AR技術在飛機維修領域中的應用與開發

劉 超 劉高勝

廣州民航職業技術學院飛機維修工程學院 廣東廣州 510403

AR技術最初是由航空領域的波音公司研究員托馬斯·考德爾(Thomas Caudell)于1990年提出的[1]。增強現實技術首先需利用計算機生成包含有圖像、視頻、音頻、3D模型等信息的虛擬物體，然后將其與現實的場景深度融合，兩者進行信息的共存、補充和疊加，形成虛實結合的空間，也便于使用者實時互動，更直觀與清晰地學習[2]。增強現實技術是不同于虛擬現實(Virtual Reality，VR)的。VR技術是利用計算機技術把真實世界仿真出一個虛擬世界或完全開發出一個虛擬世界。學習者通過佩戴相關設備可完全融入這樣一個有立體感的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺的虛擬世界，幫助學生快速學習或掌握一些看不見、摸不著、進不了的物體或空間[3]。所以說，AR技術其實是VR技術的延伸，其優勢是既營造了虛擬世界信息，又不破壞真實場景，將虛擬信息與真實場景融合，達到虛實的交互與增強目的。簡單地說，AR技術是將一個虛擬的世界投射到真實世界中，而VR技術是在真實的世界中營造一個虛擬的世界，見圖1。未來幾年，隨著智能手機與平板電腦的普及和其技術的發展，AR技術可輕松在移動端操作，從而逐步實現了在軍事、醫療可視化、教育、工程機械、圖書設計等諸多領域的深度應用。而AR技術在航空領域也會有很大的應用價值。

圖1 AR與VR技術的區別與聯系

民航維修是一個高技術、高復雜、高成本的行業。飛機屬于大型的復雜的機電液系統，涵蓋了氣動、機械、電子電氣等大量技術，其內部結構十分復雜，特別是航空發動機，部件多、難接近，在進行維護、拆裝與排故時十分麻煩，這就要求工程技術人員具有極高的綜合能力。而在實際運營中，有時由于地理位置限制、經濟條件約束導致不能配備足夠的工程技術人員，就會出現維修裝配錯誤率高，維修效率低下問題。而采用AR技術的可視化技術可以將維修部件原理、維修指導意見、維修工卡等形成虛擬的影像與現實中的物體進行無縫對接，清晰的說明、指導和演示可指導維修人員快速維修與排除故障，保障航班的安全運行。本文介紹了AR技術在飛機裝配制造、飛機維修手冊、飛機維修工作、民航專業培訓、民航專業教育等方面的應用，同時分析出AR技術用于飛機維修教學資源的設計與開發的思路，為民航行業人員提供參考。

一、AR技術在飛機維修領域的不同方向應用

(一)AR技術在飛機智能裝配中的應用

國外的GE公司將最新研發的智能扭矩扳手和增強現實技術應用到航空發動裝配中。航空發動機是高精端的機器，在制造與裝配中有稍微的誤差都會導致設備效率降低或出現故障，因此，裝配中的精度一定要嚴格控制。GE公司開發了一款增強現實軟件——Skylight軟件。裝配工程師在安裝緊固件時，只需佩戴谷歌智能眼鏡，即可看到此款AR軟件呈現出的擰緊力矩，以實時指導和提醒工程師，避免力矩過松或過緊的誤差，嚴格達到手冊的要求。經實踐檢驗，此款AR軟件效果非常好，工程師的錯誤率明顯下降，平均生產效率也提高了8%～12%[4]。

空客公司在A350和A380飛機的裝配質量檢查環節使用基于AR技術的智能增強現實工具(SART)。裝配師將某款飛機的管線定位托架的操作和安裝結果導入SART中，此軟件即會將數據與原始數據進行對比，自動生成報告確定安裝是否有缺失，錯誤定位或托架損壞。裝配師根據報告結果進行再次替換或修理，大大縮短了幾萬個托架的檢測時間[4]。

波音公司則開發了基于Skylight軟件的機艙布線流程。該技術成功地簡化了布線工作流程與時間，并將錯誤率降至零。同時該系統可根據布線計劃實時制作三維圖紙，使用者佩戴相關設備后直觀看到設計圖，并與飛機視圖相吻合[5]。

國內的上海航空工業有限公司針對飛機電氣線路互聯系統(Electrical Wiring Interconnection System，簡稱EWIS系統)的裝配過程中，連接器的安裝孔位多、易混淆、操作煩瑣等困境，設計了智能算法用于AR眼鏡中快速識別出圖像中的連接器，并與數據庫中的連接器型號匹配，指導裝配，提高裝配的效率和準確性。國產C919飛機也引用了此項技術[6]。

(二)AR技術在飛機維修手冊中的應用

隨著電子技術的發展，逐漸出現了一種新型的飛機電子手冊，稱為交互式電子技術手冊(Interactive Electronic Technical Manual，IETM)。該手冊集成了飛機裝備基本原理、操作使用和維修保障的文字，并整合了圖形、表格、音頻和視頻等多種形式，最重要的是實現了人機交互。中國航空綜合技術研究所正在研究在基于S1000D規范的手冊中引入增強現實(Augmented Reality，AR)技術。此種手冊的研究基本原理是需將手冊內容與工業設計的三維模型進行數據融合，在使用時AR終端設備呈現此三維模型，實現虛實結合，并提供人機交互，指導操作人員進行工作，提升工作效率，降低維護成本[7]。

(三)AR技術在飛機維修中的應用

為了保證飛機的正常飛機，需在航前、短停和航后對飛機進行詳細的檢測與維護，如發現問題，應及時地進行維修與排故。日本航空公司最初在檀香山機場的維護工作上利用了AR技術。工程師在對某部件進行維修時佩戴谷歌眼鏡，即可識別此部件的狀態和參數，實時地為維修工提出指導意見，對出現操作失誤的現象會立馬進行報警，及時糾正。

另外，在飛機短停檢查中如發現問題，現場無資深專家時，可利用AR技術進行飛機遠程維修與排故指導。國內的南方航空公司與中國電信聯合研發了“5G+AR遠程技術支持平臺”。該平臺已覆蓋全國13個飛機站點，并已成功與廣州機務維修中心實現遠程連線和專家會診。此種模式需要現場維修人員佩戴AR智能眼鏡實時分享飛機的停機位，并對準故障部件反饋現場情況。廣州機務維修中心工程師使用AR軟件中的三角標記、文件傳輸等功能幫助現場維修人員確認故障點，并提出排故方案。除此之外，中國南方航空公司還開發了基于AR技術的發動機遠程孔探軟件、基于AR技術的航線工卡檢查軟件、基于AR技術的航材智能送修軟件等[8]。

(四)AR技術應用民航專業培訓

國外的法荷航維修工程公司利用AR技術進行航空維修的專業培訓。該公司已開發了一款對波音787飛機技術培訓的AR系統，使用該系統進行培訓時，受訓者只需要5天時間便可完成全部培訓課程。普惠已經開始將GTF發動機VR模擬器用于員工和客戶培訓[4]。

中國民航科學技術研究院利用增強現實技術初步實現了渦噴—6型發動機的培訓應用場景。參訓學員只需在手機上打開軟件，即可完成渦噴—6型發動機的整機漫游、部件增強識別、部件三維爆炸圖和部件裝配的控制與操作。此種模式實現了一人一手機一發動機，有效解決了培訓機構的發動機臺數不足、拆裝受限的窘境，縮短了培訓時間，提升了培訓效率[9]。

(五)AR技術在民航專業教育中的應用

中國航空博物館將增強現實技術應用在展品和兒童游園中，采用虛擬與現實融合的方式，將傳統的單一化、被動式的枯燥參觀形式轉變成多樣化、互動式的多感官參觀。這種既有趣味性又帶娛樂性、參與感強的形式，更加有效地傳播了民航科普教育，充分提升了博物館的社會育人效果[10]。

在航空類的高校也掀起了將AR技術應用于航空教學的研究。南京航空航天大學的研究團隊在航空宇航制造工程專業課程教學實踐中引入增強現實技術，利用智能可穿戴裝配原型系統模擬飛機裝配場景，顯示正確的裝配路徑和方法，指導學生進行飛機結構件或線纜裝配。中國民航大學基于Hololens設備，開發了一套數字化飛機增強現實教學平臺，該平臺可360度展示飛機結構，教師可根據教學內容自主創建三維教學資源，供學生自主學習。中國民航大學的張青團隊利用移動增強現實技術，開發智能化的民航發動機增強現實移動端實驗系統，將手機攝像頭對準發動機模型實物識別，若成功就會在眼前呈現攜帶發動機部件功能與作用、檢查方法及維護拆裝步驟等信息的發動機實物模型。這種虛實結合的增強信息，可讓學生隨時隨地感知發動機，認識發動機復雜部件的原理和結構，為民航相關專業的實驗教學提供便利。中國民航大學也自主開發了航線維修增強現實引導原型系統和增強現實誘導飛機維修系統，營造了真實的飛機維修場景，在實際教學中提升了學生操作技能。

二、AR技術在民航維修教育資源設計與開發思路

民航維修專業教學中長期存在因飛機結構復雜、購置設備成本高而“看不到內部結構、進不去內部操作、動不了設備”的教學痛點，通過開發基于AR技術的教學資源便能較好地解決此問題。而目前開發大型AR仿真系統成本比較高，對于普通教師常因經費問題無力開發，因此可采取開發小型的教學資源。課堂上，學生只需掃描二維靜態圖片，即可觀看到此部件的詳細結構。基于這樣一個思路，結合AR技術特點，總結出AR技術設計與開發教學資源的思路如圖2所示。

圖2 AR技術設計與開發教學資源的思路

(一)確定軟件開發的需求

功能性需求包括圖片識別、爆炸展示、原理動畫、部件拆裝等；穩定性需求包括可靠性、可維護性、安全性等；開發性能需求是指軟件的優化程度，例如提升軟件啟動速度和加載速度，能夠保證高效開發而不產生數據阻塞等。

(二)軟件UI設計

主要是設計軟件的人機交互形式與方式、軟件操作邏輯、軟件的封面及內容的美觀性。

(三)數字模型制作

通過模型制作軟件，以實物圖片或圖紙為參考進行1∶1地制作3D MAX模型，并確保場景尺寸、單位，模型歸類塌陷、命名、節點編輯，紋理、紋理尺寸、紋理格式、材質球等符合制作規范。

(四)軟件開發與優化

根據需求說明以及UI邏輯，利用Unity3D進行開發編輯，在Unity3D通過C#編寫腳本以達成各需求的實現；測試軟件各功能，根據測試結果優化代碼和模型，測試通過后完成測試報告。

(五)軟件發布與反饋優化

軟件進行試運行，穩定后發布，根據使用者的功能需求、操作體驗反饋意見進一步優化完善軟件。

總體而言，AR技術這種全新的現代技術在航空維修中得到了廣泛的應用，其良好的交互性、可視化的特點受到用戶的肯定。隨著5G技術的發展、云計算以及便攜式顯示設備等技術的發展，AR技術在未來的民航智慧維修及民航專業教學中大有所為。