基于虛擬現實的民航空管設備遠程虛擬維修系統

左凌 何勇 劉建華

摘 要：為支持實現空管設備維修資源共享，提高維護效率、降低綜合維護費用，構建了基于虛擬現實技術的民航空管設備遠程虛擬維修系統。分析了虛擬維修系統的功能模塊設計，建立了包含設備層、協作層、支援層的系統體系架構，并闡述了系統研發中涉及的故障數據采集及處理、協同方式設計等關鍵技術。采用實際維修案例展示了該系統在虛擬維修支持方面的效果。

關鍵詞：空中交通管理;設備維修;故障;虛擬現實

中圖分類號：V355.1

Abstract：In order to fulfill the repair resource sharing，upgrade the efficiency of maintenance，cut down the cost of maintenance，a virtual reality-based virtual maintenance system for air traffic control equipment was established.The function module was designed，which was compose of the equipment level，coordination level and support level.And the key technologies for the development of maintenance system were analyzed，such as the malfunction data collection，the coordination mode design，and so on.The function effect of the designed maintenance system was demonstrated by the concrete maintenance case.

Key words：Air traffic control，equipment maintenance，malfunction，virtual reality

民航空管系統是國家重要的基礎性和戰略性行業，是保障民用航空安全高效運行的中樞。經過長期的建設和發展，民航空管設備保障基本完備，空管設備基本實現標準配置和智能管理。但是，構建科學的民航空管設備技術保障體系仍是今后一個時期民航空管工作的重要內容，尤其是隨著民航空管設備高技術化特征日益凸顯，功能日益復雜，空管設備現場維修水平要求也越來越高。當空管故障設備現場人員技術能力有限時，采用先進的遠程協同維修支援方式，可在短時間內調動維修資源，實現資源共享，提高維護效率、降低綜合維護費用，并促進空管設備維修水平提升。本文對基于虛擬現實（Virtual Reality）技術的民航空管設備虛擬維修系統構建進行研究。

近年來，國家相關部門出臺了關文件，要求促進空管設備運行智能可靠，持續完善設備運行保障體系，探索臺站建設與設備維護新模式[1]，指出應制定詳細的、可操作的空管設備運行保障及維護維修規程，為民航空管設備維護提供制度保障[2]。相關研究人員也在空管設備維修方面開展了大量研究。其中，張昊等人對空管設備管理與維護過程中的原則及規定進行了研究[3]，也有學者從空管設備故障模式和影響分析、預防性維修工作類型及維修工作間隔期的確定等方面進行了研究[4]。張龍飛對空管設備預防性維修從設備維護特點、潛在的問題以及預防性維修的應用措施等方面進行研究[5]。也有研究人員在空管設備運維信息化平臺建設方面進行研究，對構建基于多信息系統的維修平臺進行了較深入的分析，對實現設備運行數據的集中監控，基于預定的分析模型開展設備可靠性和可用性評估[6]。此外，也有研究人員對空管設備維修方案的評估方法進行研究，對方案的維修類型、原則、級別及維修策略等內容進行分析，給出了常見的評估方法[7]。本文結合虛擬現實技術，對民航空管設備虛擬維修系統進行研究，闡述了系統開發過程及其中涉及的相關技術，包括系統功能設計、架構設計以及涉及的關鍵技術等，并基于實際維修案例的虛擬化呈現過程為例介紹了系統的人機界面。

1 虛擬維修系統功能設計

空管設備遠程虛擬維修支援系統可輔助前方設備維修人員開展設備故障信息的獲取，并基于遠程專家協同支援開展故障診斷，及時開展設備故障定位并制定維修措施，節省維修人員的時間，提高維修效率。

空管設備遠程虛擬維修支援系統的總體功能框架如圖1所示。主要功能模塊有：

（1）支援系統信息管理子模塊：包括支援專家資源管理、空管設備故障信息管理、手冊管理、現場環境三維管理、維修案例管理、用戶管理等;

（2）支援系統測試診斷子模塊：遠程協同支援申請發布、遠程協同交互過程控制;

（3）維修指導子系統：遠程協同支援交互、現場三維虛擬場景查看等。

基于上述功能模塊，系統可以實現：（1）遠程協同資源匹配功能。根據前方設備維修人員輸入的設備故障信息，自動匹配查找合適的遠程協同資源;（2）故障診斷遠程協同功能。根據前方設備維修人員發起的遠程協同請求，后方支援專家可以進入系統，開展設備現場工作環境、以及設備工作狀況查看，并協同展開設備故障定位，及時指導維修人員;（3）故障維修指導功能。在維修人員得到故障診斷結果后，需要進行故障隔離和維修作業。此時，系統可以支持遠程專家繼續提供故障維修指導，開展遠程詢問或討論，專家可基于平臺將相關維修指令、資源或信息及時傳遞給前方維修人員;（4）遠程協同信息管理功能。對于維修故障信息、協同過程等信息，系統需要提供管理模塊，實現對協同信息的存儲，以便支持開展維修案例的制作。

2 系統架構設計

民航空管設備遠程虛擬維修實質上是針對空管設備維修需求，開展遠程協同支援技術和虛擬化技術在空管設備維修領域的融合應用，促進遠程支援專家對故障空管設備現場的工作環境熟悉，提升遠程協同質量和水平。區別于傳統的虛擬維修，空管設備遠程協同虛擬維修除了包含維修實施過程模擬外，還包含在專家端構建高度逼真的設備現場環境，使得專家與前方維修人員之間能基于虛擬化技術手段實現維修過程的交互。它可以在計算機上提供一個實時的、三維的虛擬環境，通過生動的視覺、聽覺、觸覺等效果隨著參與者的動作而變化的場景使人獲得身臨其境的感覺。它突破了空間、時間的限制，可以實現逼真的設備裝配、故障維修操作，提取任何關于設備的已有資料、狀態數據，檢驗設備性能。

空管設備遠程虛擬維修支援系統組織架構包括三個功能層：

（1）設備層：設備層的功能，即支持前方維修人員開展人機交互，提交遠程系統維修支援任務請求，以及顯示故障診斷結果，反饋故障維護效果，提供某些故障診斷所需的設備信息、故障癥狀描述等;提供設備現場的運行環境信息，與現場設備進行虛擬的交互;提取設備運行狀態數據，獲取設備故障癥狀;管理設備運行狀態數據、設備維護日志等。

（2）協作層：①協作層系統在接收到前方設備維修人員提交的遠程協同支援任務后，應將設備的維修支援任務基于不同問題域進行分析，并且將獲取的設備故障癥狀信息按照問題域分類，提取出相匹配的遠程支援維修資源，供設備維修人員查看。②前方人員在查看可調取的維修支援資源列表后，可相相關資源及時發布遠程協同支援請求;同時，也可以根據協同支援的進程或問題，邀請新的支援資源加入協同過程，又或者，提出新的遠程協同任務請求;因此，在此過程中，協作層系統將管理多個參與遠程協同支援的任務進程，以符合維修人員所邀請的診斷邏輯或流程。

（3）支援層：支援層根據獲取的設備故障癥狀，支持遠程協同維修資源進入協同環境開展故障診斷，得出診斷結論，并提供相應的設備維護措施。支援層包括多個運行在不同地域的支援子系統。支援層子系統根據協作系統發布的遠程支援協同請求而運行，并且及時響應其他相關地域支援子系統的協作行為。遠程支援過程是不間斷的，但是遠程支援的發起是隨機的，因此在支援層子系統的運行工程中，會根據前方維修人員協同支援的需求不斷調整自己的運行過程。

3 關鍵技術

空管設備遠程協同虛擬維修支援是指前方維修人員在遠方專家的支援下，開展維修的一個過程。具體來看，遠程協同虛擬維修的最大特點是跨地域性。由于空管保障設備分布地域相對較大，需要通過網絡實現前方故障現場與后方支援專家之間的信息交換。為支持遠程協同維修支援能夠高效展開，需要解決以下幾個方面的關鍵問題：信號采集、信號處理及傳輸、信號專家端呈現、維修案例的存儲，以及專家遠程協同交互方式設計。

3.1 網絡環境下的空管設備信號采集

設備維修診斷的前提是能準確提取能描述空管設備工作狀態的信號。設備故障診斷中常見的信號有電壓、電流、功率等電信號以及數字電路中的狀態碼信息。同時，為了使遠程專家能夠獲得全面的設備工作狀態信息，還需要提供設備工作現場的視頻、音頻等環境信息。在基于現場信號開展故障診斷時，需要重點考慮信號的類型、傳感器的類型以及各檢測點的分布等因素。

3.2 空管設備工作現場及故障信號處理及傳輸

空管設備工作現場及故障信號采集獲取后，必須要通過網絡傳輸給后方支援專家，其相關的數據量非常龐大，受到網絡帶寬和傳輸速度的限制，因此必須在保證圖像和聲音傳輸質量的前提下尋求有效的信號處理算法來予以實現。在信號的傳輸方面，不同的信號類型有不同的傳輸特征和要求，同時，在傳輸的過程中需要有較好的安全性和可靠性。因此，數據傳輸的數據標準化問題需要進行研究，沒有統一的數據格式就難于進行信息的有效表達和高效排故作業。

3.3 空管設備協同維修案例數據的存儲

空管設備的維修案例是一個非常寶貴的資源，可以基于案例數據開展后續的培訓資源的開發，以及進行維修決策知識或規則的總結。因此，有必要解決好空管設備維修案例數據的存儲，一方面完成設備故障案例信息存儲格式的標準化、規范化，另一方面完成維修知識表達的規范化和標準化，主要涉及維修知識的編碼、管理、維護。

3.4 空管設備維修專家遠程協同方式的設計

空管設備復雜化程度、信息化水平較高，且考慮到當前網絡技術的發展，5G技術，VR/AR/MR等技術的不斷成熟，需要開發設計合理的，可滿足多方協同開展故障診斷資源共享需要的遠程協同方式。遠程協同方式的設計是一項系統工程，必須以提升空管設備的運行保障能力以及提升維修保障水平為目標，以信息化技術和管理科學技術的應用為前提。

4 虛擬維修場景實現及人機界面

基于Unity3D的虛擬機房軟件開發，將在Unity3D中設計的場景、實現的功能、以及人機的交互控制等進行完整打包并發布生成.exe文件。在Unity3D中完成頁面UI布局設計、菜單設計、窗口規范化等內容。使用3DMAX建模軟件將機柜、工具模型搭建出來，并完成本設計所需要的材質調配、貼圖以及文本等內容，最后將完整的模型導入Unity3D。以“大功率放大器驅動器的更換”和“射頻和測試振蕩器更換”為例進行VR虛擬維修環境的呈現。

5 結論

采用遠程協同維修支援方式，可高效快速調動維修資源，提升復雜空管設備的維修水平。論證了民航空管設備遠程虛擬化維修支援系統建設需求，開展了系統功能層次設計、總體架構方案設計，并具體分析了系統建設中面臨的關鍵技術問題。以實際的空管設備維修過程虛擬化為例，展現了虛擬現實技術在空管設備遠程虛擬化維修支援系統中的應用潛力。進一步應考慮：（1）提升系統的遠程網絡協同能力，支持快速接入多地維修資源;（2）進一步完善系統人機界面。

參考文獻：

[1]中國民用航空局空中交通管理局，中國民用航空局空中交通管理局戰略發展綱要[R].2015.

[2]中國民用航空局空管行業管理辦公室，民用航空通信導航監視運行保障與維護維修規程[S].2016.

[3]張昊.空管設備的管理與維護[J].科技咨詢，2011，（12）：245-246.

[4]舒濤.空管設備以可靠性為中心的維修分析研究[J].現代工業經濟和信息化，2019，（1）：114-116.

[5]張龍飛.空管設備預防性維修的相關思想研究[J].科技創新導報，2019，（9）：171-172.

[6]盧栩茵.空管設備運維信息化中心平臺建設探究[J].電腦知識與技術，2017，13（15）：54-55.

[7]李家杰.空管設備大修方案評估方法研究[J].科技創新，2016，（26）：22-23.

基金項目：國家自然科學基金項目（U1733105），中央引導地方科技發展專項項目（2020ZYD094），四川省科技計劃項目（2020YFS0541）

作者簡介：左凌（1976— ），男，漢族，江蘇南京人，碩士，工程師，主要研究領域為空管設備維修。