直升机交互式虚拟维修方法研究

霍同雷 张峰

【摘 要】目前，我国直升机在各方面的应用水平越来越高，为了进一步提高直升机的运行水平，加强直升机交互式虚拟维修不仅可以提高维修效率还能够保证直升机维修质量。基于此，本文从虚拟现实技术的相关概念出发，探讨直升机交互式虚拟维修方法的具体应用。

【关键词】直升机；虚拟维修；维修方法；交互式

维修性是设计阶段赋予装备的，使维修简便、迅速、经济的一种固有特性，关系到装备可用度和寿命周期费用，受到用户的高度重视。在面向维修性的设计（Designfor Maintainability，DFM）中，传统方法已无法满足装备日益增长的维修性要求。随着数字样机、人体模型和虚拟现实技术的发展，虚拟维修技术应运而生，成为DFM的关键技术。

一、虚拟现实技术

虚拟现实是指计算机模拟的三维真实环境。具体来说，就是采用以计算机技术为核心的各种现代化高科技合成的视听、触觉一体化的特定范围内的虚拟环境，使用者借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用相互影响，从而产生亲临实境的感受和体验。研究表明，人对基于图像、声音等感官器官信息的理解能力远大于对数字、文字等抽象信息的理解、记忆能力，因此，用虚拟现实技术实现的训练系统可以使使用者的训练效果极大地得到改善。虚拟现实不同于一般的交互三维图形学，首先，他可以使用户从虚拟空间中向外观察，这种感受是用户作为旁观由外部向内部观察无法体会到的；其次，通过虚拟空间，用户可以实时看到随视点而改变的场景，即实时性；最后，用户融入到虚拟现实中，感受与现实世界相同的环境，从而按照实际的工作状态与环境交互，即交互性。这些与计算机仿真有很大的不同。

二、航空虚拟维修系统的特殊需求

第一，直升机维修具有综合保障性。直升机维修是一种综合性活动，贯穿装备的全生命周期，需要科学管理与合理调配使用各种维修保障资源；而航空虚拟维修也涉及了维修设施、维修人员、维修工具等类别的维修资源，维修资源种类和数量繁多。如果不能对虚拟维修资源进行科学管理与合理调配，不能有效地使用维修资源，则航空虚拟维修的大量时间就会耗费在查找、向维修环境中导入并定位维修资源，查询维修资源的使用方法，编辑维修人员使用工具、设备时的姿态和手型上，虚拟维修的效率就难以提高。因此，系统必须统筹管理虚拟维修资源，实时查询维修资源的使用方法，高效存储和调用人体的身体姿态和工具对应的手型。第二，直升机维修具有技术综合性直升机维修是多专业的综合保障体系，是一种技术综合性很强的活动，要求有科学的专业分工，这样必然涉及多种专业知识，单个工程人员很难独立完成全部的维修仿真工作，而需要不同专业的工程人员协同维修。因此，系统需要建立虚拟维修协同环境。第三，直升機维修具有快速反应性该特点要求直升机维修用最短的反应时间保障航空装备最大的出动强度。直升机维修反应时间的长短一方面取决于直升机维修保障系统的物流效率，另一方面取决于直升机维修人员的维修效率。提高维修人员的维修效率，在人员维修水平一定的前提下有两种途径：①建立科学的维修任务流程；②通过虚拟维修进行维修性分析，尤其是维修时间方面的分析，改进航空装备的维修性。系统要能科学规划和运用维修任务流程，建立中国人的人体模型，进行包括维修时间估算在内的维修性分析。第四，直升机维修具有高消耗性和环境复杂性通过统筹管理虚拟维修资源、科学规划维修任务流程，可以提高通用维修资源的比例，合理调配维修资源，降低航空装备维修保障的费用，改善航空装备的高消耗性；通过在不同的维修场景中进行虚拟维修，可以提高直升机维修对复杂环境的适应性。

三、直升机交互式虚拟维修方法

1.建立直升机虚拟维修系统的三维模型库

三维建模是虚拟维修系统设计的核心，三维数据库又是整个虚拟现实系统三维场景建模的基础，其数据格式对虚拟现实系统的运行质量有极大的影戏。对于直升机虚拟维修的模型库，应将各型直升机的维修工具、主要的维修零、部件按照模块化的方式建立起来。另外还要建立直升机维修的场景模型（包括机舱.机身等），这主要是考虑人机工程和增强“浸润感”。同时，整个虚拟维修系统应采取开放式的系统结构，各种模块间要有细分的功能及接口。作为其模型库应允许直接输入多种来源的CAD数据来构造一个与真实样机比例相同的数字样机，考虑到模型来源的广泛性，它最好还能接受3DSMAX、MULTIGEN、ALIAS等设计软件的三维模型数据格式。另外，我们还要考虑实时交互性的要求，对模型的数字信息进行优化，只提取对虚拟维修系统有用的数据（主要是部件的几何信息和表面信息）。

2.面向维修级别的可扩展维修资源管理

目前常用的虚拟维修软件存在以下问题：没有对虚拟维修资源进行统筹管理，通常只能将某一类虚拟维修资源保存在同一文件夹或虚拟文件夹内；所能存储的信息种类有限，无法进行扩展；不利于对直升机维修所涉及的维修资源进行科学管理，无法高效地利用虚拟维修资源构建虚拟维修环境，也无法便捷地生成产品或零部件的维修保障数据库。此外，航空装备的维修资源是按照维修级别来进行配置和管理的，适应装备维修的差异性和经济性需求。因此，直升机维修资源不能仅面向维修对象进行管理，还应该考虑直升机维修级别。由此，利用可扩展标记语言（eXtensibleMarkupLanguage，XML）技术的可扩展性，建立面向维修级别的可扩展维修资源管理工具，对直升机维修资源进行科学管理势在必行。

3.基于知识的维修流程管理实现方法

为实现基于知识的维修流程管理，开发了维修流程检索、建模工具，维修流程单步提示工具，以检索、重用相似的维修流程，按维修步骤指导维修仿真、同步优化维修流程。具体实现方法如下：步骤1在第一轮基于虚拟维修的设计迭代前，由资深工程人员通过维修任务分析，借助维修流程建模工具建立实例化的维修流程本体模型，该模型是粗糙的、初步的；建模过程中，通过维修流程检索工具，能够重用知识库中相似的维修任务或维修作业的本体模型。步骤2通过维修流程单步提示工具读取维修流程模型，辅助工程人员进行维修仿真；该工具能按维修步骤提示文本化的维修内容，并高亮显示相关的维修部位及需要使用的维修资源。步骤3当工程人员完成一个维修步骤的仿真建模后，若提示的内容不完善、高亮度显示的维修部位或资源不准确，通过维修流程建模工具同步修订维修流程模型；否则，确认该维修步骤。步骤4后续每轮基于虚拟维修的设计迭代中，重复步骤2和步骤3，修订、完善该维修流程模型。步骤5所有设计迭代结束，以维修流程模型为基础框架生成维修手册；该手册经设计人员、勤务人员和维修性工程人员在沉浸式虚拟环境中确认后，提交给用户。

四、结语

真正实现直升机虚拟维修不仅面临着很多技术上的难题，也是一项工作量巨大的工程。但是，“千里之行始于足下”，只要我们结合现有条件，因陋就简进行虚拟维修系统方面的研究，打牢技术基础，充实模型库、故障库等，逐步实现虚拟维修系统的各部分功能，就能在提高维修质量、训练水平方面发挥作用，重复发挥虚拟维修的作用，提高直升机战斗力水平。

【参考文献】

[1]王思琦.虚拟维修平台交互式表现方法研究[D].中国民航大学，2018.