淺談虛擬維修技術在通用航空維修中的應用分析

周航　翁洋

摘 要：我國通用航空涵蓋市場運營、綜合保障服務等全產業鏈的新興產業體系，實現了我國民航活動范圍的進一步擴大。隨著大量的飛機投入通用航空中以來，維修保障逐漸成為最突出的問題。而虛擬維修技術的出現，為飛機維修難題帶來發展機遇，促使通用航空業蓬勃發展。本文將針對虛擬維修技術在通用航空維修中的應用展開研究，對虛擬維修技術深入分析，并探索其應用途徑。以期提升虛擬維修技術在通用航空維修中的應用水平。

關鍵詞：虛擬維修；通用航空；維修

中圖分類號：V267 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）16-0052-02

低空空域的開放，為我國通用航空帶來的新的發展空間，成為我國民用航空業發展的另一重要基礎。但隨著其投入量的增加，維修行業面臨著窘迫的局面，維修水平與質量影響著整個航空業的發展。而虛擬維修技術很好的解決了這一問題，利用數字信息技術以及虛擬現實技術等，為維修領域帶來了新的發展空間。進一步提升了維修效率、維修質量，促使航空維修領域進一步發展。

1 研究綜述

近年來，國內外對虛擬維修技術進行了大量的研究，并廣泛投入航空領域中。其中，VR技術在設備維修方面應用表現最為突出，如美國哈勃望遠鏡虛擬維修系統。時至今日，虛擬維修已經成為工業研究的重要方向之一。NASA建立的航空、衛星維護VR訓練系統、空間站VR訓練系統等為虛擬維修技術提供了新的發展依據。其中，NASA正在研究的VPE實驗計劃，更是進一步拓展了虛擬維修技術的研究范圍。

華盛頓州立大學所開發的虛擬裝配設計環境系統，與CAD的緊密結合，設計人員在工作初期便能夠直觀的面對拆卸問題，避免維修方面的缺陷。以及，在產品定型、裝配方面的工作，可利用虛擬裝配技術輔助訓練，或進行裝配性試驗工作。

賓夕法尼亞大學的HMS研究，也是維修仿真技術領域之一。可提供可視圖像以及指示維修系統，通過同步圖像以及指示，為維修人員演示正確維修理論與操作方法[1]。

我國對該方面的研究主要表現在VR技術。在虛擬現實中開發了視覺接口硬件，并突出算法等有關理論知識。以計算機為依托，提供實時三維動態數據，以及虛擬現實演示環境，用于航空維修領域。

2 虛擬維修技術分析

虛擬維修以計算機為依托，融合數字化與虛擬現實等多項技術，生成虛擬維修樣機以及維修人員三維人體模型。在虛擬場景中模仿真實維修過程，進而對現實產品維修性、維修過程、以及維修效果等進行評級。當前，虛擬維修技術主要表現在以下幾個方面：

CAD技術的應用。在虛擬維修技術中，三維CAD軟件占據重要作用。其是建立虛擬場景的重要環節之一。在航空領域、汽車領域、船舶制造領域等的應用十分廣泛，有效解決分散的方案設計難題。CAD軟件利用幾何信息建立三維零件模型，利用幾何約束關系進行零件的裝配，并建立虛擬模型。在航空維修領域中，利用CATIA軟件對模型之間固有條件進行約束，可有效改善加工、安裝、維修過程中設計的缺陷。

優化維修方案。利用虛擬維修技術，對維修準備、拆卸、安裝、以及調整等步驟進行試驗，針對其中可能出現的問題進一步優化。實現三維模型拆卸過程的虛擬演示，并在計算機終端重新制定整個維修計劃，規避維修風險。

利用數據分析維修難易程度。虛擬維修技術依托計算機終端，對維修中可能出現的障礙進行分析，并評估維修難度、維修方案等環節。其針對虛擬樣機，預測并發現障礙，預警障礙原因、影響，并提出有關解決對策。維修難度的分析便能夠真實反映維修操作難度系數，并選擇最簡單的維修方案。該功能大大提升了維修人員的工作效率，使得維修工作變得更加簡便[2]。

培訓維修人員。虛擬維修技術利用虛擬樣機，對維修人員進行培訓與指導，使得維修質量進一步提升。其主要順序為：

利用CAD系統建立幾何模型，并對其基本參數進行設置；在虛擬環境下，模擬拆裝過程，以及有關因素的影響；分析維修方案可行性，利用虛擬維修技術分析其中可能遇到的障礙，并取消可行性較低的維修任務，規避維修風險；利用虛擬維修仿真技術，在安全得到保障的前提下，減少維修人員壓力，提升維修效率；最后，對維修時間進行記錄，合理分析維修過程中操作專業性，操作可行性，進而制定更加合理的維修計劃與方案。

3 虛擬維修技術在通用航空維修中的應用

3.1 虛擬環境下虛擬裝拆操作的研究

（1）建立模型。針對模型中各個零部件的信息，包括其特定形狀、特定功能、形狀在整體上的布局等，以及其基本性能等信息有機結合在一起，構成了完整的零件信息模型。根據裝配體模型，將有關零件集合在一起，并確定零件的裝配關系。零部件在裝配過程中，會有裝配方向的顯示，在該信息中得到與裝配方向相反的拆卸方向，再根據有關因素，平移、旋轉坐標系，構建出三維立體維修坐標系。提取有關零部件，進行拆卸操作。若其中零部件存在多種約束關系，則拆卸方向與約束關系之間形成交集。在拆卸模塊中，對信息的主要描述方法包括圖形表示、關系數據表示以及對象表示法。其拆卸分類主要包括直接或間接拆卸、順序或并行拆卸、破壞與非破壞拆卸法等。在拆卸程度角度，分為完全拆卸、部分拆卸、目標拆卸幾種[3]。（2）裝配路徑分析。拆卸路線主要為零部件被移動的具體路線，但不包括其再移動到指定位置路線的過程。根據拆卸特點，設計出裝配路徑模塊。在拆卸路線中研究零部件自身轉動問題，由于其轉動角度難以確定，因此在設計時將轉動角度定位90度的整數倍，以便操作。在虛擬維修技術中，工作人員利用裝配路徑，在類中尋找與之對應的零部件進行裝配，進而有效解決對象之間協調問題。

3.2 虛擬環境下航空器維護研究

（1）分析航空器維修性能。可維修性是針對在規定條件下，以及規定時間內、按照有關流程以及方法對其進行維修的指標。可維修性是航空器維修工作中的重要組成部分，也是虛擬維修技術的重要環節。維修性好壞主要取決于設計階段的維修性評估結果，通常利用維修演示來呈現。傳統可維修性檢測主要利用木質模型以及金屬樣機進行分析與操作，往往需要花費大量的時間與精力，且維修進度與設計存在不可修改性特點，嚴重削弱了維修性檢驗的工作效率。

采用虛擬維修技術以來，在滿足用戶基本要求前提下，對維修設備基本參數進行設計，通過人機交換界面，虛擬修理、虛擬操作，虛擬檢驗。從而進一步提升維修程序綜合評估能力，提升飛機維修性評估質量。

（2）自動生成文件。在航空器虛擬維修過程中，虛擬維修技術可針對維修人員的虛擬操作，對有關數據進行存儲，并自動生成文件。有利于產品研制中狀態的監測，以及對數據實時跟蹤、調查、控制等基本操作。

我國通用航空中便采用維修順序、任務生成、虛擬確認三個系統模塊，對正確性進行檢查，并自動生成有關文件與數據。

3.3 虛擬環境下系統與實際操作的研究

（1）設計系統結構。針對通用航空維修系統功能將體系結構分為四個方面。其一，界面層，即輸入與輸出界面。為用戶提供命令輸入操作，以及虛擬外界設備的輸入。輸出界面則主要用于向用戶反映處理結果。其二，應用層。其中包括整個通用航空系統的核心環節，包括管理、模型建立、仿真技術、協同配合、分析評估等多項功能。管理主要針對系統的基本任務，維修的主要資源、維修數據的管理。而建模則針對該維修計劃的基本零部件信息，整體信息，維修產品等建立數字模型。仿真技術主要包括對維修操作流程的仿真處理。協同模塊則針對維修中可能發生的沖突與矛盾進行交流。以及分析評估模塊為針對虛擬維修技術的可行性進行分析，預估維修難度指數。其三，對象層。包括虛擬維修技術中的模型建立、協同穩健模型展示、維修資源保存、評估與總結報告等。其四，技術支持層。指各種數據庫、操作系統、CAD軟件等硬件與軟件的結合。（2）根據方案調試設備。針對維修樣機制定方案，并準備模擬維修操作中可能用到的設備，準備操作安裝、拆卸、調整等有關準備工作。在三維模型拆卸安裝過程中，利用計算機終端獲取有關數據，分析維修中遇到的障礙，并對方案操作的有效性加以證實與評估[4]。（3）人機交互技術。人機交互技術是虛擬維修技術的關鍵，亦是人與機器溝通的重要橋梁。不同的系統，其具體功能與有關效果也有所差別，因此所使用的交互設備與方式存在差異。當前，通用航空中與虛擬維修技術有關的設備包括鼠標、鍵盤、特定傳感設備、虛擬外設設備等。

維修人員利用虛擬維修培訓桌面式維修系統，利用鼠標與鍵盤對系統進行控制。由于對沉浸感要求較高，因此選用專業攝像頭、數據手套、數據眼鏡、以及遙感設備虛擬控制控制的交互設備。工作人員利用專業設備對樣機進行操作，其動作與思維可完全由自身掌控。

4 展望

4.1 更完善的維修考核評價功能

在虛擬維修技術中，其維修評估模塊式衡量虛擬維修系統質量的重要指標，也是虛擬維修技術的核心所在。當前，虛擬維修系統中訓練方法多種多樣，但其訓練程度相對較低，無法實現操作人員真正的專業水準。以及，針對維修過程中的數據分析與監控技術等，需要進一步提升，加深研究。針對不同的評價指標，以定量分析為最佳方式，有待提升。

4.2 更加真實的維修場景

維修場景的真實度主要依靠實體三維模型以及維修過程。尤其針對大型復雜的裝備，由于其精密零部件較多，維修工藝更加專業，因此對產品模型信息應更加全面，模型優化方法的要求也將更加專業。但當前虛擬維修技術中信息集成、數據存儲建立等有關技術仍需要進一步提升，加強零部件細節信息的建立。以及，虛擬維修過程中所設計的場景應更加真實，其虛擬維修功能亟待加強[5]。

4.3 通用系數有待提升

虛擬維系技術的應用領域十分廣闊，不僅在通用航空中有所體現，還包括各種機械、船舶、汽車等領域。領域的不同其設計要求也存在較大差異，對規范性與綜合性要求有所增加。因此，應改進虛擬維修技術的過程規劃與描述方法，提出通用系數更高的虛擬維修協同設計系統。

4.4 人機交互技術的增強

人機交互是虛擬維修技術的核心，也是該技術近年來研究的重點領域。雖然其優化方法、優化途徑的研究更加深入，但在當前虛擬維修系統中，大多數環境下用戶與系統之間的交互仍舊不容樂觀。對物體的適當行為、以及虛擬現實技術中的三維模型疊加到現實場景中等問題，需要進一步加深研究，拓寬研究領域。

5 結語

綜上所述，虛擬維修技術自誕生以來，其涉及的領域十分廣闊。在通用航空領域中，有效保障了維修效率與質量，提升維修航空維修自動化程度。但在該技術的應用與推廣中，應進一步完善系統設計的專業性，提升人才支撐體系。促使我國民航維修工作內容更加豐富。

參考文獻

[1]王棟.虛擬維修技術在民用飛機輔助動力裝置可達性分析上的應用[J].航空維修與工程，2017，（07）：44-47.

[2]雷蘭.關于航空器維修差錯的分析以及虛擬維修仿真技術的應用[J].電子制作，2013（20）：21.

[3]邵欣桐.基于虛擬儀表的交互式故障診斷與排故仿真技術研究[D].中國民航大學，2013.

[4]王峻峰，李小俊，李世其，朱文革.EON Studio環境下基于Petri網的虛擬維修技術研究[J].機械設計與制造，2011，（12）：61-63.

[5]張中波，豐世林.虛擬維修仿真技術在航空器維修中的應用[J].西安航空技術高等專科學校學報，2010，28（05）：3-6.