CN113706967A - 一种机务综合模拟维修训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机务模拟技术领域，具体为一种机务综合模拟维修训练系统，包括：半实物仿真座舱分系统，包括系统仿真软件、与系统仿真软件对应连接的仿真座舱、数据采集分系统以及音频分系统；控制台分系统；计算机网络分系统；电源分系统。本发明通过将设备座舱硬件采用模块化设计，通过LAN总线方式实现系统组网，使得系统可维护性更加便利，同时提高了系统功能扩展性；系统软件设计过程中针对操作考核系统数据库进行可更新数据库资源设计，即系统考核软件平台开放，使用者可进行二次开发，可很好的实现模拟器与系统飞机技术状态的同步更新；相较于传统机务模拟器，本设计系统整体仿真逼真度在95％以上，可很好的满足机务人员使用要求。

Description

一种机务综合模拟维修训练系统

技术领域

本发明涉及机务模拟技术领域，具体为一种机务综合模拟维修训练系统。

背景技术

经调查走访我军多数地勤机务大队皆配备机务模拟器，主要用于机务人员日常维修、训练。目前，该类机务模拟器在设计上多数存在系统硬件架构复杂，后期可维护性差；硬件资源接口有限，功能可扩展性差；软件考核系统题库有限，考核数据库无法更新；在功能上其覆盖率低，且仿真度低等缺陷，现该类机务模拟器已无法满足机务人员实际训练使用要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种机务综合模拟维修训练系统。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种机务综合模拟维修训练系统，包括：

半实物仿真座舱分系统，包括系统仿真软件、与系统仿真软件对应连接的仿真座舱、数据采集分系统以及音频分系统；

控制台分系统，包括控制台硬件和控制台软件，用于完成系统教学演示、流程演示、训练准备、科目选择、科目设置、典型科目组织、故障案例输入、训练过程记录、考核成绩判定、考核结果评分信息；

计算机网络分系统，包括系统仿真计算机、交换机，用于提供覆盖各分系统的稳定硬件运行环境，以及实现计算机、数据采集系统、控制台的数据交互；

电源分系统，用于将220V，50Hz市电变换为模拟仿真系统所需的工作电源，以及实现供电、电压转化、过压过流保护、应急供电的功能。

优选的，所述系统仿真软件包括仪表仿真模块、数据采集控制模块、声响控制模块和数据交互模块。

优选的，所述仪表仿真模块、数据采集控制模块、声响控制模块均包括发动机启动模块、燃油系统模块、液压冷气系统模块、飞行操纵系统模块、环境控制系统模块、电源系统模块、仪表设备模块、无线电通信导航系统模块、航电系统模块、机载武器模块。

优选的，所述数据采集分系统包括若干个仿真控制盒、网络交换机以及连接线，每个仿真控制盒均包括仿真模拟面板和分布式数据采集与控制电路板，且带有接口板。

优选的，所述仿真控制盒内的接口板包括输入、输出(I/O)板，数模转换(A/D、D/A)板，仪表驱动板，总线转换板以及电源转换板。

优选的，所述仿真控制盒内的接口板主要性能指标包括：CAN/NET总线；AD 12位分辨率，10路单端输入；AD通道250KHz转换速率；AD输入阻抗1MΩ；8通道3.3VDA输出；数字I/O输入32通道；数字I/O输入电压范围0～+3.3VDC；输入状态跳变检测；数字I/O输出32通道；数字I/O输出电压3.3VDC；安全上电输出初始状态；终端电阻120欧姆且符合DeviceNET和CANopen标准。

优选的，所述音频分系统包括音频终端设备和音响控制系统，所述音频终端设备包括源音箱和驾驶员耳机、受话器和驱动设备；所述音响控制系统包括计算机上的声卡和音频控制模块。

优选的，所述仿真座舱与实装座舱为1:1比例，所述仿真座舱上的仿真座舱仪表采用虚拟仪表和硬件模拟仪表两种方式组合而成。

优选的，所述控制台硬件包括控制台、设置在控制台上的控制台计算机、24寸液晶显示器、网络交换机。

优选的，所述控制台软件包括系统启动控制模块、训练内容设置模块、飞机故障设置模块、训练过程复现模块、自动评判模块、系统维护检测模块、系统操作帮助模块。

本发明的有益效果是：

本发明通过将设备座舱硬件采用模块化设计，通过LAN总线方式实现系统组网，使得系统可维护性更加便利，同时提高了系统功能扩展性；系统软件设计过程中针对操作考核系统数据库进行可更新数据库资源设计，即系统考核软件平台开放，使用者可进行二次开发，可很好的实现模拟器与系统飞机技术状态的同步更新；设计系统涵盖发动机试车训练、各专业座舱通电检查训练、故障设置与排除训练、航电相关POP操作逻辑训练、语音通讯及逻辑训练、操作考核、性能参数设置与调整训练、店面检测设备使用训练及系统自检九大功能，且座舱硬件资源多数采用飞机实装件、仿真件；相较于传统机务模拟器，本设计系统整体仿真逼真度在95％以上，可很好的满足机务人员使用要求。综上所述，该设计方法相较于现有设计技术无论在系统功能提升还是在仿真逼真度都得到极大的提升。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1为本发明的组成结构框图；

图2为本发明中半实物仿真座舱分系统的组成示意图；

图3为本发明中系统仿真软件的组成示意图；

图4为本发明中单个仿真控制盒内部电气连接原理图；

图5为本发明中控制台软件的架构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。

如图1至图5所示，一种机务综合模拟维修训练系统，包括半实物仿真座舱分系统、控制台分系统、计算机网络分系统以及电源分系统。其中所述电源分系统分别与半实物仿真座舱分系统、计算机网络分系统连接，所述半实物仿真座舱分系统与计算机网络分系统连接，所述计算机网络分系统与控制台分系统连接。

具体的，如图2所示，所述半实物仿真座舱分系统由仿真座舱、系统仿真软件、数据采集分系统及音频分系统组成。其中所述系统仿真软件分别与仿真座舱、数据采集分系统及音频分系统对应连接。

如图3所示，所述系统仿真软件由数据采集控制模块、仪表仿真模块、声响控制模块及数据交互模块构成，用于完成飞机整机系统建模仿真，为使用人员提供一个逼真的仿真效果。其中数据采集控制模块、仪表仿真模块和声响控制模块涵盖发动机启动模块、燃油系统模块、液压冷气系统模块、飞行操纵系统模块、环境控制系统模块、电源系统模块、仪表设备模块、无线电通信导航系统模块、航电系统模块、机载武器模块。

进一步地，所述发动机启动模块包括发动机起动、发动机试车以及发动机空中起动。所述燃油系统模块包括油箱系统、供输油系统、通气增压系统、输油顺序控制系统、油量测量及信号指示系统、加放油系统。所述液压冷气系统模块包括主、助力液压系统、应急液压系统、主、应急冷气系统。所述飞行操纵系统模块包括机械操作系统、增稳控制系统。所述环境控制系统模块包括座舱温度调节系统、座舱压力调节系统、雷达增压系统。所述电源系统模块包括直流电源模块、交流电源模块。所述仪表设备模块包括航行驾驶仪表、航向姿态仪表、电子飞行显示系统、发动机工作检查仪表、飞行参数记录系统。所述无线电通信导航系统模块包括通讯系统、无线电罗盘、塔康信标接收机、无线电高度表、空管应答机、敌我识别应答机、雷达告警系统。所述航电系统模块包括显示控制管理系统、大气数据计算机系统、惯性/卫星导航系统、雷达系统、任务计算机系统、外挂物管理系统。所述记载武器模块包括航炮、各型弹的控制。

所述数据采集分系统采用多种总线来解决各输入、输出系统与控制计算机之间的数据传输。主要由LAN、CAN两种通信方式结合而成，且两种通信方式在一定条件下可相互转换，以增强硬件系统的适应性。CAN总线具有完善的数据冲突解决方法，而且仅通过两组通信总线进行数据传输，适合板卡之间组网，因此在输入、输出系统中采用CAN总线进行连接。在各数字输入卡、编码器输入、模拟输入卡、数字输出卡、模拟输出卡和仪表之间采用CAN总线进行互联，然后通过CAN总线和以太网转换模块与仿真控制计算机连接。

所述数据采集系统主要由若干个带有接口板的仿真控制盒、一个网络交换机、若干根连接线组成。

如图4所示，每个仿真控制盒由仿真模拟面板和分布式数据采集与控制电路板组成。分布式数据采集与控制电路板独立对仿真模拟面板上各类输入、输出信号进行采集和控制。仿真控制盒通过CAN总线与总线转换电路板互联，形成一个基于CAN总线的数据传输网络。总线转换电路板同时通过网线和仿真控制计算机相连。当通过操作仿真模拟面板上的某个输入设备时，相应的仿真控制盒上的分布式数据采集与控制电路板检测到相关信号并对信号进行编码，然后通过CAN总线将编码传输至总线转换电路板，对数据进行处理后再次将数据封装成IP包并通过网线发送至仿真控制计算机，仿真控制计算机接收到数据后进行解码、计算，生成相应的控制信息并发送至相关设备。当需要对相关仿真控制盒的输出设备进行控制时，仿真控制计算机首先将控制数据进行编码并封装成IP包，然后发送至总线转换电路板，总线转换电路板接收到数据依次判断数据的目标仿真控制盒并将数据发往相应地址的仿真控制盒。目标仿真控制盒上的分布式数据采集与控制电路板接收到数据后进行解码并转换成控制信号，驱动仿真模拟面板上相应的设备进行指示。

进一步地，仿真控制盒内的接口板主要由相关接口硬件和相关控制数据、处理指令组成，具体包括：输入、输出(I/O)板，数模转换(A/D、D/A)板，仪表驱动板，总线转换板以及电源转换板等。接口板主要性能指标为：

适应总线形式：CAN/NET；

AD12位分辨率，10路单端输入；

AD通道250KHz转换速率；

AD输入阻抗1MΩ；

8通道3.3VDA输出；

数字I/O输入32通道；

数字I/O输入电压范围0～+3.3VDC；

输入状态跳变检测；

数字I/O输出32通道；

数字I/O输出电压3.3VDC；

安全上电输出初始状态；

终端电阻120欧姆可配置，符合DeviceNET和CANopen标准。

进一步地，所述音频分系统主要由音频终端设备和音响控制系统两部分构成。音频终端设备包括有源音箱和驾驶员耳机、受话器和驱动设备。音响控制系统实现音频文件播放控制、实时通话控制等功能，主要由多台计算机上的声卡和音频控制模块组成，播放各种模拟声响并通过受话器接收操作员的语音信息。音频系统利用计算机和声卡来模拟飞机的各种声响。将所要模拟的声音信号，利用采样变成数字信号，存入到计算机中，然后需要时经过声卡放出。此种方法获得的声音同真飞机发出的声音一样，效果最佳。音频系统组件安装在模拟座舱的前部。音频控制模块是一套多输入、多输出音频控制电路，输入信号来自各个计算机声卡的输出，输出信号用来直接驱动耳机和音箱。任一输出通道均由所有输入通道混合(或选择某几路输入通道混合)而成。通过程序既可以调节输出通道的总体音量，又可以单独调节各输入通道的音量。

进一步地，所述仿真座舱按照飞机实装座舱1：1比例制作。仿真座舱仪表采用虚拟拟仪表和硬件模拟仪表两种方式组合设计。虚拟仪表主要是指利用显示设备采用图形仿真技术和虚拟仪表控制技术，开发、制作的遮框式仿真仪表。硬件仿真仪表板是利用各种仿真仪表、信号灯、电门、按钮、操纵杆等器件生产组装的实物仿真仪表。这两种仿真仪表结合使用，可有效降低系统故障率，提高系统可靠性和维修性，降低生产成本，保证模拟训练器座舱与实装飞机座舱的外观、功能、操作的一致性。各类模拟仪表的跟随性、指示精度等与真实仪表相同，指示延迟时间小于80ms，总体效果与实装飞机一致。

所述控制台分系统包括控制台硬件与控制台软件两部分，主要用来完成系统教学演示、流程演示、训练准备、科目选择、科目设置、典型科目组织、故障案例输入、训练过程记录、考核成绩判定、考核结果评分信息等管理功能。

进一步地，控制台硬件采用单体定制台体，单个工位，可供使用人员进行操作使用，同时控制台内配置控制台计算机、24寸液晶显示器、网络交换机等硬件设备。

进一步地，控制台软件包括系统启动控制、训练内容设置、飞机故障设置、训练过程复现，自动评判、系统维护检测、系统操作帮助等子模块。

其中，系统启动控制主要包括系统内计算机启动进入、联网控制、退出控制等内容。

训练内容设置主要包括训练专业以及有关科目选择等。

飞机故障设置主要用以完成飞机故障模拟设置，并将设置信息出送至飞机系统仿真控制模块。飞机故障可多故障同时设置。

训练过程复现模块记录仿真座舱操作过程信息，并进行记录；在进行重现时，根据记录数据控制显示控制模块和声响控制模块。该模块可根据需要进行联播或选播控制。

操作考核评判模块通过采集记录训练过程中的主要操作数据，依据标准操作数据分析评判后，可详细列出座舱操作过程中存在问题，并量化评定训练成绩。如果发生严重操作错误时，考核评估模块能主动中断操作并告警。

系统维护检测模块是系统自检测模块是对仿真系统中各个控制板、数据线、接口电路、传感器和仿真设备等进行测试的模块，用以快速准确地判明各系统支路信号以及传感器、电门、开关、按钮等部(附)件的工作状态。

更进一步地，如图5所示，控制台软件按照分层结构分为数据层(含关系型数据库、NoSql数据库等)、数据库访问层、业务层、展示层进行设计，在各个层次都具有良好的可扩展性。

数据层采用Mysql作为主数据库，文本、图片、视频等多媒体文件、配置文件作为辅助数据库存储媒介。数据库包括了人员信息基本档案库、训练科目库、故障库、特情库、训练方案、训练日志等。

数据访问层通过Mysql连接池访问数据库配置，教员可以通过控制台的管理界面对人员档案、设备基础信息、训练科目、训练科目下的内容、训练默认设置、考核方案等进行增加、修改、删除、导出等功能，当学员进行操作时，程序通过高速缓存的方式获取信息进行高速访问。数据访问层同时预留了外部数据接入能力，可在系统架构不变的基础上接入更多的外部数据或第三方软件数据提。

业务处理逻辑包括了各个档案管理、训练设置、考核评估、原理教学、系统自检等，业务逻辑中按照软件模块化设计的思想，可在软件架构不变的基础上扩展更多的基础业务逻辑、故障设置与排除信息等。

展示层根据使用系统的角色不同分为管理员/教员视图、学员视图，每个角度可以根据各个功能模块设置不同的操作权限。管理员/教员视图主要包括了信息的管理功能和训练功能。学员视图包括技能训练、考核评估、原理教学等功能。

所述计算机网络系统主要由系统仿真计算机和交换机等主要部件组成，为模拟器软件仿真系统提供一个覆盖各分系统的稳定硬件运行环境，同时网络系统可实现计算机、数据采集系统、控制台等设备的数据交互。系统仿真计算机控制座舱仿真程序的推进，通过网络交换机组网，一方面接收来自接口系统的座舱设备状态信息、系统状态控制信息和外部设备操作信息，并对相关信息实时解算；另一方面控制座舱设备的显示状态，实时反馈训练课目操作状态和时序，并发出座舱设备控制指令信息。

所述电源系统由电源模块构成，将220V，50Hz市电变换为模拟仿真系统所需的工作电源，包括：UPS电源、24伏电源，可实现供电、电压转化、过压过流保护、应急供电等功能。

本系统采用半实物模拟训练的方式，按照飞机1:1比例制作。具体能够实现以下主要功能：

发动机起动与试车；

各专业座舱通电检查；

故障设置与排除；

训练管理与考核评估；

飞机外部检查；

训练管理与考核评估；

人员分类、分级教学、训练和考核；

分系统和模拟器自检。

具体的，发动机起动与试车：

依据《飞机维护规程》、《飞机维护工作卡》与《发动机技术维护规程》可实现发动机试车、燃气涡轮机起动机的冷运转、发动机冷起动等科目的训练。

进行发动机起动及试车训练时，满足以下要求；

应能够正确模拟动力装置在各种工作条件下的操纵响应、信号指示和灯光、语音等警告信息；

发参显示参数应与实装一致,可使用控制台监控试车过程中发动机的参数；

模拟的动力装置使用限制条件、燃油系统的燃油消耗、不正确操纵引起的发动机系统响应(如起动失效、过热、失火等)应与实装一致；

应能自动记录并保存学员在仿真座舱内部设备的操作,能够自动绘制试车曲线作为考核评分的重要参考依据。

各专业座舱通电检查：

依据《训练大纲》、《飞机维护规程》、《飞机维护工作卡》,应实现座舱内机械、军械、特设和航电等专业通电检查科目训练。座舱通电检查训练科目应满足训练大纲中人员分类训练、考核的要求。

故障设置与排除：

1)故障/特情库

提供故障/特情库，覆盖飞机各专业的常见及典型故障，故障库支持用户自主添加、删除、修改等功能,便于部队、院校和训练机构根据自身训练需求增加排故检查项目。

2)故障设置与排除

可预设故障,进行发动机试车与座舱通电检查时,故障现象、显示的故障代码应与实装一致,提高学员的故障判读能力。

3)特情处置

可设置地面发动机试车等过程中发生特情时的现象，如发动机试车时超温、着火、吸入多余物等，捉高对训练人员的特情判断与应急处置能力。

训练管理与考核评估

控制台应提供人机交互界面,具备档案管理、训练科目设置、考核评估、原理教学等功能。

进一步地，档案管理：

具备系统登录、学员/教员信息管理、训练信息管理等功能。具体要求如下：

(1)能进行教员/学员账户注册、登录及维护管理；

(2)能建立受训人员档案；

(3)能将评分结果自动记录到学员档案；

(4)能按曰期、训练期班、学员代码、成绩等方式查询学员或模拟训练信息。具备用户管理及登陆功能,可增加、删除用户以及根据用户设置相应权限,并记录用户登录信息及操作信息；

(5)能够实现数据的导入/导出，数据格式应至少支撑.doc/.docx/.xls/.xlsx/.txt格式。

进一步地，训练设置：

(1)可设置训练大纲所要求的训练科目，包括各专业飞行前检查、再次飞行前检查、飞行后检查、周期性工作、定期工作等类别,并能够正确加载所选科目的相应参数；

(2)可设置飞机油量、外挂物等条件参数；

(3)可设置飞机外部检测设备、保障装(设)备和保障车辆等；

(4)可提供典型科目的组训、考核方案。

进一步地，考核评估：

(1)训练记录功能：通过视频等方式,记录学员在座舱内的所有操作；

(2)训练评估功能：自动评定发动机起动与试车、座舱通电操作的完成情况以及训练成绩；按照从题库抽取/自动生成的试卷完成考核和成绩评定；

(3)训练讲评功能：提供学员操作过程中的未完成/错误操作项，支持训练结束后的音频/视频回放讲评。

进一步地，原理教学：

以《飞机维护规程》、《飞机维护工作卡》、《发动机技术维护规程》为依据,可实现：

(1)通过图片、视频、文字、动画等方式,提供飞机维护流程演示；

(2)通过动画等形式,实现部件的虚拟拆装；

(3)具备典型科目组训和理论考核等功能。

分系统和模拟器自检：

在控制台中应可通过人机交互界面，完成仿真座舱系统及其分系统的维护自检功能，满足以下功能要求：

(1)系统网络自检测功能，能准确检测并隔离模拟器各设备网络通讯故障；

(2)模拟器仿真仪表及控制盒设备自检测功能,能准确检测并隔离模拟器传感器、电门、开关、按钮等器件故障，故障定位至上述类型元器件，或者数据采集系统的板级。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种机务综合模拟维修训练系统，其特征在于：包括：

半实物仿真座舱分系统，包括系统仿真软件、与系统仿真软件对应连接的仿真座舱、数据采集分系统以及音频分系统；

控制台分系统，包括控制台硬件和控制台软件，用于完成系统教学演示、流程演示、训练准备、科目选择、科目设置、典型科目组织、故障案例输入、训练过程记录、考核成绩判定、考核结果评分信息；

计算机网络分系统，包括系统仿真计算机、交换机，用于提供覆盖各分系统的稳定硬件运行环境，以及实现计算机、数据采集系统、控制台的数据交互；

电源分系统，用于将220V，50Hz市电变换为模拟仿真系统所需的工作电源，以及实现供电、电压转化、过压过流保护、应急供电的功能。

2.根据权利要求1所述的一种机务综合模拟维修训练系统，其特征在于：所述系统仿真软件包括仪表仿真模块、数据采集控制模块、声响控制模块和数据交互模块。

3.根据权利要求2所述的一种机务综合模拟维修训练系统，其特征在于：所述仪表仿真模块、数据采集控制模块、声响控制模块均包括发动机启动模块、燃油系统模块、液压冷气系统模块、飞行操纵系统模块、环境控制系统模块、电源系统模块、仪表设备模块、无线电通信导航系统模块、航电系统模块、机载武器模块。

4.根据权利要求1所述的一种机务综合模拟维修训练系统，其特征在于：所述数据采集分系统包括若干个仿真控制盒、网络交换机以及连接线，每个仿真控制盒均包括仿真模拟面板和分布式数据采集与控制电路板，且带有接口板。

5.根据权利要求4所述的一种机务综合模拟维修训练系统，其特征在于：所述仿真控制盒内的接口板包括输入、输出(I/O)板，数模转换(A/D、D/A)板，仪表驱动板，总线转换板以及电源转换板。

6.根据权利要求4所述的一种机务综合模拟维修训练系统，其特征在于：所述仿真控制盒内的接口板主要性能指标包括：CAN/NET总线；AD12位分辨率，10路单端输入；AD通道250KHz转换速率；AD输入阻抗1MΩ；8通道3.3VDA输出；数字I/O输入32通道；数字I/O输入电压范围0～+3.3VDC；输入状态跳变检测；数字I/O输出32通道；数字I/O输出电压3.3VDC；安全上电输出初始状态；终端电阻120欧姆且符合DeviceNET和CANopen标准。

7.根据权利要求1所述的一种机务综合模拟维修训练系统，其特征在于：所述音频分系统包括音频终端设备和音响控制系统，所述音频终端设备包括源音箱和驾驶员耳机、受话器和驱动设备；所述音响控制系统包括计算机上的声卡和音频控制模块。

8.根据权利要求1所述的一种机务综合模拟维修训练系统，其特征在于：所述仿真座舱与实装座舱为1:1比例，所述仿真座舱上的仿真座舱仪表采用虚拟仪表和硬件模拟仪表两种方式组合而成。

9.根据权利要求1所述的一种机务综合模拟维修训练系统，其特征在于：所述控制台硬件包括控制台、设置在控制台上的控制台计算机、24寸液晶显示器、网络交换机。

10.根据权利要求1所述的一种机务综合模拟维修训练系统，其特征在于：所述控制台软件包括系统启动控制模块、训练内容设置模块、飞机故障设置模块、训练过程复现模块、自动评判模块、系统维护检测模块、系统操作帮助模块。

Images