飞行模拟机远程鉴定系统研究

2021-07-30崔超雄伍小东

测控技术 2021年7期

李婷，崔超雄*，任宁，伍小东

(1.航空工业西安飞机工业(集团)有限责任公司，陕西西安 710089； 2.四川航空集团有限责任公司培训中心，四川成都 611731； 3.西北云翼飞行训练有限公司，陕西西安 712034)

飞行模拟机作为一种专业的飞行人员培训设备，其运行状态的可靠性关系到飞行人员的培训质量，进而对航空公司运营、航空产业发展及机型发展都具有极其重要的意义。为了保证飞行人员持续具备驾驶航空器所需的正常/非正常操作技能，飞行模拟机采用现代化电子控制技术实现对飞机驾驶舱的全方位模拟仿真，以规章方式定期要求飞行人员进行周期性训练可使飞行人员持续具备所需的正常/非正常程序操作技能。为了保证飞行模拟机自身技术状态持续满足训练要求，民航管理部门需定期对提供模拟飞行训练的飞行模拟机进行技术状态鉴定。用于提供飞行训练服务的飞行模拟机通常分布在全球各地，负责飞行模拟机鉴定的专家需按照鉴定计划安排赴飞行模拟机现场进行鉴定。按照国内定期鉴定1台设备，路途往返需2天，正常情况下实际鉴定需1天，即鉴定组专家至少需花费2/3的时间在路途上，如果为国外设备，则需花费更多的时间。

随着飞行模拟机机群规模的不断扩大，各国民航管理机构均面临鉴定组专家人员紧张、专家工作压力及强度骤增的情况，且专家必须将大部分时间花费在奔赴各训练机构的路途过程中。采用现代化技术手段实现对飞行模拟机的远程鉴定，则可以实现对飞行模拟机鉴定组专家人力成本的解放，提升时间利用效能，改变产业发展模式。目前针对飞行模拟机远程鉴定研究在国内外尚处于空白阶段。

飞行模拟机远程鉴定必须具有高效可靠的信息传输手段，移动通信从1G到4G的每次演变都给社会带来了不同的发展模式变革，随着2019年我国5G商用元年的到来，5G技术更是得到了全世界各国的高度关注。5G具有光纤般的接入速率，“零”时延的使用体验，千亿设备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等，带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低。基于高速率、低延时、广覆盖等优势，5G开启万物广泛互联、人机深度交互的新时代，成为新一轮科技革命和产业变革的驱动力，对经济社会的转型发展起到战略性、基础性和先导性作用[1]。

5G通信技术的发展，将为大数据、云计算、人工智能、物联网[2]等提供强大的算力和高效可靠的数据传输手段，进而为航空制造[3]、远程培训教育[4]、无人驾驶[5]、人工智能[6]等产业发展带来新的源动力。

本文主要以5G技术发展应用为基础，借助数字孪生和虚拟现实等技术，配合传统的视频、远程控制、数据对比等方式，提出一种飞行模拟机远程鉴定系统的可行性研究思路，旨在降低飞行模拟机鉴定人员和经济成本，提升鉴定效能，同时降低人为因素对飞行模拟机鉴定过程的干扰。该种方式将彻底改变飞行模拟机鉴定模式，促进产业高质量发展。

1 设备现状

根据中国民航《飞行模拟训练设备管理和运行规则》(CCAR-60部)以及相关鉴定标准的要求，对提供满足民航规章规定的训练、检查、考试和获取飞行经历要求所使用的飞行模拟机须定期进行鉴定[7]，以确保飞行模拟机时刻处于良好的运行状态。

据统计，截止目前国内外须通过CCAR-60部鉴定的飞行模拟训练设备约480台，其中国外飞行模拟机约150台，国内飞行模拟机约220台，飞行训练器约110台。根据相关机构提供的飞行员培训数据分析，目前国内在飞行模拟机上完成飞行训练需求约135×104h，按照每台模拟机每年平均运行5600 h计算，当前国内至少需要新增20台飞行模拟机才能保证国内的飞行训练。每台飞行模拟机的合格证有效期为6～12个月不等，合格证到期前需要再次按照规章要求完成鉴定并取得相应的训练资质合格证。按照现有鉴定模式，鉴定部门须常年外派大量人员进行现场鉴定。随着飞行模拟机数量的不断增加，鉴定工作必将日趋繁重。

2 传统鉴定的主要手段

飞行模拟机鉴定时，由民航管理部门指派专家组赴现场进行鉴定，一般由2名专家组成，分别负责主观飞行和客观鉴定测试指南(Qualification Test Guide，QTG)测试。

2.1 主观飞行

以所鉴定的飞行模拟机驾驶舱构型为基础，对模拟机教员控制台、运动系统、视景系统、声音系统操纵负荷系统等进行最低要求鉴定，并依据飞机手册和检查单对飞行前准备、地面操作、起飞、飞行中操作、进近、中断进近、地面可视段和着陆等进行主观飞行鉴定。

鉴定过程由视景系统提供飞机驾驶舱外环境模拟、运动系统提供动感、声音系统提供飞机驾驶舱环境音及告警音、操纵负荷系统提供操纵力感等。根据不同的测试科目，判断飞行模拟机是否提供了正确的视觉效应、动感、声音信号及力感等，最终给出主观飞行鉴定结论。

2.2 客观测试

客观测试以飞机主鉴定测试指南(Main Qualification Test Guide，MQTG)为基础，对飞机的各项性能指标(滑行、起飞、爬升、巡航、地面减速、发动机)、操纵品质(静态操纵检查、动态操纵检查、纵向、横航向、着陆、刹车衰减、风切变、飞行包线保护功能)、运动系统(位移最低要求、加速度最低要求、速度最低要求、频率响应、运动提示、支柱协调性、平滑性)、声音系统等进行测试或演示，测试主要以数据曲线方式呈现，最终根据测试数据结果和演示效果给出客观测试鉴定结论。

3 远程鉴定主要思路

飞行模拟机现场鉴定与远程鉴定最大的区别在于鉴定组专家身处飞行模拟机本地和异地两种不同环境，远程鉴定方式需通过现代化技术手段弥补鉴定组专家异地对飞行模拟机的“看、感、听”三方面的差异，即在飞行模拟机远程鉴定系统研究时应主要围绕这三方面进行系统设计。

3.1 远程看

远程看主要包括远程高清视频、远程虚拟成像与交互两种方式，主要基于高速率、高带宽、低时延的有线或无线网络作为信号传输通道，将异地飞机驾驶舱舱内环境布置、飞机构型确认、操作面板响应、视景画面等可视化信息通过高质量信号传输至鉴定现场供鉴定组专家进行目视鉴定。

高清视频主要适用于仅需查看的鉴定项目，例如：飞机驾驶舱构型、教员台功能查看、辅助设备设置、指示灯检查、仪表/面板等操作逻辑响应变化(辅助)等。

远程虚拟成像负责以可选视场角对飞机驾驶舱的数字孪生体进行虚拟画面显示，例如：以驾驶舱内教员台、机长、副驾驶等视角等进行虚拟显示[8]。

3.2 远程感

远程感主要包括六自由度运动平台、基于虚拟现实的体感孪生穿戴，其驱动数据源自异地飞行模拟机所产生的信号。

六自由度运动平台用于按照不同的鉴定测试项目向鉴定组专家远程复制异地飞行模拟机的运动系统运行状态，向鉴定组专家提供整体动态感受，基于虚拟现实的体感穿戴主要用以在虚拟现实环境下对异地驾驶舱设备(驾驶杆、驾驶盘、油门杆等)进行远程操作。

3.3 远程听

远程听主要基于高速率、高带宽、低时延的有线或无线网络作为信号传输通道，将异地飞机驾驶舱舱内的环境音、告警音等音频信号通过音响或耳机进行输出，提供逼真的声音环境，如：发动机启动、关闭、近地告警、通话音等。

4 主要技术应用

远程鉴定相比现场鉴定主要需关注的问题包括现场数据实时回传、信息呈现方式、实体虚拟化手段等，5G(5th-Generation)、数字孪生(Digital Twin，DT)、虚拟现实(Virtual Reality，VR)等技术可有效解决所面临的上述问题。

4.1 5G

5G技术网络，因其传输速度快(为4G的10倍以上)、带宽容量大、网络延迟短(<1 ms)等优势，将会对物联网设备、移动设备的网络接入降低等待时间，尤其对智能交通、无人驾驶技术、AI技术和智能网联汽车(Intelligent and Connected Vehicles，ICV)产生革命性的颠覆[6]。

同样，以高速率、高带宽、低时延为主要特点的5G通信技术普及应用，将可有效解决飞行模拟机远程鉴定系统所需的数据采集及信息空间与物理空间的实时交互、数据一致性与同步性等问题。

4.2 DT

DT是针对所需鉴定的飞行模拟机实体，通过数字化手段构建一个与实体模拟机性能特性几乎一模一样的“数字+实体”的混合远程应用平台，用以构建飞行模拟机的“数字孪生体”[9]，实现远程镜像。飞行模拟机数字孪生体示意图如图1所示。

图1 飞行模拟机数字孪生体

4.3 VR

VR是指对于传统飞行模拟机鉴定过程中需鉴定组专家看和操作的对象，通过虚拟成像方式、多传感器融合技术及操纵负荷系统的反向驱动方式从而对飞行模拟机实体对象进行评判。

5 解决方案

5.1 飞行模拟机远程鉴定系统组成

飞行模拟机远程鉴定系统主要由数据处理单元、虚拟成像单元、体感孪生穿戴、动感孪生单元、大屏显示器、音响/耳机等组成，如图2所示。

图2 飞行模拟机远程鉴定系统组成

数据传输接口作为模拟机实体与虚拟环境数据交互的中继单元，负责双向驱动数据的接收与分配。

虚拟环境负责存储本地模拟机的虚拟环境，接收来自外部的驱动数据，对数据进行分发并发送至虚拟成像单元、体感孪生穿戴设备、动感孪生单元(六自由度运动平台)、大屏显示器以及音响/耳机等设备。

数据处理单元主要负责数字孪生体与飞行模拟机实体之间的硬件接口控制、软件数据交互，以及远程鉴定系统各软硬件之间的数据交互管理，同时对所有飞行模拟训练设备档案进行管理。

虚拟成像单元主要负责以可选视角对飞机驾驶舱的数字孪生体进行虚拟显示。

体感孪生穿戴主要用以对飞机驾驶舱进行操作，并对实体模拟机所应带来的人体感受进行反馈模拟。

动感孪生单元以实体飞行模拟机六自由度运动系统驱动数据实时进行反向驱动，以提供鉴定所需的动感。

大屏显示器用于显示远程视频信息，用于鉴定组专家目视检查相关项目。

音响/耳机用于将异地飞行模拟机驾驶舱内的环境音、告警音等音频信号通过音响或耳机进行直观呈现，同时可与异地人员进行实时语音通信。

5.2 实现路径

5.2.1 飞行模拟机最低要求远程鉴定实现手段

按照CCAR-60部要求，飞行模拟机最低要求主要包括驾驶舱一般构型、模拟机编程、设备操作、教员或检查人员使用的设备、运动系统、视景系统、声音系统等。可通过视频(Video，V)、数据对比(Data Comparison，DC)、远程控制(Remote Control，RC)、符合性声明(Declaration Of Conformity，DOC)、DT和VR等技术手段实现对飞行模拟机状态的远程评判，详见表1。

表1 最低要求远程鉴定手段

5.2.2 飞行模拟机主观测试远程鉴定实现手段

主观测试主要用于评估飞行模拟机在典型应用期间的表现能力，确定模拟机能够满足相应的训练、考试和检查的要求，能够成功地模拟每一个要求的机动飞行、程序或科目，以及验证模拟机操纵装置、仪表和各系统能够正确运转。整个实施过程主要以鉴定专家的“体感、视觉、听觉”为评判手段，是飞行模拟机鉴定的核心。

通过三维建模技术，对模拟机实体构型进行立体建模，构建出虚拟的三维数字化飞机驾驶舱环境。对于驾驶舱内各操作对象及其响应的实时状态将通过5G远程通信系统确保与飞行模拟机实体实时保持数据一致，即飞行模拟机的“数字孪生体”[9]。本地鉴定组专家佩戴体感孪生穿戴设备就座于六自由度运动系统平台上部，并配戴近似人眼分辨率的高清VR头盔将数字孪生体进行逼真呈现。运动系统、视景系统、声音系统可通过高速率、高带宽、低时延的5G技术实现数据的远程实时传输。鉴定组专家现场的六自由度运动系统由被鉴定的飞行模拟机现场数据进行远程实时驱动，由此解决远程“体感、视觉、听觉”所需的鉴定要求。

鉴定过程飞行模拟机实体的驱动数据来源于远程鉴定专家的操作，反馈及响应数据则由组成模拟机实体的各分系统输出，即反映出实际飞行模拟机状态，该数据再驱动远程鉴定系统，以达到远程鉴定的目的。主观飞行测试项目中所使用的鉴定手段详见表2。

表2 主观飞行测试项目远程鉴定手段

下面以某型飞机复飞程序为例进行说明，实现途径详见表3。

表3 某型飞机复飞程序操作

本地场景：飞行模拟机鉴定组主观测试飞行员就座于动感孪生单元(六自由度运动平台)之上，该平台当前处于升起状态，且姿态控制数据来自异地飞行模拟机实体的六自由度运动系统。本地扮演机长(左座)角色。

异地场景：飞行模拟机在六自由度运动平台升起状态下处于复飞程序开始前姿态，舱内包括教员控制台操作工程人员及副驾驶(右座)人员。

5.2.3 飞行模拟机客观测试远程鉴定实现手段

鉴定组专家按照规章要求，通过远程桌面访问方式可直接操控鉴定模拟机的教员控制台，可随机从被鉴定的飞行模拟机QTG测试项目内抽取一定比例的自动测试科目实时进行自主测试，测试结果将以电子方式实时转存至远程鉴定系统终端，专家可立即查看测试结果并给出测试结论。针对手动测试项目，则需结合音视频方式在飞行员或模拟机工程师的配合操作下，将测试结果以电子方式实时转存至远程鉴定系统终端，专家结合该飞行模拟机在局方所备案的MQTG对测试情况给出评价结果，或可自动对比容差范围曲线自动进行超差提示或符合性提示,最终完成客观测试鉴定。

6 需解决的主要问题

6.1 平台扩展性问题

因该远程鉴定系统所需的驱动数据均来源于被鉴定的飞行模拟机实体，即该系统所反映的不仅仅是某个型号飞行模拟机的运行状态，应适用于所有为中国民航受训学员提供培训服务的飞行模拟机。所有接入该远程鉴定系统的飞行模拟机需具有相对统一的数据通信接口，以加强该系统的通用性，在飞行模拟机设计研制阶段，需充分考虑顶层软硬件架构的一致性。

6.2 反向实体驱动问题

为了能够客观真实地反映被鉴定飞行模拟机操作物理实体的技术状态，当鉴定组专家在本地通过虚拟方式对模拟机实体的数字孪生体进行操作时，异地模拟机实体的物理机构需同步动作以判断其有效性。但因飞机设计的不同存在某些特殊设计，通过自动控制反向驱动方式存在一定的技术困难。如：带位置锁定功能的开关，正常操作时需手动提起一定高度方可向前或向后移动，类似此类操作方式的物理器件需在满足规章要求的前提下进行特殊的反向驱动改装。

6.3 体感孪生穿戴阻尼问题

为了使鉴定组专家在本地通过虚拟方式对飞行模拟机实体的数字孪生体进行操作时，尽可能营造更加逼真、自然且符合人机功效的体感[10]，所配备的体感孪生穿戴设备需带有一定的阻尼力，同时应具备类似人体骨骼系统的支撑结构，否则无法满足双臂悬空状态下的虚拟飞行。

6.4 飞行模拟机数字孪生体逼真度问题

飞行模拟机数字孪生体逼真度主要体现在“视觉、体感、力感、听觉”4个方面。通过远程视频、虚拟现实技术可有效解决“视觉”需求；通过远程获取飞行模拟机实体六自由度运动系统数据反向驱动数字孪生体六自由度运动系统可有效解决“体感”需求；通过远程语音通信并通过飞行模拟机实体反向驱动数字孪生体的音响/耳机等音频设备获取音频信号可有效解决“听觉”需求；而数字孪生体所需的“力感”则根据机型的不同存在“按、推、拉、踩、蹬、转”等维度的力操作方式，目前在该类设备研制方面已有单点力反馈、多关节力反馈的数据手套，但对于可提供身体全关节、大阻尼力反馈的穿戴设备方面研究不足。随着工业4.0时代的到来，以及电子通信、电机驱动、传感器应用、数据融合等技术的不断发展，当前所面临的技术困难将得到有效解决。