虛擬現(xiàn)實(shí)下的飛機(jī)部件維修建模技術(shù)研究

邵欣桐，魏曉飛

（1.上海民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院 民航工程系，上海 200232；2.上海飛機(jī)客戶服務(wù)有限公司工程技術(shù)服務(wù)部，上海 201100）

傳統(tǒng)的維修模式存在諸多問題，對于一些新出現(xiàn)的價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高科技新式裝備，由于本身數(shù)量有限，無法提供實(shí)體用于維修人員的培訓(xùn)和維修訓(xùn)練。對于現(xiàn)有的高科技設(shè)備，維修訓(xùn)練依然需要大量的經(jīng)費(fèi)支持，而且為了避免維修訓(xùn)練過程中對實(shí)體造成的不可修復(fù)的損傷，維修訓(xùn)練往往不能夠全面展開。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行維修訓(xùn)練可以有效地解決上述問題。但虛擬維修平臺的建立面臨著數(shù)據(jù)信息量大，維修部件間相互關(guān)聯(lián)等問題，不易于數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)。因此我們將約束可視化建模技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)信息量大的飛機(jī)虛擬維修平臺，方便其數(shù)據(jù)的更新和維護(hù)，大大減少了工作量，提高了飛機(jī)虛擬維修平臺數(shù)據(jù)操作的效率。本文具體闡述了飛機(jī)虛擬維修部件間約束關(guān)系的數(shù)據(jù)表示方法以及按照約束關(guān)系生成拆卸規(guī)則過程中避免死鎖的方法。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)理論基礎(chǔ)

虛擬維修是結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)理論，在包含虛擬裝備模型與維修人員人體模型的三維虛擬場景中，通過驅(qū)動(dòng)人體模型來完成整個(gè)維修過程仿真的綜合性應(yīng)用技術(shù)[1]。總體來講，虛擬維修有如下兩種實(shí)現(xiàn)方式：

（1）完全通過算法來控制虛擬環(huán)境中的人體模型從而完成維修操作的仿真。

（2）通過外部控制設(shè)備驅(qū)動(dòng)虛擬場景中的人體模型動(dòng)作，即人在回路的仿真方式，這種方法使維修人員更好地參與到維修訓(xùn)練中。因此，產(chǎn)品的虛擬維修過程是虛擬的維修過程，它完全通過虛擬的場景和對象來模擬產(chǎn)品維修的實(shí)施過程[2]。完整的虛擬維修系統(tǒng)是在硬件和軟件的基礎(chǔ)上建立的，如圖1所示。

圖1虛擬維修系統(tǒng)的構(gòu)成

2 飛機(jī)虛擬維修系統(tǒng)約束可視化建模系統(tǒng)

2.1 虛擬維修拆裝對象模型

虛擬拆裝是虛擬維修系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)虛擬拆裝首先需要建立拆裝對象模型，拆裝對象模型表達(dá)的是虛擬維修過程中各個(gè)活動(dòng)的核心數(shù)據(jù)，拆裝對象模型的表達(dá)是否完善是虛擬維修能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

在實(shí)現(xiàn)進(jìn)行虛擬維修之前，需要先建立拆裝對象模型，然后在虛擬拆裝過程中提取這些模型的信息，包括零件的基本屬性、約束關(guān)系、拆卸方法等，利用這些數(shù)據(jù)在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)虛擬拆裝。

民航飛機(jī)的日常維修工作都是嚴(yán)格按照工卡來進(jìn)行的，在工卡中明確規(guī)定了拆卸、裝配步驟和拆裝的方法。虛擬維修系統(tǒng)應(yīng)該嚴(yán)格按照實(shí)際的維修步驟來模擬拆裝過程。采用基于約束關(guān)系的拆裝序列生成方法，在人機(jī)交互界面通過輸入拆裝單元的約束序列來實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中拆裝過程的模擬。一般來講，虛擬裝備的零件具有“可拆即可裝”的性質(zhì)，因此只需要給出虛擬裝備零件的拆卸序列，然后該序列的逆序即為該零件的裝配序列。

2.2 虛擬維修約束表示方法

虛擬拆裝中的約束關(guān)系可以抽象的表示為有向無環(huán)圖DAG（Directed Acycline Graph）。對整個(gè)工程和系統(tǒng)，人們最關(guān)心兩個(gè)方面的問題：一是工程是否能夠順利完成；二是完成整個(gè)過程所需的最短時(shí)間，對于有向圖來講，則是進(jìn)行拓?fù)渑判蚝完P(guān)鍵路徑的求解[3]。

2.2.1 拓?fù)渑判?/p>

用頂點(diǎn)表示活動(dòng)，用弧表示活動(dòng)間優(yōu)先關(guān)系的有向圖稱為頂點(diǎn)表示活動(dòng)的網(wǎng)（Activity On Vertex Network）稱為AOV-網(wǎng)，在網(wǎng)中如果從頂點(diǎn)i到頂點(diǎn)j有一條有向路徑，則i是j的前驅(qū)，j是i的后繼，如果是有向圖中的一條弧，則i是j的直接前驅(qū)，j是i的直接后繼。在AOV-網(wǎng)中不應(yīng)該出現(xiàn)有向環(huán)，因?yàn)榇嬖诃h(huán)意味著某項(xiàng)活動(dòng)以自己為先決條件，顯然這是荒謬的。若設(shè)計(jì)出這樣的流程圖，工程便無法進(jìn)行[4]。而對于程序的數(shù)據(jù)流圖來講，則意味著存在死循環(huán)。因此對于給定的AOV-網(wǎng)，應(yīng)該首先判斷網(wǎng)是否存在環(huán)。檢測的方法是對AOV-網(wǎng)構(gòu)造拓?fù)溆行蛐蛄?，若拓?fù)溆行蛐蛄邪W(wǎng)中所有的點(diǎn)，就可以斷定AOV-網(wǎng)中不存在閉環(huán)。如圖2所示，圓形代表了飛機(jī)某部件的拆裝零件之間的約束關(guān)系。

圖2飛機(jī)拆裝部件的AOV網(wǎng)

根據(jù)拓?fù)溆行蛐蛄猩伤惴梢缘贸鲆韵聝蓚€(gè)序列：

2.2.2 進(jìn)行拓?fù)渑判虻姆椒?/p>

（1）選擇有向圖中一個(gè)沒有前驅(qū)的頂點(diǎn)輸出；

（2）在有向圖中刪除該頂點(diǎn)以及所有以它為尾的弧。重復(fù)上述兩步，直到把所有的頂點(diǎn)全部輸出，或者當(dāng)前圖中找不到無前驅(qū)的頂點(diǎn)為止。當(dāng)還有頂點(diǎn)沒有輸出，卻找不到?jīng)]有前驅(qū)的頂點(diǎn)時(shí)，說明有向圖中存在回路[5]。

如圖 3 所示，（a） 為 AOV-網(wǎng)；（b） 為輸出C1以后；（c）為輸出C3以后；（d）為輸出C2以后；（e）為輸出C6以后；（f）為輸出C4以后。生成的拓?fù)溆行蛐蛄袨镃1C3C2C6C4C5.

圖3 AOV-網(wǎng)及拓?fù)溆行蛐蛄械漠a(chǎn)生過程

如果在飛機(jī)拆卸AOV-網(wǎng)中包含環(huán)則在拆裝過程中會(huì)出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象，所以在生成拆卸規(guī)則時(shí)一定要避免這種情況。因此在約束可視化系統(tǒng)中，需要對構(gòu)造的飛機(jī)部件拆卸模型進(jìn)行檢測，查看飛機(jī)拆卸AOV-網(wǎng)中是否存在回路，如果存在回路則需要對存在回路的部位按照說明重新進(jìn)行定義。

2.3 約束可視化圖元數(shù)據(jù)定義

用戶可在操作界面對零件的基本信息和約束進(jìn)行可視化定義，并將可視化定義界面的零件和有向弧線段的屬性存入數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮姆椒▽⒘慵陀邢蚧∮妙惓橄蟪鰜?，類定義表示如下：

2.4 虛擬維修約束可視化建模系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

圖4是虛擬維修約束可視化程序運(yùn)行圖，用戶可根據(jù)參考文檔中的內(nèi)容在可視化界面建立產(chǎn)品拆裝模型，但需要對參考文檔中設(shè)備的每一個(gè)零件進(jìn)行屬性定義，由于3D模型也是按照參考文檔建立的，所以零件或者子部件的名稱必須按照參考文檔中的名稱嚴(yán)格定義，使拆卸模型中的零件與3D模型中的零件一一對應(yīng)。

圖4虛擬維修約束可視化建模系統(tǒng)圖

進(jìn)行零件或者子部件之間的約束定義時(shí)，先根據(jù)連接的類型選擇該約束屬于可拆連接或者不可拆連接，選擇對應(yīng)的有向弧，然后對該有向弧進(jìn)行約束其他屬性的定義，如拆裝所需的工具，拆裝所需的方法等。

3 約束可視化建模系統(tǒng)在飛機(jī)虛擬維修系統(tǒng)中的應(yīng)用

飛機(jī)虛擬拆裝平臺如圖5所示，在進(jìn)行拆裝操作前先將約束可視化系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到飛機(jī)虛擬維修系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)文件主要包括零件的基本信息以及零件拆裝時(shí)的約束信息。

圖5飛機(jī)在虛擬環(huán)境下進(jìn)行拆裝圖

當(dāng)進(jìn)行虛擬拆卸的時(shí)候，選擇一個(gè)零件，首先判斷該零件的拆卸約束序列中的零件是否全部被拆除，如果是則繼續(xù)判斷該零件拆卸所需要的人員、工具、設(shè)備等其它約束條件是否滿足，如果是則該零件可被拆除。當(dāng)進(jìn)行虛擬安裝時(shí)，選擇一個(gè)待安裝的零件，首先判斷該零件的安裝約束序列中的零件是否全部被安裝，如果是則繼續(xù)判斷安裝該零件所需要的人員、設(shè)備等其他約束條件是否滿足，如果是則該零件可被安裝。

4 結(jié)束語

本文在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了可視化的裝備拆裝方法。由于可視化方法的引入，使得相關(guān)人員能更好地設(shè)計(jì)部件拆裝方案，可以提前把握拆裝過程中遇到的疑難雜癥，具有極大的應(yīng)用價(jià)值。在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，將我們常見的拆裝程序，部件信息導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中，以此培訓(xùn)員工，這樣做可以提高員工對整個(gè)拆裝流程的把握，提高真實(shí)工作中的拆裝效率，也可以減少耗材損耗，特別是對某些在現(xiàn)實(shí)中難以開展的飛機(jī)部件進(jìn)行模擬拆裝，讓員工有深刻的認(rèn)識，在實(shí)際中碰到此類維修任務(wù)時(shí)能夠使員工目的清晰，行為規(guī)范，從而安全高效地完成生產(chǎn)任務(wù)。

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