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(zé)任公司，陜西 西安 710089； 2.四川航空集團有限責(zé)任公司培訓(xùn)中心，四川 成都 611731； 3.西北云翼飛行訓(xùn)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(xùn)設(shè)備，其運行狀態(tài)的可靠性關(guān)系到飛行人員的培訓(xùn)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(shù)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(xùn)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(shù)狀態(tài)持續(xù)滿足訓(xùn)練要求，民航管理部門需定期對提供模擬飛行訓(xùn)練的飛行模擬機進行技術(shù)狀態(tài)鑒定。用于提供飛行訓(xùn)練服務(wù)的飛行模擬機通常分布在全球各地，負(fù)責(zé)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(shè)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(shè)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(gòu)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(xùn)練機構(gòu)的路途過程中。采用現(xiàn)代化技術(shù)手段實現(xiàn)對飛行模擬機的遠(yuǎn)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(yuǎn)程鑒定研究在國內(nèi)外尚處于空白階段。

飛行模擬機遠(yuǎn)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(shù)更是得到了全世界各國的高度關(guān)注。5G具有光纖般的接入速率，“零”時延的使用體驗，千億設(shè)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(chǔ)性和先導(dǎo)性作用[1]。

5G通信技術(shù)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(yuǎn)程培訓(xùn)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(shù)發(fā)展應(yīng)用為基礎(chǔ)，借助數(shù)字孿生和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，配合傳統(tǒng)的視頻、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)對比等方式，提出一種飛行模擬機遠(yuǎn)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(shè)備現(xiàn)狀

根據(jù)中國民航《飛行模擬訓(xùn)練設(shè)備管理和運行規(guī)則》(CCAR-60部)以及相關(guān)鑒定標(biāo)準(zhǔn)的要求，對提供滿足民航規(guī)章規(guī)定的訓(xùn)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(xùn)練設(shè)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(xùn)練器約110臺。根據(jù)相關(guān)機構(gòu)提供的飛行員培訓(xùn)數(shù)據(jù)分析，目前國內(nèi)在飛行模擬機上完成飛行訓(xùn)練需求約135×104h，按照每臺模擬機每年平均運行5600 h計算，當(dāng)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(xùn)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(yīng)的訓(xùn)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(fù)責(zé)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(gòu)型為基礎(chǔ)，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(fù)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(zhǔn)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(fù)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(yīng)、動感、聲音信號及力感等，最終給出主觀飛行鑒定結(jié)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(chǔ)，對飛機的各項性能指標(biāo)(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(fēng)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(yīng)、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(jié)果和演示效果給出客觀測試鑒定結(jié)論。

3 遠(yuǎn)程鑒定主要思路

飛行模擬機現(xiàn)場鑒定與遠(yuǎn)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(yuǎn)程鑒定方式需通過現(xiàn)代化技術(shù)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(yuǎn)程鑒定系統(tǒng)研究時應(yīng)主要圍繞這三方面進行系統(tǒng)設(shè)計。

3.1 遠(yuǎn)程看

遠(yuǎn)程看主要包括遠(yuǎn)程高清視頻、遠(yuǎn)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(luò)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(gòu)型確認(rèn)、操作面板響應(yīng)、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(gòu)型、教員臺功能查看、輔助設(shè)備設(shè)置、指示燈檢查、儀表/面板等操作邏輯響應(yīng)變化(輔助)等。

遠(yuǎn)程虛擬成像負(fù)責(zé)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(yuǎn)程感

遠(yuǎn)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(yuǎn)程復(fù)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(shè)備(駕駛桿、駕駛盤、油門桿等)進行遠(yuǎn)程操作。

3.3 遠(yuǎn)程聽

遠(yuǎn)程聽主要基于高速率、高帶寬、低時延的有線或無線網(wǎng)絡(luò)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(guān)閉、近地告警、通話音等。

4 主要技術(shù)應(yīng)用

遠(yuǎn)程鑒定相比現(xiàn)場鑒定主要需關(guān)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(shù)可有效解決所面臨的上述問題。

4.1 5G

5G技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，因其傳輸速度快(為4G的10倍以上)、帶寬容量大、網(wǎng)絡(luò)延遲短(<1 ms)等優(yōu)勢，將會對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、移動設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入降低等待時間，尤其對智能交通、無人駕駛技術(shù)、AI技術(shù)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(shù)普及應(yīng)用，將可有效解決飛行模擬機遠(yuǎn)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(gòu)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(yuǎn)程應(yīng)用平臺，用以構(gòu)建飛行模擬機的“數(shù)字孿生體”[9]，實現(xiàn)遠(yuǎn)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(shù)及操縱負(fù)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(yuǎn)程鑒定系統(tǒng)組成

飛行模擬機遠(yuǎn)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(yuǎn)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(fù)責(zé)雙向驅(qū)動數(shù)據(jù)的接收與分配。

虛擬環(huán)境負(fù)責(zé)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(shè)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(shè)備。

數(shù)據(jù)處理單元主要負(fù)責(zé)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(yuǎn)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(xùn)練設(shè)備檔案進行管理。

虛擬成像單元主要負(fù)責(zé)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(yīng)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(yuǎn)程視頻信息，用于鑒定組專家目視檢查相關(guān)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(yuǎn)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(gòu)型、模擬機編程、設(shè)備操作、教員或檢查人員使用的設(shè)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(yuǎn)程控制(Remote Control，RC)、符合性聲明(Declaration Of Conformity，DOC)、DT和VR等技術(shù)手段實現(xiàn)對飛行模擬機狀態(tài)的遠(yuǎn)程評判，詳見表1。

表1 最低要求遠(yuǎn)程鑒定手段

5.2.2 飛行模擬機主觀測試遠(yuǎn)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(yīng)用期間的表現(xiàn)能力，確定模擬機能夠滿足相應(yīng)的訓(xùn)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(shù)，對模擬機實體構(gòu)型進行立體建模，構(gòu)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(yīng)的實時狀態(tài)將通過5G遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)確保與飛行模擬機實體實時保持?jǐn)?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(shè)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(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)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(yuǎn)程實時驅(qū)動，由此解決遠(yuǎn)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(yuǎn)程鑒定專家的操作，反饋及響應(yīng)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(yuǎn)程鑒定系統(tǒng)，以達到遠(yuǎn)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(yuǎn)程鑒定手段

下面以某型飛機復(fù)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(fù)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(dāng)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(fù)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(yuǎn)程鑒定實現(xiàn)手段

鑒定組專家按照規(guī)章要求，通過遠(yuǎn)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(jié)果將以電子方式實時轉(zhuǎn)存至遠(yuǎn)程鑒定系統(tǒng)終端，專家可立即查看測試結(jié)果并給出測試結(jié)論。針對手動測試項目，則需結(jié)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(jié)果以電子方式實時轉(zhuǎn)存至遠(yuǎn)程鑒定系統(tǒng)終端，專家結(jié)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(jié)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(yuǎn)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(yīng)適用于所有為中國民航受訓(xùn)學(xué)員提供培訓(xùn)服務(wù)的飛行模擬機。所有接入該遠(yuǎn)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(shè)計研制階段，需充分考慮頂層軟硬件架構(gòu)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(shù)狀態(tài)，當(dāng)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(gòu)需同步動作以判斷其有效性。但因飛機設(shè)計的不同存在某些特殊設(shè)計，通過自動控制反向驅(qū)動方式存在一定的技術(shù)困難。如：帶位置鎖定功能的開關(guān)，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(shè)備需帶有一定的阻尼力，同時應(yīng)具備類似人體骨骼系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，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(yuǎn)程視頻、虛擬現(xiàn)實技術(shù)可有效解決“視覺”需求；通過遠(yuǎn)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(yuǎn)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(shè)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(shè)備研制方面已有單點力反饋、多關(guān)節(jié)力反饋的數(shù)據(jù)手套，但對于可提供身體全關(guān)節(jié)、大阻尼力反饋的穿戴設(shè)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(yīng)用、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前所面臨的技術(shù)困難將得到有效解決。

7 結(jié)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(yīng)用多種技術(shù)實現(xiàn)對飛行模擬機的遠(yuǎn)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(yuǎn)程鑒定，在當(dāng)前技術(shù)條件下進行實際設(shè)計應(yīng)用仍存在一定困難。但隨著各行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，相信當(dāng)前所面臨的問題將逐漸被攻克，實現(xiàn)飛行模擬機的遠(yuǎn)程鑒定必將成為未來的發(fā)展趨勢。