陳登凱，王瑤，敖卿，錢(qián)軍

基于DELMIA的民機(jī)內(nèi)飾虛擬維修仿真與評(píng)價(jià)方法

陳登凱，王瑤，敖卿，錢(qián)軍

（西北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)與人機(jī)工效工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

針對(duì)傳統(tǒng)民機(jī)內(nèi)飾維修困難且成本大的問(wèn)題，構(gòu)建民機(jī)虛擬維修仿真與評(píng)價(jià)體系，提出基于DELMIA的虛擬維修仿真與評(píng)價(jià)優(yōu)化方法。首先對(duì)維修任務(wù)仿真動(dòng)作進(jìn)行分解，并對(duì)維修操作階段進(jìn)行劃分，根據(jù)不同階段動(dòng)作進(jìn)行特性分析，完成操作區(qū)的劃分；其次針對(duì)不同區(qū)域再次進(jìn)行維修動(dòng)作類(lèi)型的劃分，按照不同類(lèi)型分別進(jìn)行虛擬仿真操作；再次基于DELMIA仿真結(jié)果中提取的關(guān)鍵幀進(jìn)行各指標(biāo)分析，得到單項(xiàng)評(píng)估的結(jié)果；最后基于MATLAB平臺(tái)完成上述多種人機(jī)因素的綜合評(píng)估權(quán)重向量并計(jì)算出各關(guān)鍵幀結(jié)果，輸出人機(jī)工效綜合評(píng)估可視圖和報(bào)告，給出可優(yōu)化方向。依靠項(xiàng)目支撐對(duì)某型號(hào)民機(jī)內(nèi)飾行李箱維修仿真進(jìn)行案例驗(yàn)證，表明該方法能夠系統(tǒng)地完成民機(jī)內(nèi)飾典型部件的維修仿真分析任務(wù)，并給出明確的維修優(yōu)化方向。新方法體系的提出有助于民機(jī)內(nèi)飾虛擬維修仿真的效率及綜合評(píng)估可靠性的提高。

民機(jī)內(nèi)飾；虛擬維修；仿真分析；綜合評(píng)估；人機(jī)工效

虛擬維修技術(shù)是一種可靠性高、不受空間和場(chǎng)地的限制、可多次反復(fù)使用、成本較低的技術(shù)。從國(guó)內(nèi)發(fā)文機(jī)構(gòu)來(lái)看，對(duì)虛擬維修研究較多的主要是中國(guó)石油大學(xué)等院所，能夠應(yīng)用于民機(jī)維修等很多領(lǐng)域。因此，許多國(guó)家都高度重視虛擬維修技術(shù)的發(fā)展[1-2]。虛擬維修技術(shù)的廣泛性應(yīng)用，不僅有助于產(chǎn)品維修工作，還覆蓋了產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段[3]。在民機(jī)中，飛機(jī)內(nèi)飾結(jié)構(gòu)的維護(hù)是飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)不可或缺的部分。傳統(tǒng)的維修方法存在耗時(shí)耗力的缺點(diǎn)，而虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用能夠高效地完成飛機(jī)內(nèi)飾結(jié)構(gòu)的安裝、拆卸和維修工作。虛擬維修技術(shù)是民機(jī)維修評(píng)估的重要技術(shù)手段之一。它基于現(xiàn)代技術(shù)，在虛擬環(huán)境中模擬維修過(guò)程，還能夠評(píng)估維修時(shí)的可視域、可達(dá)域維修時(shí)間及維修難易度等因素[4]。從維修人員的角度出發(fā)，虛擬維修技術(shù)不僅能夠提高維修人員的作業(yè)效率，還能提升維修人員的舒適度及操作的便捷性。通過(guò)對(duì)具體飛機(jī)內(nèi)飾維修過(guò)程中的維修行為動(dòng)作進(jìn)行全面分析，虛擬仿真技術(shù)還能提高仿真的可靠性和準(zhǔn)確性，從而在實(shí)際維修中得到應(yīng)用。

本文以構(gòu)建民機(jī)虛擬維修的仿真及評(píng)價(jià)體系為出發(fā)點(diǎn)，提出了一套虛擬仿真及人機(jī)工效綜合評(píng)估方法。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，展示了基于DELMIA的民機(jī)內(nèi)飾虛擬維修仿真及評(píng)價(jià)方法的創(chuàng)新性。該方法為民機(jī)內(nèi)飾的維修任務(wù)提供了一種新穎的仿真及評(píng)價(jià)方法，并為后續(xù)民機(jī)內(nèi)飾的維修保障分析和維修輔具設(shè)計(jì)等工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和指導(dǎo)。

1 民機(jī)內(nèi)飾虛擬維修理論與方法

民機(jī)內(nèi)飾工程維修技術(shù)研究根據(jù)當(dāng)前內(nèi)飾工程維護(hù)的現(xiàn)狀、不足及趨勢(shì)，提出針對(duì)民機(jī)內(nèi)飾工程維修及評(píng)估方法，主要針對(duì)內(nèi)飾中各個(gè)模塊化部件進(jìn)行研究。結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)關(guān)于民機(jī)維修的關(guān)鍵技術(shù)可以分為維修任務(wù)仿真技術(shù)及維修任務(wù)評(píng)估技術(shù)兩大類(lèi)。對(duì)民機(jī)內(nèi)飾維修而言，其工程維護(hù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系主要包括維修作業(yè)舒適度、維修操作過(guò)程評(píng)估以及維修適航評(píng)估。相對(duì)于其他維修任務(wù)，民機(jī)內(nèi)飾維修對(duì)維修人員體力負(fù)荷、作業(yè)姿勢(shì)、作業(yè)布局、維修件、維修通道操作的可行性有更高的要求。此外，民機(jī)內(nèi)飾維修更加注重標(biāo)準(zhǔn)化、互換性及模塊化這三個(gè)方面的適航性評(píng)估。

1.1 虛擬維修仿真理論

目前，虛擬維修的主要方法是基于虛擬維修模型、資源、場(chǎng)景，根據(jù)仿真方案完成仿真[5]。在仿真場(chǎng)景中，常使用DELMIA軟件進(jìn)行虛擬維修仿真，該軟件支持任務(wù)行為的建立，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的動(dòng)作仿真，并完成各種分析任務(wù)，因此被廣泛認(rèn)可作為可靠的虛擬維修平臺(tái)[6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在虛擬仿真維修方面進(jìn)行了大量的研究，其中Numfu等[7]、Ronan等[8]借助第三方系統(tǒng)捕捉動(dòng)作數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬人進(jìn)行仿真，但該方法收到精度及硬件性能的限制。徐丙立等[9]、Deng等[10]通過(guò)采集真實(shí)動(dòng)作的數(shù)據(jù)，建立參數(shù)化模型來(lái)生成人體動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)仿真，但該方法存在對(duì)象的約束。此外，愛(ài)荷華大學(xué)Vujoservic等[11]提出維修任務(wù)分解的思想，將維修作業(yè)進(jìn)行不同層次的分解，以便于維修仿真。類(lèi)似地，李星新等[12]借助人因工程中動(dòng)素的分類(lèi)方法及維修操作仿真，建立維修動(dòng)素庫(kù)，以便于維修數(shù)據(jù)的提取。

1.2 虛擬維修評(píng)估方法

隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，民機(jī)的功能變得越來(lái)越多樣化，同時(shí)也變得更加復(fù)雜。它們逐漸呈現(xiàn)出高技術(shù)、大風(fēng)險(xiǎn)、高要求的特點(diǎn)[13-14]。盡管裝配自動(dòng)化程度提高，但在沒(méi)有人參與下，仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化工作。為保證正常運(yùn)行，仍需要操作人員的參與來(lái)保證操作的有效進(jìn)行。然而，現(xiàn)代維修作業(yè)中維修人員需要承擔(dān)潛在的設(shè)計(jì)、制造及安裝缺陷，同時(shí)受到維修空間的限制，容易產(chǎn)生巨大的生理疲勞和心理負(fù)擔(dān)。因此，維修性評(píng)估的主要對(duì)象是維修人員。通過(guò)使用人機(jī)工效學(xué)的理論知識(shí)，可以確保維修工人在民機(jī)維修的設(shè)計(jì)中能夠高效、安全和準(zhǔn)確地開(kāi)展維修活動(dòng)。虛擬維修評(píng)估的主要出發(fā)點(diǎn)是視野可見(jiàn)性、維修操作可達(dá)性、安全性和舒適性等方面。Lu等[15]很早就基于虛擬環(huán)境下民用飛機(jī)維修評(píng)估的方法和技術(shù)進(jìn)行了研究，并提出了分析評(píng)價(jià)結(jié)果和修改建議。周棟等[16]建立的維修安全評(píng)估模型可對(duì)潛在的安全影響因素進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，此外，許多研究人員還基于仿真環(huán)境開(kāi)展了維修性評(píng)價(jià)方法的研究[17-18]。

對(duì)現(xiàn)有的維修操作人機(jī)工效評(píng)估流程，通常是通過(guò)設(shè)定虛擬人維修操作位置，并定義一些典型的維修操作姿態(tài)，然后對(duì)每個(gè)姿態(tài)下的人機(jī)因素進(jìn)行分析。然而，這些方法往往只對(duì)單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，并沒(méi)有考慮到在實(shí)際維修中多個(gè)指標(biāo)綜合分析的可靠性提升。此外，維修任務(wù)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的多姿態(tài)過(guò)程，應(yīng)該綜合考慮各個(gè)姿態(tài)，進(jìn)行綜合評(píng)估，以提高維修綜合評(píng)估的可靠性。

2 民機(jī)內(nèi)飾維修仿真及評(píng)估流程

本文提出了一種民機(jī)內(nèi)飾虛擬維修仿真及評(píng)估方法，具體流程可分為以下5個(gè)步驟，見(jiàn)圖1。

1）依據(jù)民機(jī)內(nèi)飾的基本維修作業(yè)分解思想，對(duì)民機(jī)維修操作者本身動(dòng)作、工具設(shè)備的動(dòng)作、零部件動(dòng)作等進(jìn)行分解。

2）綜合考慮民機(jī)維修動(dòng)作庫(kù)的完備性、可靠性以及單個(gè)維修動(dòng)作設(shè)計(jì)的獨(dú)立性的基礎(chǔ)上，劃分民機(jī)內(nèi)飾維修作業(yè)階段，并總結(jié)歸納各個(gè)階段所需要的維修動(dòng)作。

3）根據(jù)實(shí)際維修作業(yè)過(guò)程中操作動(dòng)作的特點(diǎn)，確定適合的維修仿真方法，并進(jìn)行維修仿真。

4）遍歷維修關(guān)鍵幀，輸出對(duì)應(yīng)民機(jī)維修操作人員的可視性評(píng)估、可達(dá)性評(píng)估、姿態(tài)舒適度評(píng)估。

5）進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重分配，輸出綜合評(píng)估結(jié)果，并對(duì)仿真問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，提出優(yōu)化建議。

2.1 基本維修作業(yè)驅(qū)動(dòng)下的虛擬仿真方法

2.1.1 維修作業(yè)分解

維修作業(yè)是維修人員完成維修的全部活動(dòng)過(guò)程的總和，包括了所有的基本維修作業(yè)。對(duì)基本維修作業(yè)，其作為維修作業(yè)的子集，是一項(xiàng)維修活動(dòng)中分解出的多個(gè)任務(wù)子集中的一個(gè)[19]。在民機(jī)內(nèi)飾維修中基本維修作業(yè)可以分解為DELMIA環(huán)境中的虛擬人維修操作動(dòng)作、維修操作的工具設(shè)備動(dòng)作、維修操作的民機(jī)內(nèi)飾零部件的動(dòng)作，虛擬人的維修動(dòng)作包含姿態(tài)的調(diào)整和方位的轉(zhuǎn)換，姿態(tài)調(diào)整則包含了上肢運(yùn)動(dòng)、彎腰、扭頭等，方位轉(zhuǎn)換則包含了步行、轉(zhuǎn)身、下樓梯等。然而民機(jī)內(nèi)飾維修是由民機(jī)內(nèi)飾裝配約束、內(nèi)飾環(huán)境約束及操作者本身的生理特點(diǎn)共同決定的，而在民機(jī)維修時(shí)使用工具和操作對(duì)象也會(huì)對(duì)操作者動(dòng)作存在影響。而維修人員作為維修動(dòng)作的發(fā)起者和執(zhí)行者，直接或間接主導(dǎo)其他對(duì)象，其操作動(dòng)作直接決定了維修仿真效率。

2.1.2 維修動(dòng)作歸納

民機(jī)內(nèi)飾維修的動(dòng)作庫(kù)集成了所有的維修動(dòng)作，其完備性及可靠性是最主要的，即任何民機(jī)內(nèi)飾部件維修作業(yè)都可以在維修動(dòng)作庫(kù)里找到相應(yīng)的維修動(dòng)作，其多種維修動(dòng)作組合構(gòu)成某特定維修作業(yè)。同時(shí)動(dòng)作庫(kù)中的每個(gè)動(dòng)作為保證其能夠有序組合，實(shí)現(xiàn)仿真效率的提高，每個(gè)動(dòng)作都應(yīng)該擁有獨(dú)立性，如在拆卸民機(jī)內(nèi)飾座椅時(shí)，擰螺絲、拆卸椅背等動(dòng)作都具有其特定的含義。

對(duì)民機(jī)維修基本維修作業(yè)的流程進(jìn)行詳細(xì)劃分，并根據(jù)分段區(qū)域進(jìn)行各自基本維修作業(yè)動(dòng)作的劃分，將基本維修作業(yè)流程劃分為準(zhǔn)備、執(zhí)行和結(jié)束三個(gè)階段，其各自對(duì)應(yīng)的基本維修作業(yè)動(dòng)作見(jiàn)表1。

表1 基本維修作業(yè)三個(gè)階段的基本維修動(dòng)作

2.1.3 面向虛擬仿真的動(dòng)作特性分析與歸類(lèi)

基于民機(jī)內(nèi)飾維修作業(yè)任務(wù)的基本維修動(dòng)作進(jìn)行特性分析，再結(jié)合DELMIA軟件特點(diǎn)，可將虛擬維修操作區(qū)劃分為局部操作區(qū)和整體操作區(qū)，維修動(dòng)作可分為精準(zhǔn)參數(shù)維修動(dòng)作、普通維修動(dòng)作、過(guò)渡維修動(dòng)作三種類(lèi)型。

局部操作區(qū)主要指不需要借助人體方位的轉(zhuǎn)換即可進(jìn)行操作的區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)主要存在兩種維修動(dòng)作類(lèi)型，普通維修動(dòng)作和精準(zhǔn)維修動(dòng)作。普通維修動(dòng)作是指不需要依賴(lài)具體參數(shù)數(shù)據(jù)，僅通過(guò)維修工作者自身的經(jīng)驗(yàn)或僅需要大概約束定位就可以完成的動(dòng)作。例如在民機(jī)維修時(shí)維修人員可以憑借自身經(jīng)驗(yàn)抓取工具，不用參數(shù)定位（僅需在避免碰撞干涉的情況下）就可以完成工具至對(duì)象的定位。精準(zhǔn)維修動(dòng)作則需要當(dāng)維修人員將工具與對(duì)象進(jìn)行匹配后，保證精準(zhǔn)的軸線(xiàn)對(duì)齊及參數(shù)定位方可進(jìn)行拆卸、擰出、擰緊等一系列操作。

整體操作區(qū)主要是指需要借助人體方位的轉(zhuǎn)換才可以進(jìn)行操作的區(qū)域。針對(duì)這一操作區(qū)主要因?yàn)槊駲C(jī)上存在多處連接，在拆卸時(shí)需要進(jìn)行位置的調(diào)整才可以完成，所以在此類(lèi)過(guò)程中則需要進(jìn)行人體方位的轉(zhuǎn)換，由此也會(huì)存在一系列動(dòng)作，本文將其稱(chēng)之為過(guò)渡維修工作。例如民機(jī)行李箱門(mén)拆卸時(shí)，左右兩側(cè)皆有螺母，維修人員則需要在完成左側(cè)部位拆卸后，調(diào)整姿態(tài)移動(dòng)至右側(cè)完成右側(cè)部位的工作，這中間階段的動(dòng)作則屬于過(guò)渡維修動(dòng)作。

針對(duì)以上三種維修動(dòng)作類(lèi)型，基于DELMIA軟件本身選取適合各自特點(diǎn)的仿真方法。外設(shè)模擬仿真和自適應(yīng)參數(shù)驅(qū)動(dòng)兩種仿真方法分別應(yīng)用于普通、過(guò)渡和精準(zhǔn)維修動(dòng)作中進(jìn)行仿真分析。外設(shè)模擬仿真方法即主要通過(guò)觀察真實(shí)民機(jī)維修人員的交互行為來(lái)指導(dǎo)虛擬仿真操作者進(jìn)行維修仿真動(dòng)作設(shè)置，例如，路徑到達(dá)規(guī)劃時(shí)真實(shí)維修人員則會(huì)避免碰撞及干涉，選擇最方便高效的方法完成位置的調(diào)整。自適應(yīng)參數(shù)驅(qū)動(dòng)仿真方法主要是針對(duì)DELMIA軟件中可直接定位到軸線(xiàn)處、設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)等參數(shù)，確保精確定位的特征，再通過(guò)實(shí)際零件裝配的尺寸來(lái)計(jì)算參數(shù)，將其應(yīng)用于精準(zhǔn)維修動(dòng)作中可以保證仿真的精確性。

2.2 面向民機(jī)維修的人機(jī)工效綜合評(píng)估方法

在完成一系列仿真流程后，全面的綜合評(píng)估方法能夠全面真實(shí)地反映維修過(guò)程的評(píng)估結(jié)果。首先，在虛擬仿真環(huán)境中對(duì)維修任務(wù)進(jìn)行模擬仿真，將實(shí)際維修作業(yè)的詳細(xì)信息通過(guò)虛擬環(huán)境進(jìn)行還原，隨后對(duì)整個(gè)維修任務(wù)操作的全過(guò)程進(jìn)行三種不同類(lèi)型的作業(yè)分段；其次，依次對(duì)每一段的維修作業(yè)的關(guān)鍵幀進(jìn)行提取，得到任務(wù)過(guò)程中維修人員的操作可達(dá)性、操作可視性、快速上肢的分析，并進(jìn)行單項(xiàng)評(píng)估的結(jié)果總結(jié)；最后，基于權(quán)重計(jì)算和分配綜合得出上述三種人機(jī)因素的綜合評(píng)估，輸出人機(jī)工效綜合評(píng)估可視圖和報(bào)告，根據(jù)結(jié)果提出可優(yōu)化方案。

2.2.1 單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估。

單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估將采用定量化對(duì)比的方式。本文案例驗(yàn)證中主要針對(duì)維修人員可視域、可達(dá)域、RULA姿態(tài)評(píng)估進(jìn)行分析，因此，單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估以這三種為主。

可視域評(píng)估主要是基于民機(jī)內(nèi)飾維修任務(wù)中維修過(guò)程的關(guān)鍵幀進(jìn)行分別量化，量化分?jǐn)?shù)范圍為1～3，主要根據(jù)當(dāng)前操作區(qū)域是否屬于最佳可視域范疇，若屬于則為1，處于一般可視域范圍則為2，處于較差可視域范圍則為3?？蛇_(dá)域評(píng)估類(lèi)比可視域。RULA姿態(tài)評(píng)估則主要根據(jù)姿態(tài)分析評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)自動(dòng)生成各關(guān)鍵幀數(shù)值。

2.2.2 綜合指標(biāo)評(píng)估

步驟1：判斷單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估中的各個(gè)指標(biāo)兩兩之間的重要程度，分為6級(jí)，含義分別為，1-不太重要；2-同等重要；3-略微重要；4-一般重要；5-相當(dāng)重要；6-極端重要。

步驟3：計(jì)算人機(jī)因素的權(quán)重向量。核心程序如下所示：

最后得到最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量即y_lamda。

式中，為y_lamda。

步驟5：根據(jù)綜合分?jǐn)?shù)生成的圖表總結(jié)維修過(guò)程中的問(wèn)題及可優(yōu)化的方向。

3 案例應(yīng)用——以某民機(jī)型號(hào)行李箱為例

本文提出的面向民機(jī)內(nèi)飾維修的虛擬仿真和評(píng)估方法可應(yīng)用于民機(jī)維修，具有一定的普適性，本文選取課題項(xiàng)目中的某民機(jī)型號(hào)為例，驗(yàn)證此方法面向民機(jī)內(nèi)飾維修的可行性。

3.1 民機(jī)行李箱維修作業(yè)驅(qū)動(dòng)下的虛擬仿真

以飛機(jī)客艙行李箱的拆卸為案例，利用DELMIA軟件進(jìn)行仿真維修，DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）是法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)公司（Dassault Systemes）的一款數(shù)字化企業(yè)的互動(dòng)制造應(yīng)用軟件。基于DELMIA軟件平臺(tái)，一是通過(guò)人體任務(wù)仿真（Human Task Stimulation）模塊創(chuàng)建、驗(yàn)證及模擬維修人員的人體活動(dòng)，如抓取、放置、攀爬等；二是構(gòu)建飛機(jī)客艙行李架的虛擬維修場(chǎng)景，Insert（插入）某型號(hào)飛機(jī)客艙內(nèi)飾模型和維修工具。利用DELMIA的Human Builder（人體建模）模塊創(chuàng)建擬維修人員模型，在選項(xiàng)卡中設(shè)置詳細(xì)信息，如人群、性別、百分位數(shù)及參考點(diǎn)等；三是為增加維修仿真過(guò)程的可靠性和真實(shí)性，當(dāng)飛機(jī)客艙模型、維修工具導(dǎo)入到DELMIA且建立維修人員人體模型后，通過(guò)建立手與螺絲刀的約束及Posture Editor模塊完成精準(zhǔn)姿勢(shì)的調(diào)整，還原真實(shí)的飛機(jī)客艙維修場(chǎng)景。

完成仿真準(zhǔn)備后，按照本文提出的方法對(duì)某民機(jī)型號(hào)行李箱門(mén)的維修進(jìn)行驗(yàn)證，箱門(mén)的主要拆卸點(diǎn)為左右兩側(cè)8個(gè)點(diǎn)位的螺釘，見(jiàn)圖2。

步驟1：首先對(duì)箱門(mén)作業(yè)任務(wù)進(jìn)行分解。主要包含打開(kāi)箱門(mén)動(dòng)作、拆卸左側(cè)螺釘、固定已拆卸箱門(mén)、下樓梯、移動(dòng)樓梯、上樓梯、拆卸右側(cè)螺釘、拆卸箱門(mén)。

步驟2：基于基本的維修作業(yè)過(guò)程進(jìn)行階段劃分、動(dòng)作歸納，同時(shí)根據(jù)基本維修動(dòng)作的動(dòng)作匹配定義仿真維修動(dòng)作，見(jiàn)表2。

步驟3：針對(duì)不同維修動(dòng)作定義進(jìn)行虛擬仿真，并在此基礎(chǔ)上生成了動(dòng)態(tài)仿真視頻，對(duì)箱門(mén)在虛擬仿真過(guò)程中的關(guān)鍵幀截取，見(jiàn)圖3。

圖2 箱門(mén)維修主要拆卸點(diǎn)

表2 箱門(mén)基本維修作業(yè)過(guò)程細(xì)化

Tab.2 Refinement of basic maintenance operation process of the trunk door

續(xù)表2

圖3 基于DELMIA軟件的某民機(jī)型號(hào)行李箱門(mén)虛擬維修關(guān)鍵幀

3.2 面向某民機(jī)型號(hào)行李箱門(mén)維修的人機(jī)工效綜合評(píng)估

根據(jù)面向維修過(guò)程的人機(jī)功效綜合評(píng)估方法，通過(guò)在DELMIA平臺(tái)中來(lái)完成虛擬仿真環(huán)境中的維修任務(wù)仿真，將民機(jī)內(nèi)飾實(shí)際維修作業(yè)的詳細(xì)信息通過(guò)虛擬環(huán)境進(jìn)行還原，隨后對(duì)整個(gè)內(nèi)飾維修任務(wù)操作的全過(guò)程進(jìn)行三種不同類(lèi)型的作業(yè)分段，基于每一段維修作業(yè)過(guò)程，根據(jù)基本維修動(dòng)作選取關(guān)鍵幀進(jìn)行量化分析。

步驟1：為了得到單項(xiàng)指標(biāo)量化結(jié)果，遍歷維修過(guò)程獲取了38個(gè)關(guān)鍵幀，如圖4所示為部分關(guān)鍵幀指標(biāo)，分別記錄多個(gè)關(guān)鍵幀的不同指標(biāo)量化數(shù)值，生成可視、可達(dá)、姿態(tài)分析結(jié)果，如圖5所示，縱坐標(biāo)為量化后的維修評(píng)估等級(jí)分?jǐn)?shù)（0～7），評(píng)分等級(jí)越高，則不舒適度越強(qiáng)。

步驟2：建立各個(gè)人機(jī)因素之間的權(quán)重矩陣。根據(jù)舒適度重要度等級(jí)，確定可視性、可達(dá)性、舒適度的相對(duì)等級(jí)，生成權(quán)重矩陣，見(jiàn)式（3）。

步驟3：利用MATLAB進(jìn)行各個(gè)人機(jī)因素的權(quán)重向量計(jì)算，并完成一致性檢驗(yàn)。

代入權(quán)重矩陣得到最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量為（0.910 6 0.371 5 0.150 6）。

步驟4：計(jì)算人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，整理得到拆卸箱門(mén)的人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)，見(jiàn)圖6。

從拆卸箱門(mén)的人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)圖來(lái)看，維修過(guò)程中的0～7等級(jí)，等級(jí)3占比最大，在移動(dòng)樓梯、上下樓梯以及拆卸右側(cè)螺釘階段出現(xiàn)等級(jí)評(píng)分為4和5的情況，同時(shí)在各階段對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵幀評(píng)分等級(jí)占比中，拆卸左側(cè)螺釘?shù)燃?jí)3占75%的比例、等級(jí)2占25%的比例；固定箱門(mén)等級(jí)3占67%的比例、等級(jí)2占33%的比例；下樓梯等級(jí)4占33%的比例、等級(jí)3占33%的比例、等級(jí)2占33%的比例；移動(dòng)樓梯等級(jí)3占100%的比例；上樓梯等級(jí)4占67%的比例、等級(jí)3占33%的比例；拆卸右側(cè)螺釘?shù)燃?jí)5占12.5%的比例、等級(jí)4占12.5%的比例、等級(jí)3占75%的比例；拆卸箱門(mén)等級(jí)3占71%的比例、等級(jí)4占14%的比例、等級(jí)2占14%的比例。

圖4 部分任務(wù)關(guān)鍵幀指標(biāo)

3.3 某民機(jī)型號(hào)行李箱虛擬維修綜合評(píng)估結(jié)果分析

本文基于DELMIA軟件提出了民機(jī)內(nèi)飾維修的仿真與評(píng)價(jià)優(yōu)化方法，主要由維修作業(yè)分解、維修任務(wù)過(guò)程分段、維修動(dòng)作歸納和面向維修過(guò)程的人機(jī)工效綜合評(píng)估方法體系構(gòu)成。

1）能夠獲取維修任務(wù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真問(wèn)題預(yù)測(cè)及模擬仿真時(shí)間預(yù)估，使用Human Task Simulation模塊對(duì)典型部件拆裝過(guò)程進(jìn)行仿真，在仿真過(guò)程中可判斷零件的拆裝有無(wú)干涉問(wèn)題，若存在干涉問(wèn)題可進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。仿真過(guò)程中得到典型部件在給定拆裝順序下的時(shí)間預(yù)估及典型部件單一拆卸模塊的拆裝時(shí)間，將典型部件整個(gè)流程仿真預(yù)估的拆裝時(shí)間與整艙部件拆裝平均時(shí)間指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，得出預(yù)估時(shí)間與平均時(shí)間指標(biāo)的時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)比結(jié)果。若典型部件拆裝預(yù)估時(shí)間大于平均時(shí)間指標(biāo)，可以典型部件拆裝的單一模塊的拆裝時(shí)間作為切入點(diǎn)，完成整個(gè)流程拆裝時(shí)間的優(yōu)化。

2）在對(duì)動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程中的虛擬人可視、可達(dá)、姿態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估時(shí)，通過(guò)量化數(shù)據(jù)可以得到維修部件的可優(yōu)化點(diǎn)，并基于可優(yōu)化點(diǎn)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化。正如本文中客艙行李箱門(mén)的案例分析結(jié)果，從維修人員的角度出發(fā)，有助于人員維修舒適度的提升，從維修部件的角度出發(fā)，能夠優(yōu)化維修部件的使用配合度。

通過(guò)對(duì)客艙行李箱箱門(mén)維修分析進(jìn)行了案例驗(yàn)證，根據(jù)選取的38個(gè)關(guān)鍵幀的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可知，由于客艙維修通道受限，因此維修臺(tái)即本文描述為維修樓梯的尺寸及樣式會(huì)對(duì)維修人員的操作效率及舒適度有一定影響，此外拆卸箱門(mén)連接件的左右螺釘，經(jīng)分析可知其不適等級(jí)較高。主要是在拆卸箱門(mén)過(guò)程中，操作者大部分的維修作業(yè)空間在頭部及以上，并需要拆卸4顆螺釘，拆卸螺釘時(shí)間占整個(gè)拆卸箱門(mén)比重大，保持維修姿勢(shì)的時(shí)間增長(zhǎng)，拆卸左側(cè)螺釘執(zhí)行階段RULA分析，可知操作人員在維修過(guò)程中的不舒適。但操作人員沒(méi)有輔助拆卸或支撐維修人員上臂的工具，長(zhǎng)期作業(yè)易對(duì)操作人員上肢產(chǎn)生損傷。同時(shí)，在維修人員配合問(wèn)題上通過(guò)仿真也發(fā)現(xiàn)了部分可能增加人體不適度的情況。

3.4 某民機(jī)型號(hào)行李箱虛擬維修優(yōu)化建議

針對(duì)案例結(jié)果分析設(shè)計(jì)建議如下。

1）針對(duì)民機(jī)內(nèi)飾中像行李箱這種需要借助維修臺(tái)的輔助來(lái)進(jìn)行維修操作的內(nèi)飾部件，由于維修通道受限，可對(duì)其輔助維修臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)切入點(diǎn)為便于移動(dòng)、高度可靈活調(diào)整。

圖5 箱門(mén)拆卸可視、可達(dá)、姿態(tài)量化

2）需要對(duì)箱門(mén)連接件進(jìn)行優(yōu)化，選用盡量避免長(zhǎng)時(shí)間的手過(guò)頭操作，即可以選用撥片式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)按壓彈扣，縮短維修人員操作時(shí)間。

3）考慮設(shè)計(jì)輔助拆卸工具，本文關(guān)鍵幀獲取能夠?yàn)檩o具設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐，通過(guò)設(shè)計(jì)輔助拆卸工具，保證能夠降低維修人員長(zhǎng)時(shí)間手過(guò)頭操作的不適度，從而降低維修人員職業(yè)病的發(fā)生概率。

4）針對(duì)操作者配合的流程優(yōu)化問(wèn)題，輔助操作者需要幫助主要操作者完成維修任務(wù)，當(dāng)主要操作者移動(dòng)到右側(cè)時(shí)，需要固定箱門(mén)左側(cè)的螺釘，防止箱門(mén)或其他部件損壞，此時(shí)輔助操作者的作業(yè)空間高于頭頂，由RULA分析可知，其前臂在此姿勢(shì)下不舒適。當(dāng)主操作者移動(dòng)到另外一側(cè)后，應(yīng)視情況判斷是否需要再抓取箱門(mén)左側(cè)，若主操作者不便于拆卸，應(yīng)該保持姿勢(shì)，但易對(duì)輔助操作者上肢產(chǎn)生損傷，若方便拆卸可以回到站立狀態(tài)，等待主要操作者完成右側(cè)螺釘拆卸后再完成拆卸任務(wù)。因此，在配合問(wèn)題上通過(guò)仿真可提前獲取較優(yōu)配合方式，減少不適損耗。

圖6 拆卸箱門(mén)的人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)

4 結(jié)語(yǔ)

為了保證虛擬維修仿真的高效性及評(píng)估的可靠性，本文提出了基于DELMIA軟件的維修仿真與評(píng)價(jià)優(yōu)化方法。首先依據(jù)虛擬維修仿真相關(guān)理論提出了基于DELMIA的虛擬維修仿真出發(fā)點(diǎn)，依據(jù)維修任務(wù)分解的思想，對(duì)維修操作者本身動(dòng)作、工具設(shè)備的動(dòng)作、零部件動(dòng)作進(jìn)行分解；其次在綜合考慮維修動(dòng)作庫(kù)的完整性與可靠性，以及單個(gè)維修動(dòng)作設(shè)計(jì)的獨(dú)立性的基礎(chǔ)上劃分作業(yè)階段，并總結(jié)歸納各個(gè)階段所需要的維修動(dòng)作；再次根據(jù)實(shí)際作業(yè)過(guò)程的基本維修作業(yè)特征完成自適應(yīng)參數(shù)驅(qū)動(dòng)方法和外設(shè)模擬仿真方法的確定，并進(jìn)行仿真，依據(jù)綜合評(píng)估優(yōu)勢(shì)進(jìn)行關(guān)鍵幀綜合評(píng)估結(jié)果的獲取，并基于MATLAB完成權(quán)重向量的生成和檢驗(yàn)，得到最終綜合結(jié)果；最后根據(jù)綜合結(jié)果提出了本次維修的可優(yōu)化方向。該方法對(duì)虛擬仿真在民機(jī)內(nèi)飾維修的應(yīng)用及維修輔具的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

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Simulation and Evaluation Optimization Method of Civil Aircraft Interior Virtual Maintenance Based on DELMIA

CHEN Deng-kai, WANG Yao, AO Qing, QIAN Jun

(Key Laboratory of Industrial Design and Ergonomics, Ministry of Industry and Information Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)

The work aims to propose a virtual maintenance simulation and evaluation optimization method based on DELMIA to construct a virtual maintenance simulation and evaluation system for civil aircraft so as to solve the difficulty and high cost of traditional civil aircraft interior maintenance. First, the maintenance task simulation actions were decomposed and the maintenance operation stages were divided, and the characteristics of the actions in different stages were analyzed to complete the division of the operation area. The maintenance action types were divided again for different areas, and virtual simulation operations were performed according to different types. The evaluation was based on the key frames extracted from the DELMIA simulation results to analyze the indicators to obtain the results of single evaluation. Finally, based on the MATLAB platform, the comprehensive evaluation weight vector of the above-mentioned various ergonomic factors was completed, the results of each key frame were calculated, the visual diagram and report of the comprehensive evaluation of ergonomics were output, and the optimization direction was given. The case verification of maintenance simulation of a certain type of civil aircraft interior luggage based on the project support showed that the method can systematically complete the maintenance simulation analysis task of typical interior components of civil aircraft, and give a clear maintenance optimization direction. The new method system is helpful to improve the efficiency and comprehensive evaluation reliability of civil aircraft interior virtual maintenance simulation.

internal components of civil aircraft; virtual maintenance; simulation analysis; comprehensive evaluation; ergonomics

TB472

A

1001-3563(2023)14-0073-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.14.007

2023–02–07

中央高校建設(shè)世界一流大學(xué)（學(xué)科）和特色發(fā)展引導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（22GH030706）；陜西省特支計(jì)劃領(lǐng)軍人才項(xiàng)目（W099115）；陜西省特支哲社領(lǐng)軍項(xiàng)目（D5113200021）

陳登凱（1973—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)、人機(jī)工程學(xué)、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

王瑤（1999—），女，碩士生，主攻人機(jī)工程學(xué)、布局評(píng)估。

責(zé)任編輯：陳作