基于虚拟现实技术的飞机维修手册验证方法研究

颜士煜 吴红兰

收稿日期：2024-01-15

作者简介：颜士煜（1993—），男，本科，研究方向：适航技术与管理。

摘要 飞机技术出版物在确保民用飞机的长期安全、稳定、可靠、高效和节约成本等方面发挥了至关重要的作用，对飞机维修手册进行严格的审查和验证至关重要。文章提出利用VR技术开展维修手册验证的新方法，通过对比操作验证和虚拟验证在多维度上的差异，证明了虚拟验证能够辅助维修手册的验证工作，可以进一步有效降低维修差错发生的概率，同时也能够确保手册信息的完整性、准确性和可操作性。

关键词 虚拟现实；三维建模；手册验证

中图分类号 V267文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）09-0192-03

0 引言

即使飞机最初的可靠性非常高，但是要想在长期的飞行中持续保持其可靠性，就必须正确地使用和维护它们，这就需要依赖各种相关的技术出版物进行支撑[1]。为了确保民用航空器的长期安全运行，以及正确的操作与维护，国外民航部门已经发布了严格的法律法规，要求所有的民用航空制造商都必须向客户提供有关的技术资料，以及严格的操作指南，以便客户能够更好地操作和管理[2]。

《运输类飞机适航标准》（CCAR-25-R1）第25.152 9条和第25.158 1条[3]中的“航空器的持续适航文件要求”，明确规定了民用飞机技术出版物编制和管理的基本要求。飞机制造商提供给用户的技术出版物必须正确、准确且具有良好的可操作性，而对民用飞机技术出版物进行验证的目的是检验技术出版物内容是否准确。适航当局非常重视持续适航文件的检查，并将其作为适航符合性检查的重要组成部分，关系到飞机能否取得型号合格证。

将虚拟现实技术应用于飞机维修手册的验证，具有以下优势：首先，虚拟维修技术不仅可以在设计初期对产品的可维修性进行设计评审，还可以在产品的使用和维修阶段对将要实施的维修计划进行预模拟，验证其可行性和安全性；其次，随着工程和设计的变更导致的飞机构型变更，飞机维修手册也需渐渐优化，通过虚拟验证方法进行补充评估，可以提高效率、节约成本；最后，利用虚拟维修技术，维修人员可以轻松地掌握“看到、修理和使用”未来的产品，对其中的设计缺陷进行及时的分析与评估。

1 现有验证方法及适用范围

飞机维修手册需验证的内容包括系统描述部分SDS和维修实施程序MPP两部分，考虑不同任务和不同问题的特点，目前有三种被广泛使用的验证方法，即书面验证方法、操作验证方法以及评估/模拟验证方法。

1.1 书面验证

通过书面验证，可以对维修程序和工程文件的一致性和完整性进行检查，这些文件包括但不限于经过批准的设计图纸、设计文件、各类维修分析报告等，并且可以通过计算分析、书面审核、专家评审等方式确保其准确性和完整性。经过严格的书面审查能够确保飞机/系统/零部件的详细信息完全符合要求，并且与工程文件的要求相吻合，从而达到维修工程分析和运行工程分析的目的。

1.2 操作验证

操作验证是按照维修程序所要求的步骤顺序在飞机/系统/零部件上进行操作而开展的验证。操作验证应确认与运营人的维修场景一致，包括：飞行模拟器验证、地面操作验证、地面试验验证、试飞阶段验证等。

1.3 评估验证

对于一些维修程序，虽然操作验证是其可靠性的最佳手段，但考虑安全性、经济性等因素，它们往往无法应用在飞机上，或者有些维修程序交付客戶前在主制造商的研制批准飞机上没有合适的验证机会，需要采用扩展的操作验证方法验证程序，即通过评估的验证方法同样可以达到验证程序可用性的目的。

通过合理分析不同验证方法的优缺点，结合验证工作的特征制定验证计划，合理地安排验证工作就显得额外重要。采用操作验证方法难以满足全寿命周期的手册更改的持续验证，而评估验证方法则缺乏对可信度、安全性的充分验证。通过引入虚拟样机，利用虚拟维修的环境，进行维修过程验证，丰富验证手段，实现在维修方法设计过程中以及优化过程中的持续验证。

2 虚拟现实验证系统规划

虚拟现实技术是一种基于计算机科技而开发出的创新工具，这种技术巧妙地融合了人类的视听等感知能力，从而达到一种真正的沉浸式体验。虚拟维修技术作为虚拟现实技术的衍生领域，是一种综合性的应用技术，它利用计算机技术和虚拟现实技术，将某种产品的维修过程模拟到计算机上，从而实现真实的维修任务。

总的来说，整个系统开发过程可以划分为以下几个阶段：首先通过参考维修手册以及在线资源收集飞机各部分的详细信息，包括其结构和关键零件的尺寸。接着将这些数据应用于3DsMax的三维建模工具，并按照层级进行模型的重新构建。接下来对模型进行了纹理处理和进一步优化，以便达到预期的视觉效果。最后将优化后的模型保存为.fbx格式的文件，并将其导入Unit 3D软件中。在该研究中，选择C#作为主要的脚本编程语言，因为它具有简洁且高效的特性，这与Unity 3D所支持的其他编程语言如Java Script相比更为突出。首先借助3DsMax创建了虚拟模型，然后通过C#编写的控制脚本，实现了对这些模型的精确操控。接下来将目光转向HTC VIVE设备，并利用其构建了一个虚拟维修环境。在这个环境中，结合了Unity 3D的虚拟引擎，进一步优化模拟效果，最终实现飞机的整体展示、零部件介绍、虚拟拆卸和组装等功能模块。

3 虚拟现实验证系统实现

3.1 模型创建及贴图处理

当前市场上的三维建模工具主要依据其采用的建模策略进行分类，其中包括多边形建模（Polygon）和曲面建模（Nurbs）两种主要类型。该训练系统模型主要使用3Ds Max软件通过多边形建模技术进行三维建模，同时使用PS及Unity 3D进行贴图制作等工作。

该虚拟现实验证系统的主要验证对象是针对国产大飞机C919的技术出版物，需要根据C919飞机相关数据开展飞机结构及部分零部件的建模工作。

首先针对飞机外部结构，通过收集相关文件资料及辅助生产制造的数字样机，获得了飞机主要结构部分的相关数据，可以作为建模的基础，提高建模精度。

除了飞机外部结构外，在手册验证过程中最常出现的场景就是驾驶舱场景。驾驶舱内部场景结构复杂，零部件众多，组件相互配合紧密。相比于飞机外部结构的建模过程，驾驶舱内部的建模过程对模型精度提出了更高的要求。

飞机的基本模型建立后只能代表被建模物体的外形轮廓和三维空间参数，想要达到更真实的模拟效果且材质能够被Unity3D识别，就必须在模型表面进行贴图以模拟真实物体表面的纹理。经过对飞机外部结构的简单建模及贴图处理后，得到了飞机外形的基本模型，如图1所示。

图1 C919飞机外部结构模型

3.2 搭建场景及编写脚本

该系统采用Unity3D的地形Terrain组件进行建模，选择上海浦东机场5号机坪556号机位作为场景的主要基础，包含航站楼、停机坪、地面勤务车辆、照明消防设施等，Unity3D中创建的机场场景如图2所示。

图2 机场场景效果图

通过虚拟训练系统，受训者可以通过计算机图形进行训练，但是这也会带来大量的人机交互问题，而这些问题的解决方案质量将会直接影响训练的最终效果。优秀的交互设计对于提升用户体验并增强训练成果至关重要。在进行交流时，必须清楚地定义目的和方式。

对于该文所研究的虚拟现实验证系统，存在人机交互的部分。首先便是虚拟环境中视角的变化，通过VR设备感知使用者在空间中的相对位置变化，同步改变虚拟场景中摄像机的位置，让使用者实现身临其境的移动感受；其次便是在画面中进行类似鼠标的点击功能，控制手柄具有激光指向功能，即在扣动手柄扳机后，在画面中会出现一条自手柄出发的指向无穷远的激光束。利用这根激光束，再结合激光与零部件之间的碰撞检测功能，继而能够让使用者开展零部件选择、零部件拆装、零部件移动等多种作业。

4 虚拟现实条件下的手册验证

4.1 虚拟验证流程设计

维修手册验证工作任务艰巨，对于新型飞机的正常运行具有非常重要的意义，而且对于验证方法的选择往往都是根据实际工作情况和需要，结合多种方法开展。如何利用新技术新方法快捷、有效地完成手册验证工作，便是摆在主制造商面前的一个问题。

首先，所有的维修程序均需要开展书面验证，在经过书面验证确认文本描述没有问题后进入下一流程；结合试飞工作计划判断，对于具备在试飞过程中结合维护操作开展使用验证的，应优先选择开展使用验证。对于短时间内不具备使用验证条件的维修程序，可以通过分析规划飞机在后续试飞过程中是否具备开展专项验证的机会，但由于试飞过程中的停场改装时间具有比较大的临时性和不确定性，可以视现场计划和改装任务情况穿插安排专项验证工作。

对于既无法开展使用验证又在未来一定时间内无专项验证计划的维修程序，可以根据维修程序的复杂程度选择评估验证或者虚拟验证。对于程序相对简单、步骤数量少，或是具备相似性评估条件的程度，就可以选择开展评估验证，其余仅通过评估验证仍然存在遗留问题的复杂维修程序，就可以选择开展虚拟验证流程。

4.2 虚拟验证情况

为了对比传统的操作验证与虚拟验证的优缺点，结合前期C919飞机手册验证工作的经验，选择部分前期已经过操作验证的相对复杂的维修程序，在虚拟验证系统中再次开展虚拟验证试验。从时间成本、经济成本、人力成本、验证准确性、操作难易程度等几方面开展对比，分别选择高升力系统和起落架系统的共20份操作程序开展虚拟验证。

如图3所示为操作者在虚拟环境中准备开展襟翼拆装的作业画面。

图3 操作人员在虚拟环境中准备开展襟翼拆装作业

4.3 问题分析及效果对比

经过仔细分析发现，每一份维修手册都必须经过书面验证，以确保其内容完整、与工程文件一致，并且符合维修工程分析和运行工程分析的意图，技术上也准确无误。在此基础上，根据分析需要，可以选择进行操作验证或者评估/模拟验证。

书面验证，在任何阶段均可以开展，不受任何其他因素的影响，没有飞机实物安全风险，是所有手册验证工作的前提，但是需要经验相对丰富的手册使用人员进行审查。

对于操作验证而言，受飞机实物工作进度影响最大，同时会额外增加飞机研发成本，还可能导致飞机出现损坏或故障，增加飞机安全风险；

使用验证经济性好、效果好，但是定检项目较少，验证范围较窄，随机性较大；专项验证效果好，但经济性差，而且对试飞飞机的计划安排有较大的影响。

针对评估/模拟验证方法而言，验证过程中缺乏实际操作，相比于操作验证，能够节约时间、降低风险、减少成本；但是同样的，验证效果也不如操作验证更加直接有效。

通过对虚拟验证和操作验证进行对比，虚拟验证系统完成一份维修程序的验证所需的工时不足操作验证的1/10；平均人力薪资成本仅1/8，且工作环境友好，不存在油污、噪声等影响操作人员工作的因素；除了前期系统搭建所需的成本外，后续开展虚拟验证工作几乎没有附加成本；验证过程不受其他机上工作的影响；对于验证过程中发现的问题，在完成手册修改后也可以随时开展重复的验证工作。

5 结语

该文针对民用飞机维修手册的符合性工作，研究了现阶段几种主要验证方法，分析了现有几种主要维修手册验证方法的优缺点，并提出了依靠虚拟现实技术中虚拟维修这一分支技术的支持，与建立的虚拟现实验证系统在人力、时间、成本等维度上进行对比，取得了一定的成果和预期的效果。在虚拟场景中开展手册验证的方案，目的在于提高验证的效率，打破飞机本体状态对手册验证的制约，降低验证过程中的安全风险和成本，在一定程度上提高了我国民用飞机制造商的技术出版物验证能力。

参考文献

[1]马思宁. 飞机维修手册验证的研究[J]. 航空维修与工程， 2015（09）： 93-95.

[2]朱杰霞， 陈朋. 浅析民用飞机运行文件和持續适航文件的验证实施[J]. 科技创新导报， 2016（27）： 15-18+53.

[3]运输类飞机适航标准： CCAR-25-R4[S].北京：中国民用航空局， 2011.