霍同雷 張峰

【摘 要】目前，我國直升機在各方面的應(yīng)用水平越來越高，為了進一步提高直升機的運行水平，加強直升機交互式虛擬維修不僅可以提高維修效率還能夠保證直升機維修質(zhì)量?；诖?，本文從虛擬現(xiàn)實技術(shù)的相關(guān)概念出發(fā)，探討直升機交互式虛擬維修方法的具體應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】直升機；虛擬維修；維修方法；交互式

維修性是設(shè)計階段賦予裝備的，使維修簡便、迅速、經(jīng)濟的一種固有特性，關(guān)系到裝備可用度和壽命周期費用，受到用戶的高度重視。在面向維修性的設(shè)計（Designfor Maintainability，DFM）中，傳統(tǒng)方法已無法滿足裝備日益增長的維修性要求。隨著數(shù)字樣機、人體模型和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，虛擬維修技術(shù)應(yīng)運而生，成為DFM的關(guān)鍵技術(shù)。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實是指計算機模擬的三維真實環(huán)境。具體來說，就是采用以計算機技術(shù)為核心的各種現(xiàn)代化高科技合成的視聽、觸覺一體化的特定范圍內(nèi)的虛擬環(huán)境，使用者借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用相互影響，從而產(chǎn)生親臨實境的感受和體驗。研究表明，人對基于圖像、聲音等感官器官信息的理解能力遠(yuǎn)大于對數(shù)字、文字等抽象信息的理解、記憶能力，因此，用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的訓(xùn)練系統(tǒng)可以使使用者的訓(xùn)練效果極大地得到改善。虛擬現(xiàn)實不同于一般的交互三維圖形學(xué)，首先，他可以使用戶從虛擬空間中向外觀察，這種感受是用戶作為旁觀由外部向內(nèi)部觀察無法體會到的；其次，通過虛擬空間，用戶可以實時看到隨視點而改變的場景，即實時性；最后，用戶融入到虛擬現(xiàn)實中，感受與現(xiàn)實世界相同的環(huán)境，從而按照實際的工作狀態(tài)與環(huán)境交互，即交互性。這些與計算機仿真有很大的不同。

二、航空虛擬維修系統(tǒng)的特殊需求

第一，直升機維修具有綜合保障性。直升機維修是一種綜合性活動，貫穿裝備的全生命周期，需要科學(xué)管理與合理調(diào)配使用各種維修保障資源；而航空虛擬維修也涉及了維修設(shè)施、維修人員、維修工具等類別的維修資源，維修資源種類和數(shù)量繁多。如果不能對虛擬維修資源進行科學(xué)管理與合理調(diào)配，不能有效地使用維修資源，則航空虛擬維修的大量時間就會耗費在查找、向維修環(huán)境中導(dǎo)入并定位維修資源，查詢維修資源的使用方法，編輯維修人員使用工具、設(shè)備時的姿態(tài)和手型上，虛擬維修的效率就難以提高。因此，系統(tǒng)必須統(tǒng)籌管理虛擬維修資源，實時查詢維修資源的使用方法，高效存儲和調(diào)用人體的身體姿態(tài)和工具對應(yīng)的手型。第二，直升機維修具有技術(shù)綜合性直升機維修是多專業(yè)的綜合保障體系，是一種技術(shù)綜合性很強的活動，要求有科學(xué)的專業(yè)分工，這樣必然涉及多種專業(yè)知識，單個工程人員很難獨立完成全部的維修仿真工作，而需要不同專業(yè)的工程人員協(xié)同維修。因此，系統(tǒng)需要建立虛擬維修協(xié)同環(huán)境。第三，直升機維修具有快速反應(yīng)性該特點要求直升機維修用最短的反應(yīng)時間保障航空裝備最大的出動強度。直升機維修反應(yīng)時間的長短一方面取決于直升機維修保障系統(tǒng)的物流效率，另一方面取決于直升機維修人員的維修效率。提高維修人員的維修效率，在人員維修水平一定的前提下有兩種途徑：①建立科學(xué)的維修任務(wù)流程；②通過虛擬維修進行維修性分析，尤其是維修時間方面的分析，改進航空裝備的維修性。系統(tǒng)要能科學(xué)規(guī)劃和運用維修任務(wù)流程，建立中國人的人體模型，進行包括維修時間估算在內(nèi)的維修性分析。第四，直升機維修具有高消耗性和環(huán)境復(fù)雜性通過統(tǒng)籌管理虛擬維修資源、科學(xué)規(guī)劃維修任務(wù)流程，可以提高通用維修資源的比例，合理調(diào)配維修資源，降低航空裝備維修保障的費用，改善航空裝備的高消耗性；通過在不同的維修場景中進行虛擬維修，可以提高直升機維修對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。

三、直升機交互式虛擬維修方法

1.建立直升機虛擬維修系統(tǒng)的三維模型庫

三維建模是虛擬維修系統(tǒng)設(shè)計的核心，三維數(shù)據(jù)庫又是整個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)三維場景建模的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)格式對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的運行質(zhì)量有極大的影戲。對于直升機虛擬維修的模型庫，應(yīng)將各型直升機的維修工具、主要的維修零、部件按照模塊化的方式建立起來。另外還要建立直升機維修的場景模型（包括機艙.機身等），這主要是考慮人機工程和增強“浸潤感”。同時，整個虛擬維修系統(tǒng)應(yīng)采取開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各種模塊間要有細(xì)分的功能及接口。作為其模型庫應(yīng)允許直接輸入多種來源的CAD數(shù)據(jù)來構(gòu)造一個與真實樣機比例相同的數(shù)字樣機，考慮到模型來源的廣泛性，它最好還能接受3DSMAX、MULTIGEN、ALIAS等設(shè)計軟件的三維模型數(shù)據(jù)格式。另外，我們還要考慮實時交互性的要求，對模型的數(shù)字信息進行優(yōu)化，只提取對虛擬維修系統(tǒng)有用的數(shù)據(jù)（主要是部件的幾何信息和表面信息）。

2.面向維修級別的可擴展維修資源管理

目前常用的虛擬維修軟件存在以下問題：沒有對虛擬維修資源進行統(tǒng)籌管理，通常只能將某一類虛擬維修資源保存在同一文件夾或虛擬文件夾內(nèi)；所能存儲的信息種類有限，無法進行擴展；不利于對直升機維修所涉及的維修資源進行科學(xué)管理，無法高效地利用虛擬維修資源構(gòu)建虛擬維修環(huán)境，也無法便捷地生成產(chǎn)品或零部件的維修保障數(shù)據(jù)庫。此外，航空裝備的維修資源是按照維修級別來進行配置和管理的，適應(yīng)裝備維修的差異性和經(jīng)濟性需求。因此，直升機維修資源不能僅面向維修對象進行管理，還應(yīng)該考慮直升機維修級別。由此，利用可擴展標(biāo)記語言（eXtensibleMarkupLanguage，XML）技術(shù)的可擴展性，建立面向維修級別的可擴展維修資源管理工具，對直升機維修資源進行科學(xué)管理勢在必行。

3.基于知識的維修流程管理實現(xiàn)方法

為實現(xiàn)基于知識的維修流程管理，開發(fā)了維修流程檢索、建模工具，維修流程單步提示工具，以檢索、重用相似的維修流程，按維修步驟指導(dǎo)維修仿真、同步優(yōu)化維修流程。具體實現(xiàn)方法如下：步驟1在第一輪基于虛擬維修的設(shè)計迭代前，由資深工程人員通過維修任務(wù)分析，借助維修流程建模工具建立實例化的維修流程本體模型，該模型是粗糙的、初步的；建模過程中，通過維修流程檢索工具，能夠重用知識庫中相似的維修任務(wù)或維修作業(yè)的本體模型。步驟2通過維修流程單步提示工具讀取維修流程模型，輔助工程人員進行維修仿真；該工具能按維修步驟提示文本化的維修內(nèi)容，并高亮顯示相關(guān)的維修部位及需要使用的維修資源。步驟3當(dāng)工程人員完成一個維修步驟的仿真建模后，若提示的內(nèi)容不完善、高亮度顯示的維修部位或資源不準(zhǔn)確，通過維修流程建模工具同步修訂維修流程模型；否則，確認(rèn)該維修步驟。步驟4后續(xù)每輪基于虛擬維修的設(shè)計迭代中，重復(fù)步驟2和步驟3，修訂、完善該維修流程模型。步驟5所有設(shè)計迭代結(jié)束，以維修流程模型為基礎(chǔ)框架生成維修手冊；該手冊經(jīng)設(shè)計人員、勤務(wù)人員和維修性工程人員在沉浸式虛擬環(huán)境中確認(rèn)后，提交給用戶。

四、結(jié)語

真正實現(xiàn)直升機虛擬維修不僅面臨著很多技術(shù)上的難題，也是一項工作量巨大的工程。但是，“千里之行始于足下”，只要我們結(jié)合現(xiàn)有條件，因陋就簡進行虛擬維修系統(tǒng)方面的研究，打牢技術(shù)基礎(chǔ)，充實模型庫、故障庫等，逐步實現(xiàn)虛擬維修系統(tǒng)的各部分功能，就能在提高維修質(zhì)量、訓(xùn)練水平方面發(fā)揮作用，重復(fù)發(fā)揮虛擬維修的作用，提高直升機戰(zhàn)斗力水平。

【參考文獻】

[1]王思琦.虛擬維修平臺交互式表現(xiàn)方法研究[D].中國民航大學(xué)，2018.