于 立， 張卓然， 王 莉， 楊善水， 魏佳丹

(南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 211106)

0 引言

大飛機工程是增強國家核心競爭力的重大戰(zhàn)略決策，是國家意志的體現(xiàn)。多電飛機技術(shù)推進了大飛機電氣化發(fā)展，采用電能替代傳統(tǒng)飛機中的液壓能和氣壓能，簡化了飛機二次能源系統(tǒng)，提升了能量管理效率，降低了污染物排放[1]。多電飛機技術(shù)是引領(lǐng)智能航空、綠色航空發(fā)展的重要方向，已成為歐美各國競相追逐的新的航空科技革命，對我國飛機電氣系統(tǒng)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提出了迫切需求[2]。

多電飛機供電系統(tǒng)是高度復雜的機載系統(tǒng)，安全可靠性與穩(wěn)定性要求很高。機載設(shè)備、線纜工作在振動大、密閉不通風的惡劣飛行環(huán)境下，容易發(fā)生短路、斷路、電弧等電氣故障，需及時定位與排除并對飛機供電系統(tǒng)進行重構(gòu)，以防故障蔓延導致飛機災難發(fā)生。因此，多電飛機供電管理和故障重構(gòu)技術(shù)對保障飛機安全可靠飛行有至關(guān)重要的作用[3]，相關(guān)實驗教學是提升學生實踐能力的重要環(huán)節(jié)。然而，開展多電飛機供電管理與故障重構(gòu)實物實驗教學存在以下難點：①大型飛機電氣系統(tǒng)復雜，實驗難度高；②飛機專用電氣設(shè)備多，實驗總成本高；③大功率電氣系統(tǒng)對專業(yè)操作水平要求高；④故障設(shè)備具有高危險性和不可逆性；⑤高空飛行環(huán)境等特殊條件在實驗室難以真實模擬；⑥傳統(tǒng)實驗模式無法滿足探究性開放式實驗要求。

可見，多電飛機供電管理與故障重構(gòu)實物實驗教學難度高、成本高、危險性高以及現(xiàn)實不可及，嚴重影響航空電氣類專業(yè)技術(shù)人才工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本文提出將“虛擬現(xiàn)實+互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)融入大型多電飛機供電系統(tǒng)實驗教學，借助虛擬仿真手段，構(gòu)建虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，解決多電飛機供電管理和故障重構(gòu)實物實驗存在的突出問題[4,5]。通過虛擬仿真實驗能夠提高學生及相關(guān)技術(shù)人員對飛機供電系統(tǒng)的認知和實踐水平，培養(yǎng)其對飛機供電系統(tǒng)及其控制策略的設(shè)計能力。

1 實驗總體設(shè)計

根據(jù)航空電氣類專業(yè)培養(yǎng)方案，同時結(jié)合實際科研與工程實踐數(shù)據(jù)，本實驗共需4學時，設(shè)置4個環(huán)節(jié)：①電氣系統(tǒng)認知環(huán)節(jié)，突出基礎(chǔ)認知的系統(tǒng)性；②供電系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)，強調(diào)實驗體系的創(chuàng)新性；③系統(tǒng)動態(tài)測試環(huán)節(jié)，注重供電管理策略的人機交互性；④系統(tǒng)故障重構(gòu)環(huán)節(jié)，重點提升對故障定位與重構(gòu)的綜合分析與實踐能力。分為“典型認知”-“綜合訓練”-“系統(tǒng)探索”三個層次，深入淺出，注重基礎(chǔ)與探索研究并重。

圖1 實驗環(huán)節(jié)總體規(guī)劃

本實驗以多電飛機供電管理與故障重構(gòu)技術(shù)為核心，由多電飛機供電系統(tǒng)基本知識、供電系統(tǒng)設(shè)計、供電管理以及供電系統(tǒng)故障重構(gòu)四方面展開，共涉及14個知識點，包括飛機供電系統(tǒng)的組成、作用與特點，飛機多通道供電系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，飛機供電系統(tǒng)的余度、容錯和不中斷供電的設(shè)計要求以及系統(tǒng)各部件故障特征和故障定位、隔離方法等。

每個環(huán)節(jié)均需要提交環(huán)節(jié)報告，并給出得分，最終自動生成實驗報告與成績并提交。

2 實驗項目原理與設(shè)計

2.1 實驗準備階段

在瀏覽器中輸入本實驗網(wǎng)址，遠程打開本實驗。進入實驗大廳，如圖2所示，學生先依照菜單引導熟悉實驗界面功能，包括實驗簡介，實驗環(huán)節(jié)菜單欄以及幫助菜單欄。點擊實驗簡介，了解實驗背景和目的等。本實驗構(gòu)建有航空供電知識補給站(即知識角)，如圖3所示，作為實驗前的準備環(huán)節(jié)，提供與知識點相關(guān)的文字、圖片與視頻資料，幫助學生自主學習，快速掌握多電飛機供電系統(tǒng)方面的必要預備知識。實驗過程中，學生遇到困難可以隨時打開步驟提示并與課程顧問教師聯(lián)系。

圖2 實驗大廳界面

圖3 內(nèi)容豐富的知識角

2.2 電氣系統(tǒng)認知環(huán)節(jié)

在第一個實驗電氣系統(tǒng)認知環(huán)節(jié)中，圖4為大型多電飛機虛擬場景，可移動視角，逐個點擊高亮顯示的地面電源、機翼電作動機構(gòu)、以及艙內(nèi)配電裝置、變壓整流器等，出現(xiàn)彈窗注釋，學生觀察并理解飛機重要電氣系統(tǒng)裝置的位置與功能。點擊機身可隱藏飛機外殼，可觀察到發(fā)動機內(nèi)部的大功率起動發(fā)電機，點擊起動發(fā)電機后出現(xiàn)爆炸展示與各子部件功能注釋框，使學生能夠更深入觀察學習起動發(fā)電機結(jié)構(gòu)與原理，如圖5所示。

圖4 多電飛機電氣系統(tǒng)認知虛擬場景

圖5 起動發(fā)電機爆炸圖展示

2.3 供電系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)

第二個實驗環(huán)節(jié)供電系統(tǒng)設(shè)計如圖6所示，界面左側(cè)為模型庫，包含有發(fā)電機、變壓整流器、蓄電池等。從模型庫中拖動相應的部件置于電網(wǎng)系統(tǒng)中并控制閉合相關(guān)接觸器。系統(tǒng)架構(gòu)搭建完成后，計算并輸入各個部件的參數(shù)，點擊右側(cè)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)輸出，則可自動完成對所設(shè)計系統(tǒng)的主要指標計算，完成系統(tǒng)靜態(tài)評估。學生參考系統(tǒng)計算得出的電網(wǎng)各項指標值，可繼續(xù)對系統(tǒng)拓撲以及輸入?yún)?shù)進行優(yōu)化。經(jīng)多次探索迭代后，點擊優(yōu)化設(shè)計評估按鈕，重要評估參數(shù)對比結(jié)果將以雷達圖形式給出，如圖7。學生根據(jù)對比結(jié)果進行多次設(shè)計優(yōu)化，系統(tǒng)可顯示多次優(yōu)化效果，使學生獲得探索性設(shè)計結(jié)果的直觀對比，幫助其更好的掌握供電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計規(guī)律。

圖6 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)搭建設(shè)計

圖7 雷達圖形式呈現(xiàn)電網(wǎng)指標評估結(jié)果

2.4 系統(tǒng)動態(tài)測試環(huán)節(jié)

第三個實驗環(huán)節(jié)為系統(tǒng)動態(tài)測試。在駕駛艙面板上，按下紅色按鈕后飛機進入準備階段，輸入并完成起動過程參數(shù)設(shè)置，飛起正常起飛，如圖8所示。并網(wǎng)發(fā)電后，在不同飛行階段出現(xiàn)結(jié)冰、氣流、以及起落架收放要求等事件，學生根據(jù)提示，控制多電化電氣負載的接通/斷開，如圖9所示，觀察界面右上角負載功率變化以及右下角實時顯示的電壓電流波形，掌握飛行過程中電網(wǎng)動態(tài)特性，并驗證環(huán)節(jié)二設(shè)計的電網(wǎng)滿足不同飛行階段要求。

圖8 飛行階段電網(wǎng)動態(tài)情況

圖9 遭遇氣流后控制機翼擾流板電作動機構(gòu)

2.5 系統(tǒng)故障重構(gòu)環(huán)節(jié)

第四個實驗環(huán)節(jié)是系統(tǒng)故障重構(gòu)。環(huán)節(jié)開始時，系統(tǒng)按照雙發(fā)電通道電網(wǎng)結(jié)構(gòu)正常運行。在從準備、滑行、起飛一直到停止的全飛行階段，系統(tǒng)隨機、突發(fā)不重復地生成短路、斷路、電弧等某類故障，如圖10所示。故障發(fā)生后，進入機艙內(nèi)，切換不同視角，尋找并點擊艙內(nèi)電氣部件，依據(jù)電壓電流波形初步確定故障位置。進一步定位并切除故障點。同時，學生需創(chuàng)造性設(shè)計不同供電路徑并閉合相關(guān)接觸器，進行系統(tǒng)重構(gòu)，保證所有應急匯流條不中斷供電，如圖11。當在一定時間內(nèi)沒有找到故障或者沒有正確進行故障重構(gòu)，則設(shè)備將引發(fā)爆燃，造成飛機失事等嚴重事故。

圖10 爬升階段電網(wǎng)遭遇突發(fā)故障

圖11 定位故障后隔離故障匯流條

3 特色與創(chuàng)新

本虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)在圍繞國家戰(zhàn)略需求、科技前沿、“兩性一度”金課標準[6]、以及仿真度方面特色鮮明：

(1)國家戰(zhàn)略：瞄準國家大飛機戰(zhàn)略需求，以系統(tǒng)培養(yǎng)航空電氣特色專業(yè)學生創(chuàng)新實踐能力為目標，具有突出的大飛機專業(yè)特色。

(2)科技前沿：多電飛機技術(shù)能夠降低油耗與污染排放，提升系統(tǒng)效率，是踐行綠色航空的重要舉措，是航空科技發(fā)展方向與前沿技術(shù)。

(3)“兩性一度”：在實驗技術(shù)方案、互動教學方法、教學形式、實驗方法、虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用方面具有較強的創(chuàng)新性。包含自由設(shè)計、探索尋優(yōu)式設(shè)計、開放式任務以及隨機性題目，挑戰(zhàn)度高，激發(fā)學生求知與創(chuàng)新學習的欲望。

(4)仿真度：飛機供電系統(tǒng)部件、供電系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及底層數(shù)據(jù)等核心要素，均來源于團隊在航空電源系統(tǒng)方面長期研究與實踐的數(shù)據(jù)，電弧故障和其它部件故障的波形數(shù)據(jù)來源于科研實驗結(jié)果，仿真度很高。

4 結(jié)語

當前，圍繞立德樹人、實踐育人根本任務，教育部積極推動現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗教學項目的深度融合。多電飛機供電管理與故障重構(gòu)虛擬仿真實驗以打造金課為目標，能夠拓展實驗教學內(nèi)容廣度和深度、提升實驗教學質(zhì)量和水平，服務航空航天供電系統(tǒng)課程體系，具有如下優(yōu)勢：

(1)有效解決大型飛機供電系統(tǒng)實物實驗教學成本高、危險性大等難題。

(2)通過人機交互式虛擬場景，加速學生對大型飛機供電系統(tǒng)基礎(chǔ)知識的理解和深化。

(3)通過探究式綜合訓練，顯著提高學生對飛機供電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與故障重構(gòu)策略的自主設(shè)計與創(chuàng)新能力。

(4)利用互聯(lián)網(wǎng)的開放特點，面向行業(yè)和社會資源共享，踐行服務社會宗旨，能夠取得很好的社會效益。