顏士煜 吳紅蘭

收稿日期：2024-01-15

作者簡介：顏士煜（1993—），男，本科，研究方向：適航技術(shù)與管理。

摘要 飛機(jī)技術(shù)出版物在確保民用飛機(jī)的長期安全、穩(wěn)定、可靠、高效和節(jié)約成本等方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，對飛機(jī)維修手冊進(jìn)行嚴(yán)格的審查和驗證至關(guān)重要。文章提出利用VR技術(shù)開展維修手冊驗證的新方法，通過對比操作驗證和虛擬驗證在多維度上的差異，證明了虛擬驗證能夠輔助維修手冊的驗證工作，可以進(jìn)一步有效降低維修差錯發(fā)生的概率，同時也能夠確保手冊信息的完整性、準(zhǔn)確性和可操作性。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實；三維建模；手冊驗證

中圖分類號 V267文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0192-03

0 引言

即使飛機(jī)最初的可靠性非常高，但是要想在長期的飛行中持續(xù)保持其可靠性，就必須正確地使用和維護(hù)它們，這就需要依賴各種相關(guān)的技術(shù)出版物進(jìn)行支撐[1]。為了確保民用航空器的長期安全運(yùn)行，以及正確的操作與維護(hù)，國外民航部門已經(jīng)發(fā)布了嚴(yán)格的法律法規(guī)，要求所有的民用航空制造商都必須向客戶提供有關(guān)的技術(shù)資料，以及嚴(yán)格的操作指南，以便客戶能夠更好地操作和管理[2]。

《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（CCAR-25-R1）第25.152 9條和第25.158 1條[3]中的“航空器的持續(xù)適航文件要求”，明確規(guī)定了民用飛機(jī)技術(shù)出版物編制和管理的基本要求。飛機(jī)制造商提供給用戶的技術(shù)出版物必須正確、準(zhǔn)確且具有良好的可操作性，而對民用飛機(jī)技術(shù)出版物進(jìn)行驗證的目的是檢驗技術(shù)出版物內(nèi)容是否準(zhǔn)確。適航當(dāng)局非常重視持續(xù)適航文件的檢查，并將其作為適航符合性檢查的重要組成部分，關(guān)系到飛機(jī)能否取得型號合格證。

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)維修手冊的驗證，具有以下優(yōu)勢：首先，虛擬維修技術(shù)不僅可以在設(shè)計初期對產(chǎn)品的可維修性進(jìn)行設(shè)計評審，還可以在產(chǎn)品的使用和維修階段對將要實施的維修計劃進(jìn)行預(yù)模擬，驗證其可行性和安全性；其次，隨著工程和設(shè)計的變更導(dǎo)致的飛機(jī)構(gòu)型變更，飛機(jī)維修手冊也需漸漸優(yōu)化，通過虛擬驗證方法進(jìn)行補(bǔ)充評估，可以提高效率、節(jié)約成本；最后，利用虛擬維修技術(shù)，維修人員可以輕松地掌握“看到、修理和使用”未來的產(chǎn)品，對其中的設(shè)計缺陷進(jìn)行及時的分析與評估。

1 現(xiàn)有驗證方法及適用范圍

飛機(jī)維修手冊需驗證的內(nèi)容包括系統(tǒng)描述部分SDS和維修實施程序MPP兩部分，考慮不同任務(wù)和不同問題的特點，目前有三種被廣泛使用的驗證方法，即書面驗證方法、操作驗證方法以及評估/模擬驗證方法。

1.1 書面驗證

通過書面驗證，可以對維修程序和工程文件的一致性和完整性進(jìn)行檢查，這些文件包括但不限于經(jīng)過批準(zhǔn)的設(shè)計圖紙、設(shè)計文件、各類維修分析報告等，并且可以通過計算分析、書面審核、專家評審等方式確保其準(zhǔn)確性和完整性。經(jīng)過嚴(yán)格的書面審查能夠確保飛機(jī)/系統(tǒng)/零部件的詳細(xì)信息完全符合要求，并且與工程文件的要求相吻合，從而達(dá)到維修工程分析和運(yùn)行工程分析的目的。

1.2 操作驗證

操作驗證是按照維修程序所要求的步驟順序在飛機(jī)/系統(tǒng)/零部件上進(jìn)行操作而開展的驗證。操作驗證應(yīng)確認(rèn)與運(yùn)營人的維修場景一致，包括：飛行模擬器驗證、地面操作驗證、地面試驗驗證、試飛階段驗證等。

1.3 評估驗證

對于一些維修程序，雖然操作驗證是其可靠性的最佳手段，但考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性等因素，它們往往無法應(yīng)用在飛機(jī)上，或者有些維修程序交付客戶前在主制造商的研制批準(zhǔn)飛機(jī)上沒有合適的驗證機(jī)會，需要采用擴(kuò)展的操作驗證方法驗證程序，即通過評估的驗證方法同樣可以達(dá)到驗證程序可用性的目的。

通過合理分析不同驗證方法的優(yōu)缺點，結(jié)合驗證工作的特征制定驗證計劃，合理地安排驗證工作就顯得額外重要。采用操作驗證方法難以滿足全壽命周期的手冊更改的持續(xù)驗證，而評估驗證方法則缺乏對可信度、安全性的充分驗證。通過引入虛擬樣機(jī)，利用虛擬維修的環(huán)境，進(jìn)行維修過程驗證，豐富驗證手段，實現(xiàn)在維修方法設(shè)計過程中以及優(yōu)化過程中的持續(xù)驗證。

2 虛擬現(xiàn)實驗證系統(tǒng)規(guī)劃

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種基于計算機(jī)科技而開發(fā)出的創(chuàng)新工具，這種技術(shù)巧妙地融合了人類的視聽等感知能力，從而達(dá)到一種真正的沉浸式體驗。虛擬維修技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的衍生領(lǐng)域，是一種綜合性的應(yīng)用技術(shù)，它利用計算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將某種產(chǎn)品的維修過程模擬到計算機(jī)上，從而實現(xiàn)真實的維修任務(wù)。

總的來說，整個系統(tǒng)開發(fā)過程可以劃分為以下幾個階段：首先通過參考維修手冊以及在線資源收集飛機(jī)各部分的詳細(xì)信息，包括其結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵零件的尺寸。接著將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用于3DsMax的三維建模工具，并按照層級進(jìn)行模型的重新構(gòu)建。接下來對模型進(jìn)行了紋理處理和進(jìn)一步優(yōu)化，以便達(dá)到預(yù)期的視覺效果。最后將優(yōu)化后的模型保存為.fbx格式的文件，并將其導(dǎo)入Unit 3D軟件中。在該研究中，選擇C#作為主要的腳本編程語言，因為它具有簡潔且高效的特性，這與Unity 3D所支持的其他編程語言如Java Script相比更為突出。首先借助3DsMax創(chuàng)建了虛擬模型，然后通過C#編寫的控制腳本，實現(xiàn)了對這些模型的精確操控。接下來將目光轉(zhuǎn)向HTC VIVE設(shè)備，并利用其構(gòu)建了一個虛擬維修環(huán)境。在這個環(huán)境中，結(jié)合了Unity 3D的虛擬引擎，進(jìn)一步優(yōu)化模擬效果，最終實現(xiàn)飛機(jī)的整體展示、零部件介紹、虛擬拆卸和組裝等功能模塊。

3 虛擬現(xiàn)實驗證系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 模型創(chuàng)建及貼圖處理

當(dāng)前市場上的三維建模工具主要依據(jù)其采用的建模策略進(jìn)行分類，其中包括多邊形建模（Polygon）和曲面建模（Nurbs）兩種主要類型。該訓(xùn)練系統(tǒng)模型主要使用3Ds Max軟件通過多邊形建模技術(shù)進(jìn)行三維建模，同時使用PS及Unity 3D進(jìn)行貼圖制作等工作。

該虛擬現(xiàn)實驗證系統(tǒng)的主要驗證對象是針對國產(chǎn)大飛機(jī)C919的技術(shù)出版物，需要根據(jù)C919飛機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)開展飛機(jī)結(jié)構(gòu)及部分零部件的建模工作。

首先針對飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)，通過收集相關(guān)文件資料及輔助生產(chǎn)制造的數(shù)字樣機(jī)，獲得了飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)部分的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以作為建模的基礎(chǔ)，提高建模精度。

除了飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)外，在手冊驗證過程中最常出現(xiàn)的場景就是駕駛艙場景。駕駛艙內(nèi)部場景結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件眾多，組件相互配合緊密。相比于飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)的建模過程，駕駛艙內(nèi)部的建模過程對模型精度提出了更高的要求。

飛機(jī)的基本模型建立后只能代表被建模物體的外形輪廓和三維空間參數(shù)，想要達(dá)到更真實的模擬效果且材質(zhì)能夠被Unity3D識別，就必須在模型表面進(jìn)行貼圖以模擬真實物體表面的紋理。經(jīng)過對飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)的簡單建模及貼圖處理后，得到了飛機(jī)外形的基本模型，如圖1所示。

圖1 C919飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)模型

3.2 搭建場景及編寫腳本

該系統(tǒng)采用Unity3D的地形Terrain組件進(jìn)行建模，選擇上海浦東機(jī)場5號機(jī)坪556號機(jī)位作為場景的主要基礎(chǔ)，包含航站樓、停機(jī)坪、地面勤務(wù)車輛、照明消防設(shè)施等，Unity3D中創(chuàng)建的機(jī)場場景如圖2所示。

圖2 機(jī)場場景效果圖

通過虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，受訓(xùn)者可以通過計算機(jī)圖形進(jìn)行訓(xùn)練，但是這也會帶來大量的人機(jī)交互問題，而這些問題的解決方案質(zhì)量將會直接影響訓(xùn)練的最終效果。優(yōu)秀的交互設(shè)計對于提升用戶體驗并增強(qiáng)訓(xùn)練成果至關(guān)重要。在進(jìn)行交流時，必須清楚地定義目的和方式。

對于該文所研究的虛擬現(xiàn)實驗證系統(tǒng)，存在人機(jī)交互的部分。首先便是虛擬環(huán)境中視角的變化，通過VR設(shè)備感知使用者在空間中的相對位置變化，同步改變虛擬場景中攝像機(jī)的位置，讓使用者實現(xiàn)身臨其境的移動感受；其次便是在畫面中進(jìn)行類似鼠標(biāo)的點擊功能，控制手柄具有激光指向功能，即在扣動手柄扳機(jī)后，在畫面中會出現(xiàn)一條自手柄出發(fā)的指向無窮遠(yuǎn)的激光束。利用這根激光束，再結(jié)合激光與零部件之間的碰撞檢測功能，繼而能夠讓使用者開展零部件選擇、零部件拆裝、零部件移動等多種作業(yè)。

4 虛擬現(xiàn)實條件下的手冊驗證

4.1 虛擬驗證流程設(shè)計

維修手冊驗證工作任務(wù)艱巨，對于新型飛機(jī)的正常運(yùn)行具有非常重要的意義，而且對于驗證方法的選擇往往都是根據(jù)實際工作情況和需要，結(jié)合多種方法開展。如何利用新技術(shù)新方法快捷、有效地完成手冊驗證工作，便是擺在主制造商面前的一個問題。

首先，所有的維修程序均需要開展書面驗證，在經(jīng)過書面驗證確認(rèn)文本描述沒有問題后進(jìn)入下一流程；結(jié)合試飛工作計劃判斷，對于具備在試飛過程中結(jié)合維護(hù)操作開展使用驗證的，應(yīng)優(yōu)先選擇開展使用驗證。對于短時間內(nèi)不具備使用驗證條件的維修程序，可以通過分析規(guī)劃飛機(jī)在后續(xù)試飛過程中是否具備開展專項驗證的機(jī)會，但由于試飛過程中的停場改裝時間具有比較大的臨時性和不確定性，可以視現(xiàn)場計劃和改裝任務(wù)情況穿插安排專項驗證工作。

對于既無法開展使用驗證又在未來一定時間內(nèi)無專項驗證計劃的維修程序，可以根據(jù)維修程序的復(fù)雜程度選擇評估驗證或者虛擬驗證。對于程序相對簡單、步驟數(shù)量少，或是具備相似性評估條件的程度，就可以選擇開展評估驗證，其余僅通過評估驗證仍然存在遺留問題的復(fù)雜維修程序，就可以選擇開展虛擬驗證流程。

4.2 虛擬驗證情況

為了對比傳統(tǒng)的操作驗證與虛擬驗證的優(yōu)缺點，結(jié)合前期C919飛機(jī)手冊驗證工作的經(jīng)驗，選擇部分前期已經(jīng)過操作驗證的相對復(fù)雜的維修程序，在虛擬驗證系統(tǒng)中再次開展虛擬驗證試驗。從時間成本、經(jīng)濟(jì)成本、人力成本、驗證準(zhǔn)確性、操作難易程度等幾方面開展對比，分別選擇高升力系統(tǒng)和起落架系統(tǒng)的共20份操作程序開展虛擬驗證。

如圖3所示為操作者在虛擬環(huán)境中準(zhǔn)備開展襟翼拆裝的作業(yè)畫面。

圖3 操作人員在虛擬環(huán)境中準(zhǔn)備開展襟翼拆裝作業(yè)

4.3 問題分析及效果對比

經(jīng)過仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，每一份維修手冊都必須經(jīng)過書面驗證，以確保其內(nèi)容完整、與工程文件一致，并且符合維修工程分析和運(yùn)行工程分析的意圖，技術(shù)上也準(zhǔn)確無誤。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)分析需要，可以選擇進(jìn)行操作驗證或者評估/模擬驗證。

書面驗證，在任何階段均可以開展，不受任何其他因素的影響，沒有飛機(jī)實物安全風(fēng)險，是所有手冊驗證工作的前提，但是需要經(jīng)驗相對豐富的手冊使用人員進(jìn)行審查。

對于操作驗證而言，受飛機(jī)實物工作進(jìn)度影響最大，同時會額外增加飛機(jī)研發(fā)成本，還可能導(dǎo)致飛機(jī)出現(xiàn)損壞或故障，增加飛機(jī)安全風(fēng)險；

使用驗證經(jīng)濟(jì)性好、效果好，但是定檢項目較少，驗證范圍較窄，隨機(jī)性較大；專項驗證效果好，但經(jīng)濟(jì)性差，而且對試飛飛機(jī)的計劃安排有較大的影響。

針對評估/模擬驗證方法而言，驗證過程中缺乏實際操作，相比于操作驗證，能夠節(jié)約時間、降低風(fēng)險、減少成本；但是同樣的，驗證效果也不如操作驗證更加直接有效。

通過對虛擬驗證和操作驗證進(jìn)行對比，虛擬驗證系統(tǒng)完成一份維修程序的驗證所需的工時不足操作驗證的1/10；平均人力薪資成本僅1/8，且工作環(huán)境友好，不存在油污、噪聲等影響操作人員工作的因素；除了前期系統(tǒng)搭建所需的成本外，后續(xù)開展虛擬驗證工作幾乎沒有附加成本；驗證過程不受其他機(jī)上工作的影響；對于驗證過程中發(fā)現(xiàn)的問題，在完成手冊修改后也可以隨時開展重復(fù)的驗證工作。

5 結(jié)語

該文針對民用飛機(jī)維修手冊的符合性工作，研究了現(xiàn)階段幾種主要驗證方法，分析了現(xiàn)有幾種主要維修手冊驗證方法的優(yōu)缺點，并提出了依靠虛擬現(xiàn)實技術(shù)中虛擬維修這一分支技術(shù)的支持，與建立的虛擬現(xiàn)實驗證系統(tǒng)在人力、時間、成本等維度上進(jìn)行對比，取得了一定的成果和預(yù)期的效果。在虛擬場景中開展手冊驗證的方案，目的在于提高驗證的效率，打破飛機(jī)本體狀態(tài)對手冊驗證的制約，降低驗證過程中的安全風(fēng)險和成本，在一定程度上提高了我國民用飛機(jī)制造商的技術(shù)出版物驗證能力。

參考文獻(xiàn)

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