基于Delmia的虛擬仿真技術在147實作培訓中的應用探究

王巍然WANG Wei-ran；武琳WU Lin；祝家奇ZHU Jia-qi；趙其定ZHAO Qi-ding

（江西經濟管理干部學院，南昌 330088）

0 引言

為保障民用航空器的持續(xù)適航和飛行安全，航線維修工作對維修人員的素質、知識、技能、心理能力要求日益提高，從事航空維修的人員需持有民用航空器維修人員執(zhí)照才能工作。為規(guī)范民用航空器維修人員執(zhí)照的頒發(fā)和管理，2020年7月1日起施行CCAR-66R3《民用航空器維修人員執(zhí)照管理規(guī)則》。新修訂的CCAR-66R3對申請執(zhí)照必修的航空器維修基礎知識和實作規(guī)范作出優(yōu)化和改進：一方面，突出通過培訓確保獲得執(zhí)照人員掌握應知應會的知識和技能；另一方面，執(zhí)照培訓突出知識結構和技能的普適化[1]。CCAR-66R3要求航空器維修基礎知識培訓和實作培訓應當由符合CCAR-147《民用航空器維修培訓機構合格審定規(guī)定》（簡稱147）規(guī)定的維修培訓機構實施。CCAR-66R3要求民航維修人才的培養(yǎng)側重于院校教育，進一步規(guī)范和明確了航空維修人才培養(yǎng)的標準和要求，明確了擁有147培訓資質的院校的學生畢業(yè)時完成相關培訓和考試，即可獲取維修執(zhí)照。又隨著國家對職業(yè)教育的大力發(fā)展和支持，促使當前設有航空維修專業(yè)的職業(yè)院校及147機構申請R3執(zhí)照的培訓資質如同雨后春筍般崛起。

1 航空維修培訓及技術發(fā)展

1.1 147實作培訓現(xiàn)狀及所存在的問題

AC-66-FS-002 R1《航空器維修基礎知識和實作培訓規(guī)范》中要求申請各類航空器維修人員執(zhí)照的人員至少具備M7模塊中維修基本技能、維修手冊和工具設備的使用、維修記錄和放行的航空器維修基本技能，且至少具備M8模塊中對應航空器和發(fā)動機類別的勤務和航線檢查、常見故障和缺陷的處理、航線可更換件拆裝的航空器維修實踐[2]。

目前，大多147機構在實作培訓中采取教員按照各科目工卡進行操作示范的方法展開教學，部分培訓機構采用先期錄制的實作視頻進行輔助教學。這種培訓方法存在以下問題：

①效率低下。在傳統(tǒng)師帶徒培訓模式下，由于教員技能水平參差不齊，憑經驗教學，在一個教員面對多個學員的教學場景中不能做到手把手教學，實作過程標準化低、可復制性差。

②培訓成本高。各機構普遍采用真機實作培訓，造成大量航材、工具、設備的損耗。規(guī)章規(guī)定每位教員至多指導8名學員，學員數(shù)量的增多意味需配備等量的設備和教員，造成培訓成本高居不下。

③受訓效果差。受場地、設備、機型的限制，學員的凈實訓時間較短，所學知識不牢固，所得技能水平差，不能高效的普適不同機型的維修培訓。

1.2 虛擬維修技術在航空維修中的研究現(xiàn)狀

隨著數(shù)字建模、虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）等信息技術的發(fā)展，將虛擬仿真技術應用在航空維修活動中所形成的虛擬維修技術為解決以上問題提供契機。相關文獻對虛擬維修的技術特點、研究路徑、關鍵技術、行業(yè)應用進行了概述[3-5]。張中波等學者從航空器設計的維修性分析核查、維修手冊的快速自動生成、虛擬維修培訓、維修中人的因素分析等方面對虛擬維修技術在航空維修中的應用展開論述[6]。蔣煥兵等學者分析了傳統(tǒng)的民用飛機維修培訓方式存在的不足，提出將三維虛擬技術應用于民用飛機維修培訓中來提高培訓效果的觀點[7]。王占海等學者利用Delmia軟件進行了航空維修的流程仿真、維修性分析和評價[8]。

在仿真方式上，虛擬維修技術可以劃分為非沉浸式仿真和沉浸式仿真2大類。沉浸式虛擬仿真系統(tǒng)以VR技術為依托構建逼真的維修場景，以三維視覺、力反饋等感官刺激作為輸入，可以為用戶帶來身臨其境的體驗感和交互感，但整套系統(tǒng)成本高昂。非沉浸式虛擬仿真系統(tǒng)對硬件和軟件的要求較低，因此具有低成本和高普及性的特點[9]。

Delmia是一款強大的工藝流程仿真軟件，主要用于航空航天、汽車、造船等行業(yè)[10]。鑒于高校學員數(shù)量眾多，非沉浸式虛擬仿真系統(tǒng)更適合航空器維修實作培訓的普適化教學，故采用Delmia軟件構建147實作培訓中的虛擬場景，進行維修流程仿真用于教學及培訓較為適合。

2 Delmia虛擬仿真流程

選取147實作培訓部分M8模塊中的繞機檢查科目為對象，利用Delmia軟件進行維修流程仿真。繞機檢查是航空器維修活動中最常執(zhí)行的工作之一，某型飛機的繞機檢查路線如圖1所示。繞機路線中的每個檢查點，包含了飛機劃分的特定檢查區(qū)域，每個區(qū)域均對應不同部件的多項檢查項目。

首先建立虛擬樣機、維修人員、工具、設備等產品及資源模型。其次將繞機檢查項目的每個站點作為一個工步，每個工步按照先后順序形成工序，依此建立PERT任務流程邏輯圖。再將每個站點的檢查項作為一項任務，編輯人員檢查動作后賦予給每個工步。最后，按照PERT流程圖進行仿真分析、評分及優(yōu)化。其維修仿真的一般技術流程如圖2所示。

2.1 建立場景模型

在Catia軟件中創(chuàng)建繞機檢查場景所需的模型，包括：

①產品模型：虛擬樣機。

②資源模型：包括螺絲刀、手電筒、放大鏡等工具；手推車、梯架等設備；不同任務的維修人員。

模型建立完成后，分別產品和資源模型導入Delmia的Productlist產品樹及Resourceslist資源樹下，并通過約束命令設置各模型至合適的空間位置，建立初始的虛擬維修場景并保存，如圖3所示。

2.2 維修流程仿真

根據(jù)圖1繞機檢查路線中每個站點的先后順序，建立PERT項目流程邏輯圖（如圖4所示）。PERT圖將繞機檢查過程中每個站點的檢查任務作為一個圖標框進行可視化表示，圖標框之間用箭頭連接代表任務的次序信息。通過調整箭頭和圖標框的位置不但可以仿真串行工作任務，也可以設計出各種需要并行合作完成的任務。例如維修人員在檢查右側大翼區(qū)域過程中，其他維修人員可以同時進行放污水的勤務工作。最后將每個檢查站點依次連接所形成的PERT流程圖導入到Delmia中的Processlist流程樹下。

通過Human Builder模塊中的Posture Editor對維修人員的頭頸、肩、脊柱、腰、手臂、腿、腳等部位及關節(jié)的自由度參數(shù)進行編輯，創(chuàng)建繞機檢查工作中的各種姿態(tài)，包括取放工具、行走、爬梯、移動等動作。圖1中的2站點對前起落架和輪艙區(qū)域的檢查中，維修人員的姿態(tài)如圖5所示。每個姿態(tài)形成一幀，通過關鍵幀融合技術，把維修工作中的每幀姿態(tài)連貫起來實現(xiàn)每個站點的檢查動作，形成一個檢查任務。將圖1中14個站點的檢查動作分別編輯完成就產生了14個檢查任務。然后將每個任務賦予給圖4圖標框中相應站點的檢查工步。應用Delmia中的Human Task Simulation模塊按照PERT圖的流程進行繞機檢查的運動仿真。

2.3 仿真結果分析和評價

Delmia可以對維修任務進行人體工程分析，包括操作可達性分析、可視性分析、工作空間分析、作業(yè)時間估算、維修性評價、人體工學/安全性分析等。

①可視性分析。通過設置維修人員的視覺屬性，調取維修人員的視覺窗口，直觀地觀察在不同位置、不同姿態(tài)的視覺范圍，如圖5中維修人員檢查主起落架輪胎時的紅色視錐所示。

②人體姿態(tài)分析。Human Posture Analysis可對虛擬的維修人體模型進行維修任務時的姿態(tài)進行分析，評估維修人員是否能夠處于最佳作業(yè)姿勢，并運用最佳作業(yè)姿態(tài)進行維修作業(yè)，從而提高維修人員工作效率，減少疲勞和身體損傷。

Delmia可通過RULA（Rapid Upper Limb Assessment）標準對維修人員肢體位置進行快速、直觀的分析。RULA根據(jù)運動次數(shù)、肌肉受力情況、負荷大小、工作姿勢、持續(xù)的工作時間評估該任務是否有可能使人員面臨上肢受傷的風險，用不同的顏色代表身體每個部位的得分情況，顏色越深代表姿勢和受力越差。對維修人員檢查機輪時的作業(yè)姿勢進行RULA分析，得分結果如圖6所示。從圖中可以看出該姿勢下最終得分為7分，前臂、手腕、軀干受力嚴重，均為紅色表示，需要立即調整和改變姿勢。

③維修時間估算。通過調取整個繞機檢查的流程仿真過程所消耗的時間可以估算繞機檢查所用的時間，從而維修工程部門可根據(jù)工時要求規(guī)劃最優(yōu)的人力、時間、成本和資源來完成繞機檢查作業(yè)，達到精益化管理的目的。

3 結論

將147實作培訓的科目使用Delmia平臺建立模型，并進行維修任務的人機工程流程仿真，并形成虛擬維修資源用于培訓和教學，主要有以下優(yōu)點：①實現(xiàn)維修科目中二維圖文型工卡的數(shù)字化、立體化，可提高人機交互感和用戶體驗感。實現(xiàn)一對多實作培訓的標準化、統(tǒng)一化、可復制化，學員更容易獲得規(guī)范而準確的維修知識和技能，從而提高學習效率。②減少了真機、工具、設備和耗材等資產投入，大大節(jié)省了培訓成本。通過Delmia軟件改變維修人員的動作及檢查項，即可快速形成新的、統(tǒng)一規(guī)范的維修標準，更容易實現(xiàn)維修知識和技能的普適化。③Delmia平臺下的人機工程流程虛擬仿真可進行干涉性檢查、碰撞檢測、可達性、維修性分析，對實訓室廠房大小需求、器材擺放、工具設備的采購提供先期依據(jù)，可縮短實訓室建設周期，節(jié)約建設成本。④在維修任務的仿真中，Delmia可進行人體作業(yè)時姿態(tài)、負荷的評估，通過優(yōu)化人體動作提高維修人員的舒適度，從而減少疲勞和身體損傷，也可為完成維修任務所需的人力、時間、資源做最優(yōu)調度提供參考。