虛擬技術在直升機維修中的作用與實現

郭傳友

摘 要 本文介紹了續集技術和直升機維修的特點。針對直升機維修的實際，對直升機虛擬維修的作用和實現方法進行了分析，提出了初步建議。

【關鍵詞】虛擬技術 直升機 維修

直升機結構復雜，維修工作涉及機械、航電等多個專業，各種檢測設備和儀表繁多，對維修人員要求高，技術難度大。特別是新研制直升機投入使用后，技術人員通過實裝演練和輔助訓練手段，一般要用二至三年才能形成快速維修能力。因此，維修和訓練手段的現代化與直升機的先進程度同等重要。采用虛擬維修技術可以不受裝備數量、工作環境等條件的限制，有效開展直升機維修和技術人員的培訓工作，是保障維修廠“出動率再生”的重要輔助手段。

1 虛擬現實技術

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR），是指計算機模擬的三維真實環境。具體來說，就是采用以計算機技術為核心的各種現代化高科技合成的視聽、觸覺一體化的特定范圍內的虛擬環境，使用者借助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互作用相互影響，從而產生親臨實境的感受和體驗。研究表明，人對基于圖像、聲音等感官器官信息的理解能力遠大于對數字、文字等抽象信息的理解、記憶能力，因此，用虛擬現實技術實現的訓練系統可以使使用者的訓練效果極大地得到改善。

虛擬現實不同于一般的交互三維圖形學，首先，他可以使用戶從虛擬空間中向外觀察，這種感受是用戶作為旁觀由外部向內部觀察無法體會到的；其次，通過虛擬空間，用戶可以實時看到隨視點而改變的場景，即實時性；最后，用戶融入到虛擬現實中，感受與現實世界相同的環境，從而按照實際的工作狀態與環境交互，即交互性。這些與計算機仿真有很大的不同。

虛擬維修技術起源于虛擬制造技術，他更側重于裝備的維修、裝配及功能上的模擬，并能作到實時交互和浸潤感，而虛擬制造技術則側重于設計和加工制造工藝，他其實是一種基于CAD的仿真，這一類的軟件很多，如Unigraphics（UG），雖然有裝配功能，但是它必須渲染后才能實現，不是實時的，也不能把人和環境融合到一起，所以還不是真正的虛擬現實技術。

2 虛擬技術在直升機維修中的作用

直升機維修的工作流程是根據故障現象確定故障類型，分析故障原因，找出故障部位，進行故障部件的拆卸或修理。在整個維修過程中，他要求維修人員了解裝備的原理、構造，并具有熟練使用檢測設備的能力。另外，在維修時，由于故障的不確定性，還可能出現維修工作的反復。而采用虛擬維修技術，可以為維修者提供預先演練的平臺，將操作過程在計算機上真實再現，熟悉整個操作過程，并對操作的結果進行評估，大大地提高了維修的效率。另外，如果在設計階段就引入虛擬維修技術，可以及時發現和修改設計中的不足，以免在直升機使用中才發現設計缺陷，確保直升機的可維修性。

2.1 直升機虛擬維修的特點

作為功能性的軟硬件平臺，直升機虛擬維修的特點是：

（1）全面逼真的反映現實的維修和技術保障環境及實現過程；

（2）具有功能模擬；

（3）對操作中的出現碰撞、干涉提供報警；

（4）真實的反映人機工程環境；

（5）能對裝備維修和技術保障的正確性進行評估；

（6）具有專業技術培訓能力。

2.2 直升機虛擬維修的作用

與常規維修相比，直升機虛擬維修技術的突出作用體現在以下幾個方面：

2.2.1 預有準備，精確維修

直升機價格昂貴，結構復雜，應盡量避免在直升機上進行不必要的維修操作。當直升機出現故障時，可以通過計算機模擬，真實再現維修過程，了解多種維修方案的可行性，從中選擇最優的維修方式，做到預有準備，精確維修，提高工作效率。

2.2.2 一個平臺，多種應用

陸航直升機機型較多，對于維修人員有不同的技術要求。采用虛擬維修技術可以在固定的一套軟、硬件上開發不同機型的訓練、維修系統，不必因機型不同而開發、選擇不同的訓練、維修設備，大大降低了維修投入，也方便不同機型維修人員的使用。

2.2.3 信息集成，綜合保障

作為功能性的維修技術平臺，集成了直升機研制、生產、使用和維護全過程的技術信息，建立了模型庫、故障庫、維修環境等綜合化數據庫。它不僅可以成為直升機維修、人員培訓的重要手段，也可以用于遠程技術支援和技術信息查詢，是提高陸航裝備綜合技術保障能力的一種有利途徑。

3 直升機虛擬維修的實現

隨著計算機技術快速發展，虛擬現實技術正在逐漸使用，西方發達國家早就將其應用與飛行模擬訓練，繼而又應用在作戰、后勤保障、裝備研制等方面，產生巨大的效益。在我國，直升機模擬維修技術還處于探索階段，沒有實現真正意義上的虛擬維修。

從整個虛擬維修系統而言，有些方面的理論還在探索中。根據目前直升機虛擬維修的情況來看，應該從基礎入手，積累經驗，同時跟蹤國外先進技術，實現虛擬維修建設的高起點。作為直升機虛擬維修的基礎建設，應當從三個方面入手：

3.1 建立直升機虛擬維修系統的三維模型庫

三維建模是虛擬維修系統設計的核心，三維數據庫又是整個虛擬現實系統三維場景建模的基礎，其數據格式對虛擬現實系統的運行質量有極大的影戲。對于直升機虛擬維修的模型庫，應將各型直升機的維修工具、主要的維修零、部件按照模塊化的方式建立起來。另外還要建立直升機維修的場景模型（包括機艙.機身等），這主要是考慮人機工程和增強“浸潤感”。同時，整個虛擬維修系統應采取開放式的系統結構，各種模塊間要有細分的功能及接口。作為其模型庫應允許直接輸入多種來源的CAD數據來構造一個與真實樣機比例相同的數字樣機，考慮到模型來源的廣泛性，它最好還能接受3DSMAX、MULTIGEN、ALIAS等設計軟件的三維模型數據格式。另外，我們還要考慮實時交互性的要求，對模型的數字信息進行優化，只提取對虛擬維修系統有用的數據（主要是部件的幾何信息和表面信息）。endprint

3.2 建立直升機虛擬維修系統的故障庫

故障庫是與模型庫密切相關的，它通過劇情的方式來體現直升機故障。通過分析直升機各個系統的故障原理，故障涉及的直升機零、部件和維修工具、設備，把一個故障作為一個模型、模型庫中存放所需模型的編號、工具和設備編號供虛擬維修系統管理人員調用，提供用戶接口可以擴充新的故障。故障庫中的故障可以與修理步驟對應。

3.3 確立直升機虛擬維修中的人機工程環境

裝備維修性的指導思想是任何裝備的維修性設計應與產品本身的設計同步進行，其操作培訓在裝備使用前就應完成。要實現上述思想，就要考慮人機工程環境，具體地說就是把人體模型放在虛擬直升機上，以便實時地研究可達性、可視性和可維修性。例如：在直升機虛擬系統中，從機件上拆卸一枚螺釘，引入人機工程學后，要考慮操作工具是否可達，操作中的推位、提起等各種動作的人力極限和空間限度，這些需要通過碰撞測試來實現。檢測工具與各零、部件之間沖突或是僅僅接觸，檢測人體與工具、直升機零部件之間沖突或是僅僅接觸，以及各維修人員之間身體碰撞的檢測，上述三項被稱為硬硬碰撞檢測、硬軟碰撞檢測。這種檢測對于在有限空間內執行協同維修環境和過程，消除訓練與實際維修之間的差別。

3.4 提高直升機虛擬維修的“浸潤感”設計，建立維修工作評判系統

“浸潤感”設計需要專用的設備支持：多通道的顯示系統、立體頭盔（或眼鏡）、三維跟蹤設備（數據手套等）。也可以采用廉價的解決方案，采用在微機上用立體眼鏡來觀察顯示器，利用三維鼠標來進行交互，這是個初級的方案，嚴格的說還不能稱其為“浸潤”。但是要實現真正有“浸潤感”的虛擬環境，除了需要如SGI的ONYX RE2或IR這樣的超級圖形工作站外，還有很多技術需要探索。在對直升機進行了虛擬維修后，需要對整個維修過程評判打分，作為維修訓練的輔助參考，同時通過過程復現、多視角觀察、碰撞檢測等技術手段，可以使維修人員快速糾正自己的錯誤，使維修水平大大提高。

4 結束語

真正實現直升機虛擬維修不僅面臨著很多技術上的難題，也是一項工作量巨大的工程。但是，“千里之行始于足下”，只要我們結合現有條件，因陋就簡進行虛擬維修系統方面的研究，打牢技術基礎，充實模型庫、故障庫等，逐步實現虛擬維修系統的各部分功能，就能在提高維修質量、訓練水平方面發揮作用，實現高“費效”比，縮短直升機形成戰斗力的時間。

參考文獻

[1]甘茂治，康建設，高崎著.維修工程學[M].北京：國防工業出版社，2005.

[2]馬麟等.虛擬維修技術的探討[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2005（12）.

作者單位

河北省保定市66350部隊 河北省保定市 071000endprint