虛擬維修技術在民航中的應用初探

【基礎理論與應用研究】

虛擬維修技術在民航中的應用初探

楊徐晗,徐國標

( 中國民航飛行學院，四川 廣漢618307)

摘要：作為虛擬現(xiàn)實技術的一個重要研究方向，近年來虛擬維修技術廣泛運用于科研教學、航空航天和工業(yè)生產等領域。對此分析歸納了虛擬維修國內外研究現(xiàn)狀；介紹了虛擬維修定義和相關關鍵技術；給出了虛擬維修仿真實現(xiàn)流程；針對虛擬維修的研究目的，從虛擬維修關鍵技術入手，結合國內外實例，深入探討了民航業(yè)所涉及的一系列運用實踐；分析總結了相關技術運用對民航業(yè)的影響和作用；最后對未來民航業(yè)中與虛擬維修相關的運用發(fā)展進行了展望。

關鍵詞：虛擬維修；虛擬現(xiàn)實；計算機仿真；民用航空

收稿日期：2014-10-18

基金項目：中國民用航空飛行學院科研項目(J2008-42)

作者簡介：楊徐晗(1990—)，男，碩士研究生，主要從事交通運輸規(guī)劃與管理研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.05.041

中圖分類號：TP391.9

文章編號：1006-0707(2015)05-0159-05

本文引用格式：楊徐晗,徐國標.虛擬維修技術在民航中的應用初探[J].四川兵工學報，2015(5):159-163.

Citation format:YANG Xu-han，XU Guo-biao.First Discussion About Virtual Maintenance Technology Application in Civil Aviation[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(5):159-163.

First Discussion About Virtual Maintenance Technology

Application in Civil Aviation

YANG Xu-han，XU Guo-biao

(Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307, China)

Abstract:Virtual maintenance is one of the most important research directions of virtual reality technology, and is widely used in the areas such as research and teaching, aerospace and industry production.Research status of virtual maintenance both at home and abroad was analyzed and summarized.Definition and key technology of virtual maintenance was introduced.Realization flow of virtual maintenance simulation was summarized.In the view of virtual maintenance study purposes, based on the key technology, combined with the examples at home and abroad, numerous practices involved in civil aviation were investigated.Influence and effect of related technology upon civil aviation was analyzed and summarized.Finally, the prospect of the future application in civil aviation area was also presented.

Key words：virtual maintenance; virtual reality; computer simulation; civil aviation

作為一門新興的技術科學，虛擬維修技術一出現(xiàn)便引起國內外專家的廣泛關注，已發(fā)展成為工業(yè)、航空航天、軍事等領域數字化生產的重要研究熱點。當前很多文獻的研究主要集中于虛擬維修系統(tǒng)的構建和實現(xiàn)[1-4]，探討相關關鍵技術的實現(xiàn)手段與方法[5-8]，對虛擬維修技術運用的用研究大都以研究目的為基礎，并未專門研究虛擬維修及其相關技術在民航領域的運用[9-11]。為此，本門在介紹虛擬維修的基礎上，從虛擬維修及其關鍵技術入手，結合具體的實例，分析、研究了其在民用航空領域的具體運用實踐，展望了未來的運用趨勢。本文的工作對虛擬維修技術在民航業(yè)的認知具有一定的推廣意義，對實現(xiàn)民航業(yè)實現(xiàn)數字化生產具有一定的促進作用。

1虛擬維修技術

1.1國內外研究現(xiàn)狀

隨著虛擬現(xiàn)實(VR)和計算機仿真等技術的發(fā)展，作為這些相關技術的綜合運用，虛擬維修(Virtual Maintenance VM)技術也得到了空前的發(fā)展。根據不同的研究目的，虛擬維修運用研究目前主要集中在維修性設計、保障性規(guī)劃和人員培訓這3個領域。

圍繞維修性設計展開的虛擬維修指的是：在產品設計研發(fā)初期，設計者對虛擬樣機進行維修性分析、驗證與評估。在這類維修仿真中，設計性工作和論證評估性工作是同步展開的，可以從維修性的角度發(fā)現(xiàn)設計缺陷進而改進設計，提高了產品的可維護性，節(jié)約了研發(fā)費用，縮短了研發(fā)周期。

洛克希德·馬丁公司從1995年開始逐步淘汰金屬樣機，將虛擬維修技術運用于F-16戰(zhàn)機設計中，通過虛擬維修開展維修性和人機工效分析工作。后來并將此技術用于F-22、F-35的研發(fā)過程[12]。

王占海在開展飛機維修性設計工作時，通過MELMIA軟件進行維修過程仿真并利用該軟件自帶的相關分析功能進行人因工程分析，在飛機設計的同時并行考慮維修性問題[13]。

圍繞保障性規(guī)劃展開的虛擬維修主要運用于維修保障手冊的自動快速生成。傳統(tǒng)維修保障文件的制作是個串行過程，都是在對物理樣機進行維修性分析、驗證后編制相關文件手冊。在以保障性規(guī)劃為中心的虛擬維修中，所有的數據修改、對樣機的分析、驗證操作都在計算機上完成，可以實現(xiàn)產品設計與維護文件生成并行，極大的提高了工作效率。

美國空軍研究實驗室聯(lián)合GE公司和洛克希德·馬丁公司共同啟動Service Manual Generation項目，為了實現(xiàn)在進行維修性分析的同時維護手冊的自動生成。其主要步驟為：生成零部件拆裝序列；基于序列添加說明性信息，生成維修流程；虛擬驗證并生成文檔[14]。

我國學者梁偉杰、常雷在裝備PLM管理平臺的基礎上，進行虛擬維修仿真分析與交互式電子技術手冊(IETM)制作系統(tǒng)的集成，以此充分利用設計階段的虛擬維修仿真分析數據來制作IETM[15]。

圍繞人員培訓展開的虛擬維修主要用于對相關人員進行全面、專業(yè)的維修技術培訓或教學。學員沉浸在虛擬現(xiàn)實技術營造的逼真環(huán)境中，感受計算機仿真技術所模擬仿真的維修過程。這類維修培訓在保障人員安全、減少資源消耗的基礎上，提高了人員素質和業(yè)務水平、豐富了維修經驗，尤其適合電力、核動力等高危險行業(yè)和航空、航天類復雜等昂貴設備系統(tǒng)的維修培訓，可以有效地減少事故的發(fā)生。

NASA組織的哈勃望遠鏡虛擬維修訓練是人類首次采用虛擬維修技術完成實際工作。1990年哈勃望遠鏡的光學系統(tǒng)出現(xiàn)故障，NASA決定在太空直接進行維修，進而建立哈勃望遠鏡虛擬維修系統(tǒng)。先后有100多名宇航員參加訓練，平均訓練時間超過200小時，到1993年維修任務圓滿完成。事后NASA的調查顯示，虛擬維修訓練對任務的完成非常有效[16]。

同濟大學電信學院李光耀教授、王文舉以Vega Prime為開發(fā)工具對洋山港110KV配電網進行仿真建模，研發(fā)了桌面虛擬維修仿真培訓系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)室內、外設備的巡視，還可對各種正常、異常、事故維修處理操作進行培訓，以此開闊運行人員的視野提高其應急處理能力，顯著降低人為不當操作造成的事故發(fā)生概率，減少事故損失[17]。

1.2虛擬維修的定義

虛擬維修(Virtual Maintenance VM)這個概念最早出現(xiàn)在美國軍用手冊MIL-HDBK-470A中，指的是：“使用VR技術，維修性工程師可進入虛擬環(huán)境中，對虛擬產品進行維修”[18]。雖然當前圍繞虛擬維修展開的相關研究很多，但目前還沒有關于虛擬維修準確、全面的定義。有的學者認為虛擬維修是采用VR技術對實際維修過程的圖形化仿真，有的學者將通過網絡遠程傳遞文本、聲音、圖片、視頻等信息輔助維修工作的系統(tǒng)稱作虛擬維修系統(tǒng)。文獻[19]對虛擬維修的定義是：以計算機技術與虛擬現(xiàn)實技術為依托，在由計算機生成的、包含了產品數字樣機與維修人員三維人體模型的虛擬場景中，通過驅動人體模型(包括采用人在回路的方式)來完成整個維修過程仿真的綜合性應用技術。虛擬維修仿真實現(xiàn)基本流程如圖1所示。

圖1　虛擬維修仿真實現(xiàn)基本流程

1.3虛擬維修的關鍵技術

1) 虛擬樣機技術。利用計算機仿真技術進行面向對象的虛擬建模，不僅在外型上與物理樣機保持高度相似、實現(xiàn)功能再現(xiàn)，還能為將來的運用提供準確、充足的信息；例如：英國的ARRL(先進機器人研究實驗室)為羅爾斯-羅伊斯公司飛機發(fā)動機建模，用于設計階段評估發(fā)動機常見問題的維修性[20]。

2) 三維虛擬環(huán)境創(chuàng)建技術。利用虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)建相關的虛擬環(huán)境，為用戶提供良好的沉浸感、自然的交互性及一定的想象空間；例如：在設計A380的過程中，空客公司通過模擬仿真機務人員在機艙內的維修操作和情景來驗證維修步驟的正確性、舒適性和可達性[21]。

3) 人機交互技術。利用相關的交互手段或設備將場景可視化并提供視覺、聽覺、觸覺等信息輸出，實現(xiàn)信息的獲取與反饋；例如：Andrea充分利用頭盔跟蹤器、數據手套和沉浸式力反饋系統(tǒng)，對面向航空航天產品維修培訓的VIR steperson系統(tǒng)添加了觸覺感知接口，操作者不僅有視覺上流程演示還能體驗到維修工具與維修部件的動態(tài)受力[22]。

4) 過程仿真技術。統(tǒng)籌規(guī)劃動素分類、任務描述、交互行為模型并對各狀態(tài)進行管理，實現(xiàn)過程仿真。例如：美國空軍阿姆斯特朗實驗室與賓夕法尼亞大學聯(lián)合創(chuàng)建的DEPTH(Design Evaluation for Personnel Training and Human Factor)項目，利用可視化技術和虛擬現(xiàn)實技術進行維修與保障分析，確定維修過程內容與人力資源需求[23-24]。

2虛擬維修及其關鍵技術在民航中的運用

2.1虛擬維修技術的運用

與傳統(tǒng)維修相比，虛擬維修具有成本低、效率高、受限少等優(yōu)點。虛擬維修在民航維修領域，特別在維修培訓方面擁有廣闊的運用前景。目前，中國民航大學已經創(chuàng)建機務維修工程虛擬仿真實驗教學中心、Aerosim科技公司推出了針對某些特定機型的非沉浸式虛擬維修訓練系統(tǒng)，如圖2所示[25-26]。

傳統(tǒng)民航機務維修培訓存在著培訓科目和方法單一、陳舊，人員能動性少，效果差的缺陷，而虛擬維修訓練系統(tǒng)的出現(xiàn)則改變了上述狀況。虛擬維修訓練系統(tǒng)沉浸式的虛擬環(huán)境，加深了學員對系統(tǒng)、設備及維修項目的理解；實時的技術支持與反饋，豐富了學員的知識儲備、強化了理論與實踐的結合；自主化的訓練科目設置，即發(fā)揮了人員能動性又使培訓更具針對性；訓練科目進展的跟蹤與監(jiān)控，保證了訓練效果、提高了訓練效率[27]。

圖2　Aerosim科技公司某型飛機虛擬維修訓練系統(tǒng)

2.2虛擬樣機的運用

傳統(tǒng)的物理樣機存在生產周期長、成本高、利用率低等缺點，虛擬樣機作為物理樣機的替代則有效地規(guī)避了上述不足，消除了生產實踐對物理樣機的依賴，顯著提高了工作效率。為了構建飛機虛擬維修訓練系統(tǒng)，實現(xiàn)對機務工程人員的虛擬維修訓練，美國的Aerosim科技公司專門研發(fā)了Virtual Aircraft (VA)虛擬飛機系統(tǒng)和Virtual Flight Deck (VFD)虛擬駕駛艙系統(tǒng)。作為虛擬維修系統(tǒng)重要的組成部分，VA和VFD可以為維修運用提供充足、準確的信息。

Virtual Aircraft (VA)系統(tǒng)對飛機及其系統(tǒng)和相關部件進行仿真(涵蓋的機型有A320、A330、B737NG)，將飛機完全、真實地虛擬化，如圖3所示。在VA系統(tǒng)中，工程技術人員可以對虛擬飛機進行環(huán)視檢查、系統(tǒng)運行測試與自檢，可以執(zhí)行飛機維護手冊和排故手冊/故障隔離手冊中的任務工卡以及最小設備清單上的維修程序。

Virtual Flight Deck (VFD)系統(tǒng)實現(xiàn)了對駕駛艙環(huán)境和功能的仿真(涵蓋的機型有B757、B767、MD-11)，真實地再現(xiàn)了飛機顯示系統(tǒng)和相關電子設備的顯、指示系統(tǒng)及控制面板，如圖4所示，是一款可以實現(xiàn)維修操作的桌面訓練系統(tǒng)。VFD系統(tǒng)有助于提升維修人員對駕駛艙面板和斷路器面板的熟悉程度，可以模擬仿真系統(tǒng)運行和針對特定航線可更換組件的自檢測試，能夠用于發(fā)動機啟動(包括正常啟動、熱啟動和啟動懸掛)和發(fā)動機試車訓練。

圖3　Virtual Aircraft系統(tǒng)中的虛擬飛機

圖4　Virtual Flight Deck系統(tǒng)中的虛擬駕駛艙

2.3三維虛擬環(huán)境的運用

良好的沉浸感和真實性是用戶在虛擬環(huán)境中理解及認知能力的保證，虛擬環(huán)境的主要目標就是在不影響交互的前提下，增強系統(tǒng)的沉浸感和真實性。三維虛擬環(huán)境在飛行訓練的運用，有助于飛行訓練人員豐富飛行經驗，提升飛行技能。為了增強飛行訓練的臨場感，提升飛行員的視覺感知，加拿大的CAE公司啟動了Tropos-6000XR視覺工程項目，并將最后的成果運用于CAE生產的各類飛行模擬機上。該項目通過高分辨率的衛(wèi)星圖像、優(yōu)質的顯示設備和全球數據庫(地理數據庫、天氣環(huán)境數據庫)，實現(xiàn)了機場布局及機場動態(tài)環(huán)境的仿真、機場光照條件及機場上空常見天氣條件的仿真、機場干擾情境的仿真，給用戶帶來了前所未有的視覺效果(超過了相關規(guī)章制度要求的等級D水平)，很好的滿足了日后運用的視覺需求，最后的實現(xiàn)效果如圖5所示。除此之外，根據真實機場環(huán)境的變化，所模擬的機場環(huán)境還能實現(xiàn)同步更新，真正意義上的達到了身臨其境的效果，打破了訓練情境的局限性[28-29]。

圖5　Tropos-6000XR視覺工程機場仿真效果圖

2.4人機交互技術的運用

人機交互技術是用戶與系統(tǒng)溝通的橋梁，是實現(xiàn)信息輸入與輸出的媒介。不同的系統(tǒng)，根據功能和要求實現(xiàn)效果的不同，所使用的交互設備或手段不盡相同。目前民航中與虛擬仿真有關的運用所適用的的交互設備有：鼠標和鍵盤，與實物相同的特定傳感設備，虛擬外設等。

用于機務人員虛擬維修培訓的桌面式虛擬維修訓練系統(tǒng)(如圖2所示)采用的是鼠標、鍵盤對系統(tǒng)進行控制。對于漫恒數字公司為中航工業(yè)商發(fā)開發(fā)的三維實景系統(tǒng)，由于對沉浸感要求較高，選擇采用攝像頭、數據手套、數據眼鏡、遙控等虛擬外設作為系統(tǒng)的交互設備。而用于飛行程序訓練的CAE Simfinity IPT集成式程序訓練機，如圖6所示，采用的交互設備則是以實物相同的操縱桿/盤、腳蹬等傳感設備。

2.5過程仿真技術的運用

飛機駕駛是具備專業(yè)知識和技能的人對飛機進行正確、合理、安全的操作，而飛行操作是圍繞相應的飛行程序展開的，所以在日常的飛行員培訓中，有必要對飛行員進行相關飛行程序訓練。為了滿足飛行訓練的實際需求，專門用于強化飛行員對相關飛行程序及其所對應操作的熟悉程度的飛行程序訓練設備孕育而生，例如：Aerosim科技公司生產的Enhanced Virtual Procedure Trainer (EVPT)、CAE公司研發(fā)的Simfinity Integrated Procedures Trainer(IPT)等[30-31]。

Aerosim科技公司的EVPT是原來VPT的升級版，增加了飛行控制系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)，可以滿足地面和空中的相關飛行程序訓練。EVPT對地面及空中正?；蚍钦５娘w行程序進行了過程仿真，甚至還包括了一些在全動模擬機上的訓練課目，涉及的內容有低能見度滑行、跑道入侵處理方案、Ⅱ/Ⅲ類精密進近、非精密進近、著陸、復飛、TCAS告警及恢復程序等。EVPT不僅滿足了當前訓練的需求，同時也為后期的實操訓練打下堅實的基礎，整體上提升了飛行訓練水平和安全性，降低了訓練成本[31]。

圖6　CAE Simfinity IPT

3結束語

虛擬維修及其關鍵技術能有效地提高生產實踐效率，減少資源消耗及浪費，隨著虛擬現(xiàn)實技術和計算機仿真技術的發(fā)展，虛擬維修及其關鍵技術在民航業(yè)必將有著更加廣泛、深入的運用前景。

在民航維修執(zhí)照技能考試中引入虛擬維修的概念。將虛擬維修運用于維修技能考試中可以擺脫對實物的依賴，減少資源消耗和考試成本；桌面式的系統(tǒng)有利于考試規(guī)模的擴大且對考試場地要求不高；虛擬維修系統(tǒng)與完善的專家分析、評估系統(tǒng)相結合，可以規(guī)避人為因素對考試結果的影響，對維修操作給出自動、公正地評價。

在對地面通訊、導航、監(jiān)視設備的日常維護與保養(yǎng)培訓中加入虛擬維修的思想。通訊、導航、監(jiān)視等地面電子設備的日常維護與保養(yǎng)培訓同樣存在著成本高、效率低、理論與實踐脫節(jié)、效果差等問題，虛擬維修培訓的引入可以有效地解決這些存在的問題。

將虛擬的概念植入空管比武大賽、簽派技能大賽、發(fā)動機孔探大賽等民航內技能比賽中。將具有人的因素分析功能的虛擬維修系統(tǒng)用于維修任務的分配與管理中。

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(責任編輯蒲東)