[科普中国]-飞机维修训练模拟器

简介

航空(飞机)模拟器的应用已有几十年的历史。按照不同的用途，可以分为操作训练模拟器和工程技术模拟器两大类型。工程技术模拟器又可分为研究型模拟器和维修训练模拟器。由于各种因素的限制，维修模拟器一直滞后于其它两种类型的模拟器。维修模拟器主要用于对飞机各系统(机载设备)的运行过程、操作规律、技术性能和结构特征进行模拟，以适应对其技术原理、结构特征和维护过程进行模拟训练的需要。维修模拟器对于提高航空维修训练水平，降低寿命周期内的使用费用，具有十分重要的意义。

飞机维修模拟训练，是指飞机维修训练是在模拟训练器/系统上进行。模拟训练装备包括模拟训练器材、模拟训练软件以及虚拟现实训练系统等。 维修模拟训练以安全、经济、可控、可多次重复、无风险、不受气候条件和场地空间限制，既能常规操作训练，又能培训处理各种事故（包括灾难性事故）的应变能力，具有训练的效率高、成本低等独特优势，一直受到各国民航维修企业的高度重视，特别是面对当前既要提高机务维修人员的维修能力又要降低培训成本的今天，世界各国民航维修企业和学校均将模拟训练视为维修训练必不可少的甚至是唯一安全、经济而有效的工具和手段，加以重点发展。

我国的飞机维修训练模拟器飞机维修训练模拟器，从20世纪50年代末起步到现在，大致经历了三个阶段:

从50年代末到80年代初，以机电和物理模拟为主的发展初级阶段。这个阶段主要采用初级的机电计算机与物理模拟相结合技术，研制了飞机单系统的“示教板”、“训练器”和“练习器”，结构简单、功能单一。如:“发动机起动和状态系统练习器”和“燃油系统工作情况演示板”等。

80年代特别是1984年以后几年，进入了以计算机技术为主的全面发展阶段。航空维修训练模拟器从简易的物理模拟，进入了以机械、电动式模拟为主要技术手段的模拟。这一阶段，模拟器的功能己由单一的“演示型”发展为通电、测试和分析的“多功能型”.如:“发动机试车练习器”和“飞机操纵系统模拟器”等.

90年代以来，以数字计算机仿真技术为主，多媒体技术、计算机成像技术、网络通信技术和人工智能技术等高新技术的广泛应用，使航空维修训练模拟器的研究进入了新的发展阶段。这个阶段的模拟器，功能强、任务覆盖率高，技术较为先进，效益较为突出，逐步形成了航空维修训练模拟器材体系。如:“某型飞机维护模器”和“多型飞机飞控系统综合模拟器”等。

分类对飞机维修模拟器的分类方法，目前尚无统一的标准和规范。大致可以按照结构特点、应用目的和配置方式进行分类。

1根据训练要求和训练目的的分类

根据训练任务的不同，维修模拟器可以分为综合模拟器、专业模拟器和任务模拟器三种。综合模拟器可对飞机全部(或多个)系统的维修工作进行综合的模拟训练;专业模拟器可对机械、特设、武器、电子等单一专业的维修工作进行模拟训练;任务模拟器则主要对一个分系统(或一种机载设备)的维修工作进行模拟训练。

2根据安装环境和配置方式的分类

主要分为三种类别:地面固定式模拟器、移动(机动)式模拟器和嵌入(结合)式模拟器。地面固定式模拟器主要安装在院校、模拟训练中心的固定实验室(教室)中;移动式模拟器通常将模拟器安装在可移动的载体中，利用专用电缆和无线通讯链路，实现与分布位置不同的设备，或与外场的飞机系统的连接，进而构成完整的模拟系统;嵌入式模拟器则是将模拟器整体嵌入飞机(机载设备)实装中，或者作为武器系统的一个组成部分，或者作为其外部扩展的一个子系统。

3根据结构特点和实现技术的分类

(1)全尺寸模拟器

具有与实装完全相同的外形，设备(机件)的安装位置及连接关系与实装完全一致，如以色列IAI公司的Kfir C2维修模拟器和美国ECC公司的C-17A发动机维修模拟器。维修人员可以真实的工具和仪器(或模拟仪器)进行维修训练，获得与实装完全一致的维修模拟环境。这种模拟器逼真度最高，但体积大、造价高，不利于对系统(设备)工作原理的理解。

(2)半尺寸模拟器

大部分维修模拟器属于这一类型。对于重要的维修操作环境与实装保持一致(如座舱)，各系统(设备)的机件则安装在模拟面板上，采用机上连接或原理性连接方式。如加拿大Atlantis公司的F-15、F-18、S-70维修模拟器和美国ECC公司的F/A-18电子设备维修模拟器。这种模拟器既减小了体积，又保证了主要操作环境的一致性.

(3)桌面模拟器

又可称为软模拟器，使用计算机屏幕或头盔显示器来显示模拟维修操作界面。如英国Pennant的Hawk CBT系统。这种模拟器体积小、成本低、可移动或嵌入式使用，同时，还可方便地扩展为远程模拟训练系统。1

主要技术全尺寸和半尺寸模拟器属于半物理仿真，桌面模拟器则接近于数学仿真.三者在技术上基本一致，特别是核心部分数学模型是完全一致的，主要在模拟操作界面上存在差别。

建模数学模型的建立是以飞机维修仿真系统为基础，是模拟系统逼真度的关键。飞机维修模拟器的数学模型主要包括飞机系统仿真模型和环境仿真模型.

飞机系统仿真模型，包括发动机、液压、燃油、操纵、环控、电气、仪表、飞控和武器等系统，以及机载电子设备。为满足维修的需要，这类模型除具有各种逻辑控制关系，并直接与各种开关(旋钮)和仪表(显示器)连接外，还必须按系统/子系统/成附件的层次，逐级划分到可维修的模块，并建立测试点与调整点和更换件之间的控制关系。环境仿真模型则主要是音响系统，用于仿真各种设备的工作声音，如发动机的起动、工作和停车的声音。

数据库维修模拟器的数据库由数据表系统、数据存储区、公共变量区与符号字典组成。数据表系统包括所有常量和变量名以及仿真程序所应用的有关数据(包括原始数据和实时仿真结果数据)。实时仿真程序模块之间的数据传递是通过全局符号变量和公共数据区实现的。符号字典则需对这些数据传递进行统一管理，对整个数据库起着封装的作用，为模型库和调试环境对数据的访问提供数据接口。维修仿真数据库管理系统需实现原始数据格式的转换、数据管理、符号字典管理和系统管理四项功能。

飞机显示装置仿真飞机显示装置是性能参数的显示窗口，给维修技术人员提供各种视觉信息.维修模拟所需的飞机显示装置包括:各种信号(灯)指示、仪表和电子显示器(EDU)。

(1)信号(灯)指示装置的仿真

采用实装信号灯(盒)，由控制计算机的D/O直接驱动。

(2)仿真仪表

模拟器上的仪表，有三种仿真方法:直接引用仪表、改装仪表和计算机实时图形仿真仪表。由机载计算机控制的仪表，如：导航和飞控仪表、大气数据计算机仪表等，当模拟器的接口与机载系统相应接口相同时，可直接采用该类仪表。对于指示器与传感器合为一体的仪表或模拟式计算机控制的仪表，需在内部改装成直流或交流驱动后使用。采用计算机实时图形图像技术在显示器(CRT、LCD)上生成的数字式图形仪表，由于成本低，便于使用和维护，因此在维修模拟器应用最为广泛。

(3)电子显示器

机载电子显示器，如EFIS、平显、EDU等，均采用相近的CRT或LCD仿真.

音响模拟在维修工作中，设备的工作声音是判断其工作是否正常的重要依据，因此，必须提供逼真的音响效果。要逼真地模拟飞机的音响，必须保证模拟音响与真实设备的各种音响具有一致的频宽和幅值，以及一致的变化规律。音响数据一般都是经实录获取。对于变化简单的音响，可以采用分段固定的声音文件，根据输入的控制信号，调用回放相应的声音文件。对于复杂的工作音响，如发动机试车的音响，则需分析其频谱，获得生成各种声音的数据，建立相应的音响数据文件。在模拟器中，判断不同的状态和条件，实时计算不同声音的频率和幅值，并进行必要的修正。然后再将不同波形声音的频率和幅值输出到音响发生器上。

发展趋势以电子信息技术为代表的高新技术的发展，为研制高技术含量的维修模拟器提供了强有力的技术支撑.新一代的维修模拟器将广泛采用人工智能、专家系统、’VR等技术，向多功能、虚拟化、通用化、训练一任务一体化和远程分布式的方向发展。

虚拟装备所谓虚拟装备(Virtual Equipment VE )，是指根据装备的构造原理、采用数字仿真技术建立针对实装的，细化到可维修(更换)部件级的高精度数学模型，通过VR技术构建三维可视化、可交互的维修工作环境，以满足实装使用、维护、性能测试、故障隔离和排除等模拟训练的需要。

虚拟装备在功能上，应满足三个层次的需求:

(1)能实现装备功用、组成、工作原理和性能分析等演示型模拟；

(2)能实现装备的维修程序、测试与调整、故障设置、故障隔离和排除等操作型模拟；

(3)加上适配器，能实现与实装的对接，作为系统的一个组成部分，参与设备回路，完成移动训练和测试功能。

虚拟装备的技术关键点是构建维修够用的虚拟装备模型，分为几何数据和非几何数据两类模型。几何模型主要是指装备的外形和内部结构;非几何模型则包括装备的功能、行为运动规律以及维修操作规律。同时，还必须建立两类模型之间的关联数据库。

虚拟装配虚拟装配(Virtual Assembly VA)是指在虚拟的工程环境中，建立“虚拟样机”，真实地仿真其运动过程，发现新设计产品在装配中的问题，并可以迅速地分析、比较多种设计方案，测试并改进装配工艺流程，直至达到最优化。

虚拟装配同样可以应用于模拟训练，其主要特征包括:

(1)真实感的装备(包括成附件)模型的三维可视化；

(2)装备(包括成附件)拆装程序的虚拟再现；

(3)简单的人与虚拟维修环境的自然交互。

虚拟装配的关键是建立装备、成附件，直至维修(更换)所必需零件级实体模型库;还需要拆装过程、修理工艺、零部件信息等信息库;以及维修装配时的装配关系与物体的运动规则库，同时还应考虑阻挡、碰撞、摩擦等干涉检查。

嵌入式模拟嵌入式模拟(Embed Simulation ES )是指将模拟器整体嵌入到机载设备或测试设备等实装中，或者作为武器系统的一个组成部件，或者作为其外部扩展的一个子系统(模块)。以满足工作岗位的培训需要。

嵌入式模拟的主要形式包括：

(1)综合到电子设备中，类似交互式电子技术手册(IETM ) ,可以在线显示使用、维护程序和故障隔离程序；

(2)综合到测试设备，如ATE, BITE中，可以进行测试程序的在线模拟训练；

(3)安装在一个便携式机箱内，通过标准接口装置，能够方便地与机上设备(如雷达)相连接，实时生成各种所需信号，在实装上模拟出各种使用情况和故障状态。

嵌入式模拟需要与实装进行综合(结合)设计，预留标准接口。同时，还必须研究便携式计算装置、嵌入式信号生成器、嵌入式操作系统和多媒体界面的仿真程序。2

作用和意义1，满足现役机型培训教学的需要

但目前，航空企业在机型培训中教师只能靠维护手册、图片等方式来开展，难以在学员头脑中形成生动的实物模型与维修场景，教学效果事倍功半。引入模拟训练器将虚拟驾驶舱、虚拟三维飞机、动态原理图及飞机手册展现在课堂上，相当于将飞机直接搬到课堂上。学员根据教学内容随时随地进行飞机系统功能测试、操作检查、故障分析和排除、部件识别与拆装等训练，让学员以一种安全、经济、有效的方式积极参与到课堂教学中，激发学员的学习积极性，提高教学效率。

2，是更新实训课程内容，提高实训实效，节约实训成本的需要

在现役飞机上开展维修训练是不现实的。维修训练只能在已经退役飞机上进行或者干脆只做课堂讲解。引入维护/飞行训练器可以大大的改变现有的实训条件。首先，实现了实训机型与现役机型同步；其次，实训可以增加测试、故障隔离等真正有用的内容。可见，使用模拟训练器可以克服当前训练教学组织困难、风险高、效果差的缺点，使长期困扰航空维修企业机务人员培训中诸如机型培训针对性差、实战性不强的老毛病得到彻底的改观。同时，由于不需要实际使用真实设备，可以大大降低实训成本。

3，是实现以工作过程为导向培训教学模式的需要

引进机务维修模拟训练器，模拟出飞机系统测试、发动机试车、系统状态监测和故障隔离等真实的机务维修工作场景，提高学员实际工作能力，使学员能自主的发现问题，解决问题，提高培训质量，为今后的维修一线工作打下良好的基础。3