浅谈虚拟维修技术在通用航空维修中的应用分析

周航　翁洋

摘 要：我国通用航空涵盖市场运营、综合保障服务等全产业链的新兴产业体系，实现了我国民航活动范围的进一步扩大。随着大量的飞机投入通用航空中以来，维修保障逐渐成为最突出的问题。而虚拟维修技术的出现，为飞机维修难题带来发展机遇，促使通用航空业蓬勃发展。本文将针对虚拟维修技术在通用航空维修中的应用展开研究，对虚拟维修技术深入分析，并探索其应用途径。以期提升虚拟维修技术在通用航空维修中的应用水平。

关键词：虚拟维修；通用航空；维修

中图分类号：V267 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）16-0052-02

低空空域的开放，为我国通用航空带来的新的发展空间，成为我国民用航空业发展的另一重要基础。但随着其投入量的增加，维修行业面临着窘迫的局面，维修水平与质量影响着整个航空业的发展。而虚拟维修技术很好的解决了这一问题，利用数字信息技术以及虚拟现实技术等，为维修领域带来了新的发展空间。进一步提升了维修效率、維修质量，促使航空维修领域进一步发展。

1 研究综述

近年来，国内外对虚拟维修技术进行了大量的研究，并广泛投入航空领域中。其中，VR技术在设备维修方面应用表现最为突出，如美国哈勃望远镜虚拟维修系统。时至今日，虚拟维修已经成为工业研究的重要方向之一。NASA建立的航空、卫星维护VR训练系统、空间站VR训练系统等为虚拟维修技术提供了新的发展依据。其中，NASA正在研究的VPE实验计划，更是进一步拓展了虚拟维修技术的研究范围。

华盛顿州立大学所开发的虚拟装配设计环境系统，与CAD的紧密结合，设计人员在工作初期便能够直观的面对拆卸问题，避免维修方面的缺陷。以及，在产品定型、装配方面的工作，可利用虚拟装配技术辅助训练，或进行装配性试验工作。

宾夕法尼亚大学的HMS研究，也是维修仿真技术领域之一。可提供可视图像以及指示维修系统，通过同步图像以及指示，为维修人员演示正确维修理论与操作方法[1]。

我国对该方面的研究主要表现在VR技术。在虚拟现实中开发了视觉接口硬件，并突出算法等有关理论知识。以计算机为依托，提供实时三维动态数据，以及虚拟现实演示环境，用于航空维修领域。

2 虚拟维修技术分析

虚拟维修以计算机为依托，融合数字化与虚拟现实等多项技术，生成虚拟维修样机以及维修人员三维人体模型。在虚拟场景中模仿真实维修过程，进而对现实产品维修性、维修过程、以及维修效果等进行评级。当前，虚拟维修技术主要表现在以下几个方面：

CAD技术的应用。在虚拟维修技术中，三维CAD软件占据重要作用。其是建立虚拟场景的重要环节之一。在航空领域、汽车领域、船舶制造领域等的应用十分广泛，有效解决分散的方案设计难题。CAD软件利用几何信息建立三维零件模型，利用几何约束关系进行零件的装配，并建立虚拟模型。在航空维修领域中，利用CATIA软件对模型之间固有条件进行约束，可有效改善加工、安装、维修过程中设计的缺陷。

优化维修方案。利用虚拟维修技术，对维修准备、拆卸、安装、以及调整等步骤进行试验，针对其中可能出现的问题进一步优化。实现三维模型拆卸过程的虚拟演示，并在计算机终端重新制定整个维修计划，规避维修风险。

利用数据分析维修难易程度。虚拟维修技术依托计算机终端，对维修中可能出现的障碍进行分析，并评估维修难度、维修方案等环节。其针对虚拟样机，预测并发现障碍，预警障碍原因、影响，并提出有关解决对策。维修难度的分析便能够真实反映维修操作难度系数，并选择最简单的维修方案。该功能大大提升了维修人员的工作效率，使得维修工作变得更加简便[2]。

培训维修人员。虚拟维修技术利用虚拟样机，对维修人员进行培训与指导，使得维修质量进一步提升。其主要顺序为：

利用CAD系统建立几何模型，并对其基本参数进行设置；在虚拟环境下，模拟拆装过程，以及有关因素的影响；分析维修方案可行性，利用虚拟维修技术分析其中可能遇到的障碍，并取消可行性较低的维修任务，规避维修风险；利用虚拟维修仿真技术，在安全得到保障的前提下，减少维修人员压力，提升维修效率；最后，对维修时间进行记录，合理分析维修过程中操作专业性，操作可行性，进而制定更加合理的维修计划与方案。

3 虚拟维修技术在通用航空维修中的应用

3.1 虚拟环境下虚拟装拆操作的研究

（1）建立模型。针对模型中各个零部件的信息，包括其特定形状、特定功能、形状在整体上的布局等，以及其基本性能等信息有机结合在一起，构成了完整的零件信息模型。根据装配体模型，将有关零件集合在一起，并确定零件的装配关系。零部件在装配过程中，会有装配方向的显示，在该信息中得到与装配方向相反的拆卸方向，再根据有关因素，平移、旋转坐标系，构建出三维立体维修坐标系。提取有关零部件，进行拆卸操作。若其中零部件存在多种约束关系，则拆卸方向与约束关系之间形成交集。在拆卸模块中，对信息的主要描述方法包括图形表示、关系数据表示以及对象表示法。其拆卸分类主要包括直接或间接拆卸、顺序或并行拆卸、破坏与非破坏拆卸法等。在拆卸程度角度，分为完全拆卸、部分拆卸、目标拆卸几种[3]。（2）装配路径分析。拆卸路线主要为零部件被移动的具体路线，但不包括其再移动到指定位置路线的过程。根据拆卸特点，设计出装配路径模块。在拆卸路线中研究零部件自身转动问题，由于其转动角度难以确定，因此在设计时将转动角度定位90度的整数倍，以便操作。在虚拟维修技术中，工作人员利用装配路径，在类中寻找与之对应的零部件进行装配，进而有效解决对象之间协调问题。

3.2 虚拟环境下航空器维护研究

（1）分析航空器维修性能。可维修性是针对在规定条件下，以及规定时间内、按照有关流程以及方法对其进行维修的指标。可维修性是航空器维修工作中的重要组成部分，也是虚拟维修技术的重要环节。维修性好坏主要取决于设计阶段的维修性评估结果，通常利用维修演示来呈现。传统可维修性检测主要利用木质模型以及金属样机进行分析与操作，往往需要花费大量的时间与精力，且维修进度与设计存在不可修改性特点，严重削弱了维修性检验的工作效率。

采用虚拟维修技术以来，在满足用户基本要求前提下，对维修设备基本参数进行设计，通过人机交换界面，虚拟修理、虚拟操作，虚拟检验。从而进一步提升维修程序综合评估能力，提升飞机维修性评估质量。

（2）自动生成文件。在航空器虚拟维修过程中，虚拟维修技术可针对维修人员的虚拟操作，对有关数据进行存储，并自动生成文件。有利于产品研制中状态的监测，以及对数据实时跟踪、调查、控制等基本操作。

我国通用航空中便采用维修顺序、任务生成、虚拟确认三个系统模块，对正确性进行检查，并自动生成有关文件与数据。

3.3 虚拟环境下系统与实际操作的研究

（1）设计系统结构。针对通用航空维修系统功能将体系结构分为四个方面。其一，界面层，即输入与输出界面。为用户提供命令输入操作，以及虚拟外界设备的输入。输出界面则主要用于向用户反映处理结果。其二，应用层。其中包括整个通用航空系统的核心环节，包括管理、模型建立、仿真技术、协同配合、分析评估等多项功能。管理主要针对系统的基本任务，维修的主要资源、维修数据的管理。而建模则针对该维修计划的基本零部件信息，整体信息，维修产品等建立数字模型。仿真技术主要包括对维修操作流程的仿真处理。协同模块则针对维修中可能发生的冲突与矛盾进行交流。以及分析评估模块为针对虚拟维修技术的可行性进行分析，预估维修难度指数。其三，对象层。包括虚拟维修技术中的模型建立、协同稳健模型展示、维修资源保存、评估与总结报告等。其四，技术支持层。指各种数据库、操作系统、CAD软件等硬件与软件的结合。（2）根据方案调试设备。针对维修样机制定方案，并准备模拟维修操作中可能用到的设备，准备操作安装、拆卸、调整等有关准备工作。在三维模型拆卸安装過程中，利用计算机终端获取有关数据，分析维修中遇到的障碍，并对方案操作的有效性加以证实与评估[4]。（3）人机交互技术。人机交互技术是虚拟维修技术的关键，亦是人与机器沟通的重要桥梁。不同的系统，其具体功能与有关效果也有所差别，因此所使用的交互设备与方式存在差异。当前，通用航空中与虚拟维修技术有关的设备包括鼠标、键盘、特定传感设备、虚拟外设设备等。

维修人员利用虚拟维修培训桌面式维修系统，利用鼠标与键盘对系统进行控制。由于对沉浸感要求较高，因此选用专业摄像头、数据手套、数据眼镜、以及遥感设备虚拟控制控制的交互设备。工作人员利用专业设备对样机进行操作，其动作与思维可完全由自身掌控。

4 展望

4.1 更完善的维修考核评价功能

在虚拟维修技术中，其维修评估模块式衡量虚拟维修系统质量的重要指标，也是虚拟维修技术的核心所在。当前，虚拟维修系统中训练方法多种多样，但其训练程度相对较低，无法实现操作人员真正的专业水准。以及，针对维修过程中的数据分析与监控技术等，需要进一步提升，加深研究。针对不同的评价指标，以定量分析为最佳方式，有待提升。

4.2 更加真实的维修场景

维修场景的真实度主要依靠实体三维模型以及维修过程。尤其针对大型复杂的装备，由于其精密零部件较多，维修工艺更加专业，因此对产品模型信息应更加全面，模型优化方法的要求也将更加专业。但当前虚拟维修技术中信息集成、数据存储建立等有关技术仍需要进一步提升，加强零部件细节信息的建立。以及，虚拟维修过程中所设计的场景应更加真实，其虚拟维修功能亟待加强[5]。

4.3 通用系数有待提升

虚拟维系技术的应用领域十分广阔，不仅在通用航空中有所体现，还包括各种机械、船舶、汽车等领域。领域的不同其设计要求也存在较大差异，对规范性与综合性要求有所增加。因此，应改进虚拟维修技术的过程规划与描述方法，提出通用系数更高的虚拟维修协同设计系统。

4.4 人机交互技术的增强

人机交互是虚拟维修技术的核心，也是该技术近年来研究的重点领域。虽然其优化方法、优化途径的研究更加深入，但在当前虚拟维修系统中，大多数环境下用户与系统之间的交互仍旧不容乐观。对物体的适当行为、以及虚拟现实技术中的三维模型叠加到现实场景中等问题，需要进一步加深研究，拓宽研究领域。

5 结语

综上所述，虚拟维修技术自诞生以来，其涉及的领域十分广阔。在通用航空领域中，有效保障了维修效率与质量，提升维修航空维修自动化程度。但在该技术的应用与推广中，应进一步完善系统设计的专业性，提升人才支撑体系。促使我国民航维修工作内容更加丰富。

参考文献

[1]王栋.虚拟维修技术在民用飞机辅助动力装置可达性分析上的应用[J].航空维修与工程，2017，（07）：44-47.

[2]雷兰.关于航空器维修差错的分析以及虚拟维修仿真技术的应用[J].电子制作，2013（20）：21.

[3]邵欣桐.基于虚拟仪表的交互式故障诊断与排故仿真技术研究[D].中国民航大学，2013.

[4]王峻峰，李小俊，李世其，朱文革.EON Studio环境下基于Petri网的虚拟维修技术研究[J].机械设计与制造，2011，（12）：61-63.

[5]张中波，丰世林.虚拟维修仿真技术在航空器维修中的应用[J].西安航空技术高等专科学校学报，2010，28（05）：3-6.