飞机系统虚拟仿真实践教学平台开发

陈 聪， 金 洋， 王 轩， 孙一蕾

(1. 中国民航大学 航空工程学院，天津 300300；2. 北京飞机维修工程有限公司，北京 100621)

飞机系统虚拟仿真实践教学平台开发

陈 聪1， 金 洋1， 王 轩1， 孙一蕾2

(1. 中国民航大学 航空工程学院，天津 300300；2. 北京飞机维修工程有限公司，北京 100621)

为使学生充分了解完整维修过程及其在飞机系统上的应用，针对现有飞机系统实验教学资源有限而导致的实验教学内容单一、学生参与性不足以及虚拟维修实验室利用率低等问题，开发了一套虚拟仿真实践教学平台。采用Matlab/Simulink软件建立B737和A320飞机常用系统模型，LabVIEW软件建立飞机控制指示仪表板，SQL server数据库建立维修技术手册等资料库，以Authorware或flash制作多媒体动画演示系统工作原理，采用C#搭建用户界面建立实践教学平台，开发的飞机系统虚拟仿真实践教学平台既可满足现代飞机维护专业实践教学的需求，又可为解决工程问题提供支持。

飞机系统； 虚拟维修； 实践教学平台； Simulink； LabVIEW

0 引 言

虚拟现实技术代替真实场景的实验不仅成为可能，而且成为日益紧迫的需求[1]。为使学生充分理解完整维修过程并结合飞机主要系统进行应用，利用虚拟仿真技术建立实践教学平台顺应教育信息化的发展趋势和现实需要，必将对高等教育质量的提升和实验教学改革的深化，产生积极而重要的影响[2]。

针对现有飞机系统实验教学资源限制而导致的实验教学内容单一、学生参与性不足以及虚拟维修实验室利用率低等问题，开发了一套虚拟仿真实践教学平台。将理论教学与实践环节完整有机地结合起来，是民用航空卓越工程师教育计划的一次合理探索与有益尝试[3-4]。

1 平台建设方案[5-8]

建立的虚拟仿真实践教学平台在飞机主要系统的控制、指示和排故过程实现完整的闭环过程。其基本功能如图1所示。

图1 系统基本功能图

平台基本功能包括显示、控制、维修等环节，实现完整的虚拟维修流程。主要采用Matlab软件中的Simulink模块对系统进行建模，以LabVIEW软件模拟仪表板的警告及指示信息。通过SQL server数据库[9]建立相关机型AMM(Aircraft Maintenance Manual)手册等技术资料库，对于系统工作原理以Authorware或flash制作多媒体动画进行展示[10]，最后采用C#搭建用户界面建立实践教学平台[11]。为实现系统原理-系统显示-系统控制的各个模块功能[12-14]，系统结构框架设计如图2所示。

图2 系统结构框架图

整个虚拟维修平台在参考波音、空客飞机机载维护系统的组成[4]后，合理规划平台建设方案，设计拥有系统原理演示、控制面板仿真、维护手册查询以及维护训练等四大功能，并着力解决了C#编程语言与其他不同软件的接口技术与数据通讯功能。

针对平台的核心功能模块——维护训练，以LabVIEW开发控制指示面板，利用Matlab强大的运算能力，将LabVIEW采集的数据或者前面板中用户自定义的初始值送到Matlab中进行相应的运算处理，最后再送达LabVIEW进行输出或显示[15]。利用Matlab中的Simulink模块进行系统仿真建模，以控制系统的模型为基础，用数学模型代替实际的控制系统[16-17]。LabVIEW与Matlab混合编程, 能充分发挥两者的优势, 开发功能强大的智能化虚拟仪器，在工程测试与控制应用中具有非常实用的价值。混合编程的关键是对LabVIEW与Matlab的数据通信，在本实践平台中，采用sit技术实现，并将混合编程的模型包生成可执行文件.exe，方便平台调用。平台内容依据B737和A320飞机的主要系统建立(见图3)。

图3 平台内容组成图

2 平台功能实现

2.1 手册查询功能

得益于.net平台优异的兼容性，在飞机技术手册查询界面成功调用FoxitReader Control控件，可内嵌到Windows窗体应用程序中的.com组件，通过三重C#控件ListBox逐级选择想要查询浏览的机型、手册、章节而定位到最终的章节。同时FoxitReader Control控件提供有PDF文件内目录定位，通过该功能可以继续定位下级的节、目，直接查看需要使用的内容，十分方便快捷。另外平台为后续完善预留了FIM、SRM、IPC、WDM等手册的接口，随时可以将内容加载到平台上使用。手册查询界面如图4所示。

图4 机型手册查询界面

2.2 面板仿真

控制面板仿真界面采用仪表功能强大的LabVIEW软件进行制作。但由于飞机仪表板显示的特殊性，无合适的功能控件可以直接选用。根据主显示面板的显示需求，采用雷达图配合图片函数设计完成，以发动机信息为例，主操控界面采用条件结构，布尔函数等功能设计[8]。

采用雷达图显示控件是利用编程将真实的面板显示内容绘制在雷达图指定的坐标位置上，利用显示控件显示，以图片类型连接数据，采用了图片函数的绘制图形功能，分别设计并利用条件结构或while循环等连接雷达图的各部分。图5所示为雷达图设计的一小部分。显示效果如图6所示。

图5 雷达图设计

图6 发动机信息显示界面

本实践平台，选择民航主力机型B737和A320，建立各主要系统的仿真面板。之后将各仿真面板.vi文件设计制作后，生成各自仿真面板.exe文件，为其分别创建项目，然后在项目浏览器的程序生成规范，最后在C#中进行调用。

2.3 系统原理演示

在系统原理演示界面成功地使用了Windows Media Player的内嵌式调用来播放原理演示视频资源库中的系统原理演示视频文件。通过点击界面左侧不同的链接，即可在Windows Media Player控件中播放不同的演示文件(见图7)。

2.4 维护训练

维护训练模块是本实践教学平台的核心功能，是根据实际排故流程分析建立的，维修流程见图8。

在模拟过程中，通过LabVIEW面板设定显示故障信息或者设定系统参数，通过sit接口将数据发送给Simulink模块进行计算，数据运算后再显示到系统面板上，实现系统故障显示的驾驶舱效应，最终再根据故障现象查阅相关技术文件进行模拟维修，实现完整维修流程。

图7 系统原理演示界面

图8 维修流程图

以发动机燃油流量为例[18-20]，软件仿真效果如图9、10所示，可切换控制观察面板，观察到依据飞机实际运行的QAR数据计算得到的燃油流量FF(FuelFlow)实时变化的曲线及燃油在油箱中的消耗情况。当燃油系统出现LOW、IMBL或CONFIG等其他故障信息时，显示在系统显示面板上，另外通过故障诊断界面可以进行相应技术文件的查找和阅读。

图9 燃油流量曲线

图10 故障诊断界面

3 结 语

开发的飞机系统虚拟仿真实践教学平台较好地展示了B737、A320等常见机型各系统的工作原理、驾驶舱指示与控制，实现维护技术资料查看、系统原理演示、驾驶舱查看、系统故障模式设置及维护训练等功能。相比较于传统的实践环节有很大优势，机务培训内容丰富，可扩展性好，成本低，易推广。既可满足飞机维护专业相关实践教学需求，又可为解决工程问题提供支持。

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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

中央高校基本科研业务费中国民航大学专项(3122014D019)；中国民航大学教育教学研究课题(CAUC-ETRN-2015-07)

陈 聪(1982-)，女，辽宁鞍山人，硕士，讲师，主要研究方向为航空维修与故障诊断、虚拟维修与仿真。

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

TP 271.4

A

1006-7167(2017)04-0084-04