基于DELMIA的民機內(nèi)飾虛擬維修仿真與評價方法

陳登凱，王瑤，敖卿，錢軍

基于DELMIA的民機內(nèi)飾虛擬維修仿真與評價方法

陳登凱，王瑤，敖卿，錢軍

（西北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計與人機工效工信部重點實驗室，西安 710072）

針對傳統(tǒng)民機內(nèi)飾維修困難且成本大的問題，構(gòu)建民機虛擬維修仿真與評價體系，提出基于DELMIA的虛擬維修仿真與評價優(yōu)化方法。首先對維修任務(wù)仿真動作進(jìn)行分解，并對維修操作階段進(jìn)行劃分，根據(jù)不同階段動作進(jìn)行特性分析，完成操作區(qū)的劃分；其次針對不同區(qū)域再次進(jìn)行維修動作類型的劃分，按照不同類型分別進(jìn)行虛擬仿真操作；再次基于DELMIA仿真結(jié)果中提取的關(guān)鍵幀進(jìn)行各指標(biāo)分析，得到單項評估的結(jié)果；最后基于MATLAB平臺完成上述多種人機因素的綜合評估權(quán)重向量并計算出各關(guān)鍵幀結(jié)果，輸出人機工效綜合評估可視圖和報告，給出可優(yōu)化方向。依靠項目支撐對某型號民機內(nèi)飾行李箱維修仿真進(jìn)行案例驗證，表明該方法能夠系統(tǒng)地完成民機內(nèi)飾典型部件的維修仿真分析任務(wù)，并給出明確的維修優(yōu)化方向。新方法體系的提出有助于民機內(nèi)飾虛擬維修仿真的效率及綜合評估可靠性的提高。

民機內(nèi)飾；虛擬維修；仿真分析；綜合評估；人機工效

虛擬維修技術(shù)是一種可靠性高、不受空間和場地的限制、可多次反復(fù)使用、成本較低的技術(shù)。從國內(nèi)發(fā)文機構(gòu)來看，對虛擬維修研究較多的主要是中國石油大學(xué)等院所，能夠應(yīng)用于民機維修等很多領(lǐng)域。因此，許多國家都高度重視虛擬維修技術(shù)的發(fā)展[1-2]。虛擬維修技術(shù)的廣泛性應(yīng)用，不僅有助于產(chǎn)品維修工作，還覆蓋了產(chǎn)品全生命周期的各個階段[3]。在民機中，飛機內(nèi)飾結(jié)構(gòu)的維護(hù)是飛機內(nèi)飾設(shè)計不可或缺的部分。傳統(tǒng)的維修方法存在耗時耗力的缺點，而虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用能夠高效地完成飛機內(nèi)飾結(jié)構(gòu)的安裝、拆卸和維修工作。虛擬維修技術(shù)是民機維修評估的重要技術(shù)手段之一。它基于現(xiàn)代技術(shù)，在虛擬環(huán)境中模擬維修過程，還能夠評估維修時的可視域、可達(dá)域維修時間及維修難易度等因素[4]。從維修人員的角度出發(fā)，虛擬維修技術(shù)不僅能夠提高維修人員的作業(yè)效率，還能提升維修人員的舒適度及操作的便捷性。通過對具體飛機內(nèi)飾維修過程中的維修行為動作進(jìn)行全面分析，虛擬仿真技術(shù)還能提高仿真的可靠性和準(zhǔn)確性，從而在實際維修中得到應(yīng)用。

本文以構(gòu)建民機虛擬維修的仿真及評價體系為出發(fā)點，提出了一套虛擬仿真及人機工效綜合評估方法。通過實例驗證，展示了基于DELMIA的民機內(nèi)飾虛擬維修仿真及評價方法的創(chuàng)新性。該方法為民機內(nèi)飾的維修任務(wù)提供了一種新穎的仿真及評價方法，并為后續(xù)民機內(nèi)飾的維修保障分析和維修輔具設(shè)計等工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和指導(dǎo)。

1 民機內(nèi)飾虛擬維修理論與方法

民機內(nèi)飾工程維修技術(shù)研究根據(jù)當(dāng)前內(nèi)飾工程維護(hù)的現(xiàn)狀、不足及趨勢，提出針對民機內(nèi)飾工程維修及評估方法，主要針對內(nèi)飾中各個模塊化部件進(jìn)行研究。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)關(guān)于民機維修的關(guān)鍵技術(shù)可以分為維修任務(wù)仿真技術(shù)及維修任務(wù)評估技術(shù)兩大類。對民機內(nèi)飾維修而言，其工程維護(hù)綜合評價指標(biāo)體系主要包括維修作業(yè)舒適度、維修操作過程評估以及維修適航評估。相對于其他維修任務(wù)，民機內(nèi)飾維修對維修人員體力負(fù)荷、作業(yè)姿勢、作業(yè)布局、維修件、維修通道操作的可行性有更高的要求。此外，民機內(nèi)飾維修更加注重標(biāo)準(zhǔn)化、互換性及模塊化這三個方面的適航性評估。

1.1 虛擬維修仿真理論

目前，虛擬維修的主要方法是基于虛擬維修模型、資源、場景，根據(jù)仿真方案完成仿真[5]。在仿真場景中，常使用DELMIA軟件進(jìn)行虛擬維修仿真，該軟件支持任務(wù)行為的建立，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的動作仿真，并完成各種分析任務(wù)，因此被廣泛認(rèn)可作為可靠的虛擬維修平臺[6]。國內(nèi)外學(xué)者在虛擬仿真維修方面進(jìn)行了大量的研究，其中Numfu等[7]、Ronan等[8]借助第三方系統(tǒng)捕捉動作數(shù)據(jù)，實時驅(qū)動虛擬人進(jìn)行仿真，但該方法收到精度及硬件性能的限制。徐丙立等[9]、Deng等[10]通過采集真實動作的數(shù)據(jù)，建立參數(shù)化模型來生成人體動作，以實現(xiàn)仿真，但該方法存在對象的約束。此外，愛荷華大學(xué)Vujoservic等[11]提出維修任務(wù)分解的思想，將維修作業(yè)進(jìn)行不同層次的分解，以便于維修仿真。類似地，李星新等[12]借助人因工程中動素的分類方法及維修操作仿真，建立維修動素庫，以便于維修數(shù)據(jù)的提取。

1.2 虛擬維修評估方法

隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，民機的功能變得越來越多樣化，同時也變得更加復(fù)雜。它們逐漸呈現(xiàn)出高技術(shù)、大風(fēng)險、高要求的特點[13-14]。盡管裝配自動化程度提高，但在沒有人參與下，仍然無法實現(xiàn)全自動化工作。為保證正常運行，仍需要操作人員的參與來保證操作的有效進(jìn)行。然而，現(xiàn)代維修作業(yè)中維修人員需要承擔(dān)潛在的設(shè)計、制造及安裝缺陷，同時受到維修空間的限制，容易產(chǎn)生巨大的生理疲勞和心理負(fù)擔(dān)。因此，維修性評估的主要對象是維修人員。通過使用人機工效學(xué)的理論知識，可以確保維修工人在民機維修的設(shè)計中能夠高效、安全和準(zhǔn)確地開展維修活動。虛擬維修評估的主要出發(fā)點是視野可見性、維修操作可達(dá)性、安全性和舒適性等方面。Lu等[15]很早就基于虛擬環(huán)境下民用飛機維修評估的方法和技術(shù)進(jìn)行了研究，并提出了分析評價結(jié)果和修改建議。周棟等[16]建立的維修安全評估模型可對潛在的安全影響因素進(jìn)行分析預(yù)測，此外，許多研究人員還基于仿真環(huán)境開展了維修性評價方法的研究[17-18]。

對現(xiàn)有的維修操作人機工效評估流程，通常是通過設(shè)定虛擬人維修操作位置，并定義一些典型的維修操作姿態(tài)，然后對每個姿態(tài)下的人機因素進(jìn)行分析。然而，這些方法往往只對單個指標(biāo)進(jìn)行分析，并沒有考慮到在實際維修中多個指標(biāo)綜合分析的可靠性提升。此外，維修任務(wù)是一個動態(tài)的多姿態(tài)過程，應(yīng)該綜合考慮各個姿態(tài)，進(jìn)行綜合評估，以提高維修綜合評估的可靠性。

2 民機內(nèi)飾維修仿真及評估流程

本文提出了一種民機內(nèi)飾虛擬維修仿真及評估方法，具體流程可分為以下5個步驟，見圖1。

1）依據(jù)民機內(nèi)飾的基本維修作業(yè)分解思想，對民機維修操作者本身動作、工具設(shè)備的動作、零部件動作等進(jìn)行分解。

2）綜合考慮民機維修動作庫的完備性、可靠性以及單個維修動作設(shè)計的獨立性的基礎(chǔ)上，劃分民機內(nèi)飾維修作業(yè)階段，并總結(jié)歸納各個階段所需要的維修動作。

3）根據(jù)實際維修作業(yè)過程中操作動作的特點，確定適合的維修仿真方法，并進(jìn)行維修仿真。

4）遍歷維修關(guān)鍵幀，輸出對應(yīng)民機維修操作人員的可視性評估、可達(dá)性評估、姿態(tài)舒適度評估。

5）進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重分配，輸出綜合評估結(jié)果，并對仿真問題進(jìn)行總結(jié)，提出優(yōu)化建議。

2.1 基本維修作業(yè)驅(qū)動下的虛擬仿真方法

2.1.1 維修作業(yè)分解

維修作業(yè)是維修人員完成維修的全部活動過程的總和，包括了所有的基本維修作業(yè)。對基本維修作業(yè)，其作為維修作業(yè)的子集，是一項維修活動中分解出的多個任務(wù)子集中的一個[19]。在民機內(nèi)飾維修中基本維修作業(yè)可以分解為DELMIA環(huán)境中的虛擬人維修操作動作、維修操作的工具設(shè)備動作、維修操作的民機內(nèi)飾零部件的動作，虛擬人的維修動作包含姿態(tài)的調(diào)整和方位的轉(zhuǎn)換，姿態(tài)調(diào)整則包含了上肢運動、彎腰、扭頭等，方位轉(zhuǎn)換則包含了步行、轉(zhuǎn)身、下樓梯等。然而民機內(nèi)飾維修是由民機內(nèi)飾裝配約束、內(nèi)飾環(huán)境約束及操作者本身的生理特點共同決定的，而在民機維修時使用工具和操作對象也會對操作者動作存在影響。而維修人員作為維修動作的發(fā)起者和執(zhí)行者，直接或間接主導(dǎo)其他對象，其操作動作直接決定了維修仿真效率。

2.1.2 維修動作歸納

民機內(nèi)飾維修的動作庫集成了所有的維修動作，其完備性及可靠性是最主要的，即任何民機內(nèi)飾部件維修作業(yè)都可以在維修動作庫里找到相應(yīng)的維修動作，其多種維修動作組合構(gòu)成某特定維修作業(yè)。同時動作庫中的每個動作為保證其能夠有序組合，實現(xiàn)仿真效率的提高，每個動作都應(yīng)該擁有獨立性，如在拆卸民機內(nèi)飾座椅時，擰螺絲、拆卸椅背等動作都具有其特定的含義。

對民機維修基本維修作業(yè)的流程進(jìn)行詳細(xì)劃分，并根據(jù)分段區(qū)域進(jìn)行各自基本維修作業(yè)動作的劃分，將基本維修作業(yè)流程劃分為準(zhǔn)備、執(zhí)行和結(jié)束三個階段，其各自對應(yīng)的基本維修作業(yè)動作見表1。

表1 基本維修作業(yè)三個階段的基本維修動作

2.1.3 面向虛擬仿真的動作特性分析與歸類

基于民機內(nèi)飾維修作業(yè)任務(wù)的基本維修動作進(jìn)行特性分析，再結(jié)合DELMIA軟件特點，可將虛擬維修操作區(qū)劃分為局部操作區(qū)和整體操作區(qū)，維修動作可分為精準(zhǔn)參數(shù)維修動作、普通維修動作、過渡維修動作三種類型。

局部操作區(qū)主要指不需要借助人體方位的轉(zhuǎn)換即可進(jìn)行操作的區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)主要存在兩種維修動作類型，普通維修動作和精準(zhǔn)維修動作。普通維修動作是指不需要依賴具體參數(shù)數(shù)據(jù)，僅通過維修工作者自身的經(jīng)驗或僅需要大概約束定位就可以完成的動作。例如在民機維修時維修人員可以憑借自身經(jīng)驗抓取工具，不用參數(shù)定位（僅需在避免碰撞干涉的情況下）就可以完成工具至對象的定位。精準(zhǔn)維修動作則需要當(dāng)維修人員將工具與對象進(jìn)行匹配后，保證精準(zhǔn)的軸線對齊及參數(shù)定位方可進(jìn)行拆卸、擰出、擰緊等一系列操作。

整體操作區(qū)主要是指需要借助人體方位的轉(zhuǎn)換才可以進(jìn)行操作的區(qū)域。針對這一操作區(qū)主要因為民機上存在多處連接，在拆卸時需要進(jìn)行位置的調(diào)整才可以完成，所以在此類過程中則需要進(jìn)行人體方位的轉(zhuǎn)換，由此也會存在一系列動作，本文將其稱之為過渡維修工作。例如民機行李箱門拆卸時，左右兩側(cè)皆有螺母，維修人員則需要在完成左側(cè)部位拆卸后，調(diào)整姿態(tài)移動至右側(cè)完成右側(cè)部位的工作，這中間階段的動作則屬于過渡維修動作。

針對以上三種維修動作類型，基于DELMIA軟件本身選取適合各自特點的仿真方法。外設(shè)模擬仿真和自適應(yīng)參數(shù)驅(qū)動兩種仿真方法分別應(yīng)用于普通、過渡和精準(zhǔn)維修動作中進(jìn)行仿真分析。外設(shè)模擬仿真方法即主要通過觀察真實民機維修人員的交互行為來指導(dǎo)虛擬仿真操作者進(jìn)行維修仿真動作設(shè)置，例如，路徑到達(dá)規(guī)劃時真實維修人員則會避免碰撞及干涉，選擇最方便高效的方法完成位置的調(diào)整。自適應(yīng)參數(shù)驅(qū)動仿真方法主要是針對DELMIA軟件中可直接定位到軸線處、設(shè)置轉(zhuǎn)動、移動等參數(shù)，確保精確定位的特征，再通過實際零件裝配的尺寸來計算參數(shù)，將其應(yīng)用于精準(zhǔn)維修動作中可以保證仿真的精確性。

2.2 面向民機維修的人機工效綜合評估方法

在完成一系列仿真流程后，全面的綜合評估方法能夠全面真實地反映維修過程的評估結(jié)果。首先，在虛擬仿真環(huán)境中對維修任務(wù)進(jìn)行模擬仿真，將實際維修作業(yè)的詳細(xì)信息通過虛擬環(huán)境進(jìn)行還原，隨后對整個維修任務(wù)操作的全過程進(jìn)行三種不同類型的作業(yè)分段；其次，依次對每一段的維修作業(yè)的關(guān)鍵幀進(jìn)行提取，得到任務(wù)過程中維修人員的操作可達(dá)性、操作可視性、快速上肢的分析，并進(jìn)行單項評估的結(jié)果總結(jié)；最后，基于權(quán)重計算和分配綜合得出上述三種人機因素的綜合評估，輸出人機工效綜合評估可視圖和報告，根據(jù)結(jié)果提出可優(yōu)化方案。

2.2.1 單項指標(biāo)評估。

單項指標(biāo)評估將采用定量化對比的方式。本文案例驗證中主要針對維修人員可視域、可達(dá)域、RULA姿態(tài)評估進(jìn)行分析，因此，單項指標(biāo)評估以這三種為主。

可視域評估主要是基于民機內(nèi)飾維修任務(wù)中維修過程的關(guān)鍵幀進(jìn)行分別量化，量化分?jǐn)?shù)范圍為1～3，主要根據(jù)當(dāng)前操作區(qū)域是否屬于最佳可視域范疇，若屬于則為1，處于一般可視域范圍則為2，處于較差可視域范圍則為3。可達(dá)域評估類比可視域。RULA姿態(tài)評估則主要根據(jù)姿態(tài)分析評價分?jǐn)?shù)自動生成各關(guān)鍵幀數(shù)值。

2.2.2 綜合指標(biāo)評估

步驟1：判斷單項指標(biāo)評估中的各個指標(biāo)兩兩之間的重要程度，分為6級，含義分別為，1-不太重要；2-同等重要；3-略微重要；4-一般重要；5-相當(dāng)重要；6-極端重要。

步驟3：計算人機因素的權(quán)重向量。核心程序如下所示：

最后得到最大特征值對應(yīng)的特征向量即y_lamda。

式中，為y_lamda。

步驟5：根據(jù)綜合分?jǐn)?shù)生成的圖表總結(jié)維修過程中的問題及可優(yōu)化的方向。

3 案例應(yīng)用——以某民機型號行李箱為例

本文提出的面向民機內(nèi)飾維修的虛擬仿真和評估方法可應(yīng)用于民機維修，具有一定的普適性，本文選取課題項目中的某民機型號為例，驗證此方法面向民機內(nèi)飾維修的可行性。

3.1 民機行李箱維修作業(yè)驅(qū)動下的虛擬仿真

以飛機客艙行李箱的拆卸為案例，利用DELMIA軟件進(jìn)行仿真維修，DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）是法國達(dá)索系統(tǒng)公司（Dassault Systemes）的一款數(shù)字化企業(yè)的互動制造應(yīng)用軟件?；贒ELMIA軟件平臺，一是通過人體任務(wù)仿真（Human Task Stimulation）模塊創(chuàng)建、驗證及模擬維修人員的人體活動，如抓取、放置、攀爬等；二是構(gòu)建飛機客艙行李架的虛擬維修場景，Insert（插入）某型號飛機客艙內(nèi)飾模型和維修工具。利用DELMIA的Human Builder（人體建模）模塊創(chuàng)建擬維修人員模型，在選項卡中設(shè)置詳細(xì)信息，如人群、性別、百分位數(shù)及參考點等；三是為增加維修仿真過程的可靠性和真實性，當(dāng)飛機客艙模型、維修工具導(dǎo)入到DELMIA且建立維修人員人體模型后，通過建立手與螺絲刀的約束及Posture Editor模塊完成精準(zhǔn)姿勢的調(diào)整，還原真實的飛機客艙維修場景。

完成仿真準(zhǔn)備后，按照本文提出的方法對某民機型號行李箱門的維修進(jìn)行驗證，箱門的主要拆卸點為左右兩側(cè)8個點位的螺釘，見圖2。

步驟1：首先對箱門作業(yè)任務(wù)進(jìn)行分解。主要包含打開箱門動作、拆卸左側(cè)螺釘、固定已拆卸箱門、下樓梯、移動樓梯、上樓梯、拆卸右側(cè)螺釘、拆卸箱門。

步驟2：基于基本的維修作業(yè)過程進(jìn)行階段劃分、動作歸納，同時根據(jù)基本維修動作的動作匹配定義仿真維修動作，見表2。

步驟3：針對不同維修動作定義進(jìn)行虛擬仿真，并在此基礎(chǔ)上生成了動態(tài)仿真視頻，對箱門在虛擬仿真過程中的關(guān)鍵幀截取，見圖3。

圖2 箱門維修主要拆卸點

表2 箱門基本維修作業(yè)過程細(xì)化

Tab.2 Refinement of basic maintenance operation process of the trunk door

續(xù)表2

圖3 基于DELMIA軟件的某民機型號行李箱門虛擬維修關(guān)鍵幀

3.2 面向某民機型號行李箱門維修的人機工效綜合評估

根據(jù)面向維修過程的人機功效綜合評估方法，通過在DELMIA平臺中來完成虛擬仿真環(huán)境中的維修任務(wù)仿真，將民機內(nèi)飾實際維修作業(yè)的詳細(xì)信息通過虛擬環(huán)境進(jìn)行還原，隨后對整個內(nèi)飾維修任務(wù)操作的全過程進(jìn)行三種不同類型的作業(yè)分段，基于每一段維修作業(yè)過程，根據(jù)基本維修動作選取關(guān)鍵幀進(jìn)行量化分析。

步驟1：為了得到單項指標(biāo)量化結(jié)果，遍歷維修過程獲取了38個關(guān)鍵幀，如圖4所示為部分關(guān)鍵幀指標(biāo)，分別記錄多個關(guān)鍵幀的不同指標(biāo)量化數(shù)值，生成可視、可達(dá)、姿態(tài)分析結(jié)果，如圖5所示，縱坐標(biāo)為量化后的維修評估等級分?jǐn)?shù)（0～7），評分等級越高，則不舒適度越強。

步驟2：建立各個人機因素之間的權(quán)重矩陣。根據(jù)舒適度重要度等級，確定可視性、可達(dá)性、舒適度的相對等級，生成權(quán)重矩陣，見式（3）。

步驟3：利用MATLAB進(jìn)行各個人機因素的權(quán)重向量計算，并完成一致性檢驗。

代入權(quán)重矩陣得到最大特征值對應(yīng)的特征向量為（0.910 6 0.371 5 0.150 6）。

步驟4：計算人機工效綜合評價分?jǐn)?shù)，整理得到拆卸箱門的人機工效綜合評價，見圖6。

從拆卸箱門的人機工效綜合評價圖來看，維修過程中的0～7等級，等級3占比最大，在移動樓梯、上下樓梯以及拆卸右側(cè)螺釘階段出現(xiàn)等級評分為4和5的情況，同時在各階段對應(yīng)的關(guān)鍵幀評分等級占比中，拆卸左側(cè)螺釘?shù)燃?占75%的比例、等級2占25%的比例；固定箱門等級3占67%的比例、等級2占33%的比例；下樓梯等級4占33%的比例、等級3占33%的比例、等級2占33%的比例；移動樓梯等級3占100%的比例；上樓梯等級4占67%的比例、等級3占33%的比例；拆卸右側(cè)螺釘?shù)燃?占12.5%的比例、等級4占12.5%的比例、等級3占75%的比例；拆卸箱門等級3占71%的比例、等級4占14%的比例、等級2占14%的比例。

圖4 部分任務(wù)關(guān)鍵幀指標(biāo)

3.3 某民機型號行李箱虛擬維修綜合評估結(jié)果分析

本文基于DELMIA軟件提出了民機內(nèi)飾維修的仿真與評價優(yōu)化方法，主要由維修作業(yè)分解、維修任務(wù)過程分段、維修動作歸納和面向維修過程的人機工效綜合評估方法體系構(gòu)成。

1）能夠獲取維修任務(wù)過程的動態(tài)仿真問題預(yù)測及模擬仿真時間預(yù)估，使用Human Task Simulation模塊對典型部件拆裝過程進(jìn)行仿真，在仿真過程中可判斷零件的拆裝有無干涉問題，若存在干涉問題可進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。仿真過程中得到典型部件在給定拆裝順序下的時間預(yù)估及典型部件單一拆卸模塊的拆裝時間，將典型部件整個流程仿真預(yù)估的拆裝時間與整艙部件拆裝平均時間指標(biāo)進(jìn)行對比，得出預(yù)估時間與平均時間指標(biāo)的時間長短對比結(jié)果。若典型部件拆裝預(yù)估時間大于平均時間指標(biāo)，可以典型部件拆裝的單一模塊的拆裝時間作為切入點，完成整個流程拆裝時間的優(yōu)化。

2）在對動態(tài)仿真過程中的虛擬人可視、可達(dá)、姿態(tài)進(jìn)行綜合評估時，通過量化數(shù)據(jù)可以得到維修部件的可優(yōu)化點，并基于可優(yōu)化點實現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化。正如本文中客艙行李箱門的案例分析結(jié)果，從維修人員的角度出發(fā)，有助于人員維修舒適度的提升，從維修部件的角度出發(fā)，能夠優(yōu)化維修部件的使用配合度。

通過對客艙行李箱箱門維修分析進(jìn)行了案例驗證，根據(jù)選取的38個關(guān)鍵幀的綜合評價結(jié)果可知，由于客艙維修通道受限，因此維修臺即本文描述為維修樓梯的尺寸及樣式會對維修人員的操作效率及舒適度有一定影響，此外拆卸箱門連接件的左右螺釘，經(jīng)分析可知其不適等級較高。主要是在拆卸箱門過程中，操作者大部分的維修作業(yè)空間在頭部及以上，并需要拆卸4顆螺釘，拆卸螺釘時間占整個拆卸箱門比重大，保持維修姿勢的時間增長，拆卸左側(cè)螺釘執(zhí)行階段RULA分析，可知操作人員在維修過程中的不舒適。但操作人員沒有輔助拆卸或支撐維修人員上臂的工具，長期作業(yè)易對操作人員上肢產(chǎn)生損傷。同時，在維修人員配合問題上通過仿真也發(fā)現(xiàn)了部分可能增加人體不適度的情況。

3.4 某民機型號行李箱虛擬維修優(yōu)化建議

針對案例結(jié)果分析設(shè)計建議如下。

1）針對民機內(nèi)飾中像行李箱這種需要借助維修臺的輔助來進(jìn)行維修操作的內(nèi)飾部件，由于維修通道受限，可對其輔助維修臺進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計切入點為便于移動、高度可靈活調(diào)整。

圖5 箱門拆卸可視、可達(dá)、姿態(tài)量化

2）需要對箱門連接件進(jìn)行優(yōu)化，選用盡量避免長時間的手過頭操作，即可以選用撥片式設(shè)計，實現(xiàn)按壓彈扣，縮短維修人員操作時間。

3）考慮設(shè)計輔助拆卸工具，本文關(guān)鍵幀獲取能夠為輔具設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐，通過設(shè)計輔助拆卸工具，保證能夠降低維修人員長時間手過頭操作的不適度，從而降低維修人員職業(yè)病的發(fā)生概率。

4）針對操作者配合的流程優(yōu)化問題，輔助操作者需要幫助主要操作者完成維修任務(wù)，當(dāng)主要操作者移動到右側(cè)時，需要固定箱門左側(cè)的螺釘，防止箱門或其他部件損壞，此時輔助操作者的作業(yè)空間高于頭頂，由RULA分析可知，其前臂在此姿勢下不舒適。當(dāng)主操作者移動到另外一側(cè)后，應(yīng)視情況判斷是否需要再抓取箱門左側(cè)，若主操作者不便于拆卸，應(yīng)該保持姿勢，但易對輔助操作者上肢產(chǎn)生損傷，若方便拆卸可以回到站立狀態(tài)，等待主要操作者完成右側(cè)螺釘拆卸后再完成拆卸任務(wù)。因此，在配合問題上通過仿真可提前獲取較優(yōu)配合方式，減少不適損耗。

圖6 拆卸箱門的人機工效綜合評價

4 結(jié)語

為了保證虛擬維修仿真的高效性及評估的可靠性，本文提出了基于DELMIA軟件的維修仿真與評價優(yōu)化方法。首先依據(jù)虛擬維修仿真相關(guān)理論提出了基于DELMIA的虛擬維修仿真出發(fā)點，依據(jù)維修任務(wù)分解的思想，對維修操作者本身動作、工具設(shè)備的動作、零部件動作進(jìn)行分解；其次在綜合考慮維修動作庫的完整性與可靠性，以及單個維修動作設(shè)計的獨立性的基礎(chǔ)上劃分作業(yè)階段，并總結(jié)歸納各個階段所需要的維修動作；再次根據(jù)實際作業(yè)過程的基本維修作業(yè)特征完成自適應(yīng)參數(shù)驅(qū)動方法和外設(shè)模擬仿真方法的確定，并進(jìn)行仿真，依據(jù)綜合評估優(yōu)勢進(jìn)行關(guān)鍵幀綜合評估結(jié)果的獲取，并基于MATLAB完成權(quán)重向量的生成和檢驗，得到最終綜合結(jié)果；最后根據(jù)綜合結(jié)果提出了本次維修的可優(yōu)化方向。該方法對虛擬仿真在民機內(nèi)飾維修的應(yīng)用及維修輔具的設(shè)計具有一定的借鑒意義。

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Simulation and Evaluation Optimization Method of Civil Aircraft Interior Virtual Maintenance Based on DELMIA

CHEN Deng-kai, WANG Yao, AO Qing, QIAN Jun

(Key Laboratory of Industrial Design and Ergonomics, Ministry of Industry and Information Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)

The work aims to propose a virtual maintenance simulation and evaluation optimization method based on DELMIA to construct a virtual maintenance simulation and evaluation system for civil aircraft so as to solve the difficulty and high cost of traditional civil aircraft interior maintenance. First, the maintenance task simulation actions were decomposed and the maintenance operation stages were divided, and the characteristics of the actions in different stages were analyzed to complete the division of the operation area. The maintenance action types were divided again for different areas, and virtual simulation operations were performed according to different types. The evaluation was based on the key frames extracted from the DELMIA simulation results to analyze the indicators to obtain the results of single evaluation. Finally, based on the MATLAB platform, the comprehensive evaluation weight vector of the above-mentioned various ergonomic factors was completed, the results of each key frame were calculated, the visual diagram and report of the comprehensive evaluation of ergonomics were output, and the optimization direction was given. The case verification of maintenance simulation of a certain type of civil aircraft interior luggage based on the project support showed that the method can systematically complete the maintenance simulation analysis task of typical interior components of civil aircraft, and give a clear maintenance optimization direction. The new method system is helpful to improve the efficiency and comprehensive evaluation reliability of civil aircraft interior virtual maintenance simulation.

internal components of civil aircraft; virtual maintenance; simulation analysis; comprehensive evaluation; ergonomics

TB472

A

1001-3563(2023)14-0073-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.14.007

2023–02–07

中央高校建設(shè)世界一流大學(xué)（學(xué)科）和特色發(fā)展引導(dǎo)專項資金項目（22GH030706）；陜西省特支計劃領(lǐng)軍人才項目（W099115）；陜西省特支哲社領(lǐng)軍項目（D5113200021）

陳登凱（1973—），男，博士，教授，主要研究方向為工業(yè)設(shè)計、人機工程學(xué)、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計。

王瑤（1999—），女，碩士生，主攻人機工程學(xué)、布局評估。

責(zé)任編輯：陳作