AR技术在飞机维修领域中的应用与开发

刘 超 刘高胜

广州民航职业技术学院飞机维修工程学院 广东广州 510403

AR技术最初是由航空领域的波音公司研究员托马斯·考德尔(Thomas Caudell)于1990年提出的[1]。增强现实技术首先需利用计算机生成包含有图像、视频、音频、3D模型等信息的虚拟物体，然后将其与现实的场景深度融合，两者进行信息的共存、补充和叠加，形成虚实结合的空间，也便于使用者实时互动，更直观与清晰地学习[2]。增强现实技术是不同于虚拟现实(Virtual Reality，VR)的。VR技术是利用计算机技术把真实世界仿真出一个虚拟世界或完全开发出一个虚拟世界。学习者通过佩戴相关设备可完全融入这样一个有立体感的视觉、听觉、触觉、嗅觉的虚拟世界，帮助学生快速学习或掌握一些看不见、摸不着、进不了的物体或空间[3]。所以说，AR技术其实是VR技术的延伸，其优势是既营造了虚拟世界信息，又不破坏真实场景，将虚拟信息与真实场景融合，达到虚实的交互与增强目的。简单地说，AR技术是将一个虚拟的世界投射到真实世界中，而VR技术是在真实的世界中营造一个虚拟的世界，见图1。未来几年，随着智能手机与平板电脑的普及和其技术的发展，AR技术可轻松在移动端操作，从而逐步实现了在军事、医疗可视化、教育、工程机械、图书设计等诸多领域的深度应用。而AR技术在航空领域也会有很大的应用价值。

图1 AR与VR技术的区别与联系

民航维修是一个高技术、高复杂、高成本的行业。飞机属于大型的复杂的机电液系统，涵盖了气动、机械、电子电气等大量技术，其内部结构十分复杂，特别是航空发动机，部件多、难接近，在进行维护、拆装与排故时十分麻烦，这就要求工程技术人员具有极高的综合能力。而在实际运营中，有时由于地理位置限制、经济条件约束导致不能配备足够的工程技术人员，就会出现维修装配错误率高，维修效率低下问题。而采用AR技术的可视化技术可以将维修部件原理、维修指导意见、维修工卡等形成虚拟的影像与现实中的物体进行无缝对接，清晰的说明、指导和演示可指导维修人员快速维修与排除故障，保障航班的安全运行。本文介绍了AR技术在飞机装配制造、飞机维修手册、飞机维修工作、民航专业培训、民航专业教育等方面的应用，同时分析出AR技术用于飞机维修教学资源的设计与开发的思路，为民航行业人员提供参考。

一、AR技术在飞机维修领域的不同方向应用

(一)AR技术在飞机智能装配中的应用

国外的GE公司将最新研发的智能扭矩扳手和增强现实技术应用到航空发动装配中。航空发动机是高精端的机器，在制造与装配中有稍微的误差都会导致设备效率降低或出现故障，因此，装配中的精度一定要严格控制。GE公司开发了一款增强现实软件——Skylight软件。装配工程师在安装紧固件时，只需佩戴谷歌智能眼镜，即可看到此款AR软件呈现出的拧紧力矩，以实时指导和提醒工程师，避免力矩过松或过紧的误差，严格达到手册的要求。经实践检验，此款AR软件效果非常好，工程师的错误率明显下降，平均生产效率也提高了8%～12%[4]。

空客公司在A350和A380飞机的装配质量检查环节使用基于AR技术的智能增强现实工具(SART)。装配师将某款飞机的管线定位托架的操作和安装结果导入SART中，此软件即会将数据与原始数据进行对比，自动生成报告确定安装是否有缺失，错误定位或托架损坏。装配师根据报告结果进行再次替换或修理，大大缩短了几万个托架的检测时间[4]。

波音公司则开发了基于Skylight软件的机舱布线流程。该技术成功地简化了布线工作流程与时间，并将错误率降至零。同时该系统可根据布线计划实时制作三维图纸，使用者佩戴相关设备后直观看到设计图，并与飞机视图相吻合[5]。

国内的上海航空工业有限公司针对飞机电气线路互联系统(Electrical Wiring Interconnection System，简称EWIS系统)的装配过程中，连接器的安装孔位多、易混淆、操作烦琐等困境，设计了智能算法用于AR眼镜中快速识别出图像中的连接器，并与数据库中的连接器型号匹配，指导装配，提高装配的效率和准确性。国产C919飞机也引用了此项技术[6]。

(二)AR技术在飞机维修手册中的应用

随着电子技术的发展，逐渐出现了一种新型的飞机电子手册，称为交互式电子技术手册(Interactive Electronic Technical Manual，IETM)。该手册集成了飞机装备基本原理、操作使用和维修保障的文字，并整合了图形、表格、音频和视频等多种形式，最重要的是实现了人机交互。中国航空综合技术研究所正在研究在基于S1000D规范的手册中引入增强现实(Augmented Reality，AR)技术。此种手册的研究基本原理是需将手册内容与工业设计的三维模型进行数据融合，在使用时AR终端设备呈现此三维模型，实现虚实结合，并提供人机交互，指导操作人员进行工作，提升工作效率，降低维护成本[7]。

(三)AR技术在飞机维修中的应用

为了保证飞机的正常飞机，需在航前、短停和航后对飞机进行详细的检测与维护，如发现问题，应及时地进行维修与排故。日本航空公司最初在檀香山机场的维护工作上利用了AR技术。工程师在对某部件进行维修时佩戴谷歌眼镜，即可识别此部件的状态和参数，实时地为维修工提出指导意见，对出现操作失误的现象会立马进行报警，及时纠正。

另外，在飞机短停检查中如发现问题，现场无资深专家时，可利用AR技术进行飞机远程维修与排故指导。国内的南方航空公司与中国电信联合研发了“5G+AR远程技术支持平台”。该平台已覆盖全国13个飞机站点，并已成功与广州机务维修中心实现远程连线和专家会诊。此种模式需要现场维修人员佩戴AR智能眼镜实时分享飞机的停机位，并对准故障部件反馈现场情况。广州机务维修中心工程师使用AR软件中的三角标记、文件传输等功能帮助现场维修人员确认故障点，并提出排故方案。除此之外，中国南方航空公司还开发了基于AR技术的发动机远程孔探软件、基于AR技术的航线工卡检查软件、基于AR技术的航材智能送修软件等[8]。

(四)AR技术应用民航专业培训

国外的法荷航维修工程公司利用AR技术进行航空维修的专业培训。该公司已开发了一款对波音787飞机技术培训的AR系统，使用该系统进行培训时，受训者只需要5天时间便可完成全部培训课程。普惠已经开始将GTF发动机VR模拟器用于员工和客户培训[4]。

中国民航科学技术研究院利用增强现实技术初步实现了涡喷—6型发动机的培训应用场景。参训学员只需在手机上打开软件，即可完成涡喷—6型发动机的整机漫游、部件增强识别、部件三维爆炸图和部件装配的控制与操作。此种模式实现了一人一手机一发动机，有效解决了培训机构的发动机台数不足、拆装受限的窘境，缩短了培训时间，提升了培训效率[9]。

(五)AR技术在民航专业教育中的应用

中国航空博物馆将增强现实技术应用在展品和儿童游园中，采用虚拟与现实融合的方式，将传统的单一化、被动式的枯燥参观形式转变成多样化、互动式的多感官参观。这种既有趣味性又带娱乐性、参与感强的形式，更加有效地传播了民航科普教育，充分提升了博物馆的社会育人效果[10]。

在航空类的高校也掀起了将AR技术应用于航空教学的研究。南京航空航天大学的研究团队在航空宇航制造工程专业课程教学实践中引入增强现实技术，利用智能可穿戴装配原型系统模拟飞机装配场景，显示正确的装配路径和方法，指导学生进行飞机结构件或线缆装配。中国民航大学基于Hololens设备，开发了一套数字化飞机增强现实教学平台，该平台可360度展示飞机结构，教师可根据教学内容自主创建三维教学资源，供学生自主学习。中国民航大学的张青团队利用移动增强现实技术，开发智能化的民航发动机增强现实移动端实验系统，将手机摄像头对准发动机模型实物识别，若成功就会在眼前呈现携带发动机部件功能与作用、检查方法及维护拆装步骤等信息的发动机实物模型。这种虚实结合的增强信息，可让学生随时随地感知发动机，认识发动机复杂部件的原理和结构，为民航相关专业的实验教学提供便利。中国民航大学也自主开发了航线维修增强现实引导原型系统和增强现实诱导飞机维修系统，营造了真实的飞机维修场景，在实际教学中提升了学生操作技能。

二、AR技术在民航维修教育资源设计与开发思路

民航维修专业教学中长期存在因飞机结构复杂、购置设备成本高而“看不到内部结构、进不去内部操作、动不了设备”的教学痛点，通过开发基于AR技术的教学资源便能较好地解决此问题。而目前开发大型AR仿真系统成本比较高，对于普通教师常因经费问题无力开发，因此可采取开发小型的教学资源。课堂上，学生只需扫描二维静态图片，即可观看到此部件的详细结构。基于这样一个思路，结合AR技术特点，总结出AR技术设计与开发教学资源的思路如图2所示。

图2 AR技术设计与开发教学资源的思路

(一)确定软件开发的需求

功能性需求包括图片识别、爆炸展示、原理动画、部件拆装等；稳定性需求包括可靠性、可维护性、安全性等；开发性能需求是指软件的优化程度，例如提升软件启动速度和加载速度，能够保证高效开发而不产生数据阻塞等。

(二)软件UI设计

主要是设计软件的人机交互形式与方式、软件操作逻辑、软件的封面及内容的美观性。

(三)数字模型制作

通过模型制作软件，以实物图片或图纸为参考进行1∶1地制作3D MAX模型，并确保场景尺寸、单位，模型归类塌陷、命名、节点编辑，纹理、纹理尺寸、纹理格式、材质球等符合制作规范。

(四)软件开发与优化

根据需求说明以及UI逻辑，利用Unity3D进行开发编辑，在Unity3D通过C#编写脚本以达成各需求的实现；测试软件各功能，根据测试结果优化代码和模型，测试通过后完成测试报告。

(五)软件发布与反馈优化

软件进行试运行，稳定后发布，根据使用者的功能需求、操作体验反馈意见进一步优化完善软件。

总体而言，AR技术这种全新的现代技术在航空维修中得到了广泛的应用，其良好的交互性、可视化的特点受到用户的肯定。随着5G技术的发展、云计算以及便携式显示设备等技术的发展，AR技术在未来的民航智慧维修及民航专业教学中大有所为。