基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛機(jī)維修手冊(cè)驗(yàn)證方法研究

顏士煜 吳紅蘭

收稿日期：2024-01-15

作者簡(jiǎn)介：顏士煜（1993—），男，本科，研究方向：適航技術(shù)與管理。

摘要 飛機(jī)技術(shù)出版物在確保民用飛機(jī)的長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定、可靠、高效和節(jié)約成本等方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，對(duì)飛機(jī)維修手冊(cè)進(jìn)行嚴(yán)格的審查和驗(yàn)證至關(guān)重要。文章提出利用VR技術(shù)開(kāi)展維修手冊(cè)驗(yàn)證的新方法，通過(guò)對(duì)比操作驗(yàn)證和虛擬驗(yàn)證在多維度上的差異，證明了虛擬驗(yàn)證能夠輔助維修手冊(cè)的驗(yàn)證工作，可以進(jìn)一步有效降低維修差錯(cuò)發(fā)生的概率，同時(shí)也能夠確保手冊(cè)信息的完整性、準(zhǔn)確性和可操作性。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)；三維建模；手冊(cè)驗(yàn)證

中圖分類(lèi)號(hào) V267文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）09-0192-03

0 引言

即使飛機(jī)最初的可靠性非常高，但是要想在長(zhǎng)期的飛行中持續(xù)保持其可靠性，就必須正確地使用和維護(hù)它們，這就需要依賴(lài)各種相關(guān)的技術(shù)出版物進(jìn)行支撐[1]。為了確保民用航空器的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，以及正確的操作與維護(hù)，國(guó)外民航部門(mén)已經(jīng)發(fā)布了嚴(yán)格的法律法規(guī)，要求所有的民用航空制造商都必須向客戶(hù)提供有關(guān)的技術(shù)資料，以及嚴(yán)格的操作指南，以便客戶(hù)能夠更好地操作和管理[2]。

《運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（CCAR-25-R1）第25.152 9條和第25.158 1條[3]中的“航空器的持續(xù)適航文件要求”，明確規(guī)定了民用飛機(jī)技術(shù)出版物編制和管理的基本要求。飛機(jī)制造商提供給用戶(hù)的技術(shù)出版物必須正確、準(zhǔn)確且具有良好的可操作性，而對(duì)民用飛機(jī)技術(shù)出版物進(jìn)行驗(yàn)證的目的是檢驗(yàn)技術(shù)出版物內(nèi)容是否準(zhǔn)確。適航當(dāng)局非常重視持續(xù)適航文件的檢查，并將其作為適航符合性檢查的重要組成部分，關(guān)系到飛機(jī)能否取得型號(hào)合格證。

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)維修手冊(cè)的驗(yàn)證，具有以下優(yōu)勢(shì)：首先，虛擬維修技術(shù)不僅可以在設(shè)計(jì)初期對(duì)產(chǎn)品的可維修性進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)審，還可以在產(chǎn)品的使用和維修階段對(duì)將要實(shí)施的維修計(jì)劃進(jìn)行預(yù)模擬，驗(yàn)證其可行性和安全性；其次，隨著工程和設(shè)計(jì)的變更導(dǎo)致的飛機(jī)構(gòu)型變更，飛機(jī)維修手冊(cè)也需漸漸優(yōu)化，通過(guò)虛擬驗(yàn)證方法進(jìn)行補(bǔ)充評(píng)估，可以提高效率、節(jié)約成本；最后，利用虛擬維修技術(shù)，維修人員可以輕松地掌握“看到、修理和使用”未來(lái)的產(chǎn)品，對(duì)其中的設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行及時(shí)的分析與評(píng)估。

1 現(xiàn)有驗(yàn)證方法及適用范圍

飛機(jī)維修手冊(cè)需驗(yàn)證的內(nèi)容包括系統(tǒng)描述部分SDS和維修實(shí)施程序MPP兩部分，考慮不同任務(wù)和不同問(wèn)題的特點(diǎn)，目前有三種被廣泛使用的驗(yàn)證方法，即書(shū)面驗(yàn)證方法、操作驗(yàn)證方法以及評(píng)估/模擬驗(yàn)證方法。

1.1 書(shū)面驗(yàn)證

通過(guò)書(shū)面驗(yàn)證，可以對(duì)維修程序和工程文件的一致性和完整性進(jìn)行檢查，這些文件包括但不限于經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)計(jì)文件、各類(lèi)維修分析報(bào)告等，并且可以通過(guò)計(jì)算分析、書(shū)面審核、專(zhuān)家評(píng)審等方式確保其準(zhǔn)確性和完整性。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的書(shū)面審查能夠確保飛機(jī)/系統(tǒng)/零部件的詳細(xì)信息完全符合要求，并且與工程文件的要求相吻合，從而達(dá)到維修工程分析和運(yùn)行工程分析的目的。

1.2 操作驗(yàn)證

操作驗(yàn)證是按照維修程序所要求的步驟順序在飛機(jī)/系統(tǒng)/零部件上進(jìn)行操作而開(kāi)展的驗(yàn)證。操作驗(yàn)證應(yīng)確認(rèn)與運(yùn)營(yíng)人的維修場(chǎng)景一致，包括：飛行模擬器驗(yàn)證、地面操作驗(yàn)證、地面試驗(yàn)驗(yàn)證、試飛階段驗(yàn)證等。

1.3 評(píng)估驗(yàn)證

對(duì)于一些維修程序，雖然操作驗(yàn)證是其可靠性的最佳手段，但考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性等因素，它們往往無(wú)法應(yīng)用在飛機(jī)上，或者有些維修程序交付客戶(hù)前在主制造商的研制批準(zhǔn)飛機(jī)上沒(méi)有合適的驗(yàn)證機(jī)會(huì)，需要采用擴(kuò)展的操作驗(yàn)證方法驗(yàn)證程序，即通過(guò)評(píng)估的驗(yàn)證方法同樣可以達(dá)到驗(yàn)證程序可用性的目的。

通過(guò)合理分析不同驗(yàn)證方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合驗(yàn)證工作的特征制定驗(yàn)證計(jì)劃，合理地安排驗(yàn)證工作就顯得額外重要。采用操作驗(yàn)證方法難以滿(mǎn)足全壽命周期的手冊(cè)更改的持續(xù)驗(yàn)證，而評(píng)估驗(yàn)證方法則缺乏對(duì)可信度、安全性的充分驗(yàn)證。通過(guò)引入虛擬樣機(jī)，利用虛擬維修的環(huán)境，進(jìn)行維修過(guò)程驗(yàn)證，豐富驗(yàn)證手段，實(shí)現(xiàn)在維修方法設(shè)計(jì)過(guò)程中以及優(yōu)化過(guò)程中的持續(xù)驗(yàn)證。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)規(guī)劃

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)科技而開(kāi)發(fā)出的創(chuàng)新工具，這種技術(shù)巧妙地融合了人類(lèi)的視聽(tīng)等感知能力，從而達(dá)到一種真正的沉浸式體驗(yàn)。虛擬維修技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的衍生領(lǐng)域，是一種綜合性的應(yīng)用技術(shù)，它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將某種產(chǎn)品的維修過(guò)程模擬到計(jì)算機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)的維修任務(wù)。

總的來(lái)說(shuō)，整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程可以劃分為以下幾個(gè)階段：首先通過(guò)參考維修手冊(cè)以及在線(xiàn)資源收集飛機(jī)各部分的詳細(xì)信息，包括其結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵零件的尺寸。接著將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用于3DsMax的三維建模工具，并按照層級(jí)進(jìn)行模型的重新構(gòu)建。接下來(lái)對(duì)模型進(jìn)行了紋理處理和進(jìn)一步優(yōu)化，以便達(dá)到預(yù)期的視覺(jué)效果。最后將優(yōu)化后的模型保存為.fbx格式的文件，并將其導(dǎo)入U(xiǎn)nit 3D軟件中。在該研究中，選擇C#作為主要的腳本編程語(yǔ)言，因?yàn)樗哂泻?jiǎn)潔且高效的特性，這與Unity 3D所支持的其他編程語(yǔ)言如Java Script相比更為突出。首先借助3DsMax創(chuàng)建了虛擬模型，然后通過(guò)C#編寫(xiě)的控制腳本，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這些模型的精確操控。接下來(lái)將目光轉(zhuǎn)向HTC VIVE設(shè)備，并利用其構(gòu)建了一個(gè)虛擬維修環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，結(jié)合了Unity 3D的虛擬引擎，進(jìn)一步優(yōu)化模擬效果，最終實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的整體展示、零部件介紹、虛擬拆卸和組裝等功能模塊。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 模型創(chuàng)建及貼圖處理

當(dāng)前市場(chǎng)上的三維建模工具主要依據(jù)其采用的建模策略進(jìn)行分類(lèi)，其中包括多邊形建模（Polygon）和曲面建模（Nurbs）兩種主要類(lèi)型。該訓(xùn)練系統(tǒng)模型主要使用3Ds Max軟件通過(guò)多邊形建模技術(shù)進(jìn)行三維建模，同時(shí)使用PS及Unity 3D進(jìn)行貼圖制作等工作。

該虛擬現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)的主要驗(yàn)證對(duì)象是針對(duì)國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919的技術(shù)出版物，需要根據(jù)C919飛機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)開(kāi)展飛機(jī)結(jié)構(gòu)及部分零部件的建模工作。

首先針對(duì)飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)，通過(guò)收集相關(guān)文件資料及輔助生產(chǎn)制造的數(shù)字樣機(jī)，獲得了飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)部分的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以作為建模的基礎(chǔ)，提高建模精度。

除了飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)外，在手冊(cè)驗(yàn)證過(guò)程中最常出現(xiàn)的場(chǎng)景就是駕駛艙場(chǎng)景。駕駛艙內(nèi)部場(chǎng)景結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件眾多，組件相互配合緊密。相比于飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)的建模過(guò)程，駕駛艙內(nèi)部的建模過(guò)程對(duì)模型精度提出了更高的要求。

飛機(jī)的基本模型建立后只能代表被建模物體的外形輪廓和三維空間參數(shù)，想要達(dá)到更真實(shí)的模擬效果且材質(zhì)能夠被Unity3D識(shí)別，就必須在模型表面進(jìn)行貼圖以模擬真實(shí)物體表面的紋理。經(jīng)過(guò)對(duì)飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單建模及貼圖處理后，得到了飛機(jī)外形的基本模型，如圖1所示。

圖1 C919飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)模型

3.2 搭建場(chǎng)景及編寫(xiě)腳本

該系統(tǒng)采用Unity3D的地形Terrain組件進(jìn)行建模，選擇上海浦東機(jī)場(chǎng)5號(hào)機(jī)坪556號(hào)機(jī)位作為場(chǎng)景的主要基礎(chǔ)，包含航站樓、停機(jī)坪、地面勤務(wù)車(chē)輛、照明消防設(shè)施等，Unity3D中創(chuàng)建的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 機(jī)場(chǎng)場(chǎng)景效果圖

通過(guò)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，受訓(xùn)者可以通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形進(jìn)行訓(xùn)練，但是這也會(huì)帶來(lái)大量的人機(jī)交互問(wèn)題，而這些問(wèn)題的解決方案質(zhì)量將會(huì)直接影響訓(xùn)練的最終效果。優(yōu)秀的交互設(shè)計(jì)對(duì)于提升用戶(hù)體驗(yàn)并增強(qiáng)訓(xùn)練成果至關(guān)重要。在進(jìn)行交流時(shí)，必須清楚地定義目的和方式。

對(duì)于該文所研究的虛擬現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)，存在人機(jī)交互的部分。首先便是虛擬環(huán)境中視角的變化，通過(guò)VR設(shè)備感知使用者在空間中的相對(duì)位置變化，同步改變虛擬場(chǎng)景中攝像機(jī)的位置，讓使用者實(shí)現(xiàn)身臨其境的移動(dòng)感受；其次便是在畫(huà)面中進(jìn)行類(lèi)似鼠標(biāo)的點(diǎn)擊功能，控制手柄具有激光指向功能，即在扣動(dòng)手柄扳機(jī)后，在畫(huà)面中會(huì)出現(xiàn)一條自手柄出發(fā)的指向無(wú)窮遠(yuǎn)的激光束。利用這根激光束，再結(jié)合激光與零部件之間的碰撞檢測(cè)功能，繼而能夠讓使用者開(kāi)展零部件選擇、零部件拆裝、零部件移動(dòng)等多種作業(yè)。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)條件下的手冊(cè)驗(yàn)證

4.1 虛擬驗(yàn)證流程設(shè)計(jì)

維修手冊(cè)驗(yàn)證工作任務(wù)艱巨，對(duì)于新型飛機(jī)的正常運(yùn)行具有非常重要的意義，而且對(duì)于驗(yàn)證方法的選擇往往都是根據(jù)實(shí)際工作情況和需要，結(jié)合多種方法開(kāi)展。如何利用新技術(shù)新方法快捷、有效地完成手冊(cè)驗(yàn)證工作，便是擺在主制造商面前的一個(gè)問(wèn)題。

首先，所有的維修程序均需要開(kāi)展書(shū)面驗(yàn)證，在經(jīng)過(guò)書(shū)面驗(yàn)證確認(rèn)文本描述沒(méi)有問(wèn)題后進(jìn)入下一流程；結(jié)合試飛工作計(jì)劃判斷，對(duì)于具備在試飛過(guò)程中結(jié)合維護(hù)操作開(kāi)展使用驗(yàn)證的，應(yīng)優(yōu)先選擇開(kāi)展使用驗(yàn)證。對(duì)于短時(shí)間內(nèi)不具備使用驗(yàn)證條件的維修程序，可以通過(guò)分析規(guī)劃飛機(jī)在后續(xù)試飛過(guò)程中是否具備開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)驗(yàn)證的機(jī)會(huì)，但由于試飛過(guò)程中的停場(chǎng)改裝時(shí)間具有比較大的臨時(shí)性和不確定性，可以視現(xiàn)場(chǎng)計(jì)劃和改裝任務(wù)情況穿插安排專(zhuān)項(xiàng)驗(yàn)證工作。

對(duì)于既無(wú)法開(kāi)展使用驗(yàn)證又在未來(lái)一定時(shí)間內(nèi)無(wú)專(zhuān)項(xiàng)驗(yàn)證計(jì)劃的維修程序，可以根據(jù)維修程序的復(fù)雜程度選擇評(píng)估驗(yàn)證或者虛擬驗(yàn)證。對(duì)于程序相對(duì)簡(jiǎn)單、步驟數(shù)量少，或是具備相似性評(píng)估條件的程度，就可以選擇開(kāi)展評(píng)估驗(yàn)證，其余僅通過(guò)評(píng)估驗(yàn)證仍然存在遺留問(wèn)題的復(fù)雜維修程序，就可以選擇開(kāi)展虛擬驗(yàn)證流程。

4.2 虛擬驗(yàn)證情況

為了對(duì)比傳統(tǒng)的操作驗(yàn)證與虛擬驗(yàn)證的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合前期C919飛機(jī)手冊(cè)驗(yàn)證工作的經(jīng)驗(yàn)，選擇部分前期已經(jīng)過(guò)操作驗(yàn)證的相對(duì)復(fù)雜的維修程序，在虛擬驗(yàn)證系統(tǒng)中再次開(kāi)展虛擬驗(yàn)證試驗(yàn)。從時(shí)間成本、經(jīng)濟(jì)成本、人力成本、驗(yàn)證準(zhǔn)確性、操作難易程度等幾方面開(kāi)展對(duì)比，分別選擇高升力系統(tǒng)和起落架系統(tǒng)的共20份操作程序開(kāi)展虛擬驗(yàn)證。

如圖3所示為操作者在虛擬環(huán)境中準(zhǔn)備開(kāi)展襟翼拆裝的作業(yè)畫(huà)面。

圖3 操作人員在虛擬環(huán)境中準(zhǔn)備開(kāi)展襟翼拆裝作業(yè)

4.3 問(wèn)題分析及效果對(duì)比

經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，每一份維修手冊(cè)都必須經(jīng)過(guò)書(shū)面驗(yàn)證，以確保其內(nèi)容完整、與工程文件一致，并且符合維修工程分析和運(yùn)行工程分析的意圖，技術(shù)上也準(zhǔn)確無(wú)誤。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)分析需要，可以選擇進(jìn)行操作驗(yàn)證或者評(píng)估/模擬驗(yàn)證。

書(shū)面驗(yàn)證，在任何階段均可以開(kāi)展，不受任何其他因素的影響，沒(méi)有飛機(jī)實(shí)物安全風(fēng)險(xiǎn)，是所有手冊(cè)驗(yàn)證工作的前提，但是需要經(jīng)驗(yàn)相對(duì)豐富的手冊(cè)使用人員進(jìn)行審查。

對(duì)于操作驗(yàn)證而言，受飛機(jī)實(shí)物工作進(jìn)度影響最大，同時(shí)會(huì)額外增加飛機(jī)研發(fā)成本，還可能導(dǎo)致飛機(jī)出現(xiàn)損壞或故障，增加飛機(jī)安全風(fēng)險(xiǎn)；

使用驗(yàn)證經(jīng)濟(jì)性好、效果好，但是定檢項(xiàng)目較少，驗(yàn)證范圍較窄，隨機(jī)性較大；專(zhuān)項(xiàng)驗(yàn)證效果好，但經(jīng)濟(jì)性差，而且對(duì)試飛飛機(jī)的計(jì)劃安排有較大的影響。

針對(duì)評(píng)估/模擬驗(yàn)證方法而言，驗(yàn)證過(guò)程中缺乏實(shí)際操作，相比于操作驗(yàn)證，能夠節(jié)約時(shí)間、降低風(fēng)險(xiǎn)、減少成本；但是同樣的，驗(yàn)證效果也不如操作驗(yàn)證更加直接有效。

通過(guò)對(duì)虛擬驗(yàn)證和操作驗(yàn)證進(jìn)行對(duì)比，虛擬驗(yàn)證系統(tǒng)完成一份維修程序的驗(yàn)證所需的工時(shí)不足操作驗(yàn)證的1/10；平均人力薪資成本僅1/8，且工作環(huán)境友好，不存在油污、噪聲等影響操作人員工作的因素；除了前期系統(tǒng)搭建所需的成本外，后續(xù)開(kāi)展虛擬驗(yàn)證工作幾乎沒(méi)有附加成本；驗(yàn)證過(guò)程不受其他機(jī)上工作的影響；對(duì)于驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，在完成手冊(cè)修改后也可以隨時(shí)開(kāi)展重復(fù)的驗(yàn)證工作。

5 結(jié)語(yǔ)

該文針對(duì)民用飛機(jī)維修手冊(cè)的符合性工作，研究了現(xiàn)階段幾種主要驗(yàn)證方法，分析了現(xiàn)有幾種主要維修手冊(cè)驗(yàn)證方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了依靠虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中虛擬維修這一分支技術(shù)的支持，與建立的虛擬現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證系統(tǒng)在人力、時(shí)間、成本等維度上進(jìn)行對(duì)比，取得了一定的成果和預(yù)期的效果。在虛擬場(chǎng)景中開(kāi)展手冊(cè)驗(yàn)證的方案，目的在于提高驗(yàn)證的效率，打破飛機(jī)本體狀態(tài)對(duì)手冊(cè)驗(yàn)證的制約，降低驗(yàn)證過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)和成本，在一定程度上提高了我國(guó)民用飛機(jī)制造商的技術(shù)出版物驗(yàn)證能力。

參考文獻(xiàn)

[1]馬思寧. 飛機(jī)維修手冊(cè)驗(yàn)證的研究[J]. 航空維修與工程， 2015（09）： 93-95.

[2]朱杰霞， 陳朋. 淺析民用飛機(jī)運(yùn)行文件和持續(xù)適航文件的驗(yàn)證實(shí)施[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2016（27）： 15-18+53.

[3]運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)： CCAR-25-R4[S].北京：中國(guó)民用航空局， 2011.