基于虛擬現(xiàn)實(shí)的民航空管設(shè)備遠(yuǎn)程虛擬維修系統(tǒng)

左凌 何勇 劉建華

摘 要：為支持實(shí)現(xiàn)空管設(shè)備維修資源共享，提高維護(hù)效率、降低綜合維護(hù)費(fèi)用，構(gòu)建了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的民航空管設(shè)備遠(yuǎn)程虛擬維修系統(tǒng)。分析了虛擬維修系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)，建立了包含設(shè)備層、協(xié)作層、支援層的系統(tǒng)體系架構(gòu)，并闡述了系統(tǒng)研發(fā)中涉及的故障數(shù)據(jù)采集及處理、協(xié)同方式設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。采用實(shí)際維修案例展示了該系統(tǒng)在虛擬維修支持方面的效果。

關(guān)鍵詞：空中交通管理;設(shè)備維修;故障;虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類(lèi)號(hào)：V355.1

Abstract：In order to fulfill the repair resource sharing，upgrade the efficiency of maintenance，cut down the cost of maintenance，a virtual reality-based virtual maintenance system for air traffic control equipment was established.The function module was designed，which was compose of the equipment level，coordination level and support level.And the key technologies for the development of maintenance system were analyzed，such as the malfunction data collection，the coordination mode design，and so on.The function effect of the designed maintenance system was demonstrated by the concrete maintenance case.

Key words：Air traffic control，equipment maintenance，malfunction，virtual reality

民航空管系統(tǒng)是國(guó)家重要的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性行業(yè)，是保障民用航空安全高效運(yùn)行的中樞。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的建設(shè)和發(fā)展，民航空管設(shè)備保障基本完備，空管設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)配置和智能管理。但是，構(gòu)建科學(xué)的民航空管設(shè)備技術(shù)保障體系仍是今后一個(gè)時(shí)期民航空管工作的重要內(nèi)容，尤其是隨著民航空管設(shè)備高技術(shù)化特征日益凸顯，功能日益復(fù)雜，空管設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)維修水平要求也越來(lái)越高。當(dāng)空管故障設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)人員技術(shù)能力有限時(shí)，采用先進(jìn)的遠(yuǎn)程協(xié)同維修支援方式，可在短時(shí)間內(nèi)調(diào)動(dòng)維修資源，實(shí)現(xiàn)資源共享，提高維護(hù)效率、降低綜合維護(hù)費(fèi)用，并促進(jìn)空管設(shè)備維修水平提升。本文對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)的民航空管設(shè)備虛擬維修系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行研究。

近年來(lái)，國(guó)家相關(guān)部門(mén)出臺(tái)了關(guān)文件，要求促進(jìn)空管設(shè)備運(yùn)行智能可靠，持續(xù)完善設(shè)備運(yùn)行保障體系，探索臺(tái)站建設(shè)與設(shè)備維護(hù)新模式[1]，指出應(yīng)制定詳細(xì)的、可操作的空管設(shè)備運(yùn)行保障及維護(hù)維修規(guī)程，為民航空管設(shè)備維護(hù)提供制度保障[2]。相關(guān)研究人員也在空管設(shè)備維修方面開(kāi)展了大量研究。其中，張昊等人對(duì)空管設(shè)備管理與維護(hù)過(guò)程中的原則及規(guī)定進(jìn)行了研究[3]，也有學(xué)者從空管設(shè)備故障模式和影響分析、預(yù)防性維修工作類(lèi)型及維修工作間隔期的確定等方面進(jìn)行了研究[4]。張龍飛對(duì)空管設(shè)備預(yù)防性維修從設(shè)備維護(hù)特點(diǎn)、潛在的問(wèn)題以及預(yù)防性維修的應(yīng)用措施等方面進(jìn)行研究[5]。也有研究人員在空管設(shè)備運(yùn)維信息化平臺(tái)建設(shè)方面進(jìn)行研究，對(duì)構(gòu)建基于多信息系統(tǒng)的維修平臺(tái)進(jìn)行了較深入的分析，對(duì)實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控，基于預(yù)定的分析模型開(kāi)展設(shè)備可靠性和可用性評(píng)估[6]。此外，也有研究人員對(duì)空管設(shè)備維修方案的評(píng)估方法進(jìn)行研究，對(duì)方案的維修類(lèi)型、原則、級(jí)別及維修策略等內(nèi)容進(jìn)行分析，給出了常見(jiàn)的評(píng)估方法[7]。本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)民航空管設(shè)備虛擬維修系統(tǒng)進(jìn)行研究，闡述了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程及其中涉及的相關(guān)技術(shù)，包括系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、架構(gòu)設(shè)計(jì)以及涉及的關(guān)鍵技術(shù)等，并基于實(shí)際維修案例的虛擬化呈現(xiàn)過(guò)程為例介紹了系統(tǒng)的人機(jī)界面。

1 虛擬維修系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

空管設(shè)備遠(yuǎn)程虛擬維修支援系統(tǒng)可輔助前方設(shè)備維修人員開(kāi)展設(shè)備故障信息的獲取，并基于遠(yuǎn)程專(zhuān)家協(xié)同支援開(kāi)展故障診斷，及時(shí)開(kāi)展設(shè)備故障定位并制定維修措施，節(jié)省維修人員的時(shí)間，提高維修效率。

空管設(shè)備遠(yuǎn)程虛擬維修支援系統(tǒng)的總體功能框架如圖1所示。主要功能模塊有：

（1）支援系統(tǒng)信息管理子模塊：包括支援專(zhuān)家資源管理、空管設(shè)備故障信息管理、手冊(cè)管理、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境三維管理、維修案例管理、用戶管理等;

（2）支援系統(tǒng)測(cè)試診斷子模塊：遠(yuǎn)程協(xié)同支援申請(qǐng)發(fā)布、遠(yuǎn)程協(xié)同交互過(guò)程控制;

（3）維修指導(dǎo)子系統(tǒng)：遠(yuǎn)程協(xié)同支援交互、現(xiàn)場(chǎng)三維虛擬場(chǎng)景查看等。

基于上述功能模塊，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)：（1）遠(yuǎn)程協(xié)同資源匹配功能。根據(jù)前方設(shè)備維修人員輸入的設(shè)備故障信息，自動(dòng)匹配查找合適的遠(yuǎn)程協(xié)同資源;（2）故障診斷遠(yuǎn)程協(xié)同功能。根據(jù)前方設(shè)備維修人員發(fā)起的遠(yuǎn)程協(xié)同請(qǐng)求，后方支援專(zhuān)家可以進(jìn)入系統(tǒng)，開(kāi)展設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境、以及設(shè)備工作狀況查看，并協(xié)同展開(kāi)設(shè)備故障定位，及時(shí)指導(dǎo)維修人員;（3）故障維修指導(dǎo)功能。在維修人員得到故障診斷結(jié)果后，需要進(jìn)行故障隔離和維修作業(yè)。此時(shí)，系統(tǒng)可以支持遠(yuǎn)程專(zhuān)家繼續(xù)提供故障維修指導(dǎo)，開(kāi)展遠(yuǎn)程詢(xún)問(wèn)或討論，專(zhuān)家可基于平臺(tái)將相關(guān)維修指令、資源或信息及時(shí)傳遞給前方維修人員;（4）遠(yuǎn)程協(xié)同信息管理功能。對(duì)于維修故障信息、協(xié)同過(guò)程等信息，系統(tǒng)需要提供管理模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)同信息的存儲(chǔ)，以便支持開(kāi)展維修案例的制作。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

民航空管設(shè)備遠(yuǎn)程虛擬維修實(shí)質(zhì)上是針對(duì)空管設(shè)備維修需求，開(kāi)展遠(yuǎn)程協(xié)同支援技術(shù)和虛擬化技術(shù)在空管設(shè)備維修領(lǐng)域的融合應(yīng)用，促進(jìn)遠(yuǎn)程支援專(zhuān)家對(duì)故障空管設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境熟悉，提升遠(yuǎn)程協(xié)同質(zhì)量和水平。區(qū)別于傳統(tǒng)的虛擬維修，空管設(shè)備遠(yuǎn)程協(xié)同虛擬維修除了包含維修實(shí)施過(guò)程模擬外，還包含在專(zhuān)家端構(gòu)建高度逼真的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，使得專(zhuān)家與前方維修人員之間能基于虛擬化技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)維修過(guò)程的交互。它可以在計(jì)算機(jī)上提供一個(gè)實(shí)時(shí)的、三維的虛擬環(huán)境，通過(guò)生動(dòng)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等效果隨著參與者的動(dòng)作而變化的場(chǎng)景使人獲得身臨其境的感覺(jué)。它突破了空間、時(shí)間的限制，可以實(shí)現(xiàn)逼真的設(shè)備裝配、故障維修操作，提取任何關(guān)于設(shè)備的已有資料、狀態(tài)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)設(shè)備性能。

空管設(shè)備遠(yuǎn)程虛擬維修支援系統(tǒng)組織架構(gòu)包括三個(gè)功能層：

（1）設(shè)備層：設(shè)備層的功能，即支持前方維修人員開(kāi)展人機(jī)交互，提交遠(yuǎn)程系統(tǒng)維修支援任務(wù)請(qǐng)求，以及顯示故障診斷結(jié)果，反饋故障維護(hù)效果，提供某些故障診斷所需的設(shè)備信息、故障癥狀描述等;提供設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境信息，與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行虛擬的交互;提取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，獲取設(shè)備故障癥狀;管理設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備維護(hù)日志等。

（2）協(xié)作層：①協(xié)作層系統(tǒng)在接收到前方設(shè)備維修人員提交的遠(yuǎn)程協(xié)同支援任務(wù)后，應(yīng)將設(shè)備的維修支援任務(wù)基于不同問(wèn)題域進(jìn)行分析，并且將獲取的設(shè)備故障癥狀信息按照問(wèn)題域分類(lèi)，提取出相匹配的遠(yuǎn)程支援維修資源，供設(shè)備維修人員查看。②前方人員在查看可調(diào)取的維修支援資源列表后，可相相關(guān)資源及時(shí)發(fā)布遠(yuǎn)程協(xié)同支援請(qǐng)求;同時(shí)，也可以根據(jù)協(xié)同支援的進(jìn)程或問(wèn)題，邀請(qǐng)新的支援資源加入?yún)f(xié)同過(guò)程，又或者，提出新的遠(yuǎn)程協(xié)同任務(wù)請(qǐng)求;因此，在此過(guò)程中，協(xié)作層系統(tǒng)將管理多個(gè)參與遠(yuǎn)程協(xié)同支援的任務(wù)進(jìn)程，以符合維修人員所邀請(qǐng)的診斷邏輯或流程。

（3）支援層：支援層根據(jù)獲取的設(shè)備故障癥狀，支持遠(yuǎn)程協(xié)同維修資源進(jìn)入?yún)f(xié)同環(huán)境開(kāi)展故障診斷，得出診斷結(jié)論，并提供相應(yīng)的設(shè)備維護(hù)措施。支援層包括多個(gè)運(yùn)行在不同地域的支援子系統(tǒng)。支援層子系統(tǒng)根據(jù)協(xié)作系統(tǒng)發(fā)布的遠(yuǎn)程支援協(xié)同請(qǐng)求而運(yùn)行，并且及時(shí)響應(yīng)其他相關(guān)地域支援子系統(tǒng)的協(xié)作行為。遠(yuǎn)程支援過(guò)程是不間斷的，但是遠(yuǎn)程支援的發(fā)起是隨機(jī)的，因此在支援層子系統(tǒng)的運(yùn)行工程中，會(huì)根據(jù)前方維修人員協(xié)同支援的需求不斷調(diào)整自己的運(yùn)行過(guò)程。

3 關(guān)鍵技術(shù)

空管設(shè)備遠(yuǎn)程協(xié)同虛擬維修支援是指前方維修人員在遠(yuǎn)方專(zhuān)家的支援下，開(kāi)展維修的一個(gè)過(guò)程。具體來(lái)看，遠(yuǎn)程協(xié)同虛擬維修的最大特點(diǎn)是跨地域性。由于空管保障設(shè)備分布地域相對(duì)較大，需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)前方故障現(xiàn)場(chǎng)與后方支援專(zhuān)家之間的信息交換。為支持遠(yuǎn)程協(xié)同維修支援能夠高效展開(kāi)，需要解決以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵問(wèn)題：信號(hào)采集、信號(hào)處理及傳輸、信號(hào)專(zhuān)家端呈現(xiàn)、維修案例的存儲(chǔ)，以及專(zhuān)家遠(yuǎn)程協(xié)同交互方式設(shè)計(jì)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的空管設(shè)備信號(hào)采集

設(shè)備維修診斷的前提是能準(zhǔn)確提取能描述空管設(shè)備工作狀態(tài)的信號(hào)。設(shè)備故障診斷中常見(jiàn)的信號(hào)有電壓、電流、功率等電信號(hào)以及數(shù)字電路中的狀態(tài)碼信息。同時(shí)，為了使遠(yuǎn)程專(zhuān)家能夠獲得全面的設(shè)備工作狀態(tài)信息，還需要提供設(shè)備工作現(xiàn)場(chǎng)的視頻、音頻等環(huán)境信息。在基于現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)開(kāi)展故障診斷時(shí)，需要重點(diǎn)考慮信號(hào)的類(lèi)型、傳感器的類(lèi)型以及各檢測(cè)點(diǎn)的分布等因素。

3.2 空管設(shè)備工作現(xiàn)場(chǎng)及故障信號(hào)處理及傳輸

空管設(shè)備工作現(xiàn)場(chǎng)及故障信號(hào)采集獲取后，必須要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給后方支援專(zhuān)家，其相關(guān)的數(shù)據(jù)量非常龐大，受到網(wǎng)絡(luò)帶寬和傳輸速度的限制，因此必須在保證圖像和聲音傳輸質(zhì)量的前提下尋求有效的信號(hào)處理算法來(lái)予以實(shí)現(xiàn)。在信號(hào)的傳輸方面，不同的信號(hào)類(lèi)型有不同的傳輸特征和要求，同時(shí)，在傳輸?shù)倪^(guò)程中需要有較好的安全性和可靠性。因此，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題需要進(jìn)行研究，沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式就難于進(jìn)行信息的有效表達(dá)和高效排故作業(yè)。

3.3 空管設(shè)備協(xié)同維修案例數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

空管設(shè)備的維修案例是一個(gè)非常寶貴的資源，可以基于案例數(shù)據(jù)開(kāi)展后續(xù)的培訓(xùn)資源的開(kāi)發(fā)，以及進(jìn)行維修決策知識(shí)或規(guī)則的總結(jié)。因此，有必要解決好空管設(shè)備維修案例數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，一方面完成設(shè)備故障案例信息存儲(chǔ)格式的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，另一方面完成維修知識(shí)表達(dá)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，主要涉及維修知識(shí)的編碼、管理、維護(hù)。

3.4 空管設(shè)備維修專(zhuān)家遠(yuǎn)程協(xié)同方式的設(shè)計(jì)

空管設(shè)備復(fù)雜化程度、信息化水平較高，且考慮到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，5G技術(shù)，VR/AR/MR等技術(shù)的不斷成熟，需要開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)合理的，可滿足多方協(xié)同開(kāi)展故障診斷資源共享需要的遠(yuǎn)程協(xié)同方式。遠(yuǎn)程協(xié)同方式的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須以提升空管設(shè)備的運(yùn)行保障能力以及提升維修保障水平為目標(biāo)，以信息化技術(shù)和管理科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用為前提。

4 虛擬維修場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)及人機(jī)界面

基于Unity3D的虛擬機(jī)房軟件開(kāi)發(fā)，將在Unity3D中設(shè)計(jì)的場(chǎng)景、實(shí)現(xiàn)的功能、以及人機(jī)的交互控制等進(jìn)行完整打包并發(fā)布生成.exe文件。在Unity3D中完成頁(yè)面UI布局設(shè)計(jì)、菜單設(shè)計(jì)、窗口規(guī)范化等內(nèi)容。使用3DMAX建模軟件將機(jī)柜、工具模型搭建出來(lái)，并完成本設(shè)計(jì)所需要的材質(zhì)調(diào)配、貼圖以及文本等內(nèi)容，最后將完整的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D。以“大功率放大器驅(qū)動(dòng)器的更換”和“射頻和測(cè)試振蕩器更換”為例進(jìn)行VR虛擬維修環(huán)境的呈現(xiàn)。

5 結(jié)論

采用遠(yuǎn)程協(xié)同維修支援方式，可高效快速調(diào)動(dòng)維修資源，提升復(fù)雜空管設(shè)備的維修水平。論證了民航空管設(shè)備遠(yuǎn)程虛擬化維修支援系統(tǒng)建設(shè)需求，開(kāi)展了系統(tǒng)功能層次設(shè)計(jì)、總體架構(gòu)方案設(shè)計(jì)，并具體分析了系統(tǒng)建設(shè)中面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。以實(shí)際的空管設(shè)備維修過(guò)程虛擬化為例，展現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在空管設(shè)備遠(yuǎn)程虛擬化維修支援系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。進(jìn)一步應(yīng)考慮：（1）提升系統(tǒng)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)協(xié)同能力，支持快速接入多地維修資源;（2）進(jìn)一步完善系統(tǒng)人機(jī)界面。

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作者簡(jiǎn)介：左凌（1976— ），男，漢族，江蘇南京人，碩士，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榭展茉O(shè)備維修。