金肇鵬

（中國民用航空飛行學(xué)院，四川 德陽 618307）

眾所周知，現(xiàn)代飛行訓(xùn)練模擬器是民航飛行員進行練習(xí)訓(xùn)練的重要儀器之一。因此，筆者針對現(xiàn)代飛行訓(xùn)練模擬器開展了研究。主要討論了模擬器開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了未來的發(fā)展方向。

1 飛行訓(xùn)練模擬器的功能與優(yōu)勢

1.1 飛行訓(xùn)練模擬器的功能

飛行訓(xùn)練模擬器不僅可以為民航飛行中出現(xiàn)的問題提供技術(shù)或特種仿真訓(xùn)練，還可以提供飛行仿真、飛行性能仿真、視景仿真、動態(tài)仿真、航空電子仿真等?？梢跃C合環(huán)境模擬和特定模型的聲音模擬。

1.2 飛行訓(xùn)練模擬器的優(yōu)勢

飛行訓(xùn)練模擬器訓(xùn)練成為飛行訓(xùn)練發(fā)展的一個重要方向，原因如下：使用實際比例尺設(shè)備進行飛行訓(xùn)練，成本較高。真實規(guī)模的培訓(xùn)不僅需要復(fù)雜的技術(shù)支持人員和支持設(shè)備，而且在培訓(xùn)過程中還會給實際設(shè)備帶來損失。所以，在飛行過程中，使用飛行訓(xùn)練模擬器能夠有效降低飛行訓(xùn)練的成本，從而提高一定的經(jīng)濟效益。除此之外，飛行訓(xùn)練模擬器能夠抵御氣候、地域以及環(huán)境的各種壓力，并能夠根據(jù)飛行的具體情況選擇需要訓(xùn)練的訓(xùn)練地點。實踐表明，飛行訓(xùn)練模擬器訓(xùn)練效果顯著。

2 飛行模擬器系統(tǒng)的組成和基本原理

我國的飛行模擬器主要根據(jù)包括飛行器以及機載系統(tǒng)仿真，飛行環(huán)境仿真和分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等部分組成。而所有的組成部分都配置了主干子系統(tǒng)。而飛機以及機載系統(tǒng)模型的計算主要是由飛機機載系統(tǒng)來進行完成。除此之外，飛行模擬器的主要功能在于為飛行員提供更加方便的指導(dǎo)控制，如為民航飛行員提供視覺聽覺等作用。而教學(xué)的控制模擬能夠?qū)崿F(xiàn)對模擬器的控制。并能夠在仿真系統(tǒng)中實現(xiàn)信息檢索，從而達到交互仿真等功能。快捷的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)能夠為飛行員提供良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使民航飛行員在進行飛行訓(xùn)練中達到零誤差。在模擬仿真中，模型的四部分都將會實時同步訓(xùn)練。一般來說，每個子系統(tǒng)都會有一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。而每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的數(shù)據(jù)都是通過模擬器的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進行交換的。另外，飛行模擬器以及機載系統(tǒng)的仿真模型主要包含以下幾個方面：飛行動力模擬模型、計算飛行器載荷量。通過對以上數(shù)據(jù)的分析，求解出飛行器的具體方程。以此類推，求出發(fā)動機的運動動態(tài)。系統(tǒng)功能可與飛控系統(tǒng)直接連接各種邏輯開關(guān)和顯示器。各子系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性差異很大。

飛行模擬器的基本原理：仿真系統(tǒng)控制臺命令和控制下，依照預(yù)定的飛行程序和相關(guān)飛機飛行仿真事件系統(tǒng)參數(shù),根據(jù)仿真的結(jié)果和駕駛模擬駕駛艙儀表板,視覺和音頻模擬數(shù)據(jù)系統(tǒng)為飛行員提供了真實場景的感知；在仿真座艙中，實時采集駕駛員的手動操作，并實時求解仿真模型，實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的人在環(huán)交互式仿真。在教學(xué)平臺上，提供了軟儀器，將模擬的駕駛艙儀表盤實時反映飛行員的真實感受，并提供了逼真的三維圖形顯示軟件，供教師了解飛行參數(shù)、飛行員操作和飛行狀態(tài)。

3 基于飛行模擬器系統(tǒng)的同步方法

3.1 同步模型的設(shè)計

為了減少網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸，特別是鏡像與數(shù)據(jù)倉庫之間的通信，從而設(shè)計出基于鏡像無數(shù)據(jù)倉庫的一種飛行模擬器系統(tǒng)。另外，發(fā)布訂閱系統(tǒng)主要選取5g的優(yōu)先訂閱級。針對優(yōu)先級模型來處理復(fù)合事件的問題。同步模型設(shè)計主要是以擴展時間序列的事件處理機制。其優(yōu)點在于能夠在最短時間內(nèi)分析出民航在飛行事故發(fā)生的原因。但是，通常很少有人對發(fā)布和訂閱系統(tǒng)中復(fù)合事件的時態(tài)邏輯模型進行研究。本文將發(fā)布和訂閱劃分為兩個流程：一個在模擬節(jié)點之間，另一個在兩個虛擬存儲之間。換句話說，當每個發(fā)布方發(fā)布的事件序列滿足某些標準時，節(jié)點會得到通知，從而提高仿真節(jié)點的可伸縮性和性能，并實現(xiàn)模擬器系統(tǒng)。

3.2 時序控制

在仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步中，定時控制尤為重要。仿真節(jié)點之間的時序具有邏輯要求。時序控制主要在于讓定時控制以及通訊效率達到供需平衡的狀態(tài)。同時，設(shè)計出兩種不同形態(tài)的通信定時。兩者之間同樣也存在著關(guān)鍵性。而這兩種通行定時指的是時鐘積極模式以及事件積極模式。除此之外，時序控制的時長主要10ms。事件激勵的的主要方法在于對仿真系統(tǒng)中存在的一系列問題及時做出回應(yīng)。通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的形式通知該節(jié)點。接下來，在仿真節(jié)點中，如果采用時鐘激勵的方法，那么，對時間的依賴性則相對較小。利用事件激勵設(shè)計飛行訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的重要仿真時間節(jié)點和事件節(jié)點，包括教練員控制、飛行指令、操作指令等信息。從系統(tǒng)角度來看，由于時間相關(guān)性小的仿真參數(shù)占90%以上，通過時間激勵可以在不丟失關(guān)鍵信息的情況下，有效提高系統(tǒng)的通信效率，從而實現(xiàn)對時間的有效控制。

4 飛行模擬器系統(tǒng)技術(shù)方法

一般來說，模擬器采用的技術(shù)手段可以分為三種基本模式：物理模擬、數(shù)學(xué)模擬和物理數(shù)學(xué)混合模擬。物理模擬使用物理模型來模擬環(huán)境、接口和過程。數(shù)學(xué)仿真主要是根據(jù)計算機技術(shù)建立飛行模擬器系統(tǒng)。依照我國現(xiàn)有的飛行模擬系統(tǒng)以及載人航天飛行總結(jié)出的經(jīng)驗總結(jié)，可以采用物理仿真以及數(shù)字仿真的模擬技術(shù)，以此減少物理模擬仿真的占比比重。并在此基礎(chǔ)上，增加數(shù)學(xué)模擬仿真的比重?，F(xiàn)有技術(shù)水平的基礎(chǔ)上,完成了硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上,模擬駕駛艙界面，該軟件用于實現(xiàn)空間的數(shù)學(xué)模擬場景在側(cè)窗外,建立和完善場景的三維空間模型和天體,并創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實的飛行環(huán)境。這樣的虛擬場景為民航飛行訓(xùn)練奠定了基礎(chǔ)。在建立和完善外飛行虛擬場景的基礎(chǔ)上，逐步實現(xiàn)了駕駛艙儀表盤和乘員人機界面的軟儀表化，充分利用高性能計算機、實時多任務(wù)操作系統(tǒng)及相應(yīng)工具。

隨著軟件和平板顯示器領(lǐng)域的創(chuàng)新和突破，構(gòu)建了一套可編程、易于維護和升級、通過軟件在平板顯示器上顯示的虛擬座艙儀表盤系統(tǒng)。借助該技術(shù)，可以很容易地改變座艙儀表盤系統(tǒng)的顯示和操作界面。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合駕駛艙視覺系統(tǒng)顯示圖像的一些變化，可以方便地在同一硬件平臺上實現(xiàn)不同任務(wù)的仿真訓(xùn)練。另外，在模擬座艙中逐步開發(fā)和建立人的定位傳感系統(tǒng)，包括基于磁、電、光、聲原理的傳感器，實現(xiàn)人機多通道交互。在較大的座艙環(huán)境中，建立基本完整的人體定位傳感器系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)服和頭盔顯示器，就可以構(gòu)建一個近乎完美的虛擬現(xiàn)實飛行訓(xùn)練模擬器。

5 現(xiàn)代飛行訓(xùn)練模擬器設(shè)計與實時控制方式的有效策略

5.1 資金投入持續(xù)增長，職能/成本合理劃分，集中管理

飛行仿真訓(xùn)練可以節(jié)省大量飛行訓(xùn)練開支，已成為民航發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域。因此，為了能夠降低實際訓(xùn)練的成本，采用新一代仿真系統(tǒng)。通過使用飛行模擬訓(xùn)練器來完成訓(xùn)練項目。綜合來說，使用模擬訓(xùn)練器的總成本遠遠小于實際訓(xùn)練的成本。目前來說，我國大多數(shù)航空公司或者飛行訓(xùn)練學(xué)校已經(jīng)根據(jù)實際的需要配備了各種模擬器，并建立了培訓(xùn)訓(xùn)練中心，為民航后勤保障以及系統(tǒng)維修提供了一定的技術(shù)保障。

5.2 為了滿足不同類型和功能的培訓(xùn)需求，模擬器網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)部協(xié)調(diào)成為培訓(xùn)的重點

為滿足信息化條件下系統(tǒng)運行的要求，飛行訓(xùn)練模擬器不僅要側(cè)重于民航日常訓(xùn)練的仿真訓(xùn)練，還要能夠進行多平臺、多系統(tǒng)的仿真練習(xí)。仿真模擬系統(tǒng)通過仿真平臺和仿真平臺實現(xiàn)。系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)一定規(guī)模的飛行仿真訓(xùn)練。在高技術(shù)聯(lián)合訓(xùn)練中，飛行訓(xùn)練模擬器的合同化程度越來越高，研制滿足飛行要求的飛行訓(xùn)練模擬器是十分必要的。分布式仿真交互(DIS)技術(shù)已成為民航應(yīng)用的主要技術(shù)。

6 展望

伴隨著我國科學(xué)領(lǐng)域的跨領(lǐng)域發(fā)展，飛行模擬器主要從以下幾個方面進行闡述。采用機構(gòu)建模、系統(tǒng)辨識、模糊建模、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模等仿真建模技術(shù)，建立民航飛行系統(tǒng)的各種模型，其動態(tài)響應(yīng)和精度均能滿足訓(xùn)練要求。計算機成像以及音頻回放模式對于運動模擬系統(tǒng)控制技術(shù)的應(yīng)用都進行了完善，能夠更加生動逼真的模擬航空民航飛行的整個過程。人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等智能技術(shù)的應(yīng)用，能夠改善訓(xùn)練評估的方法。在民航飛行領(lǐng)域最著名的項目之一是使用虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練模擬器訓(xùn)練飛行人員和地面支持開展維修任務(wù),以確保飛行模擬器在飛行中避免受到損害。分布式交互仿真(DIS)已經(jīng)被應(yīng)用于大型聯(lián)合系統(tǒng)。因此，總的來說，飛行訓(xùn)練模擬器控制技術(shù)能夠?qū)︼w行領(lǐng)域有著巨大的利用價值，值得借鑒。