基于虛擬仿真的機載電子系統(tǒng)教學(xué)素材庫設(shè)計

陳玖圣 張曉瑜 郭潤夏

摘要：分析了當(dāng)前民航航空電子系統(tǒng)理論和實踐教學(xué)的發(fā)展趨勢和現(xiàn)狀，提出了基于虛擬仿真技術(shù)的機載電子系統(tǒng)教學(xué)素材庫建設(shè)思路。系統(tǒng)仿真機載電子組件在不同外部環(huán)境和電源條件下的具有精確的時間響應(yīng)的正常和異常操作，滿足飛機電子系統(tǒng)認(rèn)知、原理分析和飛機正常和異常操作等不同層次的教學(xué)需求，同時虛擬仿真教學(xué)素材庫系統(tǒng)大大降低了培訓(xùn)成本，為提升機載電子系統(tǒng)的專業(yè)教學(xué)水平提供有效的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：素材庫；計算機輔助教學(xué)；航空電子；虛擬仿真

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）29-0080-02

一、引言

目前，民航機務(wù)人員培訓(xùn)包括理論培訓(xùn)、實踐培訓(xùn)、在崗培訓(xùn)，理論培訓(xùn)采用課堂教學(xué)方式，實踐培訓(xùn)在模擬維修環(huán)境進(jìn)行模擬維修操作培訓(xùn)，而在崗培訓(xùn)是在飛機維修現(xiàn)場進(jìn)行，但是由于維修成本以及維修安全的要求，學(xué)員在崗培訓(xùn)過程中大部分都是以參觀的形式進(jìn)行的，因此在培訓(xùn)結(jié)束后，學(xué)員對飛機結(jié)構(gòu)、操作以及工作過程了解甚少。為了提高培訓(xùn)效果，減少培訓(xùn)成本，在理論培訓(xùn)過程中引入虛擬維修，將實踐培訓(xùn)與在崗培訓(xùn)過程中部分內(nèi)容轉(zhuǎn)移到虛擬操作中。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用，民航機務(wù)人員的培訓(xùn)轉(zhuǎn)入以模擬機輔助教學(xué)為主的模式，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將需要在維修現(xiàn)場進(jìn)行的維護(hù)訓(xùn)練操作轉(zhuǎn)入虛擬維修系統(tǒng)，大大降低培訓(xùn)成本，避免培訓(xùn)過程中出現(xiàn)工作失誤，提高飛行安全。當(dāng)前世界的虛擬維修模擬器主要有美國Aerosim Mechtronix、加拿大CAE以及法國Faros三家公司，虛擬維修系統(tǒng)涵蓋機載系統(tǒng)，按照空客公司和波音公司的數(shù)據(jù)包提供的系統(tǒng)設(shè)計文檔進(jìn)行仿真建模。但是，這些虛擬維修系統(tǒng)的采購與維護(hù)等成本巨大，不適用于教學(xué)過程中。本文提出的機載電子系統(tǒng)教學(xué)素材庫以民航行業(yè)需求為導(dǎo)向，分析目前主流機型（例如B737NG、A320等）的機載電子系統(tǒng)邏輯，基于虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)機載系統(tǒng)原理、基本操作等內(nèi)容，能夠應(yīng)用于課堂教學(xué)過程中，同時適用于課外自學(xué)機載系統(tǒng)的相關(guān)知識，方式靈活，大大降低了維修模擬機的教學(xué)成本。

二、民航維修培訓(xùn)關(guān)于機載電子系統(tǒng)內(nèi)容的需求分析

機載電子系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容的制訂應(yīng)以民航行業(yè)需求為導(dǎo)向，以民航規(guī)章要求的專業(yè)知識為著眼點，以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，在適度的基礎(chǔ)知識和理論體系覆蓋下延伸工程技術(shù)應(yīng)用的內(nèi)容和關(guān)鍵點。因此機載電子系統(tǒng)教學(xué)素材庫建設(shè)內(nèi)容設(shè)計過程中需要注重理論的應(yīng)用，引入專業(yè)基礎(chǔ)課程理論，實現(xiàn)專業(yè)課程與基礎(chǔ)課程的縱向鏈接，達(dá)到理論和實踐統(tǒng)一。

（一）基于民航法規(guī)的機載電子系統(tǒng)培訓(xùn)需求

民航作為國際性運營行業(yè)，從機載電子設(shè)備的設(shè)計到機載電子設(shè)備的報廢整個生命周期都必須滿足國際通用標(biāo)準(zhǔn)，作為機載電子設(shè)備使用和維護(hù)者的培養(yǎng)也不例外。在機務(wù)維護(hù)領(lǐng)域，所有維護(hù)工作必須遵從飛機注冊國的民航規(guī)章與標(biāo)準(zhǔn)，我國范圍內(nèi)的飛機維護(hù)人員資質(zhì)要符合CCAR-66部的要求，民航培訓(xùn)機構(gòu)在培養(yǎng)機務(wù)維護(hù)人員時要滿足CCAR-147部的要求，這些民航規(guī)章的制定必須遵從國際規(guī)范ATA-100。因此，機載電子系統(tǒng)素材庫的建設(shè)內(nèi)容，必須符合CCAR-66部、CCAR-147部和ATA-100規(guī)范的內(nèi)容要求。綜合各民航規(guī)章總結(jié)民航飛機的機載電子系統(tǒng)主要包括：通信與監(jiān)視系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行管理與自動飛行控制系統(tǒng)以及機載維護(hù)系統(tǒng)，如圖1所示。

（二）機載電子系統(tǒng)教學(xué)素材庫內(nèi)容設(shè)計

通過分析機載電子系統(tǒng)的組成、工作原理、操作邏輯等內(nèi)容，總結(jié)任何電子系統(tǒng)都是由輸入輸出接口、電源管理、核心計算機等部分組成，如圖2所示。

輸入接口實現(xiàn)模擬信號、數(shù)字信號、離散信號等輸入，包括來自導(dǎo)航系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)的無線電模擬信號、來自飛行控制系統(tǒng)控制機構(gòu)的離散信號、來自控制面板的數(shù)字信號等內(nèi)容。

輸出接口以燈光、音頻、數(shù)字顯示等方式將機載電子系統(tǒng)參數(shù)、狀態(tài)等內(nèi)容呈現(xiàn)至機組人員，包括控制面板的各種狀態(tài)燈、飛機各站位的聲音提示以及駕駛艙電子飛行儀表系統(tǒng)的顯示等內(nèi)容。

電源管理實現(xiàn)仿真電子組件電源供應(yīng)以及系統(tǒng)通電邏輯，實現(xiàn)各種電源供應(yīng)狀態(tài)的仿真。

計算機是機載電子系統(tǒng)的核心組件，在通電正常情況下，根據(jù)輸入接口的信號，生成輸出信號，其中包括正常信號處理、故障處理以及自測試邏輯。

三、基于虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)素材庫設(shè)計

（一）虛擬仿真對象建模

虛擬維修仿真對象建模主要包括幾何建模和物理建模兩個部分。

1.幾何建模。首先通過3dmax、Creator、AC3D等三維視景建模軟件構(gòu)建機載系統(tǒng)各組件的外觀，在設(shè)計與實現(xiàn)中按照機載系統(tǒng)實際尺寸進(jìn)行構(gòu)建，實現(xiàn)三維的幾何模型，然后通過OpenSceneGraph系統(tǒng)實現(xiàn)幾何模型渲染，該系統(tǒng)支持VRML2，AC3D，DXF等不同3D文件格式，使呈現(xiàn)出的模型與實際機載系統(tǒng)各組件外觀相近，達(dá)到真實感官效應(yīng)。

2.物理建模。物理建模準(zhǔn)確反映機載電子組件的物理運行狀態(tài)和物理特征，仿真機載電子組件在不同外部環(huán)境和電源條件下的正常和異常操作。機載電子組件功能復(fù)雜多樣，依賴的物理原理也各不相同，需要根據(jù)實際研究對象建立相應(yīng)的組件仿真模型，利用數(shù)值方法來進(jìn)行模擬計算。通過分析機載電子組件，分別從組件輸入輸出接口、電源接口、故障處理邏輯接口、自測試邏輯接口、音頻警告接口和系統(tǒng)功能接口等幾部分進(jìn)行物理建模，實現(xiàn)真實飛機環(huán)境中機載電子系統(tǒng)運行狀態(tài)的復(fù)現(xiàn)。

（二）三維虛擬場景生成

基于虛擬仿真的機載電子系統(tǒng)教學(xué)素材庫系統(tǒng)采用一臺計算機、一個顯示器、音箱等組成，通過計算機圖形技術(shù)仿真駕駛艙的儀表系統(tǒng)顯示、各控制面板的模擬操作、電源跳開關(guān)的閉合狀態(tài)、頭頂面板操作與燈光顯示燈內(nèi)容。（1）計算機是系統(tǒng)控制中心，包含幾何模型、物理模型、系統(tǒng)工作邏輯等內(nèi)容的仿真以及信號源的模擬，計算機對模擬信號源以及來自于其他系統(tǒng)的模擬輸入進(jìn)行處理，生成輸出信號，分別與其他系統(tǒng)接口、顯示輸出、音頻輸出等相連；（2）顯示器實現(xiàn)駕駛艙各儀表板顯示以及控制面板、電源面板的操作，顯示器所呈現(xiàn)的儀表、控制面板等按照實際機載系統(tǒng)的位置進(jìn)行仿真，使學(xué)生能夠直觀了解駕駛艙儀表、系統(tǒng)操作等相關(guān)內(nèi)容。

四、結(jié)語

基于虛擬仿真技術(shù)的機載電子系統(tǒng)教學(xué)素材庫系統(tǒng)呈現(xiàn)出以下特點：

1.系統(tǒng)能夠直觀呈現(xiàn)機載電子系統(tǒng)的顯示、布局以及操作，課堂教學(xué)過程中能夠為學(xué)生展示實際機載系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，學(xué)習(xí)效果較好。

2.占用場地較小，解決了實習(xí)場地不足的問題。仿真系統(tǒng)采用一臺電腦與一個顯示器組成，比傳統(tǒng)的維護(hù)訓(xùn)練器的體積大大減小。

3.維修成本很低。由于采用了仿真技術(shù)，實際維護(hù)過程中僅需要解決軟件的bug以及部分硬件出現(xiàn)的問題，相對比維護(hù)訓(xùn)練器維修成本大大降低。

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