智能仿真技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

麻耘豪

摘? 要： 在航空領(lǐng)域，智能仿真技術(shù)技術(shù)的運(yùn)用與研究起步相對(duì)較高。在上世紀(jì)50年代，智能仿真技術(shù)技術(shù)就開始運(yùn)用在航空控制自動(dòng)化領(lǐng)域。本文對(duì)智能仿真技術(shù)的起源與發(fā)展史進(jìn)行介紹，最后結(jié)合航空領(lǐng)域?qū)χ悄芊抡婕夹g(shù)的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行了探討與分析。

關(guān)鍵詞： 航空領(lǐng)域;智能仿真技術(shù);應(yīng)用;發(fā)展

中圖分類號(hào)： TP182? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.030

【Abstract】： In the field of aviation， the application and research of intelligent simulation technology has started relatively high. In the 1950s， intelligent simulation technology began to be used in the field of aviation control automation. This paper introduces the origin and development history of intelligent simulation technology. Finally， it discusses and analyzes the application and development of intelligent simulation technology in the aviation field.

【Key words】： Aviation field; Intelligent simulation technology; Application; Development

0? 引言

所謂仿真技術(shù)，就是結(jié)合相似的原理、系統(tǒng)技術(shù)以及信息技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)與相關(guān)物理效應(yīng)工具，對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行試驗(yàn)的一種技術(shù)。仿真技術(shù)具有很強(qiáng)的綜合性，其結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等多項(xiàng)智能技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)多領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)社會(huì)發(fā)展而言有著十分重大的意義。本文以航空領(lǐng)域?yàn)槔?，?duì)智能仿真技術(shù)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行探討與研究[1-5]。

1? 我國(guó)航空領(lǐng)域智能仿真技術(shù)發(fā)展史概述

在飛機(jī)型號(hào)研制中，人們運(yùn)用三軸模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)。到60年代，隨著連續(xù)系統(tǒng)仿真的發(fā)展，圍繞離散事件系統(tǒng)仿真技術(shù)開始得到探究。70年代，在我國(guó)航空領(lǐng)域，訓(xùn)練仿真器的發(fā)展取得了重大突破，除了國(guó)外引進(jìn)的飛行模擬器，我國(guó)自主研制的型號(hào)飛機(jī)飛行模擬器也取得了成果。80年代，我國(guó)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)不管是技術(shù)水平還是規(guī)模都取得了重大突破，在殲擊機(jī)工程飛行模擬器、殲擊機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)中都得到了體現(xiàn)，這對(duì)于研制武器型號(hào)而言無疑有著重大影響。到了90年代，智能仿真技術(shù)在我國(guó)的研究水平得到了進(jìn)一步提升，其方向開始轉(zhuǎn)變?yōu)榉植冀换シ抡?、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真等領(lǐng)域，針對(duì)一些復(fù)雜系統(tǒng)仿真的規(guī)模也在逐步擴(kuò)大。

2? 智能仿真技術(shù)在模擬飛行器中的具體應(yīng)用

2.1? 工程飛行模擬器

在工程設(shè)計(jì)中，工程飛行模擬器可以為設(shè)計(jì)人員提供支持，促使其在一個(gè)真實(shí)的環(huán)境下進(jìn)行飛機(jī)設(shè)計(jì)工作，從而對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，調(diào)整重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，最終提高方案的可行性與合理性，實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)與制造成本的有效控制。與此同時(shí)，對(duì)于首飛的飛行機(jī)組而言，通過工程飛行模擬器還可以開展訓(xùn)練活動(dòng)，維護(hù)人員也可以憑借此獲得有效培訓(xùn)，進(jìn)而為新型飛機(jī)的首飛與后期研制工作奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)，減少相應(yīng)的成本。通常來講，工程飛行模擬器在飛機(jī)研制中能夠減少近7000萬美元的成本，其取得的經(jīng)濟(jì)效益顯然是非?？捎^的[6-9]。

2.2? 訓(xùn)練模擬器

訓(xùn)練模擬器則屬于一種“真實(shí)”的定型飛機(jī)，飛行員可以利用其聯(lián)系駕駛技術(shù)。不可否認(rèn)，飛行員培養(yǎng)成本是非常高的，采用真實(shí)的飛機(jī)來完成訓(xùn)練不管是成本還是安全都面臨著巨大風(fēng)險(xiǎn)，而在智能仿真技術(shù)的支持下，只需要通過地面仿真飛機(jī)就可以完成飛行員的訓(xùn)練，不管是成本還是安全都得到了保障。中國(guó)民航就提出，所有型號(hào)的飛機(jī)的市場(chǎng)都取決于其是否有飛行模擬器。在飛行模擬器的支持下，飛行員的訓(xùn)練成本大大降低，美國(guó)曾針對(duì)39種飛機(jī)進(jìn)行調(diào)查，并得出結(jié)論：在每小時(shí)內(nèi)使用飛行模擬器的的成本只占到使用真實(shí)飛機(jī)成本的8%。特別是有的訓(xùn)練項(xiàng)目可能有一些特殊的飛行動(dòng)作或者極限邊界，在如此真實(shí)的環(huán)境下進(jìn)行訓(xùn)練，飛行員的安全將會(huì)受到嚴(yán)重的威脅，而選擇飛行模擬器則可以化解這一風(fēng)險(xiǎn)。

訓(xùn)練飛行模擬器的組成包括仿真計(jì)算機(jī)、視景系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、操縱負(fù)載系統(tǒng)以及模擬座艙等。其中仿真計(jì)算機(jī)的作用在于對(duì)飛行動(dòng)力學(xué)與機(jī)載系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算;視景系統(tǒng)則可以對(duì)真實(shí)的飛行環(huán)境進(jìn)行模擬，給飛行員一個(gè)真實(shí)的駕駛體驗(yàn)，幫助其完成訓(xùn)練;運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)則可以為飛行員提供飛行感覺，例如加速、過載等;音響系統(tǒng)的作用則是營(yíng)造音響效果，讓飛行員感受發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、氣流聲音等;模擬座艙則是按照真實(shí)飛機(jī)的座艙進(jìn)行布置。在模擬座艙中，飛行員可以結(jié)合儀表及模擬環(huán)境相關(guān)信息做出反應(yīng)與判斷，然后操作操縱桿輸出操作量，通過仿真計(jì)算，對(duì)飛機(jī)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解算，最后實(shí)現(xiàn)相關(guān)飛行參數(shù)的形成，例如飛行高度、飛行速度等。

3? 智能仿真技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

3.1? 虛擬樣機(jī)

所謂的虛擬樣機(jī)，就是以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的設(shè)計(jì)方式。虛擬樣機(jī)源自于計(jì)算機(jī)制造，換言之就是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行裝配、組合以及調(diào)試而形成的樣機(jī)。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者可以對(duì)其特點(diǎn)與屬性進(jìn)行評(píng)估，從而采取優(yōu)化與完善措施。波音公司將虛擬技術(shù)運(yùn)用在777飛機(jī)上，并實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)無紙化，設(shè)計(jì)內(nèi)容涉及到僅300萬個(gè)零件，卻沒有具體的圖紙，也沒有物理樣機(jī)。而在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下，飛機(jī)定型生產(chǎn)首先需要利用物理樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)與測(cè)試，然后以此為基礎(chǔ)來優(yōu)化方案，這種方式顯然付出的成本較高，而選擇虛擬樣機(jī)則規(guī)避了物理樣機(jī)的問題，不管是設(shè)計(jì)成本，還是設(shè)計(jì)周期都得以降低，其取得的效益無疑是非?？捎^的。基于虛擬技術(shù)建立的虛擬樣機(jī)，除了在設(shè)計(jì)方案的修改與優(yōu)化上可以提供諸多便利，與此同時(shí)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平也得到了提升，這無疑可以增強(qiáng)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)于推動(dòng)航空領(lǐng)域的發(fā)展有著十分積極的影響。

3.2? 虛擬制造

虛擬制造指的是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)制造過程，這種方式將計(jì)算機(jī)技術(shù)與仿真技術(shù)結(jié)合到一起，基于仿真模型的建立，將生產(chǎn)過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，從而使產(chǎn)品工藝規(guī)程、加工制造、裝配調(diào)試等得以實(shí)現(xiàn)，并且可以更好的評(píng)價(jià)與測(cè)定產(chǎn)品的性能參數(shù)，這對(duì)于航空領(lǐng)域而言顯然具有較高的應(yīng)用價(jià)值。虛擬制造的組成涉及到三個(gè)系統(tǒng)，即虛擬物理系統(tǒng)、虛擬信息系統(tǒng)以及虛擬控制系統(tǒng)。其中虛擬物理系統(tǒng)包括虛擬機(jī)床、加工體、機(jī)器人等，虛擬信息系統(tǒng)則涉及到虛擬計(jì)算、管理、調(diào)度等內(nèi)容，虛擬控制系統(tǒng)有控制器、控制計(jì)算機(jī)等。就本質(zhì)而言，虛擬制造就是對(duì)計(jì)算機(jī)加以利用，從而實(shí)現(xiàn)“虛擬產(chǎn)品”的生產(chǎn)與制造[10]。

3.3? 虛擬試飛

飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)具有六自由度特點(diǎn)，在飛行過程中，飛行員需要完成一系列動(dòng)作，例如駕駛、引導(dǎo)、攻擊等，通常來講，飛機(jī)的特性與飛機(jī)穩(wěn)定性、操縱性、控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)特性等因素有著密切聯(lián)系?；诮Ｅc仿真建立的飛機(jī)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的建立，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行動(dòng)作的虛擬，并在方案論證、概念設(shè)計(jì)以及詳細(xì)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)有效驗(yàn)證飛機(jī)前期技術(shù)水平?；诖诉€能夠?qū)υO(shè)計(jì)方案進(jìn)行完善與優(yōu)化，最終使飛機(jī)滿足預(yù)期設(shè)計(jì)的要求與標(biāo)準(zhǔn)。待飛機(jī)定型后，虛擬試飛還可以根據(jù)用戶的使用情況，對(duì)訓(xùn)練飛行模擬器進(jìn)行研制與開發(fā)。

3.4? 虛擬空戰(zhàn)

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，在未來空戰(zhàn)在戰(zhàn)爭(zhēng)中將會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。在現(xiàn)代空戰(zhàn)中，飛機(jī)的作戰(zhàn)距離往往決定了其機(jī)動(dòng)性。在現(xiàn)代空戰(zhàn)中，大部分情況下都是利用機(jī)動(dòng)飛行的載機(jī)來進(jìn)行搜索、探測(cè)以及跟蹤任務(wù)，然后基于此由發(fā)射出的機(jī)動(dòng)飛行導(dǎo)彈，

對(duì)瞄準(zhǔn)的目標(biāo)進(jìn)行打擊，換言之即“三機(jī)動(dòng)”。機(jī)動(dòng)飛行的載機(jī)向機(jī)動(dòng)飛行的目標(biāo)發(fā)射機(jī)動(dòng)飛行的導(dǎo)彈進(jìn)行攻擊?；谥悄芊抡婕夹g(shù)對(duì)這一過程進(jìn)行描述與演示，就被稱為虛擬空戰(zhàn)。在地面試驗(yàn)條件下，如何實(shí)現(xiàn)真實(shí)交戰(zhàn)環(huán)境中的飛機(jī)攻擊仿真具有一定的難度。此外，現(xiàn)實(shí)交戰(zhàn)環(huán)境十分復(fù)雜，有時(shí)存在多對(duì)多以及目標(biāo)不固定的情況，基于此還要對(duì)目標(biāo)選擇與分配問題進(jìn)行分析與研究。在多對(duì)多的空戰(zhàn)中還涉及到空中預(yù)警機(jī)、地面指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、語音交互，并且要考慮干擾與反干擾問題，這無疑也成為了智能虛擬技術(shù)需要研究的內(nèi)容。

4? 結(jié)論

總而言之，在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，航空事業(yè)的發(fā)展也取得了重大突破，現(xiàn)階段航空領(lǐng)域?qū)χ悄芊抡婕夹g(shù)的應(yīng)用水平也在不斷提升。當(dāng)然我們也需要承認(rèn)的是，相較于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)航空領(lǐng)域中關(guān)于智能仿真技術(shù)的應(yīng)用依然存在一些不足，這就要求我們圍繞此展開深入研究，不斷提高技術(shù)水平，充分發(fā)揮出智能仿真技術(shù)的作用與價(jià)值，從而為推動(dòng)航空領(lǐng)域的發(fā)展提供有力支持。

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