СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СОСТАВА И ХАРАКТЕРИСТИК ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЕГО ЦИФРОВЫХ ДВОЙНИКОВ Российский патент 2023 года по МПК B64F5/60 G06F17/40 G05B23/02 

Заявленное изобретение относится к системам контроля в авиации и может быть использовано для поддержания в актуальном состоянии информации о составе и значениях основных параметров и характеристик (свойств) оборудования (узлов, агрегатов, систем) летательного аппарата (ЛА) и автоматизированной передачи этой информации на удаленный сервер цифрового двойника ЛА, содержащего в своем составе цифровые двойники оборудования летательного аппарата. При этом обеспечивается синхронизация содержимого базы данных, содержащей сведения о составе и свойствах оборудования, размещенной на борту ЛА и базы данных о составе и свойствах оборудования, размещенной на сервере цифрового двойника ЛА.

Совершенствование применяемых в авиации информационных технологий идет по пути перехода от анализа отдельных конструктивных элементов и систем к полномасштабному трехмерному анализу процессов и функционирования ЛА в целом. Это позволило разработчикам ЛА приступить к активному началу работ по разработке ЦД отдельных узлов, агрегатов и систем ЛА, которые по своим характеристикам пригодны для исследования свойств и характеристик проектируемых объектов.

В соответствии с ГОСТ Р 57700.37-2021 цифровой двойник (ЦД) это система, состоящая из цифровой модели изделия и двусторонних информационных связей с изделием (при наличии изделия) и (или) его составными частями. ЦД разрабатывается и применяется на всех стадиях жизненного цикла изделия. Целью создания ЦД является выполнение технических и тактико-технических требований к изделию, снижение себестоимости и сроков разработки опытных образцов изделия, повышение технологичности изделия, а также повышение надежности и эффективности эксплуатации изделия. При этом, цифровой моделью изделия принято считать систему математических и компьютерных моделей, а также электронных документов изделия, описывающую структуру, функциональность и поведение вновь разрабатываемого или эксплуатируемого изделия на различных стадиях жизненного цикла, для которой на основании результатов испытаний по ГОСТ 16504 выполнена оценка соответствия предъявляемым к изделию требованиям.

Учитывая, что ЛА представляет собой сложную техническую систему, состоящую из большого количества узлов и агрегатов, создание ЦД ЛА подразумевает вхождение в его состав ЦД этих узлов и агрегатов.

Для обеспечения контроля соответствия состава и свойств оборудования на борту ЛА содержанию ЦД могут использоваться специализированные системы контроля, задействующие операторов эксплуатирующей организации (инженерно-авиационная служба) и персонал, ответственный за разработку и эксплуатацию ЦД. Наличие подобной системы позволит поддерживать в актуальном состоянии базы данных (БД) оборудования конкретного экземпляра ЛА и БД соответствующего ему ЦД.

Из уровня техники известны системы контроля состояния изделий с использованием технологии ЦД (патент на изобретение US 20170286572 A1), позволяющие в режиме реального времени отслеживать параметры различных систем изделия в процессе эксплуатации. Например, в режиме реального времени принимается и анализируется информация от датчиков, оценивается остаток ресурса отдельных агрегатов изделия. Также известны способы проверки системных требований кибер-физических систем (патент на изобретение RU 2742258), позволяющие выявлять несогласованности ЦД как элементов кибер-физической системы на этапах жизненного цикла изделия.

При этом, наиболее близким аналогом, известным из уровня техники, является цифровой двойник сдвоенной физической системы (патент на изобретение US 20170286572 A1), который содержит один или более датчиков для измерения значений одного или более назначенных параметров сдвоенной физической системы; компьютерный процессор для приема данных, связанных с одним или несколькими датчиками и запрограммированный на выполнение хотя бы одно из следующих действий выбранной части сдвоенной физической системы: процесс мониторинга состояния выбранной части сдвоенной физической системы, основанный на части измеренных значений одного или нескольких назначенных параметров, и процесс оценки для оценивания остаточного срока полезного использования выбранной части сдвоенной физической системы, основанная на измеренных значениях одного или нескольких обозначенных параметров; и коммуникационный порт, соединенный с компьютерным процессором для передачи информации, связанной с результатом, сгенерированным компьютерным процессором, при этом один или несколько датчиков должны воспринимать значения одного или нескольких назначенных параметров, а компьютерный процессор должен выполнять по меньшей мере один из процессов мониторинга и оценки, когда сдвоенная физическая система не работает.

Недостатком этого решения является то, что система, в силу ограниченных функциональных возможностей в части контроля состава и характеристик оборудования реального объекта и его цифрового двойника, может привести к некорректному использованию технологии ЦД на различных этапах эксплуатации изделий авиационной техники, например, при замене узлов и агрегатов летательного аппарата в ходе ремонта или технического обслуживания.

Технической задачей заявленного изобретения является организация автоматизированного контроля соответствия состава и характеристик оборудования, используемого при моделировании в ЦД ЛА актуальным значениям характеристик оборудования реального экземпляра ЛА, которые изменяются в процессе жизненного цикла ЛА (при производстве, испытаниях, ремонте, модернизации, эксплуатации).

Решение технической задачи обеспечивается тем, что система контроля состава и характеристик оборудования летательного аппарата для обеспечения функционирования цифрового двойника включает: интерактивное мобильное устройство, вход которого соединен с выходом считывателя, первый выход соединен с входом программатора, второй выход соединен со входом блока идентификации и контроля, а выход блока идентификации и контроля соединен со входом интерактивного мобильного устройства; RFID-метки, которыми оборудован каждый узел или агрегат летательного аппарата, имеющий соответствующий цифровой двойник, выходы которых поочередно по команде с интерактивного мобильного устройства подключаются ко входу считывателя, а входы которых поочередно по команде с интерактивного мобильного устройства подключаются к выходу программатора; блок хранения информации «Паспорт летательного аппарата», выход которого соединен с входом блока идентификации и контроля, а вход соединен с выходом блока идентификации и контроля; блок хранения информации «Оборудование», выход которого соединен с входом блока идентификации и контроля, а вход соединен с выходом блока идентификации и контроля; модуль сопряжения с беспроводной сетью передачи данных, первый вход которого соединен с третьим выходом интерактивного мобильного устройства, а первый выход соединен с третьим входом интерактивного мобильного устройства; второй выход модуля сопряжения с беспроводной сетью передачи данных соединен с первым входом устройства приема-передачи данных, а первый выход устройства приема-передачи данных соединен со вторым входом модуля сопряжения с беспроводной сетью передачи данных, второй выход устройства приема-передачи данных соединен с первым входом блока автоматизированного рабочего места администратора цифрового двойника; второй вход устройства приема-передачи данных соединен с первым выходом блока автоматизированного рабочего места администратора цифрового двойника; второй выход блока автоматизированного рабочего места администратора цифрового двойника поочередно подключается ко входам блоков цифровых двойников, а выходы блоков цифровых двойников поочередно подключаются ко второму входу блока автоматизированного рабочего места администратора цифрового двойника; блок хранения информации «Паспорт цифрового двойника», вход которого соединен с третьим выходом блока автоматизированного рабочего места администратора цифрового двойника, а выход соединен с третьим входом блока автоматизированного рабочего места администратора цифрового двойника.

Для упрощения реализации подключение интерактивного мобильного устройства к блоку хранения информации «Паспорт летательного аппарата» может осуществляться по проводному интерфейсу.

Для упрощения эксплуатации подключение интерактивного мобильного устройства к блоку хранения информации «Паспорт летательного аппарата» может осуществляться по беспроводному интерфейсу.

Для упрощения реализации подключение блока автоматизированного рабочего места администратора ЦД к блоку хранения информации «Паспорт ЦД» может осуществляться по проводному интерфейсу.

Для упрощения эксплуатации подключение блока автоматизированного рабочего места администратора ЦД к блоку хранения информации «Паспорт ЦД» может осуществляться по беспроводному интерфейсу.

Технический результат, достигаемый заявленной совокупностью признаков, заключается в обеспечении возможности осуществления контроля соответствия информации о составе и характеристиках оборудования реального экземпляра ЛА составу и характеристикам цифровых двойников этого оборудования.

Технический результат достигается за счет автоматизированной синхронизации базы данных о составе и свойствах оборудования в блоке хранения информации «Паспорт ЛА» и базы данных о составе и свойствах оборудования ЦД в блоке хранения информации «Паспорт ЦД» при изменении свойств оборудования ЛА на различных этапах жизненного цикла ЛА.

Компоненты заявленного изобретения известны из уровня техники:

RFID-метки узлов и агрегатов ЛА могут быть реализованы в рамках известного технического решения (URL: https://rfid-scan.ru/catalog/rfid_metki/nfc_metki);

RFID-планшет может быть выполнен в рамках известного технического решения (URL: https://interid.ru/kupit/38751);

программатор, считыватель, интерактивное мобильное устройство и модуль сопряжения с беспроводной сетью передачи данных могут быть реализованы в рамках комплексного технического решения (URL: https://isbc-rfld.ru/_catalog/8788);

Функционирование заявленного изобретения иллюстрируется фигурой, на которой обозначены:

Контур А - летательный аппарат с входящими в его состав узлами и агрегатами, оборудованными RFID-метками U₁, U₂, U₃,… U_n;

Контур В - сервер цифрового двойника (сервер ЦД) ЛА, включающего цифровые двойники узлов и агрегатов ЛА: DT₁, DT₂, DT₃,… DT_N;

1 - блок хранения информации «Паспорт ЛА»;

2 - программатор;

3 - считыватель;

4 - интерактивное мобильное устройство;

5 - блок хранения информации «Оборудование»;

6 - модуль сопряжения с беспроводной сетью передачи данных;

7 - модуль приема-передачи данных;

8 - блок автоматизированного рабочего места администратора ЦД;

9 - блок хранения информации «Паспорт ЦД»;

10 - блок идентификации и контроля.

Блок 1 - блок хранения информации «Паспорт ЛА» представляет собой модуль с твердотельным накопителем и блоком управления и предназначено для хранения электронного паспорта ЛА. Устройство обеспечивает запись, хранение и доступ к базе данных информации о составе и значениях свойств оборудования, находящегося на борту ЛА.

Блок 2 - программатор представляет собой модуль, осуществляющий запись индивидуального идентификатора и характеристик оборудования в RFID-метку. Может быть выполнен как отдельное техническое устройство в виде модуля передачи данных, так и в рамках комплексного технического решения на базе мобильного устройства 4.

Блок 3 - считыватель представляет собой модуль, осуществляющий чтение информации от RFID-меток. Может быть выполнен как отдельное техническое устройство в виде модуля приема данных, так и в рамках комплексного технического решения на базе интерактивного мобильного устройства 4.

Блок 4 - интерактивное мобильное устройство представляет собой RFID-планшет, с установленной операционной системой и специальным программным обеспечением.

Блок 5 - блок хранения информации «Оборудование» представляет собой модуль с твердотельным накопителем и блоком управления. Устройство обеспечивает запись, хранение и доступ к общей базе данных информации о номенклатуре оборудования различных типов ЛА. Может быть выполнено как отдельное техническое устройство, соединенное с блоком 4 через USB-интерфейс, так и в рамках комплексного технического решения на базе мобильного устройства 4.

Блок 6 - модуль сопряжения с беспроводной сетью передачи данных обеспечивает соединение удаленных блоков 4 и 7 по любому из протоколов: Bluetooth, Wi-Fi, 3G, 4G/LTE как напрямую, так и посредством сети Интернет (беспроводной сети). Может быть выполнен как отдельное техническое устройство, соединенное с блоком 4 через USB-интерфейс, так и в рамках комплексного технического решения на базе мобильного устройства 4.

Блок 7 - модуль приема-передачи данных, осуществляющий обмен информацией с блоком 6 по любому из протоколов: Bluetooth, Wi-Fi, 3G, 4G/LTE, как напрямую, так и посредством сети Интернет (беспроводной сети). Представляет собой отдельное техническое устройство, в виде платы микропроцессора с модулем оперативной памяти и согласующим устройством. Обмен информацией с блоком 8 осуществляется по протоколу 1000Base - ТХ.

Блок 8 - блок автоматизированного рабочего места администратора ЦД, представляет собой микропроцессор со специальным программно-математическим обеспечением, предназначенным для управления комплексом цифровых двойников составных частей ЛА DT₁, DT₂, DT₃,… DT_N, и блоком хранения информации «Паспорт ЦД».

Блок 9 - блок хранения информации «Паспорт ЦД» представляет собой серверное хранилище, содержащее массив жестких дисков (HDD или SSD), контроллер дискового массива, внешний корпус и блоки питания. Может быть выполнено как отдельное устройство, так и в качестве составной части сервера ЦД (контур В);

Блок 10 - блок идентификации и контроля, выполнен в виде микропроцессора с модулем оперативной памяти и согласующим устройством. Блок обеспечивает идентификацию оборудования (узлов, агрегатов) ЛА и работу алгоритма контроля соответствия значений характеристик оборудования на борту ЛА из блока 1 со значениями характеристик оборудования ЦД из блока 9. Блок позволяет передавать информацию по протоколам USB и Bluetooth.

Функционирование заявленного изобретения заключается в следующем.

Каждый узел или агрегат ЛА (i), для которого сформирован цифровой двойник DT_i, оборудуется RFID-меткой U_i. Значения свойств оборудования записываются в память RFID-меток оператором интерактивного мобильного устройства (ИМУ) 4 через программатор 2, а прием информации на этапах жизненного цикла ЛА, когда происходит замена узлов и агрегатов ЛА или вносятся изменения в его характеристики (при производстве, испытаниях, ремонте, модернизации, обслуживании, эксплуатации) производится оператором ИМУ через считыватель 3. Причем каждый ЛА, для которого сформирован цифровой двойник, содержит блок хранения информации «Паспорт ЛА» о составе и свойствах оборудования, заполнение которой осуществляется от ИМУ. При записи информации о характеристиках оборудования в RFID-метку используется блок хранения информации «Оборудование» 5, содержащее общую информацию о номенклатуре оборудования различных типов ЛА. Размещение блока хранения информации «Паспорт ЛА» 1 производится непосредственно на борту ЛА, в нем хранится актуальная информация о составе и характеристиках оборудования, установленного в настоящий момент на борту ЛА. В соответствии с ГОСТ Р 70179-2022 документы, удостоверяющие летную годность (паспорта (ПС), этикетки (ЭТ), талоны летной годности (ТЛГ)) комплектующих изделий, предназначенных для установки на авиационную технику (пилотируемые и беспилотные летательные аппараты, авиационные двигатели, вспомогательные силовые установки, воздушные винты и входящие в их состав функциональные системы и изделия), могут выполнятся в электронной форме. В электронной форме, как правило, выполняют только разделы, содержащие значения основных параметров и характеристик (свойств) изделия и сведения об эксплуатации и ремонте изделия. Способ нанесения штрихкодов при выпуске ПС (ЭТ) и в процессе эксплуатации изделия определяет разработчик с учетом требований ГОСТ Р 59002. Запись и считывание информации в блоке 1 осуществляется через ИМУ. ИМУ осуществляет обмен информацией с блоком хранения информации «Оборудование» 5, а также осуществляет передачу информации через 6 на удаленное устройство приема-передачи данных 7. Устройство 7 соединено с АРМ администратора ЦД 8. Блок идентификации и контроля 10 обеспечивает работу алгоритма идентификации и контроля соответствия значений характеристик оборудования на борту ЛА из блока 1 со значениями характеристик ЦД оборудования из блока 9.

Функция контроля состоит в том, что в блоке 10 полученная от 1 информация о составе и характеристиках установленного в текущий момент времени на борту ЛА оборудования сравнивается с информацией о составе и характеристиках оборудования, полученной из 9 через блоки 8, 7, 6 и 4. При обнаружении несоответствия значений (расхождений) по результатам сравнения, формируется таблица значений, содержащая перечень необходимых изменений, которая поступает для обработки в 4, после чего, в формализованном виде через блоки 6 и 7 передается в блок 8.

Администратор ЦД в блоке 8 осуществляет согласование полученных от 7 данных о составе и значениях свойств оборудования конкретного экземпляра ЛА, а также производит заполнение хранилища данных 9 путем актуализации информации о каждом из цифровых двойников DT_i в соответствии с текущими значениями из паспорта ЛА. Таким образом, осуществляется синхронизация и контроль соответствия актуальным значениям состава и характеристик оборудования на борту ЛА в блоке 1 и на сервере ЦД в блоке 9.

Система контроля состава и характеристик оборудования летательного аппарата для обеспечения функционирования цифрового двойника (ЦД) содержит блок хранения информации «Паспорт ЛА», программатор, считыватель, интерактивное мобильное устройство, блок хранения информации «Оборудование», модуль сопряжения с беспроводной сетью передачи данных, модуль приема-передачи данных, блок автоматизированного рабочего места администратора ЦД, блок хранения информации «Паспорт ЦД», блок идентификации и контроля, соединенные определенным образом. Обеспечивается контроль соответствия информации о составе и характеристиках оборудования реального экземпляра ЛА составу и характеристикам ЦД этого оборудования. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система контроля состава и характеристик оборудования летательного аппарата для обеспечения функционирования цифрового двойника, включающая:

интерактивное мобильное устройство, вход которого соединен с выходом считывателя, первый выход соединен с входом программатора, второй выход соединен со входом блока идентификации и контроля, а выход блока идентификации и контроля соединен со входом интерактивного мобильного устройства;

RFID-метки, которыми оборудован каждый узел или агрегат летательного аппарата, имеющий соответствующий цифровой двойник, выходы которых поочередно по команде с интерактивного мобильного устройства подключаются ко входу считывателя, а входы которых поочередно по команде с интерактивного мобильного устройства подключаются к выходу программатора;

блок хранения информации «Паспорт летательного аппарата», выход которого соединен с входом блока идентификации и контроля, а вход соединен с выходом блока идентификации и контроля;

блок хранения информации «Оборудование», выход которого соединен с входом блока идентификации и контроля, а вход соединен с выходом блока идентификации и контроля;

модуль сопряжения с беспроводной сетью передачи данных, первый вход которого соединен с третьим выходом интерактивного мобильного устройства, а первый выход соединен с третьим входом интерактивного мобильного устройства; второй выход модуля сопряжения с беспроводной сетью передачи данных соединен с первым входом устройства приема-передачи данных, а первый выход устройства приема-передачи данных соединен со вторым входом модуля сопряжения с беспроводной сетью передачи данных, второй выход устройства приема-передачи данных соединен с первым входом блока автоматизированного рабочего места администратора цифрового двойника; второй вход устройства приема-передачи данных соединен с первым выходом блока автоматизированного рабочего места администратора цифрового двойника; второй выход блока автоматизированного рабочего места администратора цифрового двойника поочередно подключается ко входам блоков цифровых двойников, а выходы блоков цифровых двойников поочередно подключаются ко второму входу блока автоматизированного рабочего места администратора цифрового двойника;

блок хранения информации «Паспорт цифрового двойника», вход которого соединен с третьим выходом блока автоматизированного рабочего места администратора цифрового двойника, а выход соединен с третьим входом блока автоматизированного рабочего места администратора цифрового двойника.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что интерактивное мобильное устройство соединено с блоком хранения информации «Паспорт летательного аппарата» по проводному интерфейсу.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что интерактивное мобильное устройство соединено с блоком хранения информации «Паспорт летательного аппарата» по беспроводному интерфейсу.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок автоматизированного рабочего места администратора цифрового двойника соединен с блоком хранения информации «Паспорт цифрового двойника» по проводному интерфейсу.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок автоматизированного рабочего места администратора цифрового двойника соединен с блоком хранения информации «Паспорт цифрового двойника» по беспроводному интерфейсу.