趙 博，劉鳳財，向彩霞

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2.北京航天長征科技信息研究所，北京，100076）

航空航天虛擬裝配和虛擬維修進(jìn)展綜述

趙 博1，劉鳳財1，向彩霞2

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2.北京航天長征科技信息研究所，北京，100076）

總結(jié)了航空航天領(lǐng)域虛擬裝配和虛擬維修技術(shù)的應(yīng)用情況，并分析了后續(xù)在中國航天領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，與增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合，以國產(chǎn)平臺為依托，向著小型化、輕型化的方向發(fā)展。

航空航天；虛擬裝配；虛擬維修

0 引 言

操作維修性屬產(chǎn)品設(shè)計特性，對于航天器等裝備尤為重要，它必須在產(chǎn)品設(shè)計時確定。其工作內(nèi)容主要包括：a）從產(chǎn)品設(shè)計階段開始的操作性和維修性進(jìn)行設(shè)計分析和驗證評估；b）研制后期的操作維修技術(shù)手冊編寫；c）交付前開展的操作維修訓(xùn)練等。

在傳統(tǒng)的工作模式下，維修性分析評估依賴于物理樣機(jī)，致使維修缺陷發(fā)現(xiàn)得相對較晚；維修性分析的自動化程度遠(yuǎn)不及CAD/CAE/CAM 等工程技術(shù)，尤其是定性分析多采用手工方式；傳統(tǒng)模式的工作過程為串行過程，不符合并行工程的要求。

隨著數(shù)字樣機(jī)和虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality, VR）等技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)字樣機(jī)在設(shè)計早期階段即能夠較好地開展維修性、操作性的分析與驗證[1]，評估設(shè)計方案的可行性和合理性，能夠盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計不協(xié)調(diào)問題，及時修改設(shè)計方案，為縮短研制周期、提升產(chǎn)品質(zhì)量奠定良好的基礎(chǔ)，同時可以為后續(xù)裝備的維修保障分析、虛擬培訓(xùn)等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本文分析了航空航天虛擬裝配和虛擬維修進(jìn)展，汲取經(jīng)驗教訓(xùn)，聚焦發(fā)展方向。

1 國外研究現(xiàn)狀

1.1 戰(zhàn)神火箭的虛擬裝配

馬歇爾太空飛行中心從1986年起使用數(shù)字化企業(yè)互動制造應(yīng)用軟件（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application，DELMIA），主要用于機(jī)器人技術(shù)、人機(jī)功效學(xué)、裝配等方面[2]。在阿瑞斯（戰(zhàn)神）I型火箭的研制中，采用并行協(xié)同的可制造性分析，從可裝配性、人機(jī)工效、裝配環(huán)境模擬等方面開展了以下工作：

a）裝配仿真：驗證操作序列和加工方法；優(yōu)化裝配過程；減少下游生產(chǎn)計劃。

b）人機(jī)工程學(xué)（工效學(xué)）：識別危險操作；驗證裝配、測試、操作、維護(hù)過程中的可達(dá)性。

c）工廠（環(huán)境）定義與分析：驗證操作空間的大?。或炞C操作順序和大尺寸加工方案；估算投資總額；識別裝配過程中的難點。

圖1和圖2為NASA在阿瑞斯I型火箭的研制中的仿真情況。通過仿真減少了約100～312.5人/天的工作量，較傳統(tǒng)模式減少了1/4的工作量[2]。

圖1 NASA在阿瑞斯I型火箭研制中的維修仿真（級間段）

圖2 NASA在阿瑞斯I型火箭研制中的仿真（操作可達(dá)性）

1.2 獵戶座宇宙飛船的虛擬裝配

洛克希德馬丁空間系統(tǒng)公司和美國航天局合作，對獵戶座宇宙飛船進(jìn)行了人機(jī)工程方面的模擬分析，如圖3所示。

獵戶座的挑戰(zhàn)是巨大的，因此需要面對大量的模擬。在大約相當(dāng)于一個小臥室一半的空間內(nèi)，需要布置宇航員衣服及設(shè)備、航空電子設(shè)備、電腦、生命支持系統(tǒng)、熱防護(hù)設(shè)備等。留給宇航員的空間只有剩下的約10 m3。因此，在飛船設(shè)計中，對體積、質(zhì)量和功率均有苛刻的要求。而人機(jī)工程仿真能夠較好地解決這一棘手問題。

如果一個組件拆出的過程必須要先拆出別的組件，需要詳細(xì)考慮宇航員執(zhí)行該任務(wù)的詳細(xì)操作。例如：一位LMSSC的高級機(jī)械工程師的任務(wù)是要拿出一個方案統(tǒng)籌考慮宇航員的位置、宇航員之間的間隔以及座椅設(shè)計以確保宇航員能夠順利地接觸到控制臺。利用多達(dá)11個不同的宇航員數(shù)字模型，初步模擬活動空間、到達(dá)儲藏處、進(jìn)入和退出等過程。

圖3 洛克希德馬丁空間系統(tǒng)公司對獵戶座宇宙飛船的仿真

獵戶座項目的人機(jī)工程模擬主要分為2個部分：靜態(tài)分析和動態(tài)分析。首先是進(jìn)行靜態(tài)分析，靜態(tài)人體模型用來確定宇航員在自己的座位上是否“適合”：是否有腳部、膝蓋和肘部的間隙，并且避免頭部受顛簸碰撞?！斑m合”是非常重要的，因為美國航天局要求獵戶座飛船內(nèi)能夠容納從身高比例為1%的女性（即身高低于99%女性的女性）到身高比例為99%的男性（即身高超過99%男性的男性）。

通過人機(jī)工程仿真，可以將原本數(shù)星期的驗證工作時間縮短至一到兩天。LMSSC的工程師Delnero總結(jié)了使用數(shù)字人體模型進(jìn)行人機(jī)工程分析所取得的成就：

a）數(shù)字樣機(jī)使得工程師與管理者直觀地看到了獵戶座飛船的內(nèi)部構(gòu)造及布置情況，并了解飛船內(nèi)部空間的狹??；

b）利用一個身高較高的數(shù)字人體模型模擬了從艙口進(jìn)出的動作，消除了設(shè)計的擔(dān)憂。

值得一提的是，在仿真項目中，NASA采用的是Pro/E 野火2.0版本產(chǎn)生的三維模型，通過中間文件格式STEP轉(zhuǎn)換為仿真模型供LMSSC的工程師分析。大多數(shù)STEP文件大小約為1 Gb或數(shù)百兆左右。每一個STEP文件的處理時間約為2 h，包括創(chuàng)造一些表面并著色。此外，在人機(jī)因素中不需要考慮的組件，如壓力容器結(jié)構(gòu)等，都做了隱藏或刪除處理。在某些仿真任務(wù)中，用于模擬的人體模型是穿著笨重的宇航服并帶著頭盔的。

仿真軟件采用DELMIA，軟件版本為V5R16，采用Windows操作系統(tǒng)。硬件設(shè)備為惠普4100工作站（3 Gb 內(nèi)存，Intel Xeon 2.8 GHz CPU）。根據(jù)工程師Delnero的觀點：“仿真軟件幾乎是完全滿足任務(wù)的需求”。

1.3 美國空軍的虛擬維修

美國空軍阿姆斯特朗實驗室與賓夕法尼亞大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的人員訓(xùn)練與人素的設(shè)計評估（Design Evaluation for Personnel Training and Human Factors，DEPTH）項目，采用可視化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行維修與保障分析的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。該項目的研究主要采用數(shù)字樣機(jī)與3D人體模型技術(shù)，用以提前確定維修過程內(nèi)容與過程中的人力資源需求、生成訓(xùn)練輔助材料。通過將維修仿真結(jié)果輸入交互式電子技術(shù)文檔（Interactive Electronic Technical Manual，IETM），使其成為維修手冊與維修訓(xùn)練資料的一部分，實現(xiàn)在一次仿真中完成多項與維修相關(guān)的任務(wù)，大大減少了重復(fù)性的開發(fā)工作。

1.4 洛克希德馬丁空間系統(tǒng)公司戰(zhàn)機(jī)的虛擬維修仿真

洛克希德馬丁空間系統(tǒng)公司從1995年開始逐步淘汰支持了多個F-16項目的金屬樣機(jī)，轉(zhuǎn)而實行虛擬維修。其實現(xiàn)過程包括：a）集成多種商用軟件（如DELMIA、Jack等）實現(xiàn)虛擬維修能力核心；b）實現(xiàn)交互式CAD系統(tǒng)到COMOK的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；c）開展虛擬維修確認(rèn)以及維修性和人機(jī)工效分析。取得的效益主要有：a）維修性分析更加形象、逼真和準(zhǔn)確；b）使維修性分析趨于標(biāo)準(zhǔn)化，避免主觀影響；c）改善了設(shè)計人員、維修性工程人員和維修人員間的信息溝通渠道；d）節(jié)省研制費用，縮短研制周期。該成果還被應(yīng)用于F-22和JSF項目，例如在JSF項目中應(yīng)用DELMIA對發(fā)動機(jī)拆裝、武器裝填等過程進(jìn)行仿真。

洛克希德馬丁空間系統(tǒng)公司研制的F-35“隱形”戰(zhàn)斗機(jī)為適應(yīng)美國空軍、海軍和海軍陸戰(zhàn)隊等不同的作戰(zhàn)需要，具有3種變型機(jī)種，并且組裝、維護(hù)工作量巨大，需要攜帶炸彈、導(dǎo)彈、大炮、不同類型的雷達(dá)、燃料箱、電子對抗、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等多種武器和設(shè)備。為了完成不超過一年的訂單和交貨時間間隔，不超過5個月的裝配，F(xiàn)-35的設(shè)計制造過程中進(jìn)行了大量的裝配仿真，主要包括：

a）前機(jī)身裝配順序規(guī)劃；

b）柔性操作平臺對機(jī)翼上部蒙皮的裝配操作，該平臺是一個自動化的系統(tǒng)，可編程自動鉆孔、鉚接裝配夾具；

c）橫跨10.6 m的機(jī)翼的完全裝配序列規(guī)劃；

d）飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)與機(jī)身中段、前部與尾部精確地?zé)o調(diào)整地對接仿真；

e）最終總裝與運輸生產(chǎn)線的仿真；

f）機(jī)器人的噴涂仿真與離線編程。

洛克希德馬丁空間系統(tǒng)公司的SAIL實驗室將動作捕捉和虛擬現(xiàn)實相結(jié)合，創(chuàng)造出沉浸式工程技術(shù)。在F-35閃電II戰(zhàn)機(jī)的研制中開展了大量的虛擬操作、虛擬訓(xùn)練等工程仿真項目，為設(shè)計、制造方案的確定提供了極大的幫助。

SAIL管理人員談到，在從事了大約40個模擬項目后，效益已達(dá)7.5億美元，并有望在2007年締造10億美元的記錄，投資回報率預(yù)計為15∶1。更為重要的是，SAIL正在逐步在海軍方面為洛克希德馬丁空間系統(tǒng)公司樹立信譽(yù)，而之前它一直是美國空軍的供應(yīng)商。

SAIL將DELMIA ENVISION軟件緊密整合到來自VRSim公司的SimIO和MiniViz軟件（用于同步展示的VR工具），以及來自Motion Analysis公司的一個光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)上。SAIL的顯示設(shè)備為洞穴式系統(tǒng)，由左、中、右、地面4個投影面組成。SAIL的“外圍設(shè)備”包括：數(shù)字頭盔，來自Virtual Research Systems公司；六自由度頭部跟蹤器，來自InterSense公司；數(shù)據(jù)手套，來自Immersion公司，其中的傳感器可捕捉用戶雙手、手腕和10根手指的任何動作。此外，還有更為簡單的手套僅針對手的位置進(jìn)行跟蹤；6攝像頭的球形數(shù)字化視頻系統(tǒng)，來自Point Grey Research公司，用于通過捕捉現(xiàn)實世界的視頻信息進(jìn)行模擬驗證；一個激光掃描儀，來自Leica/Hexagon公司，用于捕捉并生成3D模型。

SAIL在14臺戴爾670電腦上運行，標(biāo)配為NVidia Quadro FX 3400顯卡，生產(chǎn)于2005年。4臺電腦顯示到CAVE的投影墻上，工程師Dobbins解釋說，“我們其實可以使用一臺電腦將任何數(shù)量的視點結(jié)合到一面CAVE墻上，通?？砂?名使用頭戴式可視設(shè)備（Head Mount Display，HMD）的用戶的視點，而對其他人的視點忽略”。每個HMD都配有一臺自己的電腦。

另外3臺電腦用于ENVISION、Mocap和數(shù)據(jù)/許可服務(wù)器。Dobbins談到：“算上CAVE中佩戴立體眼鏡的4名用戶，和Mocap中佩戴HMD的4名用戶，我們共使用11臺電腦，可按照需要的數(shù)量來瀏覽電腦中的場景，而這不會影響系統(tǒng)的進(jìn)程”。

SAIL的成功之處在于，將CAD、動力學(xué)、動作捕捉和虛擬現(xiàn)實整合在一起。相對于以往渲染工程信息方法來講，SAIL最大的改善之處在于將CAD、人體動作、飛機(jī)部件、船只元素和周圍空間整合為一體。其價值在于能夠精確地描繪現(xiàn)實的空間、時間和動作。

穿上動作捕捉服，SAIL技術(shù)人員模仿了飛機(jī)運載工具的發(fā)射情況。依靠反射的白點保持Mocap攝像頭對它的定位

SAIL以2種密切聯(lián)系的方式操作：Mocap和VR渲染。Mocap演示方式類似于好萊塢電影，在一個4.5 m×6 m的空間內(nèi)，周圍有24臺互相連接的視頻攝像頭，4名人員做出彈射器發(fā)射、武裝飛機(jī)、甲板上離地試飛或更換發(fā)動機(jī)的動作。

各項任務(wù)中，表演者穿戴有貼身的深藍(lán)色或黑色服裝，類似于水下潛水員的裝束。衣服上有無數(shù)的高反射球形裝置，通過這些裝置，攝像頭可捕捉到每一個細(xì)微的動作。而Dobbins的工作就是將每一個Mocap動作即時反映在VR CAVE當(dāng)中。截至2007年年中，SAIL已建立了將近40個仿真項目[3]，包括：

a）在飛機(jī)腹部安裝彈藥筒。

b）在飛機(jī)下方進(jìn)行武器系統(tǒng)服務(wù)。

c）在機(jī)翼下方安裝導(dǎo)彈和炸彈。

d）海洋上，當(dāng)飛機(jī)尾部懸停在飛行甲板邊緣時，操作人員接觸外部操作面板。

e）飛機(jī)預(yù)備發(fā)射，連接到甲板下方蒸汽動力的彈射器活塞環(huán)。危險的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門區(qū)域以紅色模擬。這種模擬同樣顯示駕駛員以全動力操作發(fā)動機(jī)時的錨泊操作。

f）確保返回過程中，船只攔阻索和飛機(jī)尾鉤的正確連接。

圖4為對F-35船甲板的多個操作與維護(hù)場景做出的6個模擬動作，如圖4所示，由上到下分別為STOVL起升風(fēng)扇的拆卸和CV機(jī)尾掠過水面檢查；內(nèi)部武器裝載；在LHD運載裝置上STOVL耗盡（使用計算流體動力學(xué)進(jìn)行的開發(fā)）重置CV尾鉤和加燃料探頭檢查。

圖4 模擬動作

2 中國研究現(xiàn)狀

中國航天員科研訓(xùn)練中心在2009年成功研制一套單機(jī)虛擬操作訓(xùn)練演示系統(tǒng)，并于2013年提出并實現(xiàn)了一個基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的航天員太空協(xié)同操作訓(xùn)練仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能支持多名航天員模擬太空協(xié)同操作訓(xùn)練任務(wù)、實現(xiàn)各參訓(xùn)航天員計算機(jī)虛擬場景實時一致、處理訪問沖突問題，以“神舟七號”航天員協(xié)同取載荷的仿真應(yīng)用實例驗證了該仿真系統(tǒng)的合理性和有效性[4]，如圖5所示。

軍械工程學(xué)院裝備保障工程試驗室研制開發(fā)的新型虛擬維修平臺——交互式桌面型虛擬維修訓(xùn)練平臺現(xiàn)已推廣使用。該平臺以維修訓(xùn)練需求為牽引，以虛擬訓(xùn)練為主要技術(shù)手段，提供對機(jī)械、電子、液壓等類型裝備的構(gòu)造原理、操作使用、分解組合、檢查調(diào)整、故障診斷等內(nèi)容的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練與考核，使得受訓(xùn)人員掌握相關(guān)維修知識與操作技能，達(dá)到近似實際訓(xùn)練的效果。此外，維修幫助可以提供常見維修任務(wù)的操作幫助和相關(guān)資料查詢等功能。該平臺采用了最新的虛擬維修訓(xùn)練模型體系和系統(tǒng)架構(gòu)，兼容常見的虛擬現(xiàn)實引擎，不需要用戶編程，只需將相關(guān)維修訓(xùn)練數(shù)據(jù)聚合即可生成具體裝備的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，給用戶提供“真實”的虛擬訓(xùn)練環(huán)境[5]。

圖5 兩名參訓(xùn)航天員協(xié)同回收載荷訓(xùn)練配置環(huán)境

浙江大學(xué)對分布式虛擬現(xiàn)實、虛擬裝備裝配及應(yīng)用于工效學(xué)領(lǐng)域的虛擬人體模型進(jìn)行了研究[6]；國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究了虛擬人行走規(guī)劃方法；北京航空航天大學(xué)、北京大學(xué)、武漢大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)也都對虛擬人體模型進(jìn)行了研究[7,8]，并且大都集中于工效學(xué)領(lǐng)域，主要針對維修訓(xùn)練中的具體問題。

3 發(fā)展趨勢

隨著航天產(chǎn)品三維研制模式的不斷推進(jìn)，基于三維模型的虛擬現(xiàn)實仿真具有越來越重要的應(yīng)用意義，同時相關(guān)系統(tǒng)的發(fā)展主要有以下幾方面趨勢：

a）與增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合。增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新興計算機(jī)應(yīng)用和人機(jī)交互技術(shù)。借助光電現(xiàn)實技術(shù)、交互技術(shù)、多傳感器技術(shù)和計算機(jī)圖形與多媒體技術(shù)將計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境與用戶周圍的真實場景相融合，使用戶從感官效果上確信虛擬環(huán)境是其周圍真實場景的組成部分。虛擬現(xiàn)實讓用戶完全沉浸于計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，而增強(qiáng)現(xiàn)實實現(xiàn)了虛擬圖像和真實環(huán)境的無縫融合，從而可以增強(qiáng)虛擬維修的沉浸性和交互性。結(jié)合虛擬模型和半實物模型的自身優(yōu)點，開展不同應(yīng)用條件下的虛擬訓(xùn)練仿真工作。

b）系統(tǒng)功能多樣化，設(shè)計所需軟件開源化。目前，國內(nèi)虛擬仿真系統(tǒng)基本上是通過Virtools、Delmia、Jack商用軟件提供的接口進(jìn)行二次開發(fā)。不僅價格昂貴，而且開發(fā)單一，無法滿足系統(tǒng)功能多樣化的需求。OSG、Unity 3D等開源或較開放的軟件平臺成為了中國虛擬仿真技術(shù)發(fā)展的突破口，可基于此類軟件研制出具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件平臺。

c）整合電路仿真功能。目前，虛擬訓(xùn)練領(lǐng)域中的研究主要針對裝備機(jī)械部件的操作進(jìn)行的，沒有涉及到裝備內(nèi)部電氣方面，尤其是針對電路的仿真訓(xùn)練。未來的研究方向，應(yīng)該著眼于將電路級的維修訓(xùn)練融入到虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)中，以此來完善虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，使得裝備技術(shù)人員能夠通過虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)得到更加全面的培訓(xùn)。

d）系統(tǒng)的小型化、輕型化。目前結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)受制于顯示設(shè)備、位置跟蹤設(shè)備等硬件，體積較為龐大，建設(shè)費用較高，隨著3D頭盔、眼鏡等設(shè)備顯示效果及性能的進(jìn)一步提升，人機(jī)交互設(shè)備的更新?lián)Q代，有望在未來的幾年內(nèi)實現(xiàn)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的小型化、輕型化，進(jìn)而使其在更廣泛的領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用推廣。

[1] 劉佳, 劉毅. 虛擬維修技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報, 2009, 21(11): 1519-1534.

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Summary of Virtual Assemble and Virtual Maintenance in Aerospace

Zhao Bo1, Liu Feng-cai1, Xiang Cai-xia2
(1.Beijing Institute of Astronautic Systems Engineering,Beijing,100076; 2. Beijing Institute of Aerospace Long March Scientific and Technical Information , Beijing, 100076 )

The application statuses of virtual assemble and virtual maintenance in aerospace at home and abroad are summarized, and the development trends are analyzed. Virtual assemble and virtual maintenance will be combined with augmented reality, the relevant application system will become smarter and lighter.

Aerospace;Virtual assemble;Virtual maintenance

V47

A

1004-7182(2016)05-0053-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160512

2016-01-29；

2016-05-17

趙 博（1982-），男，高級工程師，主要研究方向為數(shù)字樣機(jī)技術(shù)