Виртуальная имитация пульта заправки современного гражданского самолёта

Полный текст

Введение

В данной статье представлены результаты компьютерного моделирования пульта контроля и управления заправкой топливом гражданских самолётов SSJ-100 при наземном обслуживании. Использование реального оборудования для овладения первоначальными навыками техническим персоналом, обслуживающим самолет, может привести к поломкам и неисправностям, а в некоторых случаях может быть травмоопасным для неподготовленного специалиста, к тому же затратно и занимает рабочее время специалиста.

Поэтому актуальной задачей для решения данной проблемы является имитация оборудования гражданского воздушного судна, посредством реализации необходимых тренажёров. В данном случае возникает выбор между реализацией тренажёра на программно-аппаратном комплексе или полностью программном. Наиболее достоверный опыт работы будет получен на тренажёре, использующем аппаратные составляющие, схожие с реальной техникой. Но такой подход может уступать полностью виртуальному комплексу по следующим причинам [1; 2]:

• стоимость реального оборудования достаточно высокая;
• существует необходимость в содержании и поддержании работоспособности оборудования;
• для реального оборудования сложнее увеличить количество экземпляров в отличие от виртуального;
• в режиме дистанционного обучения потенциальный доступ к виртуальному оборудованию не теряется.

Поэтому целесообразным и оправданным решением можно считать полностью виртуальную реализацию тренажера. Более того, полностью виртуальные имитации уже зарекомендовали себя как полноценные средства изучения, исследования и контроля реальных систем в различных отраслях, включая авиационную и авиационно-техническую [3–8], а также могут быть визуально представлены для наглядной демонстрации их работы пользователю [5; 9].

Постановка задачи

В данной работе будет рассмотрена виртуальная реализация непосредственно пульта контроля и управления заправкой и некоторых компонентов системы заправки самолёта, необходимых для имитации работы пульта. Элементы компьютерной модели разрабатываются в виде самостоятельных агентов, со своими функциями и переменными свойствами, которые в дальнейшем реализованы как классы объектов в программной среде.

В первую очередь рассмотрим составляющие пульта заправки самолёта SSJ-100. На нём можно выделить следующие элементы: тумблер включения питания, тумблер проверки индикаторов пульта, индикаторы состояния заправочной системы, тумблеры и индикаторы для управления автоматической заправкой, тумблеры и индикаторы для управления ручной заправкой, сливом и перекачкой топлива. Пользователь взаимодействует с этими элементами непосредственно, поэтому они должны быть реализованы в первую очередь.

Следующим этапом является реализация алгоритмов работы нескольких компонентов пульта, которые имитируют работу элементов реальной заправочной системы самолета [10]:

• топливные баки самолёта;
• клапаны заправки и слива топлива;
• система заправки топлива в самолёт и слива топлива;
• задатчик требуемого количества топлива;
• система автоматической заправки самолёта;
• проверка светоиндикаторов;
• подача электропитания на различные элементы пульта заправки при его включении.

Далее для компьютерной реализации необходимо создание полноценных трехмерных моделей для составляющих, с которыми взаимодействует пользователь.

И завершающим этапом должна быть разработка обучающих модулей для подготовки технического персонала посредством разработанной виртуальной модели.

Результатом компьютерной реализации пульта контроля и управления заправкой должно быть программное приложение, имитирующее работу пульта, доступное к использованию через глобальную или локальную сеть.

Проектирование имитационной модели

Рассмотрим более подробно составляющие элементы пульта заправки топливом SSJ-100, в частности элементы, с которыми взаимодействует пользователь. Элементы пульта, которые были представлены в предыдущем разделе, можно разделить на три группы: переключательные тумблеры, числовые светоиндикаторы и обычные светоиндикаторы. В конструкции пульта заправки используются двух- и трёхпозиционные тумблеры, которые являются основными элементами подачи команд управления от оператора на систему заправки. При смене положения тумблера на системы пульта заправки посылается команда выполнить определённую процедуру. Выполняемая процедура зависит от того, какой тумблер отправил команду и в каком положении он находится. Светоиндикаторы используются для отображения текущего состояния системы заправки пользователю. На числовых светоиндикаторах отображаются количественные данные системы. Обычные светоиндикаторы переключаются в зависимости от состояния качественных атрибутов системы. Общая схема данного взаимодействия представлена на рис. 1.

 

Рис. 1. Упрощённая модель взаимодействия пульта управления с системой заправки

Fig. 1. Simplified interaction model of control panel with the fueling system

 

Блок «Система заправки» необходимо разбить на составляющие элементы и их функции для имитации реальной заправочной системы (рис. 2). В имитации системы заправки используются следующие виртуальные аналоги перечисленных ранее компонентов:

• объекты топливных баков для записи и изменения количества топлива внутри самолёта;
• топливные клапаны, которые можно открывать и закрывать. Данные элементы используются для обозначения, какие топливные баки открыты для заправки и открыт ли клапан слива топлива;
• объект имитации переливания топлива в самолёт. Данный объект предназначен для расчётов скорости изменения количества топлива в баках в зависимости от открытых на данный момент клапанов, а также запуска и остановки процесса переливания топлива в самолёт;
• объект задатчика требуемого количества топлива. Используется пользователем для указания системе автоматической заправки количества топлива, которое должно быть в баках самолёта;
• объект имитации системы автоматической заправки. Следит за количеством топлива в баках, открывает и закрывает клапаны, запускает и останавливает топливный поток через объект имитации переливания топлива;
• объект имитации проверки светоиндикаторов пульта заправки. Имеет два режима проверки: проверку всех индикаторов и проверку индикаторов датчиков. При запуске проверки соответствующие светоиндикаторы должны загореться, при отключении проверки светоидикаторы должны вернуться в нормальное состояние;
• объект для имитации системы подачи питания. При отключенном питании элементы пульта заправки отключаются и не выполняют функции управления системой заправки при вводе пользователя. При включении питания элементы пульта работают нормально.

 

Рис. 2. Схема структуры и связей имитационной модели пульта заправки

Fig. 2. Diagram of structure and interactions of fueling panel imitation model

 

Также стоит учесть, что разрабатываемая программа должна содержать модули для обучения пользователя знаниям и навыкам работы с пультом управления и контроля заправки. Для упрощения обмена данными между функционально обособленными модулями целесообразно использовать особый компонент-интерфейс, который позволяет обращаться к некоторым данным и функциям одного из модулей. Поэтому при реализации программы для системы заправки должен быть выбран и реализован такой компонент.

Представленные описания элементов и их связей в дальнейшем используются для выполнения программной реализации имитации пульта.

Программная реализация имитационной модели

В качестве среды для создания виртуального тренажёра использовался программный продукт Unity, созданный компанией Unity Technologies [11]. Выбранное программное решение отлично подходит для моделирования агентных систем и визуальной демонстрации моделей [9]. Данная среда использует язык C# [12] для описания алгоритмов работы различных компонентов разрабатываемой программы и имеет возможность собрать готовое решение под web-платформу на язык JavaScript и с использованием графической библиотеки WebGL [13].

На основе выбранных функций и элементов для виртуального пульта заправки были спроектированы и разработаны следующие классы, имитирующие работу реальной системы контроля и управления заправкой:

• NumericGauge – числовые индикаторы, которые сохраняют переданное на него число и визуально отображают с помощью трёхмерных моделей сегментированных цифр, соответствующих реальному индикатору на пульте. Также данные объекты содержат методы для обеспечения функции тестирования светоиндикаторов пульта. При начале проверки индикатора устанавливается логическая переменная, которая заставляет индикаторы всех цифр полностью загораться, соответственно отображая числа из одних восьмёрок. При завершении тестирования числовые индикаторы отображают последнее переданное на них число;
• Indicator – световые индикаторы, которые могут быть включены и выключены командой от других объектов имитации. Переданное состояние хранится в переменной объекта и отображается, изменяя яркость материала на трёхмерной модели объекта. При начале тестирования светоиндикаторы загораются, при завершении тестирования – отображают последнее переданное на них состояние;
• TumblerTwoWay и TumblerThreeWay – классы, реализующие двух- и трёхпозиционные переключатели соответственно. Двухпозиционные переключатели изменяют своё положение при обычном нажатии мышкой. Трёхпозиционные изменяют положение при зажатии мыши и перемещении вверх вниз. При изменении своего положения на объекте переключателя срабатывает событие, соответствующее новому положения переключателя. К каждому из событий прикреплены различные методы и функции других объектов реализации имитации, которые запускаются при срабатывании событий. Функции и методы прикрепляются к событиям в зависимости от того, какому переключателю и его положению соответствует событие;
• FuelTank – класс, реализующий три топливных бака самолёта. Содержат данные о текущем, минимальном и максимальном количестве топлива и методы для добавления и вычитания текущего количества топлива в баке. При изменении количества топлива передают новое значение на соответствующие индикаторы пульта заправки;
• FuelValve – реализация топливных клапанов самолёта. Три клапана для закачки топлива в самолёт и один для слива топлива. Управляются двухпозиционными тумблерами и отображают состояние открыт/закрыт на обычные светоиндикаторы;
• FuelFlow – объект для имитации процессов переливания топлива в самолёт. Запускает и останавливает процесс переливания топлива при переключении соответствующего переключателя или по командам системы автоматической заправки. Выполняет различные операции переливания топлива в зависимости от открытых на данный момент топливных клапанов. Если открыты только клапаны топливных баков, то происходит закачивание топлива в соответствующие баки. Если открыт только клапан слива, то происходит слив топлива из самолёта. Другие конфигурации приводят к перекачиванию топлива из баков с закрытыми клапанами в баки с открытыми;
• PreselectFuel – объект управления задатчиком требуемого количества топлива. Хранит в себе требуемое количество топлива. Изменяет это количество при перемещении трёхпозиционного переключателя. Требуемое количество топлива отображается на числовом индикаторе на пульте;
• AutoFueling – класс, имитирующий работу системы автоматической заправки самолёта. Открывает клапаны и запускает имитацию переливания топлива, чтобы равномерно заполнить топливные баки до количества, указанного через задатчик;
• PowerSystem и IPower – классы, имитирующие подачу электропитания на различные элементы пульта заправки при его включении. IPower – интерфейс, содержащий методы для получения сигнала о том, что на элемент пульта подаётся питание. Этот интерфейс реализован на всех элементах пульта и изменяет переменную, обозначающую, что на данный элемент подаётся питание. При отсутствии питания на переключателях, на них не срабатывают события для управления системой заправки. При отсутствии питания на светоиндикаторах, они перестают отображать подаваемую на них информацию. Объект PowerSystem содержит в себе ссылки на все объекты, реализующие IPower, и подаёт команду на включение/выключение. Подача питания контролируется через единственный переключатель, который не управляется от PowerSystem;
• PanelTest – класс, который управляет проверкой работоспособности светоиндикаторов пульта. Может включить проверку на всех светоиндикаторах либо только тех, которые должны быть подключены к датчикам топливной системы. Управляется через трёхпозиционный переключатель;
• FuelSystem – класс-фасад [14], который ссылается на остальные классы системы подачи топлива и пульта заправки и используется для управления и извлечения данных о текущем состоянии системы заправки из единого интерфейса. Данный объект предназначен для упрощения доступа каких-либо других компонентов программы к данным и функция имитации пульта и топливной системы.

На рис. 3 представлено описание программной системы с помощью UML-диаграммы классов для вышеописанных классов.

 

Рис. 3. Классовая UML схема имитации пульта заправки

Fig. 3. Class UML diagram of fueling panel imitation

 

Представленные компоненты были реализованы в виде программных алгоритмов на языке C# и прикреплены к объектам трёхмерной модели пульта контроля и управления заправкой топливом в среде Unity (рис. 4), для имитации его работы. Модели трёхмерных объектов были разработаны с использование программы Blender, разработанной Blender Foundation [15].

 

Рис. 4. Трёхмерная модель пульта заправки в программе

Fig. 4. 3D-model of fueling panel in program

 

На разработанной модели пульта можно проводить операции по ручной заправке (рис. 5), автоматической заправке (рис. 6), сливу топлива (рис. 7) и переливанию топлива между баками (рис. 8).

 

Рис. 5. Шаги выполнения ручной заправки

Fig. 5. Manual refueling steps

 

Рис. 6. Шаги выполнения автоматической заправки

Fig. 6. Automatic refueling steps

 

Рис. 7. Шаги процедуры слива топлива

Fig. 7. Defueling procedure steps

 

Рис. 8. Шаги процедуры переливания топлива между баками

Fig. 8. Fuel transfusion between tanks procedure s

 

Практическое применение

В настоящее время представленная имитационная модель используется в тренажёре «Пульт контроля и управления заправкой топлива Sukhoi Superjet 100» [16]. В данной программе содержатся программные компоненты для выполнения двух типов заданий: изучение элементов заправочного пульта и алгоритмы работы с пультом контроля и управления заправкой топлива. Каждый тип заданий содержит обучающий и проверочный режим.

Первый тип задания используется для изучения элементов пульта и их расположения. В обучающем режиме данного задания пользователь может нажать на каждый из элементов пульта, чтобы получить его описание. В проверочном режиме наоборот пользователю даётся описание элемента, который необходимо найти на пульте. Изучение элементов заправочного пульта происходит с помощью модуля изучения StudySystemManager (рис. 9). Данный класс отслеживает взаимодействие пользователя с объектами StduyObject, которые прикреплены к соответствующим элементам трёхмерной модели пульта заправки. Обработка взаимодействий пользователя с этими объектами делегируется двум реализациям класса IStudySystem: одна для обучающего режима, другая для проверочного.

 

Рис. 9. Схема системы изучения элементов пульта заправки

Fig. 9. Fueling panel elements study system diagram

 

В заданиях на изучение алгоритмов пользователю предоставляется возможность сначала изучить различные алгоритмы заправки, слива и переливания топлива в самолёт, после чего контрольно выполнить эти алгоритмы с минимальным количеством пояснений. Для выполнения данных функций модуль изучения алгоритмов работ разбит на 4 типа объектов (рис. 10):

• TasksController используется для инициализации и завершения текущего задания и сбора данных о состоянии системы заправки через объект FuelSystem;
• TasksHolder – это объекты, которые cоответствуют одному алгоритму работы с пультом (заданию). Содержат в себе перечень задач, необходимых для выполнения задания, а также методы управления ими;
• Task – одна из задач, которые необходимо пройти, чтобы выполнить алгоритм работы. Содержит перечень подзадач и методы управления и отображения выполнения задачи. Задача считается засчитанной, если выполнены все её подзадачи;
• TaskGoal – класс подзадачи, который содержит в себе название одной из переменных имитации топливной системы типа перечисления FieldName и её требуемое значение. Для разделения логики работы с различными переменными от данного класса произведены два других: BoolTaskGoal для логических переменных и FloatTaskGoal для числовых переменных. Объекты этого класса получают текущее значение переменной системы заправки через функции GetBoolFieldByName для логических переменных и GetFloatByFieldByName для вещественных из объекта FuelSystem. Далее подзадача помечается как выполненная, если требуемое значение переменной достигнуто внутри топливной системы и остаётся таковой в течение определенного промежутка времени.

 

Рис. 10. Схема системы обучения алгоритмами работы с пультом

Fig. 10. Diagram of study system for fueling panel work algorithms

 

Представленный способ использования разработанной имитационной модели пульта заправки является одним из потенциально возможных. По необходимости программную модель можно доработать для выполнения других задач.

Заключение

В работе рассмотрена виртуальная имитационная модель пульта контроля и управления заправкой самолёта Sukhoi Superjet 100. Проведено проектирование архитектуры системы, её компонентов и связей взаимодействия между ними. Согласно предложенной архитектуре, разработана программная реализация имитационной модели с использованием средств среды Unity под web-платформу. Данное программное решение выполнено в форме тренажёра, содержащего компоненты для изучения элементов и алгоритмов работы пульта заправки, а также контроля этих знаний. На данный момент разработанное решение используется в СибГУ им. М. Ф. Решетнева как виртуальный лабораторный практикум дисциплины «Горюче-смазочные материалы» для направления подготовки 25.03.01 «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей». В дальнейшем представленную имитационную модель можно расширить для выполнения других задач.

Об авторах

Татьяна Николаевна Иванилова

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: ivanilovatn@sibsau.ru
ORCID iD: 0000-0002-1202-6609

кандидат технических наук, профессор кафедры прикладной математики, начальник управления информационно-коммуникационных образовательных технологий

Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Евгений Валерьевич Кузнецов

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: kuznetsoff@sibsau.ru
ORCID iD: 0009-0003-3999-4436

кандидат технических наук, доцент, директор института гражданской авиации и таможенного дела

Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Алексей Владимирович Кушнеров

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: kushnerov_av@sibsau.ru
ORCID iD: 0000-0002-5384-6099

заведующий сектором разработки мультимедийного контента, отдел разработки электронно-образовательных ресурсов, управление информационно-коммуникационных образовательных технологий

Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Александр Валерьевич Серегин

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Автор, ответственный за переписку.
Email: sear_ring@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7047-2466

магистр

Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы