李 婷， 崔超雄*， 任 寧， 伍小東

(1.航空工業(yè)西安飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，陜西 西安 710089； 2.四川航空集團有限責任公司培訓中心，四川 成都 611731； 3.西北云翼飛行訓練有限公司，陜西 西安 712034)

飛行模擬機作為一種專業(yè)的飛行人員培訓設備，其運行狀態(tài)的可靠性關系到飛行人員的培訓質(zhì)量，進而對航空公司運營、航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展及機型發(fā)展都具有極其重要的意義。為了保證飛行人員持續(xù)具備駕駛航空器所需的正常/非正常操作技能，飛行模擬機采用現(xiàn)代化電子控制技術實現(xiàn)對飛機駕駛艙的全方位模擬仿真，以規(guī)章方式定期要求飛行人員進行周期性訓練可使飛行人員持續(xù)具備所需的正常/非正常程序操作技能。為了保證飛行模擬機自身技術狀態(tài)持續(xù)滿足訓練要求，民航管理部門需定期對提供模擬飛行訓練的飛行模擬機進行技術狀態(tài)鑒定。用于提供飛行訓練服務的飛行模擬機通常分布在全球各地，負責飛行模擬機鑒定的專家需按照鑒定計劃安排赴飛行模擬機現(xiàn)場進行鑒定。按照國內(nèi)定期鑒定1臺設備，路途往返需2天，正常情況下實際鑒定需1天，即鑒定組專家至少需花費2/3的時間在路途上，如果為國外設備，則需花費更多的時間。

隨著飛行模擬機機群規(guī)模的不斷擴大，各國民航管理機構均面臨鑒定組專家人員緊張、專家工作壓力及強度驟增的情況，且專家必須將大部分時間花費在奔赴各訓練機構的路途過程中。采用現(xiàn)代化技術手段實現(xiàn)對飛行模擬機的遠程鑒定，則可以實現(xiàn)對飛行模擬機鑒定組專家人力成本的解放，提升時間利用效能，改變產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。目前針對飛行模擬機遠程鑒定研究在國內(nèi)外尚處于空白階段。

飛行模擬機遠程鑒定必須具有高效可靠的信息傳輸手段，移動通信從1G到4G的每次演變都給社會帶來了不同的發(fā)展模式變革，隨著2019年我國5G商用元年的到來，5G技術更是得到了全世界各國的高度關注。5G具有光纖般的接入速率，“零”時延的使用體驗，千億設備的連接能力，超高流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動性等，帶來超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低?；诟咚俾?、低延時、廣覆蓋等優(yōu)勢，5G開啟萬物廣泛互聯(lián)、人機深度交互的新時代，成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的驅(qū)動力，對經(jīng)濟社會的轉(zhuǎn)型發(fā)展起到戰(zhàn)略性、基礎性和先導性作用[1]。

5G通信技術的發(fā)展，將為大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)[2]等提供強大的算力和高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸手段，進而為航空制造[3]、遠程培訓教育[4]、無人駕駛[5]、人工智能[6]等產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來新的源動力。

本文主要以5G技術發(fā)展應用為基礎，借助數(shù)字孿生和虛擬現(xiàn)實等技術，配合傳統(tǒng)的視頻、遠程控制、數(shù)據(jù)對比等方式，提出一種飛行模擬機遠程鑒定系統(tǒng)的可行性研究思路，旨在降低飛行模擬機鑒定人員和經(jīng)濟成本，提升鑒定效能，同時降低人為因素對飛行模擬機鑒定過程的干擾。該種方式將徹底改變飛行模擬機鑒定模式，促進產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1 設備現(xiàn)狀

根據(jù)中國民航《飛行模擬訓練設備管理和運行規(guī)則》(CCAR-60部)以及相關鑒定標準的要求，對提供滿足民航規(guī)章規(guī)定的訓練、檢查、考試和獲取飛行經(jīng)歷要求所使用的飛行模擬機須定期進行鑒定[7]，以確保飛行模擬機時刻處于良好的運行狀態(tài)。

據(jù)統(tǒng)計，截止目前國內(nèi)外須通過CCAR-60部鑒定的飛行模擬訓練設備約480臺，其中國外飛行模擬機約150臺，國內(nèi)飛行模擬機約220臺，飛行訓練器約110臺。根據(jù)相關機構提供的飛行員培訓數(shù)據(jù)分析，目前國內(nèi)在飛行模擬機上完成飛行訓練需求約135×104h，按照每臺模擬機每年平均運行5600 h計算，當前國內(nèi)至少需要新增20臺飛行模擬機才能保證國內(nèi)的飛行訓練。每臺飛行模擬機的合格證有效期為6～12個月不等，合格證到期前需要再次按照規(guī)章要求完成鑒定并取得相應的訓練資質(zhì)合格證。按照現(xiàn)有鑒定模式，鑒定部門須常年外派大量人員進行現(xiàn)場鑒定。隨著飛行模擬機數(shù)量的不斷增加，鑒定工作必將日趨繁重。

2 傳統(tǒng)鑒定的主要手段

飛行模擬機鑒定時，由民航管理部門指派專家組赴現(xiàn)場進行鑒定，一般由2名專家組成，分別負責主觀飛行和客觀鑒定測試指南(Qualification Test Guide，QTG)測試。

2.1 主觀飛行

以所鑒定的飛行模擬機駕駛艙構型為基礎，對模擬機教員控制臺、運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、聲音系統(tǒng)操縱負荷系統(tǒng)等進行最低要求鑒定，并依據(jù)飛機手冊和檢查單對飛行前準備、地面操作、起飛、飛行中操作、進近、中斷進近、地面可視段和著陸等進行主觀飛行鑒定。

鑒定過程由視景系統(tǒng)提供飛機駕駛艙外環(huán)境模擬、運動系統(tǒng)提供動感、聲音系統(tǒng)提供飛機駕駛艙環(huán)境音及告警音、操縱負荷系統(tǒng)提供操縱力感等。根據(jù)不同的測試科目，判斷飛行模擬機是否提供了正確的視覺效應、動感、聲音信號及力感等，最終給出主觀飛行鑒定結論。

2.2 客觀測試

客觀測試以飛機主鑒定測試指南(Main Qualification Test Guide，MQTG)為基礎，對飛機的各項性能指標(滑行、起飛、爬升、巡航、地面減速、發(fā)動機)、操縱品質(zhì)(靜態(tài)操縱檢查、動態(tài)操縱檢查、縱向、橫航向、著陸、剎車衰減、風切變、飛行包線保護功能)、運動系統(tǒng)(位移最低要求、加速度最低要求、速度最低要求、頻率響應、運動提示、支柱協(xié)調(diào)性、平滑性)、聲音系統(tǒng)等進行測試或演示，測試主要以數(shù)據(jù)曲線方式呈現(xiàn)，最終根據(jù)測試數(shù)據(jù)結果和演示效果給出客觀測試鑒定結論。

3 遠程鑒定主要思路

飛行模擬機現(xiàn)場鑒定與遠程鑒定最大的區(qū)別在于鑒定組專家身處飛行模擬機本地和異地兩種不同環(huán)境，遠程鑒定方式需通過現(xiàn)代化技術手段彌補鑒定組專家異地對飛行模擬機的“看、感、聽”三方面的差異，即在飛行模擬機遠程鑒定系統(tǒng)研究時應主要圍繞這三方面進行系統(tǒng)設計。

3.1 遠程看

遠程看主要包括遠程高清視頻、遠程虛擬成像與交互兩種方式，主要基于高速率、高帶寬、低時延的有線或無線網(wǎng)絡作為信號傳輸通道，將異地飛機駕駛艙艙內(nèi)環(huán)境布置、飛機構型確認、操作面板響應、視景畫面等可視化信息通過高質(zhì)量信號傳輸至鑒定現(xiàn)場供鑒定組專家進行目視鑒定。

高清視頻主要適用于僅需查看的鑒定項目，例如：飛機駕駛艙構型、教員臺功能查看、輔助設備設置、指示燈檢查、儀表/面板等操作邏輯響應變化(輔助)等。

遠程虛擬成像負責以可選視場角對飛機駕駛艙的數(shù)字孿生體進行虛擬畫面顯示，例如：以駕駛艙內(nèi)教員臺、機長、副駕駛等視角等進行虛擬顯示[8]。

3.2 遠程感

遠程感主要包括六自由度運動平臺、基于虛擬現(xiàn)實的體感孿生穿戴，其驅(qū)動數(shù)據(jù)源自異地飛行模擬機所產(chǎn)生的信號。

六自由度運動平臺用于按照不同的鑒定測試項目向鑒定組專家遠程復制異地飛行模擬機的運動系統(tǒng)運行狀態(tài)，向鑒定組專家提供整體動態(tài)感受，基于虛擬現(xiàn)實的體感穿戴主要用以在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下對異地駕駛艙設備(駕駛桿、駕駛盤、油門桿等)進行遠程操作。

3.3 遠程聽

遠程聽主要基于高速率、高帶寬、低時延的有線或無線網(wǎng)絡作為信號傳輸通道，將異地飛機駕駛艙艙內(nèi)的環(huán)境音、告警音等音頻信號通過音響或耳機進行輸出，提供逼真的聲音環(huán)境，如：發(fā)動機啟動、關閉、近地告警、通話音等。

4 主要技術應用

遠程鑒定相比現(xiàn)場鑒定主要需關注的問題包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時回傳、信息呈現(xiàn)方式、實體虛擬化手段等，5G(5th-Generation)、數(shù)字孿生(Digital Twin，DT)、虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)等技術可有效解決所面臨的上述問題。

4.1 5G

5G技術網(wǎng)絡，因其傳輸速度快(為4G的10倍以上)、帶寬容量大、網(wǎng)絡延遲短(<1 ms)等優(yōu)勢，將會對物聯(lián)網(wǎng)設備、移動設備的網(wǎng)絡接入降低等待時間，尤其對智能交通、無人駕駛技術、AI技術和智能網(wǎng)聯(lián)汽車(Intelligent and Connected Vehicles，ICV)產(chǎn)生革命性的顛覆[6]。

同樣，以高速率、高帶寬、低時延為主要特點的5G通信技術普及應用，將可有效解決飛行模擬機遠程鑒定系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)采集及信息空間與物理空間的實時交互、數(shù)據(jù)一致性與同步性等問題。

4.2 DT

DT是針對所需鑒定的飛行模擬機實體，通過數(shù)字化手段構建一個與實體模擬機性能特性幾乎一模一樣的“數(shù)字+實體”的混合遠程應用平臺，用以構建飛行模擬機的“數(shù)字孿生體”[9]，實現(xiàn)遠程鏡像。飛行模擬機數(shù)字孿生體示意圖如圖1所示。

圖1 飛行模擬機數(shù)字孿生體

4.3 VR

VR是指對于傳統(tǒng)飛行模擬機鑒定過程中需鑒定組專家看和操作的對象，通過虛擬成像方式、多傳感器融合技術及操縱負荷系統(tǒng)的反向驅(qū)動方式從而對飛行模擬機實體對象進行評判。

5 解決方案

5.1 飛行模擬機遠程鑒定系統(tǒng)組成

飛行模擬機遠程鑒定系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理單元、虛擬成像單元、體感孿生穿戴、動感孿生單元、大屏顯示器、音響/耳機等組成，如圖2所示。

圖2 飛行模擬機遠程鑒定系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)傳輸接口作為模擬機實體與虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)交互的中繼單元，負責雙向驅(qū)動數(shù)據(jù)的接收與分配。

虛擬環(huán)境負責存儲本地模擬機的虛擬環(huán)境，接收來自外部的驅(qū)動數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分發(fā)并發(fā)送至虛擬成像單元、體感孿生穿戴設備、動感孿生單元(六自由度運動平臺)、大屏顯示器以及音響/耳機等設備。

數(shù)據(jù)處理單元主要負責數(shù)字孿生體與飛行模擬機實體之間的硬件接口控制、軟件數(shù)據(jù)交互，以及遠程鑒定系統(tǒng)各軟硬件之間的數(shù)據(jù)交互管理，同時對所有飛行模擬訓練設備檔案進行管理。

虛擬成像單元主要負責以可選視角對飛機駕駛艙的數(shù)字孿生體進行虛擬顯示。

體感孿生穿戴主要用以對飛機駕駛艙進行操作，并對實體模擬機所應帶來的人體感受進行反饋模擬。

動感孿生單元以實體飛行模擬機六自由度運動系統(tǒng)驅(qū)動數(shù)據(jù)實時進行反向驅(qū)動，以提供鑒定所需的動感。

大屏顯示器用于顯示遠程視頻信息，用于鑒定組專家目視檢查相關項目。

音響/耳機用于將異地飛行模擬機駕駛艙內(nèi)的環(huán)境音、告警音等音頻信號通過音響或耳機進行直觀呈現(xiàn)，同時可與異地人員進行實時語音通信。

5.2 實現(xiàn)路徑

5.2.1 飛行模擬機最低要求遠程鑒定實現(xiàn)手段

按照CCAR-60部要求，飛行模擬機最低要求主要包括駕駛艙一般構型、模擬機編程、設備操作、教員或檢查人員使用的設備、運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、聲音系統(tǒng)等?？赏ㄟ^視頻(Video，V)、數(shù)據(jù)對比(Data Comparison，DC)、遠程控制(Remote Control，RC)、符合性聲明(Declaration Of Conformity，DOC)、DT和VR等技術手段實現(xiàn)對飛行模擬機狀態(tài)的遠程評判，詳見表1。

表1 最低要求遠程鑒定手段

5.2.2 飛行模擬機主觀測試遠程鑒定實現(xiàn)手段

主觀測試主要用于評估飛行模擬機在典型應用期間的表現(xiàn)能力，確定模擬機能夠滿足相應的訓練、考試和檢查的要求，能夠成功地模擬每一個要求的機動飛行、程序或科目，以及驗證模擬機操縱裝置、儀表和各系統(tǒng)能夠正確運轉(zhuǎn)。整個實施過程主要以鑒定專家的“體感、視覺、聽覺”為評判手段，是飛行模擬機鑒定的核心。

通過三維建模技術，對模擬機實體構型進行立體建模，構建出虛擬的三維數(shù)字化飛機駕駛艙環(huán)境。對于駕駛艙內(nèi)各操作對象及其響應的實時狀態(tài)將通過5G遠程通信系統(tǒng)確保與飛行模擬機實體實時保持數(shù)據(jù)一致，即飛行模擬機的“數(shù)字孿生體”[9]。本地鑒定組專家佩戴體感孿生穿戴設備就座于六自由度運動系統(tǒng)平臺上部，并配戴近似人眼分辨率的高清VR頭盔將數(shù)字孿生體進行逼真呈現(xiàn)。運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、聲音系統(tǒng)可通過高速率、高帶寬、低時延的5G技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程實時傳輸。鑒定組專家現(xiàn)場的六自由度運動系統(tǒng)由被鑒定的飛行模擬機現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行遠程實時驅(qū)動，由此解決遠程“體感、視覺、聽覺”所需的鑒定要求。

鑒定過程飛行模擬機實體的驅(qū)動數(shù)據(jù)來源于遠程鑒定專家的操作，反饋及響應數(shù)據(jù)則由組成模擬機實體的各分系統(tǒng)輸出，即反映出實際飛行模擬機狀態(tài)，該數(shù)據(jù)再驅(qū)動遠程鑒定系統(tǒng)，以達到遠程鑒定的目的。主觀飛行測試項目中所使用的鑒定手段詳見表2。

表2 主觀飛行測試項目遠程鑒定手段

下面以某型飛機復飛程序為例進行說明，實現(xiàn)途徑詳見表3。

表3 某型飛機復飛程序操作

本地場景：飛行模擬機鑒定組主觀測試飛行員就座于動感孿生單元(六自由度運動平臺)之上，該平臺當前處于升起狀態(tài)，且姿態(tài)控制數(shù)據(jù)來自異地飛行模擬機實體的六自由度運動系統(tǒng)。本地扮演機長(左座)角色。

異地場景：飛行模擬機在六自由度運動平臺升起狀態(tài)下處于復飛程序開始前姿態(tài)，艙內(nèi)包括教員控制臺操作工程人員及副駕駛(右座)人員。

5.2.3 飛行模擬機客觀測試遠程鑒定實現(xiàn)手段

鑒定組專家按照規(guī)章要求，通過遠程桌面訪問方式可直接操控鑒定模擬機的教員控制臺，可隨機從被鑒定的飛行模擬機QTG測試項目內(nèi)抽取一定比例的自動測試科目實時進行自主測試，測試結果將以電子方式實時轉(zhuǎn)存至遠程鑒定系統(tǒng)終端，專家可立即查看測試結果并給出測試結論。針對手動測試項目，則需結合音視頻方式在飛行員或模擬機工程師的配合操作下，將測試結果以電子方式實時轉(zhuǎn)存至遠程鑒定系統(tǒng)終端，專家結合該飛行模擬機在局方所備案的MQTG對測試情況給出評價結果，或可自動對比容差范圍曲線自動進行超差提示或符合性提示,最終完成客觀測試鑒定。

6 需解決的主要問題

6.1 平臺擴展性問題

因該遠程鑒定系統(tǒng)所需的驅(qū)動數(shù)據(jù)均來源于被鑒定的飛行模擬機實體，即該系統(tǒng)所反映的不僅僅是某個型號飛行模擬機的運行狀態(tài)，應適用于所有為中國民航受訓學員提供培訓服務的飛行模擬機。所有接入該遠程鑒定系統(tǒng)的飛行模擬機需具有相對統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信接口，以加強該系統(tǒng)的通用性，在飛行模擬機設計研制階段，需充分考慮頂層軟硬件架構的一致性。

6.2 反向?qū)嶓w驅(qū)動問題

為了能夠客觀真實地反映被鑒定飛行模擬機操作物理實體的技術狀態(tài)，當鑒定組專家在本地通過虛擬方式對模擬機實體的數(shù)字孿生體進行操作時，異地模擬機實體的物理機構需同步動作以判斷其有效性。但因飛機設計的不同存在某些特殊設計，通過自動控制反向驅(qū)動方式存在一定的技術困難。如：帶位置鎖定功能的開關，正常操作時需手動提起一定高度方可向前或向后移動，類似此類操作方式的物理器件需在滿足規(guī)章要求的前提下進行特殊的反向驅(qū)動改裝。

6.3 體感孿生穿戴阻尼問題

為了使鑒定組專家在本地通過虛擬方式對飛行模擬機實體的數(shù)字孿生體進行操作時，盡可能營造更加逼真、自然且符合人機功效的體感[10]，所配備的體感孿生穿戴設備需帶有一定的阻尼力，同時應具備類似人體骨骼系統(tǒng)的支撐結構，否則無法滿足雙臂懸空狀態(tài)下的虛擬飛行。

6.4 飛行模擬機數(shù)字孿生體逼真度問題

飛行模擬機數(shù)字孿生體逼真度主要體現(xiàn)在“視覺、體感、力感、聽覺”4個方面。通過遠程視頻、虛擬現(xiàn)實技術可有效解決“視覺”需求；通過遠程獲取飛行模擬機實體六自由度運動系統(tǒng)數(shù)據(jù)反向驅(qū)動數(shù)字孿生體六自由度運動系統(tǒng)可有效解決“體感”需求；通過遠程語音通信并通過飛行模擬機實體反向驅(qū)動數(shù)字孿生體的音響/耳機等音頻設備獲取音頻信號可有效解決“聽覺”需求；而數(shù)字孿生體所需的“力感”則根據(jù)機型的不同存在“按、推、拉、踩、蹬、轉(zhuǎn)”等維度的力操作方式，目前在該類設備研制方面已有單點力反饋、多關節(jié)力反饋的數(shù)據(jù)手套，但對于可提供身體全關節(jié)、大阻尼力反饋的穿戴設備方面研究不足。隨著工業(yè)4.0時代的到來，以及電子通信、電機驅(qū)動、傳感器應用、數(shù)據(jù)融合等技術的不斷發(fā)展，當前所面臨的技術困難將得到有效解決。

7 結束語

面對所需鑒定的飛行模擬機數(shù)量的不斷增加，綜合應用多種技術實現(xiàn)對飛行模擬機的遠程鑒定具有一定的現(xiàn)實意義。通過分析，實現(xiàn)對飛行模擬機的遠程鑒定，在當前技術條件下進行實際設計應用仍存在一定困難。但隨著各行業(yè)技術的不斷發(fā)展，相信當前所面臨的問題將逐漸被攻克，實現(xiàn)飛行模擬機的遠程鑒定必將成為未來的發(fā)展趨勢。