淺談虛擬維修技術(shù)在通用航空維修中的應(yīng)用分析

周航　翁洋

摘 要：我國(guó)通用航空涵蓋市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)、綜合保障服務(wù)等全產(chǎn)業(yè)鏈的新興產(chǎn)業(yè)體系，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)民航活動(dòng)范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。隨著大量的飛機(jī)投入通用航空中以來(lái)，維修保障逐漸成為最突出的問(wèn)題。而虛擬維修技術(shù)的出現(xiàn)，為飛機(jī)維修難題帶來(lái)發(fā)展機(jī)遇，促使通用航空業(yè)蓬勃發(fā)展。本文將針對(duì)虛擬維修技術(shù)在通用航空維修中的應(yīng)用展開(kāi)研究，對(duì)虛擬維修技術(shù)深入分析，并探索其應(yīng)用途徑。以期提升虛擬維修技術(shù)在通用航空維修中的應(yīng)用水平。

關(guān)鍵詞：虛擬維修；通用航空；維修

中圖分類號(hào)：V267 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）16-0052-02

低空空域的開(kāi)放，為我國(guó)通用航空帶來(lái)的新的發(fā)展空間，成為我國(guó)民用航空業(yè)發(fā)展的另一重要基礎(chǔ)。但隨著其投入量的增加，維修行業(yè)面臨著窘迫的局面，維修水平與質(zhì)量影響著整個(gè)航空業(yè)的發(fā)展。而虛擬維修技術(shù)很好的解決了這一問(wèn)題，利用數(shù)字信息技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，為維修領(lǐng)域帶來(lái)了新的發(fā)展空間。進(jìn)一步提升了維修效率、維修質(zhì)量，促使航空維修領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展。

1 研究綜述

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)虛擬維修技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并廣泛投入航空領(lǐng)域中。其中，VR技術(shù)在設(shè)備維修方面應(yīng)用表現(xiàn)最為突出，如美國(guó)哈勃望遠(yuǎn)鏡虛擬維修系統(tǒng)。時(shí)至今日，虛擬維修已經(jīng)成為工業(yè)研究的重要方向之一。NASA建立的航空、衛(wèi)星維護(hù)VR訓(xùn)練系統(tǒng)、空間站VR訓(xùn)練系統(tǒng)等為虛擬維修技術(shù)提供了新的發(fā)展依據(jù)。其中，NASA正在研究的VPE實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，更是進(jìn)一步拓展了虛擬維修技術(shù)的研究范圍。

華盛頓州立大學(xué)所開(kāi)發(fā)的虛擬裝配設(shè)計(jì)環(huán)境系統(tǒng)，與CAD的緊密結(jié)合，設(shè)計(jì)人員在工作初期便能夠直觀的面對(duì)拆卸問(wèn)題，避免維修方面的缺陷。以及，在產(chǎn)品定型、裝配方面的工作，可利用虛擬裝配技術(shù)輔助訓(xùn)練，或進(jìn)行裝配性試驗(yàn)工作。

賓夕法尼亞大學(xué)的HMS研究，也是維修仿真技術(shù)領(lǐng)域之一?？商峁┛梢晥D像以及指示維修系統(tǒng)，通過(guò)同步圖像以及指示，為維修人員演示正確維修理論與操作方法[1]。

我國(guó)對(duì)該方面的研究主要表現(xiàn)在VR技術(shù)。在虛擬現(xiàn)實(shí)中開(kāi)發(fā)了視覺(jué)接口硬件，并突出算法等有關(guān)理論知識(shí)。以計(jì)算機(jī)為依托，提供實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，以及虛擬現(xiàn)實(shí)演示環(huán)境，用于航空維修領(lǐng)域。

2 虛擬維修技術(shù)分析

虛擬維修以計(jì)算機(jī)為依托，融合數(shù)字化與虛擬現(xiàn)實(shí)等多項(xiàng)技術(shù)，生成虛擬維修樣機(jī)以及維修人員三維人體模型。在虛擬場(chǎng)景中模仿真實(shí)維修過(guò)程，進(jìn)而對(duì)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品維修性、維修過(guò)程、以及維修效果等進(jìn)行評(píng)級(jí)。當(dāng)前，虛擬維修技術(shù)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

CAD技術(shù)的應(yīng)用。在虛擬維修技術(shù)中，三維CAD軟件占據(jù)重要作用。其是建立虛擬場(chǎng)景的重要環(huán)節(jié)之一。在航空領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域、船舶制造領(lǐng)域等的應(yīng)用十分廣泛，有效解決分散的方案設(shè)計(jì)難題。CAD軟件利用幾何信息建立三維零件模型，利用幾何約束關(guān)系進(jìn)行零件的裝配，并建立虛擬模型。在航空維修領(lǐng)域中，利用CATIA軟件對(duì)模型之間固有條件進(jìn)行約束，可有效改善加工、安裝、維修過(guò)程中設(shè)計(jì)的缺陷。

優(yōu)化維修方案。利用虛擬維修技術(shù)，對(duì)維修準(zhǔn)備、拆卸、安裝、以及調(diào)整等步驟進(jìn)行試驗(yàn)，針對(duì)其中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)一步優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)三維模型拆卸過(guò)程的虛擬演示，并在計(jì)算機(jī)終端重新制定整個(gè)維修計(jì)劃，規(guī)避維修風(fēng)險(xiǎn)。

利用數(shù)據(jù)分析維修難易程度。虛擬維修技術(shù)依托計(jì)算機(jī)終端，對(duì)維修中可能出現(xiàn)的障礙進(jìn)行分析，并評(píng)估維修難度、維修方案等環(huán)節(jié)。其針對(duì)虛擬樣機(jī)，預(yù)測(cè)并發(fā)現(xiàn)障礙，預(yù)警障礙原因、影響，并提出有關(guān)解決對(duì)策。維修難度的分析便能夠真實(shí)反映維修操作難度系數(shù)，并選擇最簡(jiǎn)單的維修方案。該功能大大提升了維修人員的工作效率，使得維修工作變得更加簡(jiǎn)便[2]。

培訓(xùn)維修人員。虛擬維修技術(shù)利用虛擬樣機(jī)，對(duì)維修人員進(jìn)行培訓(xùn)與指導(dǎo)，使得維修質(zhì)量進(jìn)一步提升。其主要順序?yàn)椋?/p>

利用CAD系統(tǒng)建立幾何模型，并對(duì)其基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；在虛擬環(huán)境下，模擬拆裝過(guò)程，以及有關(guān)因素的影響；分析維修方案可行性，利用虛擬維修技術(shù)分析其中可能遇到的障礙，并取消可行性較低的維修任務(wù)，規(guī)避維修風(fēng)險(xiǎn)；利用虛擬維修仿真技術(shù)，在安全得到保障的前提下，減少維修人員壓力，提升維修效率；最后，對(duì)維修時(shí)間進(jìn)行記錄，合理分析維修過(guò)程中操作專業(yè)性，操作可行性，進(jìn)而制定更加合理的維修計(jì)劃與方案。

3 虛擬維修技術(shù)在通用航空維修中的應(yīng)用

3.1 虛擬環(huán)境下虛擬裝拆操作的研究

（1）建立模型。針對(duì)模型中各個(gè)零部件的信息，包括其特定形狀、特定功能、形狀在整體上的布局等，以及其基本性能等信息有機(jī)結(jié)合在一起，構(gòu)成了完整的零件信息模型。根據(jù)裝配體模型，將有關(guān)零件集合在一起，并確定零件的裝配關(guān)系。零部件在裝配過(guò)程中，會(huì)有裝配方向的顯示，在該信息中得到與裝配方向相反的拆卸方向，再根據(jù)有關(guān)因素，平移、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，構(gòu)建出三維立體維修坐標(biāo)系。提取有關(guān)零部件，進(jìn)行拆卸操作。若其中零部件存在多種約束關(guān)系，則拆卸方向與約束關(guān)系之間形成交集。在拆卸模塊中，對(duì)信息的主要描述方法包括圖形表示、關(guān)系數(shù)據(jù)表示以及對(duì)象表示法。其拆卸分類主要包括直接或間接拆卸、順序或并行拆卸、破壞與非破壞拆卸法等。在拆卸程度角度，分為完全拆卸、部分拆卸、目標(biāo)拆卸幾種[3]。（2）裝配路徑分析。拆卸路線主要為零部件被移動(dòng)的具體路線，但不包括其再移動(dòng)到指定位置路線的過(guò)程。根據(jù)拆卸特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出裝配路徑模塊。在拆卸路線中研究零部件自身轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題，由于其轉(zhuǎn)動(dòng)角度難以確定，因此在設(shè)計(jì)時(shí)將轉(zhuǎn)動(dòng)角度定位90度的整數(shù)倍，以便操作。在虛擬維修技術(shù)中，工作人員利用裝配路徑，在類中尋找與之對(duì)應(yīng)的零部件進(jìn)行裝配，進(jìn)而有效解決對(duì)象之間協(xié)調(diào)問(wèn)題。

3.2 虛擬環(huán)境下航空器維護(hù)研究

（1）分析航空器維修性能?？删S修性是針對(duì)在規(guī)定條件下，以及規(guī)定時(shí)間內(nèi)、按照有關(guān)流程以及方法對(duì)其進(jìn)行維修的指標(biāo)。可維修性是航空器維修工作中的重要組成部分，也是虛擬維修技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。維修性好壞主要取決于設(shè)計(jì)階段的維修性評(píng)估結(jié)果，通常利用維修演示來(lái)呈現(xiàn)。傳統(tǒng)可維修性檢測(cè)主要利用木質(zhì)模型以及金屬樣機(jī)進(jìn)行分析與操作，往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間與精力，且維修進(jìn)度與設(shè)計(jì)存在不可修改性特點(diǎn)，嚴(yán)重削弱了維修性檢驗(yàn)的工作效率。

采用虛擬維修技術(shù)以來(lái)，在滿足用戶基本要求前提下，對(duì)維修設(shè)備基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)人機(jī)交換界面，虛擬修理、虛擬操作，虛擬檢驗(yàn)。從而進(jìn)一步提升維修程序綜合評(píng)估能力，提升飛機(jī)維修性評(píng)估質(zhì)量。

（2）自動(dòng)生成文件。在航空器虛擬維修過(guò)程中，虛擬維修技術(shù)可針對(duì)維修人員的虛擬操作，對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并自動(dòng)生成文件。有利于產(chǎn)品研制中狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，以及對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)跟蹤、調(diào)查、控制等基本操作。

我國(guó)通用航空中便采用維修順序、任務(wù)生成、虛擬確認(rèn)三個(gè)系統(tǒng)模塊，對(duì)正確性進(jìn)行檢查，并自動(dòng)生成有關(guān)文件與數(shù)據(jù)。

3.3 虛擬環(huán)境下系統(tǒng)與實(shí)際操作的研究

（1）設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。針對(duì)通用航空維修系統(tǒng)功能將體系結(jié)構(gòu)分為四個(gè)方面。其一，界面層，即輸入與輸出界面。為用戶提供命令輸入操作，以及虛擬外界設(shè)備的輸入。輸出界面則主要用于向用戶反映處理結(jié)果。其二，應(yīng)用層。其中包括整個(gè)通用航空系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，包括管理、模型建立、仿真技術(shù)、協(xié)同配合、分析評(píng)估等多項(xiàng)功能。管理主要針對(duì)系統(tǒng)的基本任務(wù)，維修的主要資源、維修數(shù)據(jù)的管理。而建模則針對(duì)該維修計(jì)劃的基本零部件信息，整體信息，維修產(chǎn)品等建立數(shù)字模型。仿真技術(shù)主要包括對(duì)維修操作流程的仿真處理。協(xié)同模塊則針對(duì)維修中可能發(fā)生的沖突與矛盾進(jìn)行交流。以及分析評(píng)估模塊為針對(duì)虛擬維修技術(shù)的可行性進(jìn)行分析，預(yù)估維修難度指數(shù)。其三，對(duì)象層。包括虛擬維修技術(shù)中的模型建立、協(xié)同穩(wěn)健模型展示、維修資源保存、評(píng)估與總結(jié)報(bào)告等。其四，技術(shù)支持層。指各種數(shù)據(jù)庫(kù)、操作系統(tǒng)、CAD軟件等硬件與軟件的結(jié)合。（2）根據(jù)方案調(diào)試設(shè)備。針對(duì)維修樣機(jī)制定方案，并準(zhǔn)備模擬維修操作中可能用到的設(shè)備，準(zhǔn)備操作安裝、拆卸、調(diào)整等有關(guān)準(zhǔn)備工作。在三維模型拆卸安裝過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)終端獲取有關(guān)數(shù)據(jù)，分析維修中遇到的障礙，并對(duì)方案操作的有效性加以證實(shí)與評(píng)估[4]。（3）人機(jī)交互技術(shù)。人機(jī)交互技術(shù)是虛擬維修技術(shù)的關(guān)鍵，亦是人與機(jī)器溝通的重要橋梁。不同的系統(tǒng)，其具體功能與有關(guān)效果也有所差別，因此所使用的交互設(shè)備與方式存在差異。當(dāng)前，通用航空中與虛擬維修技術(shù)有關(guān)的設(shè)備包括鼠標(biāo)、鍵盤、特定傳感設(shè)備、虛擬外設(shè)設(shè)備等。

維修人員利用虛擬維修培訓(xùn)桌面式維修系統(tǒng)，利用鼠標(biāo)與鍵盤對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。由于對(duì)沉浸感要求較高，因此選用專業(yè)攝像頭、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)眼鏡、以及遙感設(shè)備虛擬控制控制的交互設(shè)備。工作人員利用專業(yè)設(shè)備對(duì)樣機(jī)進(jìn)行操作，其動(dòng)作與思維可完全由自身掌控。

4 展望

4.1 更完善的維修考核評(píng)價(jià)功能

在虛擬維修技術(shù)中，其維修評(píng)估模塊式衡量虛擬維修系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是虛擬維修技術(shù)的核心所在。當(dāng)前，虛擬維修系統(tǒng)中訓(xùn)練方法多種多樣，但其訓(xùn)練程度相對(duì)較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)操作人員真正的專業(yè)水準(zhǔn)。以及，針對(duì)維修過(guò)程中的數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控技術(shù)等，需要進(jìn)一步提升，加深研究。針對(duì)不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以定量分析為最佳方式，有待提升。

4.2 更加真實(shí)的維修場(chǎng)景

維修場(chǎng)景的真實(shí)度主要依靠實(shí)體三維模型以及維修過(guò)程。尤其針對(duì)大型復(fù)雜的裝備，由于其精密零部件較多，維修工藝更加專業(yè)，因此對(duì)產(chǎn)品模型信息應(yīng)更加全面，模型優(yōu)化方法的要求也將更加專業(yè)。但當(dāng)前虛擬維修技術(shù)中信息集成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)建立等有關(guān)技術(shù)仍需要進(jìn)一步提升，加強(qiáng)零部件細(xì)節(jié)信息的建立。以及，虛擬維修過(guò)程中所設(shè)計(jì)的場(chǎng)景應(yīng)更加真實(shí)，其虛擬維修功能亟待加強(qiáng)[5]。

4.3 通用系數(shù)有待提升

虛擬維系技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，不僅在通用航空中有所體現(xiàn)，還包括各種機(jī)械、船舶、汽車等領(lǐng)域。領(lǐng)域的不同其設(shè)計(jì)要求也存在較大差異，對(duì)規(guī)范性與綜合性要求有所增加。因此，應(yīng)改進(jìn)虛擬維修技術(shù)的過(guò)程規(guī)劃與描述方法，提出通用系數(shù)更高的虛擬維修協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

4.4 人機(jī)交互技術(shù)的增強(qiáng)

人機(jī)交互是虛擬維修技術(shù)的核心，也是該技術(shù)近年來(lái)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。雖然其優(yōu)化方法、優(yōu)化途徑的研究更加深入，但在當(dāng)前虛擬維修系統(tǒng)中，大多數(shù)環(huán)境下用戶與系統(tǒng)之間的交互仍舊不容樂(lè)觀。對(duì)物體的適當(dāng)行為、以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的三維模型疊加到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中等問(wèn)題，需要進(jìn)一步加深研究，拓寬研究領(lǐng)域。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，虛擬維修技術(shù)自誕生以來(lái)，其涉及的領(lǐng)域十分廣闊。在通用航空領(lǐng)域中，有效保障了維修效率與質(zhì)量，提升維修航空維修自動(dòng)化程度。但在該技術(shù)的應(yīng)用與推廣中，應(yīng)進(jìn)一步完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專業(yè)性，提升人才支撐體系。促使我國(guó)民航維修工作內(nèi)容更加豐富。

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