基于虛擬維修的民機維修性設計

隋光磊　李斌

【摘 要】基于虛擬維修技術，從民機維修性設計角度出發，研究了桌面式虛擬維修場景建模方法，論述了面向民機維修性分析的維修過程仿真，闡述了基于虛擬維修技術的維修性分析思路，為虛擬維修技術在民機維修性設計領域的應用進行了初步探索。

【關鍵詞】虛擬維修；維修性設計；仿真

Maintainability Design of Civil Aircraft based on Virtual Maintenance

SUI Guang-lei LI Bin

（Shanghai Aircraft Design And Research Institute， Shanghai 201210， China）

【Abstract】Based on the virtual maintenance technology， view from the civil aircraft maintainability design， the modeling method of desktop virtual maintenance scene was researched， and the maintenance process simulation of civil aircraft-oriented maintainability analysis was discussed， the idea of maintainability analysis based on virtual maintenance technology was explained， and the primary research for application of virtual maintenance technology in the field of civil aircraft maintainability design was conducted.

【Key words】Virtual maintenance； Maintainability design； Simulation

0 引言

維修性是與維修關系最為密切的質量特性，直接影響到飛機的維修時間、費用和出勤率，是設計時賦予飛機本身的固有屬性，其對民機的可靠度及經濟性等具有決定性作用[1]。傳統維修性設計依賴物理樣機，既消耗大量人力物力，同時受實物樣機等條件限制，很多分析評估工作無法開展，不能盡早發現設計中存在的問題[2]。因此，傳統的維修性設計分析方式造成民機全壽命周期運營成本高，市場競爭力差，不能適應現代民機設計的運行機制。

計算機仿真和虛擬現實技術的迅速發展，為民機的維修性設計提供了一種新的方法，即虛擬維修。虛擬維修利用民機現有數字樣機和相關維修信息，創建虛擬維修環境，在虛擬環境中仿真維修過程，從而在設計早期就能對產品的維修性設計和維修工作進行分析評價，達到輔助民機設計的目的。

1 虛擬維修場景建模

虛擬維修可分為桌面式和沉浸式[3]。其中桌面式虛擬維修可以在個人計算機上運行，將計算機的屏幕作為虛擬世界的觀察窗口，通過各種輸入設備實現與虛擬現實世界的充分交互，其成本低，應用較為廣泛。

虛擬場景構建是構造民機維修場景的三維造型，主要是建立民機的3D模型，依據真實的維修現場，滿足逼真性、交互性，為維修性分析與驗證建立一個近似現實的場景。虛擬維修場景主要由民機數字樣機、維修工具、地面設備和維修環境模型等組成。

虛擬維修場景廣泛應用于分析和考查民機與維修有關的各個方面。維修場景須按照真實特征屬性設計，在一定程度上具有與物理樣機相似的幾何特性與功能，具有支持維修活動的空間、自由度約束等運動屬性和物理屬性，可以實現維修過程交互。

作為民機虛擬維修仿真的核心部分，虛擬維修場景系統應該具有如下功能[4]：

1）虛擬維修場景應該展示民機逼真的外形與物理特征，具有真實物體的幾何屬性，給參與者較真實的視覺感受。

2）虛擬維修場景應該有效表達維修場景的物理特性，如質量、重心等特性，且能夠實現維修對象的約束運動。

3）虛擬維修過程應與真實維修過程保持一致，保證飛機設計的基本結構關系、裝配關系。

4）能夠實現各種硬件、軟件及標準的集成。

5）能夠給出維修作業的相關信息，如維修時間、維修工具及設施等。

6）虛擬維修場景應具有合適的三角面片數，能夠支持實時仿真。在維修仿真中，須在保證可接受精度的前提下，實現三角面片數的簡化。

虛擬維修場景建模是構建虛擬維修樣機系統幾何模型、物理屬性模型、行為特征模型的一個綜合過程，要求操作者在虛擬環境中對虛擬維修場景進行生成、調試和評價。場景建模可分為產品幾何建模、物理屬性建模、行為建模、人機交互特征建模四個部分[3]：

1）產品幾何模型包括民機的幾何模型、裝配信息、層次結構、系統及部件間的配合等關系。幾何建模是從CAD系統中輸出維修場景的裝配數據文件；依據維修任務提供的場景組成信息對裝配數據文件進行重組；并對裝配數據和新生成的裝配層次關系建立新的裝配數據文件，反饋回CAD系統；從CAD系統中輸出對應的裝配層次的幾何文件和屬性文件。

2）物理屬性建模從基本物理量在虛擬環境中的建模開始，將長度、質量、表面紋理等物理量抽象處理后，與虛擬環境結合起來，建立虛擬維修場景物理屬性的基本建模方法。

3）行為建模是建立貼近真實維修場景表現行為的理論模型，使設計者能夠按照這種模型方便地構造出一個行為上真實的虛擬維修場景模型。

4）人機交互特征是產品的非幾何信息，包含支持虛擬維修交互過程的交互特征、交互計劃、過程控制等交互信息，是與維修操作有關的運動過程，用以描述零部件的拆裝過程。

民機維修進行維修場景幾何建模時，須依據具體的維修任務控制裝配層次深度和復雜程度。虛擬維修場景首先能支持一個或者多個維修仿真，對核心部位重點描述，對輔助部分粗略表示；其次維修場景中維修對象的基本元素是可更換單元，可以是零件、部件、組件或設備，且必須包括可更換單元的幾何、裝配、人機交互等信息。

2 過程仿真

民機的虛擬維修仿真是以民機設計為中心的維修過程仿真。虛擬維修仿真是實際維修過程在虛擬環境下的預演，將真實反映與描述民機維修過程所經歷的各種行為、各種狀態。使用維修仿真軟件的人機仿真功能，實現人體模型在虛擬場景下的各類基本維修動作仿真，如實現虛擬人的移動、實現預定軌跡維修運動、仿真拾取和放置動作。

通過人體模型和維修對象、工具/地面設備之間的運動，以及人體模型之間的并行操作，生成各位置的姿態，并結合各類約束操作，利用各種運動控制方法實現人體模型和物體之間的運動。維修過程實際上是人——民機——工具/地面設備三者之間發生相互作用的過程，其中人是主體，民機和工具、設備又對人的行為具有一定的約束。

3 維修性分析

基于虛擬維修的維修性分析內容主要有：維修的可達性、檢測診斷的方便性和快速性、工具操作空間和工作場地的維修安全性、人機工程等。

3.1 可達性

維修可達性是從民機可達性角度進行分析，主要考慮維修人員和工具接近維修部位的難易程度。從視覺可達、實體可達和操作空間三個方面進行評價。

1）視覺可達是分析維修過程中維修人員對維修對象、維修工具和維修人員自身動作，通過目視手段得到的觀察結果。基于GJB2873-97，最佳視錐定義為：雙眼最佳視野范圍：當人的頭部保持直立不動而只是眼球在轉動時，視線中心線上下左右各15度的圓形區；最大視野范圍：視線中心線上15°到40°，下15°到20°，左右15°到35°的橢圓形區。如圖1、圖2。

2）實體可達是考慮維修人員在不同身體姿態和輔助手段條件下，與維修對象發生直接或間接接觸的能力。為了便于對民機內部進行維修，設計時在民機的表面留有維修口蓋。維修口蓋的大小必須符合在維修過程中的人體可達尺寸要求，即維修人員使用工具能夠得著維修對象或維修人員能夠在維修口蓋內方便的進行維修。

在維修口蓋設計時，需要考慮民機維修時維修人員可能使用的工具、可能采用的維修姿態以及民機待維修組件的尺寸，要為維修人員的維修操作預留足夠的操作空間。

基于虛擬維修仿真，對分析對象的維修性進行評定，維修可達性分析驗證標準如表1。

表1 可達性評定標準

Table1 assessment standard of accessibility

3.2 人機工效

1）力量載荷是考慮維修操作過程中，維修對象對人員的力或力矩的載荷要求。不同形式的力或力矩對維修人員的影響是不同的，在評價時需要結合維修人員身體姿態和力的形式進行分析。

2）工作姿態是從人機工效學角度考慮維修人員使用工具時，維修姿態及其持續時間對維修人員造成的疲勞影響。這部分可以分為靜態和動態兩個方面。靜態情況下，以人體姿勢及其持續時間為分析內容。人體姿勢可分為彎腰、蹲、臥姿和攀高等，如果在這些姿態下仍然無法實施維修，就需借助輔助設備來完成。由于人體在某種姿態下隨著持續時間的增長，疲勞程度也會越來越大，故需考慮各種維修姿態的最大持續時間。動態條件下分析的是各個工序之間或者同一個工序中，不同維修姿態的變換和調整是否符合人機工效學，虛擬人動作的轉換是否符合人的習慣。

3.3 維修安全

工位環境是考慮在樣機中，維修對象安裝位置附近處于工作狀態的設備對維修人員的影響程度，如電路、油路、高溫、高壓、輻射等環境條件。評價內容主要考慮維修場所或地點的惡劣程度對人體生理和心理方面造成影響的程度，以及由環境所引起的對其它輔助工具的需求。

安全水平是從安全性角度分析維修操作時存在的不安全程度。GJB2961-97《修理級別分析》中規定，將產品限制在特定維修級別修理的危險因素包括：高電壓、輻射、極限溫度、化學或有毒氣體、過大的噪聲、爆炸物、超重。評價內容為維修人員操作過程中，維修對象安裝位置周圍空間是否存在危險源（如尖銳棱角、高溫物體、高壓帶電物體等）對維修操作運動路徑形成干涉及干涉影響程度。

4 結論

隨著民機技術的不斷發展，其結構日益復雜，對并行開展其維修性設計和分析工作提出了更高的要求。本文論證基于虛擬維修的民機維修性設計，為維修性指標中的可達性、人機工效、維修安全等指標的分析和驗證提供了可行的方法，為民機維修性設計的全過程提供了可行的分析和驗證依據，為民機維修性設計開拓了思路，有助于民機維修性優化。虛擬維修不需要在實物上實現民機的維修性設計，克服了傳統模式實物樣機制造周期長，成本高，難以實施設計更改的不足，從而降低了民機的設計成本，提高民機的市場競爭力，將成為民機維修性設計的重要發展方向。

【參考文獻】

[1]李澍.飛行器虛擬維修關鍵技術研究與環境實現[D].南京：南京航空航天大學，2007.Li Shu. Research on the Key Technologies for Aircraft Virtual Maintenance and the Implementation of Virtual Environment[D]. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2007.

[2]楊宇航，李志忠，鄭力.虛擬維修研究綜述[J].系統仿真學報，2005，17（9）：2191-2198.Yang Yuhang， Li Zhizhong， Zheng Li. Survey of Virtual Maintenance[J].Journal of System Simulation， 2005，17（9）：2191-2198.

[3]郝建平.虛擬維修仿真理論與技術[M].北京：國防工業出版社，2008.Hao Jianping. Virtual Maintenance Theory and Technologies[M].Beijing：National Defense Industry Press，2008.

[4]李斌.商用飛機虛擬維修訓練系統關鍵技術研究[D].上海：同濟大學，2011.Li Bin. Technologies for Commercial Airplane Virtual Maintenance Training System[D].Shanghai： Tongji University，2011.

[責任編輯：楊玉潔]

民機維修進行維修場景幾何建模時，須依據具體的維修任務控制裝配層次深度和復雜程度。虛擬維修場景首先能支持一個或者多個維修仿真，對核心部位重點描述，對輔助部分粗略表示；其次維修場景中維修對象的基本元素是可更換單元，可以是零件、部件、組件或設備，且必須包括可更換單元的幾何、裝配、人機交互等信息。

2 過程仿真

民機的虛擬維修仿真是以民機設計為中心的維修過程仿真。虛擬維修仿真是實際維修過程在虛擬環境下的預演，將真實反映與描述民機維修過程所經歷的各種行為、各種狀態。使用維修仿真軟件的人機仿真功能，實現人體模型在虛擬場景下的各類基本維修動作仿真，如實現虛擬人的移動、實現預定軌跡維修運動、仿真拾取和放置動作。

通過人體模型和維修對象、工具/地面設備之間的運動，以及人體模型之間的并行操作，生成各位置的姿態，并結合各類約束操作，利用各種運動控制方法實現人體模型和物體之間的運動。維修過程實際上是人——民機——工具/地面設備三者之間發生相互作用的過程，其中人是主體，民機和工具、設備又對人的行為具有一定的約束。

3 維修性分析

基于虛擬維修的維修性分析內容主要有：維修的可達性、檢測診斷的方便性和快速性、工具操作空間和工作場地的維修安全性、人機工程等。

3.1 可達性

維修可達性是從民機可達性角度進行分析，主要考慮維修人員和工具接近維修部位的難易程度。從視覺可達、實體可達和操作空間三個方面進行評價。

1）視覺可達是分析維修過程中維修人員對維修對象、維修工具和維修人員自身動作，通過目視手段得到的觀察結果。基于GJB2873-97，最佳視錐定義為：雙眼最佳視野范圍：當人的頭部保持直立不動而只是眼球在轉動時，視線中心線上下左右各15度的圓形區；最大視野范圍：視線中心線上15°到40°，下15°到20°，左右15°到35°的橢圓形區。如圖1、圖2。

2）實體可達是考慮維修人員在不同身體姿態和輔助手段條件下，與維修對象發生直接或間接接觸的能力。為了便于對民機內部進行維修，設計時在民機的表面留有維修口蓋。維修口蓋的大小必須符合在維修過程中的人體可達尺寸要求，即維修人員使用工具能夠得著維修對象或維修人員能夠在維修口蓋內方便的進行維修。

在維修口蓋設計時，需要考慮民機維修時維修人員可能使用的工具、可能采用的維修姿態以及民機待維修組件的尺寸，要為維修人員的維修操作預留足夠的操作空間。

基于虛擬維修仿真，對分析對象的維修性進行評定，維修可達性分析驗證標準如表1。

表1 可達性評定標準

Table1 assessment standard of accessibility

3.2 人機工效

1）力量載荷是考慮維修操作過程中，維修對象對人員的力或力矩的載荷要求。不同形式的力或力矩對維修人員的影響是不同的，在評價時需要結合維修人員身體姿態和力的形式進行分析。

2）工作姿態是從人機工效學角度考慮維修人員使用工具時，維修姿態及其持續時間對維修人員造成的疲勞影響。這部分可以分為靜態和動態兩個方面。靜態情況下，以人體姿勢及其持續時間為分析內容。人體姿勢可分為彎腰、蹲、臥姿和攀高等，如果在這些姿態下仍然無法實施維修，就需借助輔助設備來完成。由于人體在某種姿態下隨著持續時間的增長，疲勞程度也會越來越大，故需考慮各種維修姿態的最大持續時間。動態條件下分析的是各個工序之間或者同一個工序中，不同維修姿態的變換和調整是否符合人機工效學，虛擬人動作的轉換是否符合人的習慣。

3.3 維修安全

工位環境是考慮在樣機中，維修對象安裝位置附近處于工作狀態的設備對維修人員的影響程度，如電路、油路、高溫、高壓、輻射等環境條件。評價內容主要考慮維修場所或地點的惡劣程度對人體生理和心理方面造成影響的程度，以及由環境所引起的對其它輔助工具的需求。

安全水平是從安全性角度分析維修操作時存在的不安全程度。GJB2961-97《修理級別分析》中規定，將產品限制在特定維修級別修理的危險因素包括：高電壓、輻射、極限溫度、化學或有毒氣體、過大的噪聲、爆炸物、超重。評價內容為維修人員操作過程中，維修對象安裝位置周圍空間是否存在危險源（如尖銳棱角、高溫物體、高壓帶電物體等）對維修操作運動路徑形成干涉及干涉影響程度。

4 結論

隨著民機技術的不斷發展，其結構日益復雜，對并行開展其維修性設計和分析工作提出了更高的要求。本文論證基于虛擬維修的民機維修性設計，為維修性指標中的可達性、人機工效、維修安全等指標的分析和驗證提供了可行的方法，為民機維修性設計的全過程提供了可行的分析和驗證依據，為民機維修性設計開拓了思路，有助于民機維修性優化。虛擬維修不需要在實物上實現民機的維修性設計，克服了傳統模式實物樣機制造周期長，成本高，難以實施設計更改的不足，從而降低了民機的設計成本，提高民機的市場競爭力，將成為民機維修性設計的重要發展方向。

【參考文獻】

[1]李澍.飛行器虛擬維修關鍵技術研究與環境實現[D].南京：南京航空航天大學，2007.Li Shu. Research on the Key Technologies for Aircraft Virtual Maintenance and the Implementation of Virtual Environment[D]. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2007.

[2]楊宇航，李志忠，鄭力.虛擬維修研究綜述[J].系統仿真學報，2005，17（9）：2191-2198.Yang Yuhang， Li Zhizhong， Zheng Li. Survey of Virtual Maintenance[J].Journal of System Simulation， 2005，17（9）：2191-2198.

[3]郝建平.虛擬維修仿真理論與技術[M].北京：國防工業出版社，2008.Hao Jianping. Virtual Maintenance Theory and Technologies[M].Beijing：National Defense Industry Press，2008.

[4]李斌.商用飛機虛擬維修訓練系統關鍵技術研究[D].上海：同濟大學，2011.Li Bin. Technologies for Commercial Airplane Virtual Maintenance Training System[D].Shanghai： Tongji University，2011.

[責任編輯：楊玉潔]

民機維修進行維修場景幾何建模時，須依據具體的維修任務控制裝配層次深度和復雜程度。虛擬維修場景首先能支持一個或者多個維修仿真，對核心部位重點描述，對輔助部分粗略表示；其次維修場景中維修對象的基本元素是可更換單元，可以是零件、部件、組件或設備，且必須包括可更換單元的幾何、裝配、人機交互等信息。

2 過程仿真

民機的虛擬維修仿真是以民機設計為中心的維修過程仿真。虛擬維修仿真是實際維修過程在虛擬環境下的預演，將真實反映與描述民機維修過程所經歷的各種行為、各種狀態。使用維修仿真軟件的人機仿真功能，實現人體模型在虛擬場景下的各類基本維修動作仿真，如實現虛擬人的移動、實現預定軌跡維修運動、仿真拾取和放置動作。

通過人體模型和維修對象、工具/地面設備之間的運動，以及人體模型之間的并行操作，生成各位置的姿態，并結合各類約束操作，利用各種運動控制方法實現人體模型和物體之間的運動。維修過程實際上是人——民機——工具/地面設備三者之間發生相互作用的過程，其中人是主體，民機和工具、設備又對人的行為具有一定的約束。

3 維修性分析

基于虛擬維修的維修性分析內容主要有：維修的可達性、檢測診斷的方便性和快速性、工具操作空間和工作場地的維修安全性、人機工程等。

3.1 可達性

維修可達性是從民機可達性角度進行分析，主要考慮維修人員和工具接近維修部位的難易程度。從視覺可達、實體可達和操作空間三個方面進行評價。

1）視覺可達是分析維修過程中維修人員對維修對象、維修工具和維修人員自身動作，通過目視手段得到的觀察結果。基于GJB2873-97，最佳視錐定義為：雙眼最佳視野范圍：當人的頭部保持直立不動而只是眼球在轉動時，視線中心線上下左右各15度的圓形區；最大視野范圍：視線中心線上15°到40°，下15°到20°，左右15°到35°的橢圓形區。如圖1、圖2。

2）實體可達是考慮維修人員在不同身體姿態和輔助手段條件下，與維修對象發生直接或間接接觸的能力。為了便于對民機內部進行維修，設計時在民機的表面留有維修口蓋。維修口蓋的大小必須符合在維修過程中的人體可達尺寸要求，即維修人員使用工具能夠得著維修對象或維修人員能夠在維修口蓋內方便的進行維修。

在維修口蓋設計時，需要考慮民機維修時維修人員可能使用的工具、可能采用的維修姿態以及民機待維修組件的尺寸，要為維修人員的維修操作預留足夠的操作空間。

基于虛擬維修仿真，對分析對象的維修性進行評定，維修可達性分析驗證標準如表1。

表1 可達性評定標準

Table1 assessment standard of accessibility

3.2 人機工效

1）力量載荷是考慮維修操作過程中，維修對象對人員的力或力矩的載荷要求。不同形式的力或力矩對維修人員的影響是不同的，在評價時需要結合維修人員身體姿態和力的形式進行分析。

2）工作姿態是從人機工效學角度考慮維修人員使用工具時，維修姿態及其持續時間對維修人員造成的疲勞影響。這部分可以分為靜態和動態兩個方面。靜態情況下，以人體姿勢及其持續時間為分析內容。人體姿勢可分為彎腰、蹲、臥姿和攀高等，如果在這些姿態下仍然無法實施維修，就需借助輔助設備來完成。由于人體在某種姿態下隨著持續時間的增長，疲勞程度也會越來越大，故需考慮各種維修姿態的最大持續時間。動態條件下分析的是各個工序之間或者同一個工序中，不同維修姿態的變換和調整是否符合人機工效學，虛擬人動作的轉換是否符合人的習慣。

3.3 維修安全

工位環境是考慮在樣機中，維修對象安裝位置附近處于工作狀態的設備對維修人員的影響程度，如電路、油路、高溫、高壓、輻射等環境條件。評價內容主要考慮維修場所或地點的惡劣程度對人體生理和心理方面造成影響的程度，以及由環境所引起的對其它輔助工具的需求。

安全水平是從安全性角度分析維修操作時存在的不安全程度。GJB2961-97《修理級別分析》中規定，將產品限制在特定維修級別修理的危險因素包括：高電壓、輻射、極限溫度、化學或有毒氣體、過大的噪聲、爆炸物、超重。評價內容為維修人員操作過程中，維修對象安裝位置周圍空間是否存在危險源（如尖銳棱角、高溫物體、高壓帶電物體等）對維修操作運動路徑形成干涉及干涉影響程度。

4 結論

隨著民機技術的不斷發展，其結構日益復雜，對并行開展其維修性設計和分析工作提出了更高的要求。本文論證基于虛擬維修的民機維修性設計，為維修性指標中的可達性、人機工效、維修安全等指標的分析和驗證提供了可行的方法，為民機維修性設計的全過程提供了可行的分析和驗證依據，為民機維修性設計開拓了思路，有助于民機維修性優化。虛擬維修不需要在實物上實現民機的維修性設計，克服了傳統模式實物樣機制造周期長，成本高，難以實施設計更改的不足，從而降低了民機的設計成本，提高民機的市場競爭力，將成為民機維修性設計的重要發展方向。

【參考文獻】

[1]李澍.飛行器虛擬維修關鍵技術研究與環境實現[D].南京：南京航空航天大學，2007.Li Shu. Research on the Key Technologies for Aircraft Virtual Maintenance and the Implementation of Virtual Environment[D]. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2007.

[2]楊宇航，李志忠，鄭力.虛擬維修研究綜述[J].系統仿真學報，2005，17（9）：2191-2198.Yang Yuhang， Li Zhizhong， Zheng Li. Survey of Virtual Maintenance[J].Journal of System Simulation， 2005，17（9）：2191-2198.

[3]郝建平.虛擬維修仿真理論與技術[M].北京：國防工業出版社，2008.Hao Jianping. Virtual Maintenance Theory and Technologies[M].Beijing：National Defense Industry Press，2008.

[4]李斌.商用飛機虛擬維修訓練系統關鍵技術研究[D].上海：同濟大學，2011.Li Bin. Technologies for Commercial Airplane Virtual Maintenance Training System[D].Shanghai： Tongji University，2011.

[責任編輯：楊玉潔]