虛擬維修技術及其在航空維修訓練中的應用初探

謝軍 唐慶如

摘 要

主要闡述虛擬維修技術概況并簡要分析其在航空維修訓練中的一些應用問題， 對深入開展虛擬維修技術的應用研究及系統開發具有參考價值。

關鍵詞

虛擬維修;航空維修;訓練

中圖分類號： V267 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 71

0 引言

隨著我國航空業特別是民航運輸業的快速發展，航空維修作為保障航空安全及行業運營的基礎，也迎來了一些新的挑戰。傳統航空器維修長期以來普遍都采用理論培訓加機上實踐的方法，訓練內容及手段越來越不能滿足高效率高質量培訓的需求。虛擬現實技術近年來迅速普及，虛擬維修作為虛擬現實技術在維修中的應用也得到了進一步發展。虛擬維修技術研究目前主要集中在維修人員訓練、維修性設計驗證和維修保障規劃三個方向，本文主要對虛擬維修技術在航空維修訓練中的應用進行簡要分析。

1 虛擬維修起源

虛擬維修最初起源于某些大型復雜的系統如飛機、航天器等對于維修及維護訓練等工作的需求。虛擬維修VM （Virtual Maintenance）這個概念最早出現在美國軍用手冊MIL-HDBK-470A中，指的是：使用虛擬現實技術，維修工程師可進入虛擬環境中，對虛擬產品進行維修[1]。

2 研究及應用概況

2.1 國外情況

新加坡南洋理工大學最早采用面向對象的思想以低成本建立了V-REALISM桌面維修培訓系統，該系統將重點放在維修路徑規劃和演示上[2]。美國Lockheed Martin公司采用DELMIA平臺對發動機拆裝、武器裝填等過程進行仿真[3-4]。加拿大Bombardier公司則選用Jack模擬機載設備的裝配和維修[5] 。國外一些著名航空制造商也推出了虛擬維修訓練系統產品，如美國的Aerosim公司研發的Virtual Flight Deck （VFD）虛擬駕駛艙和Virtual Aircraft （VA）虛擬飛機專門用于維修人員培訓。加拿大CAE、FAROS等公司也都推出自己的VMT（Virtual Maintenance Trainer）產品。L3 Commercial Aviation公司推出了桌面式和便攜式VMT訓練器等。VMT基于桌面PC平臺，主要針對飛機維修培訓設計，可以提供虛擬維修操作訓練，且可替代部分OJT（On Job Training）實習課程，國內山東航空、廈門航空等航空公司均采購了CAE公司的虛擬維修訓練器用于培訓。

2.2 國內情況

北京航空航天大學的虛擬現實技術國家重點實驗室、浙江大學CAD&CG國家重點實驗室、中國民航大學、中國民航飛行學院等在維修過程建模、虛擬樣機建模、維修動作仿真以及虛擬人機交互等方面已開展了大量研究，取得了一些成果。

浙江大學萬華根等開發的VDVAS（Virtual Designand Virtual Assembly System）用于虛擬設計與得到最佳裝配順序和路徑[2]。中國民航大學主導開發了虛擬駕駛艙和虛擬飛機仿真系統、半物理仿真系統及桌面虛擬仿真教學系統。模擬飛機真實系統運行過程和場景，用于航空維修工程技術及管理的模擬再現和訓練。中國民航飛行學院自主開發了機務維護模擬機和虛擬維修訓練系統用于航空維修工程人才培養。

3 虛擬維修應用于航空維修訓練

虛擬維修在航空維修培訓領域具有很好的應用前景，從20世紀90年代出現和普及的CBT（Computer Based Training）技術，到后來出現的MTD（Maintenance Training Device）模擬器軟件產品和目前以SBT（Simulator Based Training）為代表的航空維修培訓新方式，都體現著虛擬維修技術的內涵。虛擬維修技術可以彌補傳統航空維修訓練中存在的理論與實踐脫節、理論講解不夠生動、實踐操作危險及困難等問題，同時能實現傳統維修實訓難以實現的復雜系統性工作的訓練。

3.1 航空維修的特點

航空器屬于高價值、高技術、高風險的復雜產品，其系統多且高度復雜。航空維修直接影響航空安全及運行效率，是航空運營保障的關鍵環節。因此，航空器的維修保障工作在人員、設備、環境、程序等方面的要求也相對較高，航空維修具有如下特點：

（1）航空維修技術綜合性高

（2）航空維修程序嚴格

（3）航空維修具有高消耗性

（4）航空維修對人員資質要求高

由于航空維修的行業特殊性，其在培訓方面也有一定要求。

3.2 航空維修訓練的需求

實訓教學是培養航空維修應用型人才的重要環節，實訓即職業技能實際訓練，它包含“培訓”和“實踐”。實訓的目的是使受訓者獲得一項穩定的行為方式或技能。常見航空維修工作包括日常勤務、部件拆裝等，需要較強的實踐動手能力;系統功能測試、故障判斷及排除等對工程分析能力要求較高;目前我國絕大部分民航運輸機來自美國或歐洲制造商，對專業英語閱讀能力也有一定要求。因此，需要在訓練方式及內容方面來滿足航空維修訓練新的更高需求。

3.3 傳統航空維修訓練方式的弊端

傳統航空器維修培訓普遍采用的理論加機上實踐的方法雖然涵蓋了工作所需的訓練內容，但往往由于資金、環境設備等限制，兩者在銜接上與實際維修工作并不能保持一致。且采用飛機實體或特制的訓練設備，往往具有以下不足：造價昂貴，后期設備升級及維護成本也高;實體飛機上操作可能受時間、場地、天氣等因素的限制;相對主流機型，培訓內容往往滯后，學員對維修整體流程及實際系統性工作缺乏認知;某些項目如拆裝、飛機通電測試等可持續性較差;某些不必要的零部件購置、維修工具管理、耗材使用等大大增加維修訓練成本;有的操作對初學者人身安全造成一定威脅。

3.4 虛擬維修訓練的優勢

虛擬維修訓練以計算機技術為核心，虛擬現實應用為基礎，虛擬的數字樣機和場景為操作對象，以行業特點及專業需求為導向。創建具有高逼真度的維修訓練任務場景，與傳統的實體設備訓練相比具有以下優勢：

（1）安全性——高風險維護工作在實體訓練中難以開展，且需要人員具備相關資質

（2）經濟性——虛擬維樣機訓練比物理樣機訓練的使用和維護成本低

（3）系統性——傳統航空維修訓練中各項目之間往往比較孤立，整體流程也難以進行訓練，虛擬維修訓練環境下可形成系統的綜合訓練體系

（4）靈活性——可不受場地、時間和天氣等因素影響，并且可以和實體設備組成半虛擬半物理的混合訓練方式，具有較強的靈活性

3.5 對虛擬維修訓練系統提出的要求

虛擬維修訓練系統以虛擬場景和數字樣機為操作對象，通過計算機來實現人機交互。受到硬件設備條件和仿真技術的限制，在實現手段和操作方法上都與實際維修過程有一定差別[6]。為完成操作者和虛擬操作對象更好的交互，保持與真實維修過程較好的一致性從而增強訓練效果，虛擬維修訓練系統應具有以下特征：

（1）模型真實度高

（2）訓練過程表達準確

（3）能對訓練過程進行優化

（4）能對訓練質量進行評估

（5）界面友好，易于操作

4 結束語

虛擬維修技術從誕生至今，已經被廣泛應用在航空航天、軍事科技、機械制造、產品設計、生產建設等諸多領域，廣泛的應用領域證明了其巨大的發展潛力。虛擬維修技術在航空維修訓練中的應用具有很大的潛力，目前國內特別是民航維修方面的應用研究還并不多。同時，深入研究虛擬維修技術以及所應用領域的特點能夠更好使兩者結合，對其應用領域有著重要意義。

參考文獻

[1]MIL-HDBK-470A.Designing and Developing Maintainable Products and ? ? Systems[Z].Department of Defense Hand-book，1997.

[2]劉佳，劉毅.虛擬維修技術發展綜述[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2009，21（11）：1519-1534.

[3]Anonymous.Maintaining focus： routine fixes and servicing are receiving ? greater emphasis in the design of the latest fighter aircraft[J].Mechanical ?Engineering， 2001， 123（10）：76-78.

[4]Anonymous.Gearing up for JSF assembly：simulating ERGOm an at work[J].Tooling & Production， 2003， 69（7）：20-23.

[5]Wimsatt A.Virtual reality software really flies [J].IIE Solutions， 1998， 30（11）：52-53.

[6]焦玉民，等.虛擬維修技術研究與展望[J].中國工程機械學報，2011，9（3）：359-366.