基于半实物仿真的航空电子装备维护训练系统设计

■ 陈鸿 李进杰 王炜珽/海军航空工学院青岛校区

近年来,新型航空电子装备不断装备部队,给维护训练带来了诸多难题,如新设备复杂昂贵、缺乏培训实装等,为了解决上述问题,目前国内外广泛采用仿真维护训练手段。本文提出了一种基于半实物仿真的航空电子装备地勤维护训练系统构架,详细介绍了其软硬件组成和实现途径,能够为各具体型号航空电子装备地勤维护训练系统的设计和实现提供有益参考。

1 地勤维护训练系统功能设计

该系统具体功能如下：

1） 拆卸安装训练,具备与实装相同的外型尺寸、安装方式和电缆连接关系,具有真实的拆卸和安装手感。用于训练维护人员使用工具和掌握技能的正确性和熟练度。

2） 通电检查训练,能够对仿真装备进行机上通电检查,能模拟机上的显示控制,响应仿真装备的上电、自检、功能检查等操作,给出相应显示结果。用于训练维护人员机上通电操作技能和外场反应能力。

3） 功能检查训练,能够对仿真装备进行地面功能检查,通过对配套地面保障设备的半实物仿真, 能够向仿真装备发出模拟信号,使其完成对应功能,如通信、探测、干扰等功能。用于训练维护人员操作使用地面保障设备进行装备功能检查的能力。

4） 故障排除训练,能够在仿真装备内及连接电缆上设置故障,模拟包括器件故障、线路通断、性能下降等多种实际工作中常遇到的典型故障,用于训练维护人员故障分析和排除能力。

5） 训练效果评估,训练开始后能自动采集训练过程中的学员操作,发现其中的错误操作,训练结束后自动完成训练成绩的评定。

2 系统硬件实现

整个维修训练系统可分为五大组成部分：半实物仿真装备、半实物机上显控单元、半实物地面检测设备、信息采集与控制单元、导调与训练效果评估平台,系统组成如图1所示。

2.1 半实物仿真装备

半实物仿真装备采用1：1比例,从硬件上真实再现实装各外场可更换单元（LRU）的外观、接口、连接以及机上固定方式,作为训练时进行外部检查、内部检查、安装拆卸等实践动手科目的训练平台。同时,半实物仿真装备内部还根据装备功能、故障设置等要求设计了相应的电路。

1） 信号仿真电路

信号可以说是航空电子装备的灵魂。仿真实装是否逼真,是否具有可操作性,除了要求仿真其外形外,更重要的是如何模拟实装内部的各种信号。这些信号包括射频信号、控制信号、供电信号等。在一定制作成本下,可以采用低频代替射频,低压代替高压等方法建立仿真装备的信号功能电路。为了保证半实物装备仿真的逼真度,所有电路的走线均同实装一致。

2） 故障设置电路

用于对LRU的工作状态进行设置,一般可采用程控继电器组或者手动开关组构成故障设置电路,在仿真信号电路上设置继电器组或开关组,通过通断来实现LRU内部工作状态的模拟,如故障、良好、性能下降等。

图1 维护训练系统硬件组成

2.2 信息采集与控制单元

信息采集与控制单元是整个系统的神经中枢,是半实物仿真装备与半实物座舱、半实物地面检测设备实现信息交联的关键单元。从实现上应满足两点：一是采集半实物仿真装备的电路状态（工作状态、故障状态等）,并将采集到的信息实时交给上位计算机（座舱工控机或检测单片机）；二是响应上位机的控制指令（上电、通断、发射等）,以改变半实物仿真装备的电路状态。可以采用目前通用的I/O模块来实现上述功能,如数字采集卡、总线转换模块等。

2.3 半实物机上显控单元

座舱显示控制是进行操作控制训练、机上通电检查训练、检查结果显示的关键。可半实物仿真再现飞机座舱内的关键显示控制部件,如多功能显示器、航空电子启动板、综合控制板、油门杆等。这些显控部件实际上是人机交互接口,为了使各模拟部件具备与真实座舱内控制部件一致的控制动作和操作响应,需要将它们以星型连接到仿真座舱内的工控机上,通过工控机来实现控制和显示。工控机在响应用户操作的同时,将用户的操作转换为指令,通过总线与信息采集与控制单元交联,实现对仿真装备的通电控制；同时不断采集仿真装备的当前状态,实时在显示器上输出对应画面。

2.4 半实物地面检测设备

半实物地面检测设备模拟内外场地面检测训练时需要用到的各种一二线检测设备,如外场使用的故障检测仪、内场用到的自动测试设备（ATE）等。模拟的检测设备具有与部队实际检测设备一致的外观和操作。通过与信息采集与控制单元的通信,获取半实物仿真装备的状态信息,并给出对应的检测结果。

2.5 导调与训练效果评估平台

导调与训练效果评估平台是培训教员的主要工作平台,具有两大功能：一是训练科目下达和故障设置；二是训练成绩评定与记录,对训练结果进行存档、查询、再现。前者可通过发送指令至信息采集与控制单元,控制半实物仿真装备中故障设置点的状态来达到。后者可通过与半实物仿真座舱中的工控机通信,记录学员的所有操作,然后评定成绩。这两大功能都可通过通用计算机来实现。

3 系统软件实现

维护训练系统需要通过软件驱动硬件工作,来响应用户指令、采集信息并显示相应结果。在整个航空电子装备维护训练系统中运行的软件有三类,在半实物座舱工控机中运行的是“机上显控软件”；在各种半实物一二线地面检测设备的半片机或工控机中运行的是“一二线检测软件”； 在导调与训练效果评估平台通用计算机中运行的是“导调与训练效果评估软件”。这三类软件不是独立运行的,相互之间有通信连接,整个系统的软件总框架如图2所示。

1） 机上显控软件

机上显控软件是半实物仿真座舱能够实现显示控制的核心,通过实时监听通信串口,响应不同地址编码对应的按键,调用对应的信息响应与处理程序组,如加电、自检、功能检查等,来对应采集半实物仿真装备的状态,最后将结果通过指示灯或多功能显示器显示出来。与此同时,机上显控软件通过远程访问在导调与训练效果评估平台上的训练过程数据库,将训练过程中人员在座舱中的所有操作记录到数据库中,供训练结束后进行训练效果评估和训练过程回放。

2） 一二线地面检测软件

一二线地面检测软件运行在各种外场地面检测设备的单片机或内场地面检测设备的工控机中。虽然具体型号的航空电子装备的地面检测设备有很多种,但其核心工作原理是一样的,对其进行半实物仿真时,可采用通用的软件框架,即首先发送指令或信号使仿真装备工作于某种指定状态（上电、自检、加卸载等）,然后采集该状态下半实物仿真装备内各LRU检测点的信息,最后依据这些采集信息给出对应的检测结果。

3） 导调与训练效果评估软件

导调与训练效果评估软件运行在导调与训练效果评估平台通用计算机上,在下达训练科目后,如通电自检、告警功能检查、发射机故障排除等,软件自动设置装备状态,并将训练科目记录在数据库中；然后开始该科目训练,在训练过程中,软件作为数据库服务器,不断接收客户端（机上显控软件）的操作,并记录在数据库中,同时显示在屏幕上；训练结束后,软件依据学员的所有操作记录自动得出训练成绩,并给出操作正确与否的判断。

图2 航空电子装备地勤维护训练系统软件框图

图3 维护训练流程图

4 应用验证

基于上述软硬件结构,目前已开发出多套维护训练系统,并投入院校教学和部队的技术保障训练实践中,利用该系统进行维护训练的一个典型流程如图3所示。

当教员在导调台上下达训练科目后,受训学员依据维护方法对半实物仿真装备进行各项检查,若设置了故障,维护训练器座舱和地面检测设备上将显示对应的故障现象。学员记录现象,使用半实物地面检测设备进行测试,通过分析测量结果逐步定位故障,确定维修方案,最后排除故障。在这个过程中训练了学员综合运用检测设备、维修工具以及正确分析故障原因、快速排除故障的能力。

5 结束语

本文提出了一种基于半实物仿真实现的航空电子装备地勤维护训练系统通用框架,该框架采用分布式总线的软硬件测控体系,很好地解决了模拟座舱、仿真装备、一二线地面检测设备三者间交联控制关系复杂的问题。实际使用表明,基于该框架构建的地勤训练系统能够有效克服当前训练中存在的理论教学生动性差、实践教学实装少、组织困难、不安全因素多等缺点,且系统的可扩展性好,使用方便,可靠性高。该通用框架在各型航空电子装备地勤维护训练模拟器中具有一定的推广应用价值。

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