真座艙是按照真實座艙空間、尺寸進行布局，能夠替代實裝飛機座艙，能夠?qū)崿F(xiàn)座艙環(huán)境再現(xiàn)，以計算機技術(shù)為核心，進行真實的動態(tài)仿真，為維護人員提供一個維修保障訓練的操作平臺。 該系統(tǒng)具有以下功能：（1）多專業(yè)通電檢查訓練：可完成某型航空機械、武器、特設(shè)、航空電子通電檢查內(nèi)容， 真實模擬飛機座艙通電現(xiàn)象和過程。（2）發(fā)動機性能參數(shù)調(diào)整：可通過仿真座艙和發(fā)動機性能參數(shù)調(diào)整實習臺的配合使用， 實現(xiàn)某型飛機發(fā)動機主要調(diào)整點的性能參數(shù)調(diào)整訓練。 （3）空中特情處置訓練功能：可對常見的空中特殊情況進行模擬訓練， 提高保障人員對空中特殊情況的判讀和應急處置能力。 （4）三維交互式訓練：運用三維實體建模與仿真技術(shù)，構(gòu)建了高仿真的飛機三維實體模型，可使維護人員根據(jù)實際訓練需求打開飛機相關(guān)艙蓋，進行三維構(gòu)造學習、部附件拆裝和維護保養(yǎng)等三維交互式訓練。 （5）故障設(shè)置模塊：可根據(jù)專業(yè)進行故障設(shè)置，設(shè)置飛機常見的故障現(xiàn)象與狀態(tài)，保障人員進行故障狀態(tài)下的模擬訓練。 （6）專家評判模塊：可對主要科目的模擬訓練過程，進行自動評判，列出操作過程中的出現(xiàn)問題，并給出訓練成績。

2.2 基本工作原理

飛機維修模擬訓練系統(tǒng)采用目前成熟的計算機技術(shù)、仿真技術(shù)、 虛擬現(xiàn)實技術(shù)及多媒體技術(shù)構(gòu)建的一個模擬仿真航空裝備。 該系統(tǒng)采用多臺工業(yè)控制計算機作為模擬系統(tǒng)的控制中樞，應用Windows 操作系統(tǒng)作為軟件搭載平臺， 運用VisualC++、Ngrain、Photoshop、3DMax、Authorware、Direct Sound 等 計 算 機 應用軟件作為系統(tǒng)開發(fā)工具， 應用觸摸屏控制技術(shù)， 視景仿真技術(shù)，虛擬儀表技術(shù)，多媒體仿真技術(shù)等計算機應用技術(shù)，開發(fā)模擬訓練系統(tǒng)。

該模擬訓練系統(tǒng)主要由模擬仿真座艙、發(fā)動機性能參數(shù)調(diào)整實習臺、中央控制系統(tǒng)、監(jiān)控演示系統(tǒng)等和多個綜合程序訓練器組成。 中央控制系統(tǒng)是模擬仿真系統(tǒng)的控制中樞，系統(tǒng)利用接口系統(tǒng)控制實時采集模擬仿真座艙內(nèi)設(shè)備的數(shù)字信號和模擬信號，經(jīng)過預信號處理，傳輸至中央控制系統(tǒng)計算機。 中央控制系統(tǒng)對接收的信號和數(shù)據(jù)進行處理、轉(zhuǎn)換、顯示，同時調(diào)用相關(guān)的功能模塊。最終解算出的信息一方面?zhèn)骰亟涌谙到y(tǒng)，經(jīng)過信號解碼處理輸出至仿真座艙內(nèi)的顯示設(shè)備， 控制座艙內(nèi)信號燈、儀表、指示器、按鈕及相關(guān)設(shè)備的工作、指示和提示；另一方面?zhèn)鬏斨烈繇懴到y(tǒng)，模擬各種設(shè)備的工作聲響。 監(jiān)控演示系統(tǒng)通過與中央控制系統(tǒng)計算機進行數(shù)據(jù)交換，將訓練科目控制、故障參數(shù)設(shè)置、過程控制等信息反饋給中央控制系統(tǒng)，并能實現(xiàn)監(jiān)控、顯示、記錄、評判主要維修科目的功能；發(fā)動機性能參數(shù)調(diào)整實習臺主要通過與中央控制系統(tǒng)計算機進行實時數(shù)據(jù)傳輸， 從而實現(xiàn)發(fā)動機性能參數(shù)調(diào)整與座艙現(xiàn)象的實時聯(lián)動， 最終完成發(fā)動機參數(shù)的性能調(diào)整訓練； 綜合程序訓練器通過人機交互設(shè)備的消息響應獨立運行的功能模塊，通過逼真的座艙環(huán)境、正確的操縱系統(tǒng)運行邏輯， 使維護人員掌握航空裝備的操作使用方法及注意事項，掌握發(fā)動機試車等程序訓練。某型飛機維修模擬訓練系統(tǒng)基本工作原理圖如圖2 所示。

圖2 模擬訓練系統(tǒng)工作原理圖

3 維修模擬訓練系統(tǒng)的技術(shù)難題解決

3.1 維修模擬訓練系統(tǒng)聲響仿真技術(shù)

在維修模擬訓練仿真系統(tǒng)中， 我們運用多種技術(shù)手段，例如Direct Sound 技術(shù)，模擬仿真飛機發(fā)動機、各種告警、信息提示等設(shè)備工作的聲效，為營造逼真的訓練環(huán)境，需要模擬出發(fā)動機起動、試車、停車及各種設(shè)備工作的聲音。 下面我們以發(fā)動機的起動、試車和停車工作時的聲音為例，首先，通過現(xiàn)場錄制發(fā)動機試車時的特種聲音，經(jīng)過數(shù)字濾波處理，對聲音進行編輯和平滑，從而提煉出發(fā)動機試車時的特征聲音。 把整個試車過程的聲音可分為三段，前段為起動運轉(zhuǎn)聲音，中段為平穩(wěn)運轉(zhuǎn)聲音，后段為停車運轉(zhuǎn)聲。 由于在起動和停車階段設(shè)備從一種狀態(tài)變化到另一種狀態(tài)，所以其整個過程聲音變化比較大，但在平穩(wěn)運轉(zhuǎn)階段，其工作聲音基本保持不變。 根據(jù)以上分析的特點，在控制模擬設(shè)備工作聲音時， 可將實裝系統(tǒng)上各種設(shè)備單獨工作的聲音在現(xiàn)場錄制下來， 將每個設(shè)備工作的聲音剪輯成3個wav 文件， 分別為起動聲音、 平穩(wěn)聲音和停車聲音。 再通過Direct Sound 組件進行控制回放， 可以進行各種聲音混合播放的模擬。進行播放的聲響保持了與發(fā)動機試車的同步響應， 以達到真實模擬實裝操作的效果。

3.2 維修模擬訓練系統(tǒng)上模擬中央儀表的實現(xiàn)

維修模擬訓練系統(tǒng)上模擬中央儀表的實現(xiàn)采用了GL Studio 軟件進行虛擬儀表的設(shè)計開發(fā)。飛機上的中央儀表板可分為背景部分、操作部分和顯示部分等三個部分組成；背景部分主要指中央儀表板上的一些固定不變的部分，如各種固定螺釘、底板等，直接從實裝照片上截取部件，再用Photoshop 軟件進行必要的處理，然后制作成模擬設(shè)備的背景；操作部分主要指中央儀表板上的一些用于輸入的部分，如各種旋鈕、開關(guān)、按鈕等，這部分的制作基本與背景制作一致，但是也有不同之處，例如開關(guān)的“開”和“關(guān)”兩個狀態(tài)，在用Photoshop 軟件制作過程中，開關(guān)本身分別處于兩個不同的圖層，在制作紋理時，要盡可能細分每一個部分，便于后期的程序開發(fā)工作；顯示部分主要指中央儀表板上的一些用于輸出的部分， 如指針的顯示屏幕和各種指示信號燈等，顯示部分的制作與操作部分制作中的紋理制作相似，并且也要注意將各種不同狀態(tài)分圖層制作， 例如警告燈的 “亮”和“滅”的狀態(tài)、顏色的不同。 完成所有的制作后，按照先后的順序進行排列打包，利用后期的開發(fā)軟件進行調(diào)用顯示，這樣達到了中央儀表的虛擬仿真，提高整個訓練系統(tǒng)的仿真效果。

4 結(jié)語

某型飛機維修模擬訓練系統(tǒng)，已推廣到工廠、院校、航空兵部隊使用。 應用結(jié)果表明，運用該系統(tǒng)開展飛機維修模擬訓練，解決了實裝缺乏，保障人員難以進行維修訓練的難題，大大縮短了維修保障訓練周期，節(jié)約了大量的維修保障經(jīng)費，具有可靠性高、維修性好、實用性強、價格低廉等優(yōu)點。

[1]陳懷瑾.軍用仿真技術(shù)應用[M].國防科工委軍用仿真技術(shù)專用組，1988.

[2]肖田元，張燕云，陳加棟.系統(tǒng)仿真導論[M].清華大學出版社，2000，7.

[3]康鳳舉，楊惠珍，高立娥.現(xiàn)代仿真技術(shù)與應用[M].國防工業(yè)出版社，2006，2.