李 濤，葉 波，李本軍

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092）

現(xiàn)代飛機(jī)系統(tǒng)具有高度耦合交聯(lián)的特性，是典型的復(fù)雜系統(tǒng)[1–2]。大量的燃油、液壓、環(huán)境控制等系統(tǒng)管路，以及電氣線束和設(shè)備需要布置于有限的飛機(jī)艙位空間中。在飛機(jī)生產(chǎn)制造階段，飛機(jī)總裝是系統(tǒng)集成的主要階段，是產(chǎn)品功能特性、質(zhì)量特性形成的核心環(huán)節(jié)[3]。這一階段既包括了物理性集成為主的各機(jī)載系統(tǒng)的安裝，也包括了針對已裝機(jī)機(jī)載系統(tǒng)的功能集成試驗(yàn)[4]。2010年，美國聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）在其“飛機(jī)電氣互聯(lián)系統(tǒng)最佳實(shí)踐：工作指引”中將飛機(jī)運(yùn)營過程中功能失效，以及功能失效造成飛機(jī)事故的主要原因歸結(jié)為不當(dāng)?shù)南到y(tǒng)安裝與不當(dāng)?shù)木S護(hù)，主要涉及各系統(tǒng)管路與結(jié)構(gòu)相鄰間隙問題、電氣電網(wǎng)線束敷設(shè)安裝問題、電氣線束與其他管路系統(tǒng)的相鄰間隙問題等[5]。在工程實(shí)踐中，涉及相鄰區(qū)域系統(tǒng)部件的相互影響分析工具主要是區(qū)域安全性分析（Zonal safety analysis，ZSA）。ZSA是一種結(jié)構(gòu)化的、基于飛機(jī)物理樣機(jī)來開展結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)、系統(tǒng)與系統(tǒng)間協(xié)調(diào)性、技術(shù)符合性的分析檢查工具，其目的是降低飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)在裝配集成、維護(hù)維修中可能的飛機(jī)系統(tǒng)功能性風(fēng)險(xiǎn)。新一代飛機(jī)的設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)廣泛采用了基于數(shù)字模型的數(shù)字化制造體系。在全新的數(shù)字化環(huán)境中，特別是虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual reality，VR）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented reality，AR）的場景中，如何高效利用數(shù)字樣機(jī)（Digital mock-up，DMU）與產(chǎn)品研制過程進(jìn)行流程集成、與ZSA的工作流程有效結(jié)合，開展場景應(yīng)用與驗(yàn)證，是本研究討論的主要范疇。

1 基于區(qū)域分析的方法

飛機(jī)各系統(tǒng)導(dǎo)管、電氣線束出現(xiàn)的安裝問題，不應(yīng)僅視作操作規(guī)范性帶來的問題。對于復(fù)雜系統(tǒng)而言，一個問題的發(fā)生往往是由于多種不同類型、不同階段的問題綜合作用，甚至是潛在隱患與環(huán)境變化疊加的后果[6]。圖1[5]所示為常見的電氣線束與液壓系統(tǒng)管路、結(jié)構(gòu)干涉的例子。

圖1 電氣線束的干涉示例[5]Fig.1 Clash examples of electrical cable harnesses[5]

系統(tǒng)與系統(tǒng)、系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)干涉不僅可能降低產(chǎn)品系統(tǒng)性能和耐用性，當(dāng)與特定環(huán)境因素、時(shí)間因素結(jié)合將產(chǎn)生災(zāi)難性后果，如發(fā)動機(jī)艙內(nèi)導(dǎo)管與電纜干涉接觸并長期振動，可能造成線束電線破損接地、拉弧擊穿等重大安全隱患。解決這類問題，首先應(yīng)確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段在總體布局、分區(qū)協(xié)調(diào)時(shí)能充分認(rèn)識與考慮各系統(tǒng)的間隙需求，并納入設(shè)計(jì)要求和準(zhǔn)則中；其次，在工藝設(shè)計(jì)和物理集成過程中，再次確認(rèn)各系統(tǒng)的間隙要求與產(chǎn)品制造依據(jù)間的協(xié)調(diào)性，并納入工藝流程與操作規(guī)范中。數(shù)字模型或數(shù)字樣機(jī)在這一過程中起到了貫通產(chǎn)品研制業(yè)務(wù)、產(chǎn)品特性和要求的重要作用。

1.1 面向區(qū)域影響的分析

航空工業(yè)界常見的面向區(qū)域影響的分析方法一般圍繞某種產(chǎn)品特性或者關(guān)注提出。美國聯(lián)邦航空管理局曾基于飛機(jī)適航認(rèn)證25部（AC 25.27A）提出過一種增強(qiáng)區(qū)域分析流程（Enhanced zonal analysis procedure，EZAP）[5]。該方法為飛機(jī)系統(tǒng)電氣互聯(lián)系統(tǒng)編制維護(hù)和檢測說明文檔提供了指導(dǎo)，并且支持裝配集成階段的工藝改進(jìn)。2006年，美國交通部資助的一項(xiàng)研究使用基于區(qū)域影響的分析從4個方面評估飛機(jī)整機(jī)電氣電網(wǎng)系統(tǒng)的功能失效風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)一步開發(fā)了輔助分析軟件[7]。這4個方面包括線束損傷隱患、系統(tǒng)損傷隱患、子系統(tǒng)損傷隱患和失效損傷隱患。這一方法通過檢測一束線束中的供電電線，在預(yù)設(shè)閾值和檢測數(shù)據(jù)的比對下，評估每個飛機(jī)區(qū)域潛在的系統(tǒng)損傷。

國際自動機(jī)工程師學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)航空推薦實(shí)踐4761（SAE ARP4761）中對于ZSA的應(yīng)用與案例，指導(dǎo)了歐美航空制造企業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到樣機(jī)研制階段的各項(xiàng)工作[8–9]。該方法主要步驟為：首先，定義飛機(jī)的區(qū)域；其次，使用設(shè)計(jì)和裝配要求和準(zhǔn)則來對每一個區(qū)域安裝的系統(tǒng)部件進(jìn)行檢查；最后，將檢查記錄提交給相關(guān)的部門進(jìn)行分析解決，檢查記錄可同時(shí)用于在后續(xù)的常規(guī)檢查中追蹤解決方案的執(zhí)行情況。

如圖2所示[9]，ZSA的輸入部分包括了產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)原圖框圖、樣機(jī)、準(zhǔn)則規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)、維修風(fēng)險(xiǎn)和來自其他可靠性工程的分析數(shù)據(jù)，如初步系統(tǒng)安全評估（Preliminary system safety assessment，PSSA）、系統(tǒng)安全評估（System safety assessment，SSA）、失效模式與影響分析（Failure mode and effects analysis，F(xiàn)MEA）及失效模式和影響總結(jié)（Failure modes and effects summary，F(xiàn)MES）等。作為判斷依據(jù)的設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)則、工藝規(guī)范等采用了較多的文本描述，比如確保裝配過程中沒有不可接收的應(yīng)力，最小化定位和安裝過程中運(yùn)動部件的應(yīng)力，最大程度減少氣動系統(tǒng)管路及軟管中的積水等[10]。因此，ZSA的結(jié)果除了依賴于多種不同的工程數(shù)據(jù)源，還在具體執(zhí)行時(shí)需要進(jìn)行較多的人為判斷，工作效率不高。在制造階段，ZSA通常應(yīng)用于早期研制的架次[8]。表1展示了傳統(tǒng)ZSA檢查和記錄的主要信息，這些信息的傳遞和歸檔仍以紙質(zhì)記錄形式為主。

表1 區(qū)域安全性檢查樣表Table 1 ZSA sample sheet

圖2 SAE ARP4761中的區(qū)域安全性分析過程[9]Fig.2 ZSA Process from SAE ARP4761[9]

1.2 飛機(jī)系統(tǒng)集成對ZSA的需求

飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)作為典型的復(fù)雜系統(tǒng)，具備兩種互相交聯(lián)的集成形式：物理性集成與功能性集成[1，11]。物理性集成是通過機(jī)械連接安裝、配合、緊固在一起，如飛機(jī)燃油系統(tǒng)與飛機(jī)結(jié)構(gòu)間機(jī)械裝配連接；功能性集成更關(guān)注于系統(tǒng)內(nèi)外部信息、能源的接收、發(fā)送與交換，如采集活門的開關(guān)狀態(tài)，顯示燃油量和發(fā)動機(jī)狀態(tài)，以及空乘人員的指令下達(dá)等[12]。物理性集成與飛機(jī)的重量、安裝和負(fù)載強(qiáng)相關(guān)，而功能性集成更偏向于基于系統(tǒng)內(nèi)外部信息和能源的集成[2，13]。典型的飛機(jī)系統(tǒng)，如燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)和起飛著陸系統(tǒng)等，均具備不同的機(jī)械特性與電氣特性。在物理性集成的設(shè)計(jì)與實(shí)際系統(tǒng)裝機(jī)過程中，需要優(yōu)先考慮來自不同系統(tǒng)的不同安裝要求之間的協(xié)調(diào)與潛在沖突，比如燃油系統(tǒng)要求其管路與機(jī)體結(jié)構(gòu)、活動部件、供電線路之間的最小間隙不小于30mm，飛行控制系統(tǒng)的活動操縱拉桿、傳動鋼索與其他系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)間的最小間隙應(yīng)不小于150mm，而電源系統(tǒng)線束要求與其他系統(tǒng)管路的最小間隙不小于15mm。這些技術(shù)要求各不相同，但不同的系統(tǒng)部件卻受限于有限的機(jī)體艙位空間，只能規(guī)劃布局在一起。從飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，乃至大部分系統(tǒng)裝機(jī)的飛機(jī)總裝階段，都需要通過分區(qū)域綜合設(shè)計(jì)、布局妥協(xié)和協(xié)調(diào)裝配來貫徹和體現(xiàn)這些不同的技術(shù)要求，都需要在設(shè)計(jì)與制造中實(shí)施多次系統(tǒng)分區(qū)安全性檢查分析，避免因設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)失誤、裝配問題引發(fā)的飛機(jī)功能失效與隱患。

從上述系統(tǒng)集成的角度看，前文介紹的ZSA方法準(zhǔn)則和基本理念，實(shí)際上就是通過確保物理性的正確安裝來實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)功能，其屬于產(chǎn)品生命周期的一部分。因此，系統(tǒng)集成的需求還應(yīng)從產(chǎn)品生命周期各階段的特點(diǎn)、任務(wù)和關(guān)系出發(fā)進(jìn)行分析?，F(xiàn)代大型飛機(jī)的生命周期模型通常包括概念、定義、設(shè)計(jì)、制造、測試、運(yùn)營、大修和退役（圖3）[14]。

相對于圖3所示的串行研制模式，20世紀(jì)90年代并行工程在多個行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，以滿足產(chǎn)品快速研制和迭代。如果將航空制造業(yè)關(guān)心的概念、定義、設(shè)計(jì)、制造階段在并行工程模式下進(jìn)一步細(xì)化，可以形成圖4所示的飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造并行模式。

圖3 飛機(jī)典型生命周期模型[14]Fig.3 Typical life-cycle model of an aircraft[14]

圖4 飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造并行工程示意Fig.4 Illustration of aircraft design and manufacturing in concurrent engineering

對比圖3和4可以發(fā)現(xiàn)，在并行模式下除了設(shè)計(jì)、工藝、制造周期明顯縮短外，最重要的是在各個研制環(huán)節(jié)的并行部分可以實(shí)現(xiàn)工程信息的快速交換和方案的快速迭代。這意味著前一階段的工程信息隨著成熟度、信息確定性的提高，可以并行指導(dǎo)下一階段的工作。同樣的，下一階段在提前開展工作后，可以提前給前一階段反饋問題。這一模式為ZSA在飛機(jī)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的全過程應(yīng)用創(chuàng)造了有利環(huán)境，各類規(guī)范、準(zhǔn)則可以更早地通過工程信息的雙向并行交互，提供給ZSA所用，使ZSA可以從傳統(tǒng)的物理樣機(jī)階段向前延伸到早期設(shè)計(jì)階段，向后覆蓋到裝配線批量制造階段。

2 數(shù)字化環(huán)境對設(shè)計(jì)與制造的支持

基于模型、連續(xù)傳遞、快速迭代與精確執(zhí)行是飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的主要特征。數(shù)字樣機(jī)模型是承載和傳遞工程信息的核心，而虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)則進(jìn)一步拓展提升了飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的應(yīng)用深度和綜合化程度。

VR是一種合成或虛擬的環(huán)境，能夠給人以貼近現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感[15]。VR在飛機(jī)系統(tǒng)集成方面應(yīng)用主要有裝配可達(dá)性分析[16–17]、驗(yàn)證評估裝配與維護(hù)工藝流程[18]、裝配維護(hù)操作的虛擬培訓(xùn)[19–20]以及早期樣機(jī)裝配設(shè)計(jì)的輔助檢測[21]，基于VR創(chuàng)建的沉浸式和交互式虛擬工程環(huán)境可以有效改善操作者的感知能力。

AR通過虛擬數(shù)字信息疊加到相關(guān)的真實(shí)物體上來增強(qiáng)用戶對現(xiàn)實(shí)世界的感知[22]。1994年，Milgram等[23]總結(jié)了AR和VR的關(guān)系并提出了混合現(xiàn)實(shí)的范疇。從圖5[23]中對表達(dá)環(huán)境的差異不難看出，VR在視覺呈現(xiàn)上，通過將人眼與現(xiàn)實(shí)世界隔離，以渲染畫面來打造出全新的世界。而AR則在將人眼與現(xiàn)實(shí)世界連接后，疊加數(shù)字信息來加強(qiáng)視覺呈現(xiàn)的方式。混合現(xiàn)實(shí)則更關(guān)注真實(shí)世界與虛擬世界的之間的自由切換帶來的交互。

圖5 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)系[23]Fig.5 Relationship between VR and AR[23]

在飛機(jī)制造階段，由于系統(tǒng)裝配仍然是以人工安裝為主，根據(jù)VR和AR的各自特點(diǎn)，AR能夠及時(shí)投送信息并顯著提升人在工作時(shí)的感知能力，更適合制造執(zhí)行階段中以人為核心的任務(wù)。目前AR在裝配專業(yè)方面的應(yīng)用方向主要包括裝配實(shí)踐培訓(xùn)、裝配工藝設(shè)計(jì)和裝配引導(dǎo)。技術(shù)研究的主要趨勢有跟蹤和注冊、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)協(xié)作分享、三維空間場景捕獲以及上下文感知知識表達(dá)等[24]?？傮w來看，這些研究與應(yīng)用更多為技術(shù)的單點(diǎn)研究與應(yīng)用，缺乏在數(shù)字化環(huán)境下體系性地支撐飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造相關(guān)工作流程的研究[25–27]。

3 在數(shù)字化環(huán)境中擴(kuò)展構(gòu)建區(qū)域安全性分析方法

本研究基于數(shù)字化環(huán)境，將VR與AR工具集成到ZSA工作過程中，涵蓋并支撐飛機(jī)系統(tǒng)各研制階段。因此，需要在總結(jié)目前ZSA應(yīng)用需求、飛機(jī)系統(tǒng)裝配集成難點(diǎn)和數(shù)字化環(huán)境帶來的新挑戰(zhàn)基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮ZSA的優(yōu)勢。

3.1 ZSA當(dāng)前的問題和需求

現(xiàn)有的ZSA相關(guān)研究，更關(guān)注于飛機(jī)設(shè)計(jì)階段，特別是概念設(shè)計(jì)和初步階段的應(yīng)用[28–29]。ZSA方法是一種面向物理性集成及其帶來的功能性危害的分析方法，在早期設(shè)計(jì)階段大多沒有較為準(zhǔn)確的系統(tǒng)裝配信息來支撐。這就更需要參照圖4中設(shè)計(jì)、工藝的并行協(xié)同，使工程信息在整個研制階段中快速傳遞和迭代。雖然行業(yè)內(nèi)對傳統(tǒng)ZSA方法一直在進(jìn)行優(yōu)化完善[30–31]，但主要工作仍需要基于實(shí)物樣機(jī)，判斷時(shí)較依賴個人經(jīng)驗(yàn)，對于標(biāo)準(zhǔn)、準(zhǔn)則的理解偏差易導(dǎo)致同一區(qū)域的同一問題存在不同的分析結(jié)果。VR和AR技術(shù)在信息呈現(xiàn)的實(shí)時(shí)、實(shí)景體驗(yàn)方面具備的優(yōu)勢，可以讓技術(shù)人員、操作者在執(zhí)行ZSA時(shí)，獲得更準(zhǔn)確詳實(shí)的輔助信息，得出更可信的結(jié)果。

數(shù)字化制造已經(jīng)在飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造中得到了深入的應(yīng)用。2014年，航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院探索了基于數(shù)字樣機(jī)的飛機(jī)ZSA流程優(yōu)化[32]。2022年，李濤等[33]針對飛機(jī)總裝過程構(gòu)建了ZSA與總裝技術(shù)活動的集成場景。ARP4761中最初發(fā)布的ZSA方法及流程應(yīng)面向當(dāng)前數(shù)字化環(huán)境，以數(shù)字樣機(jī)、模型傳遞為核心，應(yīng)用新的數(shù)字化工具來提升工作質(zhì)量和效率。因此，擴(kuò)展后的ZSA方法應(yīng)具備： （1）支持?jǐn)?shù)字樣機(jī)作為設(shè)計(jì)和制造依據(jù)，覆蓋飛機(jī)系統(tǒng)各研制階段，包括后端的工藝設(shè)計(jì)和批量生產(chǎn)階段； （2）在飛機(jī)上執(zhí)行ZSA時(shí)，能夠?qū)Π惭b的系統(tǒng)物理部件實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確識別和分析； （3）能夠集成飛機(jī)各系統(tǒng)模型和安裝相關(guān)聯(lián)的信息，如規(guī)范、準(zhǔn)則等。

3.2 集成VR和AR工具

在數(shù)字化環(huán)境中，VR和AR將各類有效信息通過沉浸方式呈現(xiàn)給用戶，改善了工作和決策的及時(shí)性與準(zhǔn)確性。對于飛機(jī)系統(tǒng)裝配集成設(shè)計(jì)而言，VR可以在系統(tǒng)早期布局與裝配設(shè)計(jì)、安裝工藝流程設(shè)計(jì)，甚至詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)時(shí)，驗(yàn)證毗鄰裝機(jī)系統(tǒng)部件的安裝，而不受研制階段的限制。這主要得益于數(shù)字樣機(jī)在飛機(jī)裝配設(shè)計(jì)和制造中的深入應(yīng)用。物理安裝不僅能表達(dá)最終裝配狀態(tài)下的位置，還可以在沉浸式的交互環(huán)境下進(jìn)行裝配擰緊、貼合及固定等操作過程仿真。由于操作者安裝的正確性、規(guī)范性是生產(chǎn)制造階段關(guān)注的主要問題，在人機(jī)交互的數(shù)字化虛擬環(huán)境下，人的操作因素帶來的風(fēng)險(xiǎn)同樣包含在ZSA的工作流程中。

另一方面，在裝配階段執(zhí)行ZSA時(shí)，操作者需要在機(jī)上識別特定的系統(tǒng)部件或成品設(shè)備，如某根液壓導(dǎo)管、某個電氣線束分支或者電連接器。這些工作過程通常在飛機(jī)上有限的艙位空間中進(jìn)行，且很難在安裝后的各系統(tǒng)大量管路、線束中快速找到所需要的部件。AR在集成到具體的工作流程中后，可以利用其虛實(shí)結(jié)合的優(yōu)勢及時(shí)推送引導(dǎo)信息、提醒信息給操作者，提高工作效率和準(zhǔn)確性。同時(shí)利用數(shù)字樣機(jī)將工藝過程信息、操作信息、材料信息和系統(tǒng)原理圖信息等非幾何線面信息內(nèi)嵌到模型中，形成基于AR的信息投送，方便在ZSA時(shí)輔助工程師和操作者檢測和分析。

3.3 以工程數(shù)據(jù)源支撐不同階段的ZSA

在新的數(shù)字化環(huán)境下，可以用數(shù)字樣機(jī)替代過去的二維工程圖紙作為ZSA的輸入，使裝配物理外形尺寸信息和其他工藝過程所需的非幾何線面信息集成到一起。結(jié)合圖4中的并行工程模式，將ZSA融入各個研制階段與模型傳遞交互后，可以形成如圖6所示的框架。

在圖6中，基于數(shù)字樣機(jī)模型的工程數(shù)據(jù)源貫穿了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和制造執(zhí)行3個主要階段。在各階段中，ZSA面向不同的工作準(zhǔn)則和側(cè)重點(diǎn)有效開展工作，既可以在單個主要階段內(nèi)部進(jìn)行迭代，也可以在各主要階段間進(jìn)行一定程度的迭代。以設(shè)計(jì)階段為例，一旦在應(yīng)用數(shù)字模型進(jìn)行ZSA時(shí)發(fā)現(xiàn)各系統(tǒng)間、系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)間的裝配設(shè)計(jì)不協(xié)調(diào)問題，可以快速修改模型再次執(zhí)行ZSA直到滿足相關(guān)準(zhǔn)則要求。在該框架下，相鄰的兩個階段可以實(shí)現(xiàn)工作的并行，每一個階段的分析結(jié)果作為下一個階段工作的基礎(chǔ)。隨著研制進(jìn)程的推進(jìn)，工程信息的不確定性顯著降低，數(shù)字樣機(jī)模型則在各階段狀態(tài)凍結(jié)或者具備更低的不確定性，這樣更多的有用信息可以從模型中獲取，支撐后續(xù)的工程技術(shù)決策。需要指出的是，模型的修改同時(shí)包括了幾何和非幾何的工程信息。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，模型的更改更多是裝配設(shè)計(jì)類的幾何外形尺寸更改，而后兩個階段還進(jìn)一步包括了大量的非幾何工程信息，如工藝內(nèi)容、裝配流程順序及工裝工具信息等。

圖6 在并行工程中基于數(shù)字樣機(jī)模型的各階段ZSA框架Fig.6 DMU-based ZSA framework in different development stages with concurrent engineering

3.4 數(shù)字化環(huán)境下擴(kuò)展后的ZSA方法

ZSA的輸入既有物理性集成的尺寸類信息，又有功能性集成的描述類信息，包括設(shè)計(jì)和裝配準(zhǔn)則、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、失效模式與影響分析和系統(tǒng)框圖等信息。例如液壓系統(tǒng)裝配準(zhǔn)則中的“液壓管路與結(jié)構(gòu)最小間隙為5mm”，要求操作者在進(jìn)行工作時(shí)，首先在艙位中的大量系統(tǒng)部件中識別出具體的液壓導(dǎo)管。當(dāng)前工作的艙位區(qū)域信息及其他來自系統(tǒng)原理框圖的功能信息也需要提前準(zhǔn)備好，以便開展詳細(xì)的檢查工作。本研究將數(shù)字樣機(jī)模型作為擴(kuò)展后的ZSA方法的核心，通過對原始產(chǎn)品模型的信息嵌入和關(guān)聯(lián)，將ZSA所需的飛機(jī)艙位區(qū)域信息、系統(tǒng)部件信息、操作者因素信息和工藝流程等集成到統(tǒng)一的工程數(shù)據(jù)源中，衍生形成了面向ZSA的模型?；谀Ｐ偷目焖俚倪M(jìn)和復(fù)用，擴(kuò)展后的方法幫助ZSA所需的工程信息在各研制階段中快速、直觀和有效傳遞。圖7所示為面向數(shù)字化環(huán)境在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展之后的ZSA方法。

圖7 數(shù)字化環(huán)境下擴(kuò)展后的ZSA方法Fig.7 Expanded ZSA methodology in digital engineering environment

在數(shù)字化環(huán)境和并行工程中，圖6中每個主要階段的ZSA工作都可以按照圖7所示擴(kuò)展后的方法開展。擴(kuò)展后的ZSA方法包括3個部分：作為工作輸入的模型準(zhǔn)備部分、具體執(zhí)行過程和工作結(jié)果輸出部分。當(dāng)模型嵌入關(guān)聯(lián)了所需的產(chǎn)品幾何信息、裝配流程、區(qū)域劃分和系統(tǒng)功能描述等信息后，開始在VR和AR的環(huán)境下開展ZSA具體執(zhí)行過程，按既定準(zhǔn)則分區(qū)域檢查相鄰各系統(tǒng)間、與結(jié)構(gòu)間的各類風(fēng)險(xiǎn)影響。當(dāng)檢查結(jié)果不符合準(zhǔn)則需開展糾正措施時(shí)，工作流程返回到對產(chǎn)品模型的改進(jìn)和完善。對于早期研制階段，特別是概念設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品外形模型主要是各系統(tǒng)的初步布局，設(shè)計(jì)信息更多與系統(tǒng)需求和功能定義相關(guān)聯(lián)，ZSA實(shí)際關(guān)注于總體布局的合理性、協(xié)調(diào)性，以及驗(yàn)證總體布局與飛機(jī)功能分區(qū)的一致性。VR在早期階段可以幫助上述工作快速迭代；而在后續(xù)的工藝設(shè)計(jì)階段和制造階段，在判斷系統(tǒng)部件的物理安裝與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、工藝準(zhǔn)則是否一致時(shí)，AR通過及時(shí)準(zhǔn)確的部件識別、信息推送與特征比對，在準(zhǔn)確的空間和時(shí)間提供必要的輔助信息，提升了操作人員對產(chǎn)品和信息的感知能力，實(shí)現(xiàn)ZSA工作的高效開展。

4 模擬艙段中的場景設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

本研究給出了數(shù)字化環(huán)境下擴(kuò)展后的ZSA方法框架，并通過集成數(shù)字樣機(jī)模型將幾何物理安裝信息與非幾何信息集成到了一起。為了支撐后續(xù)系統(tǒng)裝配在VR和AR中的深入應(yīng)用，本研究在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中搭建了飛機(jī)總裝電氣互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS）裝配驗(yàn)證環(huán)境，進(jìn)一步引入VR和AR技術(shù)開展改進(jìn)后ZSA的適配性研究（圖8）。系統(tǒng)裝配艙段樣機(jī)由前機(jī)身結(jié)構(gòu)部件（含座艙操縱臺）、電氣線束及其固定件、系統(tǒng)管路及其固定件和電氣控制盒組成。為了模擬電氣控制盒與線束分支終端的連接，控制盒與線束分支終端均安裝了對應(yīng)的電連接器，裝機(jī)部件詳見表2。

表2 物理艙段樣機(jī)物料表Table 2 Installation list for physical demonstrator

圖8 前機(jī)身系統(tǒng)裝配物理艙段樣機(jī)Fig.8 Physical demonstrator for forward fuselage system assembly

在針對VR的場景設(shè)計(jì)與驗(yàn)證中，首先創(chuàng)建了物理艙段的結(jié)構(gòu)裝配和各系統(tǒng)的裝配數(shù)字模型（圖9（a）），然后利用創(chuàng)建的數(shù)字裝配模型，在專用設(shè)備上進(jìn)行渲染，得到了該艙段中各系統(tǒng)中安裝的最終狀態(tài)（圖9（b）），模型的表達(dá)除了基于實(shí)時(shí)的沉浸式渲染外，還關(guān)聯(lián)了ZSA所需的非幾何信息，如裝機(jī)物料信息、產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格信息、工藝準(zhǔn)則信息、輔助工裝信息和人員信息等。這些信息都來源于圖7中原始模型衍生形成的、關(guān)聯(lián)了ZSA所需信息的模型。在該虛擬環(huán)境中，技術(shù)人員可以進(jìn)行毗鄰系統(tǒng)部件的安裝一致性與影響分析。在場景搭建和階段性技術(shù)驗(yàn)證過程中，為了模擬不同電氣線束直徑捆扎固定帶來的影響，在模型定義中引入了多個線束及其分支的不同直徑定義（圖9（c））。在產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)階段，這類檢查與分析可以最小化裝配設(shè)計(jì)缺陷帶來的系統(tǒng)功能風(fēng)險(xiǎn)和危害，而VR搭建的場景能夠較好支撐這一階段的ZSA需求。

圖9 面向系統(tǒng)裝配設(shè)計(jì)場景的VR環(huán)境Fig.9 VR environment for system assembly design scenes

按照圖7中改進(jìn)之后的ZSA工作流程，此時(shí)的輸入為圖9（a）和（b）所示VR環(huán)境中的數(shù)字樣機(jī)模型及圖9（c）關(guān)聯(lián)的裝機(jī)件。接著，選定座艙左設(shè)備艙為ZSA分析對象并確定該區(qū)域中具體的系統(tǒng)裝機(jī)件，再根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)“電網(wǎng)電氣線束安裝要求”中對EWIS最小結(jié)構(gòu)邊距的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則開展ZSA檢查。發(fā)現(xiàn)在之前的線束裝配設(shè)計(jì)中，有2個電氣線束的終端插頭不具備結(jié)構(gòu)通過性（表3）。這主要是由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)裝配與系統(tǒng)裝配分專業(yè)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)對最終的裝配協(xié)調(diào)性考慮不足，而這一問題在新的VR環(huán)境中由工藝設(shè)計(jì)人員沉浸、直觀地識別了出來。

在面向飛機(jī)總裝階段的AR場景驗(yàn)證中，AR以實(shí)物特征的識別作為基準(zhǔn)，疊加三維模型、文本和圖像等數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則對特定對象進(jìn)行追蹤并及時(shí)推送信息。如圖10所示，在物理艙段樣機(jī)基礎(chǔ)上，通過對特定人工標(biāo)識物識別，彈出ZSA工作相關(guān)輔助信息。在圖10中，標(biāo)注1處為ZSA疊加的三維電氣線束模型，用于電氣線束安裝走向、分支規(guī)范性的快速差異比對；標(biāo)注2處為線束固定點(diǎn)相關(guān)的非幾何類的工藝要求信息、物料信息和工具信息。在這里還特別關(guān)聯(lián)了工藝技術(shù)準(zhǔn)則，規(guī)定了該卡箍固定處的4個不同分支排布順序，以及卡箍固定處10N·m的擰緊力矩要求。在制造階段，安裝操作者充分利用這些增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助信息，能夠高效開展機(jī)載系統(tǒng)的區(qū)域安全性分析工作。工程師將圖9工藝設(shè)計(jì)階段VR環(huán)境下發(fā)現(xiàn)的操作易錯類問題信息，如相同電連接器不同控制盒的線束連接、關(guān)鍵裝配間隙要求等工藝參數(shù)傳遞到AR的信息提醒中。這樣在執(zhí)行安裝和區(qū)域安全性分析的檢測過程中避免了傳統(tǒng)模式下大量的紙質(zhì)規(guī)范準(zhǔn)則細(xì)節(jié)要求，節(jié)省了工作準(zhǔn)備的時(shí)間。

圖10 面向總裝配線工作場景的AR測試Fig.10 AR test for final assembly line working scenes

類似的，繼續(xù)針對模擬艙段的座艙左設(shè)備艙，在工人安裝完電氣線束后執(zhí)行ZSA檢查，此時(shí)在表3中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)孔通過性問題已經(jīng)解決。表3中系統(tǒng)裝配設(shè)計(jì)完善后繼續(xù)作為后續(xù)飛機(jī)總裝的制造依據(jù)，并以此模型為基礎(chǔ)構(gòu)建了AR環(huán)境。另外，為符合電氣性能要求，在總裝階段的線束安裝工藝中專門規(guī)定了卡箍固定點(diǎn)處的線束分支排列順序。當(dāng)執(zhí)行該檢查時(shí)AR工具適時(shí)彈出了前一階段完善后的固定點(diǎn)裝機(jī)件列表（如更改后的新卡箍規(guī)格）及專項(xiàng)工藝檢查線束排列提醒圖例，并記錄ZSA檢查記錄及問題解決情況（表4）。

表3 工藝設(shè)計(jì)階段的ZSA結(jié)果（結(jié)果示例）Table 3 ZSA results of process planning stage (result examples)

表4 總裝生產(chǎn)階段的ZSA結(jié)果（結(jié)果示例）Table 4 ZSA results of final assembly production stage (result examples)

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)ZSA在數(shù)字化環(huán)境中的應(yīng)用問題，本研究通過引入新的數(shù)字化工具虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，擴(kuò)展形成了基于數(shù)字樣機(jī)模型、能夠覆蓋從概念設(shè)計(jì)到制造階段的改進(jìn)ZSA方法。面向飛機(jī)系統(tǒng)的物理性集成和功能性集成特點(diǎn)，本研究創(chuàng)新性地在數(shù)字樣機(jī)模型基礎(chǔ)上集成了ZSA所需的非幾何信息，可以使工程師和操作者在執(zhí)行具體的準(zhǔn)則判斷時(shí)減少對個人經(jīng)驗(yàn)的依賴。新的方法使得ZSA從傳統(tǒng)的基于紙面文檔信息的模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛谀Ｐ蛡鬟f的工作模式。同時(shí)，新方法借助并行工程，使模型信息在各個研制階段之間的高效迭代改進(jìn)成為可能，避免了因產(chǎn)品信息、工藝信息獲取不充分而做出的技術(shù)決策失誤。本研究通過在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中搭建的艙段樣機(jī)平臺開展案例研究，驗(yàn)證了VR和AR在改進(jìn)擴(kuò)展后的ZSA方法中的應(yīng)用。驗(yàn)證結(jié)果表明新方法能更準(zhǔn)確、便捷地開展系統(tǒng)裝配的風(fēng)險(xiǎn)識別。

當(dāng)前改進(jìn)擴(kuò)展后的ZSA方法驗(yàn)證是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中搭建的模擬艙段樣機(jī)上開展的，主要包括了典型的艙位結(jié)構(gòu)形式、裝機(jī)電氣線束和導(dǎo)管，與飛機(jī)總裝生產(chǎn)線上的實(shí)際飛機(jī)艙位裝機(jī)狀態(tài)存在差距。為了驗(yàn)證技術(shù)和新方法的可行性，對于艙段結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)模型精細(xì)度、系統(tǒng)部件的數(shù)量也做了一定程度的簡化。下一階段的主要工作是逐漸提升數(shù)字樣機(jī)模型的復(fù)雜程度、增加艙段樣機(jī)中艙位裝機(jī)系統(tǒng)部件的數(shù)量，使其更接近真實(shí)工作場景。同時(shí)，在不同復(fù)雜程度的飛機(jī)艙位中，深入應(yīng)用數(shù)字化工具持續(xù)提升新ZSA方法的工作效率。另外，在單個艙位應(yīng)用新方法的基礎(chǔ)上，還計(jì)劃利用VR和AR工具輔助分析多個相鄰艙位之間裝機(jī)系統(tǒng)部件的影響。