陳 聰， 金 洋， 王 軒， 孫一蕾

(1. 中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300；2. 北京飛機維修工程有限公司，北京 100621)

飛機系統(tǒng)虛擬仿真實踐教學(xué)平臺開發(fā)

陳 聰1， 金 洋1， 王 軒1， 孫一蕾2

(1. 中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300；2. 北京飛機維修工程有限公司，北京 100621)

為使學(xué)生充分了解完整維修過程及其在飛機系統(tǒng)上的應(yīng)用，針對現(xiàn)有飛機系統(tǒng)實驗教學(xué)資源有限而導(dǎo)致的實驗教學(xué)內(nèi)容單一、學(xué)生參與性不足以及虛擬維修實驗室利用率低等問題，開發(fā)了一套虛擬仿真實踐教學(xué)平臺。采用Matlab/Simulink軟件建立B737和A320飛機常用系統(tǒng)模型，LabVIEW軟件建立飛機控制指示儀表板，SQL server數(shù)據(jù)庫建立維修技術(shù)手冊等資料庫，以Authorware或flash制作多媒體動畫演示系統(tǒng)工作原理，采用C#搭建用戶界面建立實踐教學(xué)平臺，開發(fā)的飛機系統(tǒng)虛擬仿真實踐教學(xué)平臺既可滿足現(xiàn)代飛機維護專業(yè)實踐教學(xué)的需求，又可為解決工程問題提供支持。

飛機系統(tǒng)； 虛擬維修； 實踐教學(xué)平臺； Simulink； LabVIEW

0 引 言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)代替真實場景的實驗不僅成為可能，而且成為日益緊迫的需求[1]。為使學(xué)生充分理解完整維修過程并結(jié)合飛機主要系統(tǒng)進行應(yīng)用，利用虛擬仿真技術(shù)建立實踐教學(xué)平臺順應(yīng)教育信息化的發(fā)展趨勢和現(xiàn)實需要，必將對高等教育質(zhì)量的提升和實驗教學(xué)改革的深化，產(chǎn)生積極而重要的影響[2]。

針對現(xiàn)有飛機系統(tǒng)實驗教學(xué)資源限制而導(dǎo)致的實驗教學(xué)內(nèi)容單一、學(xué)生參與性不足以及虛擬維修實驗室利用率低等問題，開發(fā)了一套虛擬仿真實踐教學(xué)平臺。將理論教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)完整有機地結(jié)合起來，是民用航空卓越工程師教育計劃的一次合理探索與有益嘗試[3-4]。

1 平臺建設(shè)方案[5-8]

建立的虛擬仿真實踐教學(xué)平臺在飛機主要系統(tǒng)的控制、指示和排故過程實現(xiàn)完整的閉環(huán)過程。其基本功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本功能圖

平臺基本功能包括顯示、控制、維修等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)完整的虛擬維修流程。主要采用Matlab軟件中的Simulink模塊對系統(tǒng)進行建模，以LabVIEW軟件模擬儀表板的警告及指示信息。通過SQL server數(shù)據(jù)庫[9]建立相關(guān)機型AMM(Aircraft Maintenance Manual)手冊等技術(shù)資料庫，對于系統(tǒng)工作原理以Authorware或flash制作多媒體動畫進行展示[10]，最后采用C#搭建用戶界面建立實踐教學(xué)平臺[11]。為實現(xiàn)系統(tǒng)原理-系統(tǒng)顯示-系統(tǒng)控制的各個模塊功能[12-14]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

整個虛擬維修平臺在參考波音、空客飛機機載維護系統(tǒng)的組成[4]后，合理規(guī)劃平臺建設(shè)方案，設(shè)計擁有系統(tǒng)原理演示、控制面板仿真、維護手冊查詢以及維護訓(xùn)練等四大功能，并著力解決了C#編程語言與其他不同軟件的接口技術(shù)與數(shù)據(jù)通訊功能。

針對平臺的核心功能模塊——維護訓(xùn)練，以LabVIEW開發(fā)控制指示面板，利用Matlab強大的運算能力，將LabVIEW采集的數(shù)據(jù)或者前面板中用戶自定義的初始值送到Matlab中進行相應(yīng)的運算處理，最后再送達LabVIEW進行輸出或顯示[15]。利用Matlab中的Simulink模塊進行系統(tǒng)仿真建模，以控制系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)，用數(shù)學(xué)模型代替實際的控制系統(tǒng)[16-17]。LabVIEW與Matlab混合編程, 能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢, 開發(fā)功能強大的智能化虛擬儀器，在工程測試與控制應(yīng)用中具有非常實用的價值。混合編程的關(guān)鍵是對LabVIEW與Matlab的數(shù)據(jù)通信，在本實踐平臺中，采用sit技術(shù)實現(xiàn)，并將混合編程的模型包生成可執(zhí)行文件.exe，方便平臺調(diào)用。平臺內(nèi)容依據(jù)B737和A320飛機的主要系統(tǒng)建立(見圖3)。

圖3 平臺內(nèi)容組成圖

2 平臺功能實現(xiàn)

2.1 手冊查詢功能

得益于.net平臺優(yōu)異的兼容性，在飛機技術(shù)手冊查詢界面成功調(diào)用FoxitReader Control控件，可內(nèi)嵌到Windows窗體應(yīng)用程序中的.com組件，通過三重C#控件ListBox逐級選擇想要查詢?yōu)g覽的機型、手冊、章節(jié)而定位到最終的章節(jié)。同時FoxitReader Control控件提供有PDF文件內(nèi)目錄定位，通過該功能可以繼續(xù)定位下級的節(jié)、目，直接查看需要使用的內(nèi)容，十分方便快捷。另外平臺為后續(xù)完善預(yù)留了FIM、SRM、IPC、WDM等手冊的接口，隨時可以將內(nèi)容加載到平臺上使用。手冊查詢界面如圖4所示。

圖4 機型手冊查詢界面

2.2 面板仿真

控制面板仿真界面采用儀表功能強大的LabVIEW軟件進行制作。但由于飛機儀表板顯示的特殊性，無合適的功能控件可以直接選用。根據(jù)主顯示面板的顯示需求，采用雷達圖配合圖片函數(shù)設(shè)計完成，以發(fā)動機信息為例，主操控界面采用條件結(jié)構(gòu)，布爾函數(shù)等功能設(shè)計[8]。

采用雷達圖顯示控件是利用編程將真實的面板顯示內(nèi)容繪制在雷達圖指定的坐標(biāo)位置上，利用顯示控件顯示，以圖片類型連接數(shù)據(jù)，采用了圖片函數(shù)的繪制圖形功能，分別設(shè)計并利用條件結(jié)構(gòu)或while循環(huán)等連接雷達圖的各部分。圖5所示為雷達圖設(shè)計的一小部分。顯示效果如圖6所示。

圖5 雷達圖設(shè)計

圖6 發(fā)動機信息顯示界面

本實踐平臺，選擇民航主力機型B737和A320，建立各主要系統(tǒng)的仿真面板。之后將各仿真面板.vi文件設(shè)計制作后，生成各自仿真面板.exe文件，為其分別創(chuàng)建項目，然后在項目瀏覽器的程序生成規(guī)范，最后在C#中進行調(diào)用。

2.3 系統(tǒng)原理演示

在系統(tǒng)原理演示界面成功地使用了Windows Media Player的內(nèi)嵌式調(diào)用來播放原理演示視頻資源庫中的系統(tǒng)原理演示視頻文件。通過點擊界面左側(cè)不同的鏈接，即可在Windows Media Player控件中播放不同的演示文件(見圖7)。

2.4 維護訓(xùn)練

維護訓(xùn)練模塊是本實踐教學(xué)平臺的核心功能，是根據(jù)實際排故流程分析建立的，維修流程見圖8。

在模擬過程中，通過LabVIEW面板設(shè)定顯示故障信息或者設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，通過sit接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給Simulink模塊進行計算，數(shù)據(jù)運算后再顯示到系統(tǒng)面板上，實現(xiàn)系統(tǒng)故障顯示的駕駛艙效應(yīng)，最終再根據(jù)故障現(xiàn)象查閱相關(guān)技術(shù)文件進行模擬維修，實現(xiàn)完整維修流程。

圖7 系統(tǒng)原理演示界面

圖8 維修流程圖

以發(fā)動機燃油流量為例[18-20]，軟件仿真效果如圖9、10所示，可切換控制觀察面板，觀察到依據(jù)飛機實際運行的QAR數(shù)據(jù)計算得到的燃油流量FF(FuelFlow)實時變化的曲線及燃油在油箱中的消耗情況。當(dāng)燃油系統(tǒng)出現(xiàn)LOW、IMBL或CONFIG等其他故障信息時，顯示在系統(tǒng)顯示面板上，另外通過故障診斷界面可以進行相應(yīng)技術(shù)文件的查找和閱讀。

圖9 燃油流量曲線

圖10 故障診斷界面

3 結(jié) 語

開發(fā)的飛機系統(tǒng)虛擬仿真實踐教學(xué)平臺較好地展示了B737、A320等常見機型各系統(tǒng)的工作原理、駕駛艙指示與控制，實現(xiàn)維護技術(shù)資料查看、系統(tǒng)原理演示、駕駛艙查看、系統(tǒng)故障模式設(shè)置及維護訓(xùn)練等功能。相比較于傳統(tǒng)的實踐環(huán)節(jié)有很大優(yōu)勢，機務(wù)培訓(xùn)內(nèi)容豐富，可擴展性好，成本低，易推廣。既可滿足飛機維護專業(yè)相關(guān)實踐教學(xué)需求，又可為解決工程問題提供支持。

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Development of Virtual Maintenance Simulation Platform for Airplane Systems

CHENCong1,JINYang1,WANGXuan1,SUNYilei2

(1.College of Aeronautical Engineering, Civil Aviation University of China,Tianjin 300300, China; 2.Aircraft Maintenance and Engineering Corporation, Beijing 100621, China)

For the complete presentation of maintenance process and the application on aircraft systems, aimed at limited resource of aircraft system experiment teaching，dull practice teaching content and low rate of virtual maintenance laboratory use，we developed a virtual simulation practice teaching platform. Platform functions were designed detailedly, common system models of B737 and A320 airplane were built by Matlab/Simulink， aircraft control indicator panels were built by LabVIEW， technical manuals and other database were established by SQL Server， system working principle demonstration was made by Authorware or Flash, user platform was built by C# for the establishment of the practice teaching platform. The development of aircraft system virtual simulation practice teaching platform can meet the modern aircraft maintenance needs of professional practice teaching, and provide support to solve engineering problems.

airplane system; virtual maintenance； practical teaching platform； Simulink； LabVIEW

2016-08-28

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費中國民航大學(xué)專項(3122014D019)；中國民航大學(xué)教育教學(xué)研究課題(CAUC-ETRN-2015-07)

陳 聰(1982-)，女，遼寧鞍山人，碩士，講師，主要研究方向為航空維修與故障診斷、虛擬維修與仿真。

Tel.：13920424881；E-mail：conger_1982@sina.com.cn

TP 271.4

A

1006-7167(2017)04-0084-04