直升機(jī)交互式虛擬維修方法研究

霍同雷 張峰

【摘 要】目前，我國(guó)直升機(jī)在各方面的應(yīng)用水平越來(lái)越高，為了進(jìn)一步提高直升機(jī)的運(yùn)行水平，加強(qiáng)直升機(jī)交互式虛擬維修不僅可以提高維修效率還能夠保證直升機(jī)維修質(zhì)量?；诖?，本文從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的相關(guān)概念出發(fā)，探討直升機(jī)交互式虛擬維修方法的具體應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】直升機(jī)；虛擬維修；維修方法；交互式

維修性是設(shè)計(jì)階段賦予裝備的，使維修簡(jiǎn)便、迅速、經(jīng)濟(jì)的一種固有特性，關(guān)系到裝備可用度和壽命周期費(fèi)用，受到用戶的高度重視。在面向維修性的設(shè)計(jì)（Designfor Maintainability，DFM）中，傳統(tǒng)方法已無(wú)法滿足裝備日益增長(zhǎng)的維修性要求。隨著數(shù)字樣機(jī)、人體模型和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬維修技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為DFM的關(guān)鍵技術(shù)。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)是指計(jì)算機(jī)模擬的三維真實(shí)環(huán)境。具體來(lái)說(shuō)，就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的各種現(xiàn)代化高科技合成的視聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的特定范圍內(nèi)的虛擬環(huán)境，使用者借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用相互影響，從而產(chǎn)生親臨實(shí)境的感受和體驗(yàn)。研究表明，人對(duì)基于圖像、聲音等感官器官信息的理解能力遠(yuǎn)大于對(duì)數(shù)字、文字等抽象信息的理解、記憶能力，因此，用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的訓(xùn)練系統(tǒng)可以使使用者的訓(xùn)練效果極大地得到改善。虛擬現(xiàn)實(shí)不同于一般的交互三維圖形學(xué)，首先，他可以使用戶從虛擬空間中向外觀察，這種感受是用戶作為旁觀由外部向內(nèi)部觀察無(wú)法體會(huì)到的；其次，通過(guò)虛擬空間，用戶可以實(shí)時(shí)看到隨視點(diǎn)而改變的場(chǎng)景，即實(shí)時(shí)性；最后，用戶融入到虛擬現(xiàn)實(shí)中，感受與現(xiàn)實(shí)世界相同的環(huán)境，從而按照實(shí)際的工作狀態(tài)與環(huán)境交互，即交互性。這些與計(jì)算機(jī)仿真有很大的不同。

二、航空虛擬維修系統(tǒng)的特殊需求

第一，直升機(jī)維修具有綜合保障性。直升機(jī)維修是一種綜合性活動(dòng)，貫穿裝備的全生命周期，需要科學(xué)管理與合理調(diào)配使用各種維修保障資源；而航空虛擬維修也涉及了維修設(shè)施、維修人員、維修工具等類別的維修資源，維修資源種類和數(shù)量繁多。如果不能對(duì)虛擬維修資源進(jìn)行科學(xué)管理與合理調(diào)配，不能有效地使用維修資源，則航空虛擬維修的大量時(shí)間就會(huì)耗費(fèi)在查找、向維修環(huán)境中導(dǎo)入并定位維修資源，查詢維修資源的使用方法，編輯維修人員使用工具、設(shè)備時(shí)的姿態(tài)和手型上，虛擬維修的效率就難以提高。因此，系統(tǒng)必須統(tǒng)籌管理虛擬維修資源，實(shí)時(shí)查詢維修資源的使用方法，高效存儲(chǔ)和調(diào)用人體的身體姿態(tài)和工具對(duì)應(yīng)的手型。第二，直升機(jī)維修具有技術(shù)綜合性直升機(jī)維修是多專業(yè)的綜合保障體系，是一種技術(shù)綜合性很強(qiáng)的活動(dòng)，要求有科學(xué)的專業(yè)分工，這樣必然涉及多種專業(yè)知識(shí)，單個(gè)工程人員很難獨(dú)立完成全部的維修仿真工作，而需要不同專業(yè)的工程人員協(xié)同維修。因此，系統(tǒng)需要建立虛擬維修協(xié)同環(huán)境。第三，直升機(jī)維修具有快速反應(yīng)性該特點(diǎn)要求直升機(jī)維修用最短的反應(yīng)時(shí)間保障航空裝備最大的出動(dòng)強(qiáng)度。直升機(jī)維修反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短一方面取決于直升機(jī)維修保障系統(tǒng)的物流效率，另一方面取決于直升機(jī)維修人員的維修效率。提高維修人員的維修效率，在人員維修水平一定的前提下有兩種途徑：①建立科學(xué)的維修任務(wù)流程；②通過(guò)虛擬維修進(jìn)行維修性分析，尤其是維修時(shí)間方面的分析，改進(jìn)航空裝備的維修性。系統(tǒng)要能科學(xué)規(guī)劃和運(yùn)用維修任務(wù)流程，建立中國(guó)人的人體模型，進(jìn)行包括維修時(shí)間估算在內(nèi)的維修性分析。第四，直升機(jī)維修具有高消耗性和環(huán)境復(fù)雜性通過(guò)統(tǒng)籌管理虛擬維修資源、科學(xué)規(guī)劃維修任務(wù)流程，可以提高通用維修資源的比例，合理調(diào)配維修資源，降低航空裝備維修保障的費(fèi)用，改善航空裝備的高消耗性；通過(guò)在不同的維修場(chǎng)景中進(jìn)行虛擬維修，可以提高直升機(jī)維修對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。

三、直升機(jī)交互式虛擬維修方法

1.建立直升機(jī)虛擬維修系統(tǒng)的三維模型庫(kù)

三維建模是虛擬維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，三維數(shù)據(jù)庫(kù)又是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)三維場(chǎng)景建模的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)格式對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量有極大的影戲。對(duì)于直升機(jī)虛擬維修的模型庫(kù)，應(yīng)將各型直升機(jī)的維修工具、主要的維修零、部件按照模塊化的方式建立起來(lái)。另外還要建立直升機(jī)維修的場(chǎng)景模型（包括機(jī)艙.機(jī)身等），這主要是考慮人機(jī)工程和增強(qiáng)“浸潤(rùn)感”。同時(shí)，整個(gè)虛擬維修系統(tǒng)應(yīng)采取開(kāi)放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各種模塊間要有細(xì)分的功能及接口。作為其模型庫(kù)應(yīng)允許直接輸入多種來(lái)源的CAD數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)造一個(gè)與真實(shí)樣機(jī)比例相同的數(shù)字樣機(jī)，考慮到模型來(lái)源的廣泛性，它最好還能接受3DSMAX、MULTIGEN、ALIAS等設(shè)計(jì)軟件的三維模型數(shù)據(jù)格式。另外，我們還要考慮實(shí)時(shí)交互性的要求，對(duì)模型的數(shù)字信息進(jìn)行優(yōu)化，只提取對(duì)虛擬維修系統(tǒng)有用的數(shù)據(jù)（主要是部件的幾何信息和表面信息）。

2.面向維修級(jí)別的可擴(kuò)展維修資源管理

目前常用的虛擬維修軟件存在以下問(wèn)題：沒(méi)有對(duì)虛擬維修資源進(jìn)行統(tǒng)籌管理，通常只能將某一類虛擬維修資源保存在同一文件夾或虛擬文件夾內(nèi)；所能存儲(chǔ)的信息種類有限，無(wú)法進(jìn)行擴(kuò)展；不利于對(duì)直升機(jī)維修所涉及的維修資源進(jìn)行科學(xué)管理，無(wú)法高效地利用虛擬維修資源構(gòu)建虛擬維修環(huán)境，也無(wú)法便捷地生成產(chǎn)品或零部件的維修保障數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，航空裝備的維修資源是按照維修級(jí)別來(lái)進(jìn)行配置和管理的，適應(yīng)裝備維修的差異性和經(jīng)濟(jì)性需求。因此，直升機(jī)維修資源不能僅面向維修對(duì)象進(jìn)行管理，還應(yīng)該考慮直升機(jī)維修級(jí)別。由此，利用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（eXtensibleMarkupLanguage，XML）技術(shù)的可擴(kuò)展性，建立面向維修級(jí)別的可擴(kuò)展維修資源管理工具，對(duì)直升機(jī)維修資源進(jìn)行科學(xué)管理勢(shì)在必行。

3.基于知識(shí)的維修流程管理實(shí)現(xiàn)方法

為實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的維修流程管理，開(kāi)發(fā)了維修流程檢索、建模工具，維修流程單步提示工具，以檢索、重用相似的維修流程，按維修步驟指導(dǎo)維修仿真、同步優(yōu)化維修流程。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：步驟1在第一輪基于虛擬維修的設(shè)計(jì)迭代前，由資深工程人員通過(guò)維修任務(wù)分析，借助維修流程建模工具建立實(shí)例化的維修流程本體模型，該模型是粗糙的、初步的；建模過(guò)程中，通過(guò)維修流程檢索工具，能夠重用知識(shí)庫(kù)中相似的維修任務(wù)或維修作業(yè)的本體模型。步驟2通過(guò)維修流程單步提示工具讀取維修流程模型，輔助工程人員進(jìn)行維修仿真；該工具能按維修步驟提示文本化的維修內(nèi)容，并高亮顯示相關(guān)的維修部位及需要使用的維修資源。步驟3當(dāng)工程人員完成一個(gè)維修步驟的仿真建模后，若提示的內(nèi)容不完善、高亮度顯示的維修部位或資源不準(zhǔn)確，通過(guò)維修流程建模工具同步修訂維修流程模型；否則，確認(rèn)該維修步驟。步驟4后續(xù)每輪基于虛擬維修的設(shè)計(jì)迭代中，重復(fù)步驟2和步驟3，修訂、完善該維修流程模型。步驟5所有設(shè)計(jì)迭代結(jié)束，以維修流程模型為基礎(chǔ)框架生成維修手冊(cè)；該手冊(cè)經(jīng)設(shè)計(jì)人員、勤務(wù)人員和維修性工程人員在沉浸式虛擬環(huán)境中確認(rèn)后，提交給用戶。

四、結(jié)語(yǔ)

真正實(shí)現(xiàn)直升機(jī)虛擬維修不僅面臨著很多技術(shù)上的難題，也是一項(xiàng)工作量巨大的工程。但是，“千里之行始于足下”，只要我們結(jié)合現(xiàn)有條件，因陋就簡(jiǎn)進(jìn)行虛擬維修系統(tǒng)方面的研究，打牢技術(shù)基礎(chǔ)，充實(shí)模型庫(kù)、故障庫(kù)等，逐步實(shí)現(xiàn)虛擬維修系統(tǒng)的各部分功能，就能在提高維修質(zhì)量、訓(xùn)練水平方面發(fā)揮作用，重復(fù)發(fā)揮虛擬維修的作用，提高直升機(jī)戰(zhàn)斗力水平。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王思琦.虛擬維修平臺(tái)交互式表現(xiàn)方法研究[D].中國(guó)民航大學(xué)，2018.