王巍然WANG Wei-ran；武琳WU Lin；祝家奇ZHU Jia-qi；趙其定ZHAO Qi-ding

（江西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，南昌 330088）

0 引言

為保障民用航空器的持續(xù)適航和飛行安全，航線維修工作對維修人員的素質(zhì)、知識、技能、心理能力要求日益提高，從事航空維修的人員需持有民用航空器維修人員執(zhí)照才能工作。為規(guī)范民用航空器維修人員執(zhí)照的頒發(fā)和管理，2020年7月1日起施行CCAR-66R3《民用航空器維修人員執(zhí)照管理規(guī)則》。新修訂的CCAR-66R3對申請執(zhí)照必修的航空器維修基礎(chǔ)知識和實作規(guī)范作出優(yōu)化和改進(jìn)：一方面，突出通過培訓(xùn)確保獲得執(zhí)照人員掌握應(yīng)知應(yīng)會的知識和技能；另一方面，執(zhí)照培訓(xùn)突出知識結(jié)構(gòu)和技能的普適化[1]。CCAR-66R3要求航空器維修基礎(chǔ)知識培訓(xùn)和實作培訓(xùn)應(yīng)當(dāng)由符合CCAR-147《民用航空器維修培訓(xùn)機(jī)構(gòu)合格審定規(guī)定》（簡稱147）規(guī)定的維修培訓(xùn)機(jī)構(gòu)實施。CCAR-66R3要求民航維修人才的培養(yǎng)側(cè)重于院校教育，進(jìn)一步規(guī)范和明確了航空維修人才培養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，明確了擁有147培訓(xùn)資質(zhì)的院校的學(xué)生畢業(yè)時完成相關(guān)培訓(xùn)和考試，即可獲取維修執(zhí)照。又隨著國家對職業(yè)教育的大力發(fā)展和支持，促使當(dāng)前設(shè)有航空維修專業(yè)的職業(yè)院校及147機(jī)構(gòu)申請R3執(zhí)照的培訓(xùn)資質(zhì)如同雨后春筍般崛起。

1 航空維修培訓(xùn)及技術(shù)發(fā)展

1.1 147實作培訓(xùn)現(xiàn)狀及所存在的問題

AC-66-FS-002 R1《航空器維修基礎(chǔ)知識和實作培訓(xùn)規(guī)范》中要求申請各類航空器維修人員執(zhí)照的人員至少具備M7模塊中維修基本技能、維修手冊和工具設(shè)備的使用、維修記錄和放行的航空器維修基本技能，且至少具備M8模塊中對應(yīng)航空器和發(fā)動機(jī)類別的勤務(wù)和航線檢查、常見故障和缺陷的處理、航線可更換件拆裝的航空器維修實踐[2]。

目前，大多147機(jī)構(gòu)在實作培訓(xùn)中采取教員按照各科目工卡進(jìn)行操作示范的方法展開教學(xué)，部分培訓(xùn)機(jī)構(gòu)采用先期錄制的實作視頻進(jìn)行輔助教學(xué)。這種培訓(xùn)方法存在以下問題：

①效率低下。在傳統(tǒng)師帶徒培訓(xùn)模式下，由于教員技能水平參差不齊，憑經(jīng)驗教學(xué)，在一個教員面對多個學(xué)員的教學(xué)場景中不能做到手把手教學(xué)，實作過程標(biāo)準(zhǔn)化低、可復(fù)制性差。

②培訓(xùn)成本高。各機(jī)構(gòu)普遍采用真機(jī)實作培訓(xùn)，造成大量航材、工具、設(shè)備的損耗。規(guī)章規(guī)定每位教員至多指導(dǎo)8名學(xué)員，學(xué)員數(shù)量的增多意味需配備等量的設(shè)備和教員，造成培訓(xùn)成本高居不下。

③受訓(xùn)效果差。受場地、設(shè)備、機(jī)型的限制，學(xué)員的凈實訓(xùn)時間較短，所學(xué)知識不牢固，所得技能水平差，不能高效的普適不同機(jī)型的維修培訓(xùn)。

1.2 虛擬維修技術(shù)在航空維修中的研究現(xiàn)狀

隨著數(shù)字建模、虛擬現(xiàn)實（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）等信息技術(shù)的發(fā)展，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在航空維修活動中所形成的虛擬維修技術(shù)為解決以上問題提供契機(jī)。相關(guān)文獻(xiàn)對虛擬維修的技術(shù)特點、研究路徑、關(guān)鍵技術(shù)、行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了概述[3-5]。張中波等學(xué)者從航空器設(shè)計的維修性分析核查、維修手冊的快速自動生成、虛擬維修培訓(xùn)、維修中人的因素分析等方面對虛擬維修技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用展開論述[6]。蔣煥兵等學(xué)者分析了傳統(tǒng)的民用飛機(jī)維修培訓(xùn)方式存在的不足，提出將三維虛擬技術(shù)應(yīng)用于民用飛機(jī)維修培訓(xùn)中來提高培訓(xùn)效果的觀點[7]。王占海等學(xué)者利用Delmia軟件進(jìn)行了航空維修的流程仿真、維修性分析和評價[8]。

在仿真方式上，虛擬維修技術(shù)可以劃分為非沉浸式仿真和沉浸式仿真2大類。沉浸式虛擬仿真系統(tǒng)以VR技術(shù)為依托構(gòu)建逼真的維修場景，以三維視覺、力反饋等感官刺激作為輸入，可以為用戶帶來身臨其境的體驗感和交互感，但整套系統(tǒng)成本高昂。非沉浸式虛擬仿真系統(tǒng)對硬件和軟件的要求較低，因此具有低成本和高普及性的特點[9]。

Delmia是一款強(qiáng)大的工藝流程仿真軟件，主要用于航空航天、汽車、造船等行業(yè)[10]。鑒于高校學(xué)員數(shù)量眾多，非沉浸式虛擬仿真系統(tǒng)更適合航空器維修實作培訓(xùn)的普適化教學(xué)，故采用Delmia軟件構(gòu)建147實作培訓(xùn)中的虛擬場景，進(jìn)行維修流程仿真用于教學(xué)及培訓(xùn)較為適合。

2 Delmia虛擬仿真流程

選取147實作培訓(xùn)部分M8模塊中的繞機(jī)檢查科目為對象，利用Delmia軟件進(jìn)行維修流程仿真。繞機(jī)檢查是航空器維修活動中最常執(zhí)行的工作之一，某型飛機(jī)的繞機(jī)檢查路線如圖1所示。繞機(jī)路線中的每個檢查點，包含了飛機(jī)劃分的特定檢查區(qū)域，每個區(qū)域均對應(yīng)不同部件的多項檢查項目。

首先建立虛擬樣機(jī)、維修人員、工具、設(shè)備等產(chǎn)品及資源模型。其次將繞機(jī)檢查項目的每個站點作為一個工步，每個工步按照先后順序形成工序，依此建立PERT任務(wù)流程邏輯圖。再將每個站點的檢查項作為一項任務(wù)，編輯人員檢查動作后賦予給每個工步。最后，按照PERT流程圖進(jìn)行仿真分析、評分及優(yōu)化。其維修仿真的一般技術(shù)流程如圖2所示。

2.1 建立場景模型

在Catia軟件中創(chuàng)建繞機(jī)檢查場景所需的模型，包括：

①產(chǎn)品模型：虛擬樣機(jī)。

②資源模型：包括螺絲刀、手電筒、放大鏡等工具；手推車、梯架等設(shè)備；不同任務(wù)的維修人員。

模型建立完成后，分別產(chǎn)品和資源模型導(dǎo)入Delmia的Productlist產(chǎn)品樹及Resourceslist資源樹下，并通過約束命令設(shè)置各模型至合適的空間位置，建立初始的虛擬維修場景并保存，如圖3所示。

2.2 維修流程仿真

根據(jù)圖1繞機(jī)檢查路線中每個站點的先后順序，建立PERT項目流程邏輯圖（如圖4所示）。PERT圖將繞機(jī)檢查過程中每個站點的檢查任務(wù)作為一個圖標(biāo)框進(jìn)行可視化表示，圖標(biāo)框之間用箭頭連接代表任務(wù)的次序信息。通過調(diào)整箭頭和圖標(biāo)框的位置不但可以仿真串行工作任務(wù)，也可以設(shè)計出各種需要并行合作完成的任務(wù)。例如維修人員在檢查右側(cè)大翼區(qū)域過程中，其他維修人員可以同時進(jìn)行放污水的勤務(wù)工作。最后將每個檢查站點依次連接所形成的PERT流程圖導(dǎo)入到Delmia中的Processlist流程樹下。

通過Human Builder模塊中的Posture Editor對維修人員的頭頸、肩、脊柱、腰、手臂、腿、腳等部位及關(guān)節(jié)的自由度參數(shù)進(jìn)行編輯，創(chuàng)建繞機(jī)檢查工作中的各種姿態(tài)，包括取放工具、行走、爬梯、移動等動作。圖1中的2站點對前起落架和輪艙區(qū)域的檢查中，維修人員的姿態(tài)如圖5所示。每個姿態(tài)形成一幀，通過關(guān)鍵幀融合技術(shù)，把維修工作中的每幀姿態(tài)連貫起來實現(xiàn)每個站點的檢查動作，形成一個檢查任務(wù)。將圖1中14個站點的檢查動作分別編輯完成就產(chǎn)生了14個檢查任務(wù)。然后將每個任務(wù)賦予給圖4圖標(biāo)框中相應(yīng)站點的檢查工步。應(yīng)用Delmia中的Human Task Simulation模塊按照PERT圖的流程進(jìn)行繞機(jī)檢查的運(yùn)動仿真。

2.3 仿真結(jié)果分析和評價

Delmia可以對維修任務(wù)進(jìn)行人體工程分析，包括操作可達(dá)性分析、可視性分析、工作空間分析、作業(yè)時間估算、維修性評價、人體工學(xué)/安全性分析等。

①可視性分析。通過設(shè)置維修人員的視覺屬性，調(diào)取維修人員的視覺窗口，直觀地觀察在不同位置、不同姿態(tài)的視覺范圍，如圖5中維修人員檢查主起落架輪胎時的紅色視錐所示。

②人體姿態(tài)分析。Human Posture Analysis可對虛擬的維修人體模型進(jìn)行維修任務(wù)時的姿態(tài)進(jìn)行分析，評估維修人員是否能夠處于最佳作業(yè)姿勢，并運(yùn)用最佳作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行維修作業(yè)，從而提高維修人員工作效率，減少疲勞和身體損傷。

Delmia可通過RULA（Rapid Upper Limb Assessment）標(biāo)準(zhǔn)對維修人員肢體位置進(jìn)行快速、直觀的分析。RULA根據(jù)運(yùn)動次數(shù)、肌肉受力情況、負(fù)荷大小、工作姿勢、持續(xù)的工作時間評估該任務(wù)是否有可能使人員面臨上肢受傷的風(fēng)險，用不同的顏色代表身體每個部位的得分情況，顏色越深代表姿勢和受力越差。對維修人員檢查機(jī)輪時的作業(yè)姿勢進(jìn)行RULA分析，得分結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出該姿勢下最終得分為7分，前臂、手腕、軀干受力嚴(yán)重，均為紅色表示，需要立即調(diào)整和改變姿勢。

③維修時間估算。通過調(diào)取整個繞機(jī)檢查的流程仿真過程所消耗的時間可以估算繞機(jī)檢查所用的時間，從而維修工程部門可根據(jù)工時要求規(guī)劃最優(yōu)的人力、時間、成本和資源來完成繞機(jī)檢查作業(yè)，達(dá)到精益化管理的目的。

3 結(jié)論

將147實作培訓(xùn)的科目使用Delmia平臺建立模型，并進(jìn)行維修任務(wù)的人機(jī)工程流程仿真，并形成虛擬維修資源用于培訓(xùn)和教學(xué)，主要有以下優(yōu)點：①實現(xiàn)維修科目中二維圖文型工卡的數(shù)字化、立體化，可提高人機(jī)交互感和用戶體驗感。實現(xiàn)一對多實作培訓(xùn)的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化、可復(fù)制化，學(xué)員更容易獲得規(guī)范而準(zhǔn)確的維修知識和技能，從而提高學(xué)習(xí)效率。②減少了真機(jī)、工具、設(shè)備和耗材等資產(chǎn)投入，大大節(jié)省了培訓(xùn)成本。通過Delmia軟件改變維修人員的動作及檢查項，即可快速形成新的、統(tǒng)一規(guī)范的維修標(biāo)準(zhǔn)，更容易實現(xiàn)維修知識和技能的普適化。③Delmia平臺下的人機(jī)工程流程虛擬仿真可進(jìn)行干涉性檢查、碰撞檢測、可達(dá)性、維修性分析，對實訓(xùn)室廠房大小需求、器材擺放、工具設(shè)備的采購提供先期依據(jù)，可縮短實訓(xùn)室建設(shè)周期，節(jié)約建設(shè)成本。④在維修任務(wù)的仿真中，Delmia可進(jìn)行人體作業(yè)時姿態(tài)、負(fù)荷的評估，通過優(yōu)化人體動作提高維修人員的舒適度，從而減少疲勞和身體損傷，也可為完成維修任務(wù)所需的人力、時間、資源做最優(yōu)調(diào)度提供參考。