探析虚拟环境下民用飞机维修性评估和验证技术

摘 要 航空活动是一项先进科技技术和管理理念的高度集成，对于航空飞行器的维护保修是保障航空飞行安全运行的关键之一。本文针对民用飞机的维修保养，提出了在虚拟现实技术的技术基础下，对维修方案、维修操作管理和维修人体模型、维修飞机模型等进行了虚拟重现，提出了基于虚拟环境下的维修质量评估方案，并针对维修技术指标提出了定性分析的验证技术方法。

关键词 虚拟环境；民用飞机；维修评估；维修验证

中图分类号V2 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）108-0154-02

航空技术的运用和不断发展，使得航空技术在民用运输行业扮演了越来越重要的角色，民用航空运输量也成为公路运输和水路运输之后，又一个新型的物质和人员运输的主要方式。在民用航空中，飞行活动的主体是民用飞机，这是航空技术和航空管理的操作平台，也是航空飞行活动得以安全运行的载体，这一切都是基于民用航空飞机的性能和安全系数得以保障的前提，因此，民用飞机的维修保养显得至关重要。传统的飞机维修中，多是采用例行维护和设备大修相结合的模式，通过合理的安排维修周期，可以有效的保障飞机的性能，但是耗费的人力物力重大，而且往往会有很多的维修遗漏，还极易受到场地和认为因素的限制。基于虚拟现实技术，飞行维修管理人员可以全程观测飞机维修的维修操作、人员和设备位置以及飞机的内部构造，维修效率和维修可靠性得到大幅度的提升；但是如何对这一基于虚拟环境技术的飞机维修方法进行维修性评估和维修验证，本文将进行针对性的探讨分析。

1 虚拟环境概述

沉浸式虚拟环境和非沉浸式虚拟环境是目前最为常见的两种虚拟环境形式。非沉浸式虚拟环境主要是基于数字模型（包括维修人体模型和民用飞机模型）和虚拟工作场景，在计算机显示屏上进行相关的维修操作；沉浸式虚拟环境则是在非沉浸式的基础上引入了数字手套、数字化头盔等外带设备，进行交互式的维修操作，操作者的真实感更加强烈。因此，可见虚拟环境技术的本质就是基于详实的数字模型和灵敏辅助系统，可以真实的还原民用飞机维修的实际场景，为操作者提供身临其境的维修观感。在体现虚拟环境的仿真真实性、完善性和交互性的前提下，虚拟环境系统必须能够对材料特性、光学特性、力学特性和粗糙度等能够进行量化操作，最终才能够让操作者轻松实现虚拟实体的位移、受力变化、光照变化和其他物理现象。

2 基于虚拟环境的民用飞机的维修操作

民用飞机结构复杂、功能多样，其维修过程也是极具技术挑战。在对民用飞机进行虚拟环境构造时，不采用常见的数字模型建模的方法，这是考虑到飞机整体的模型建模工作量过大，且难以进行工程操作，而是采用全景图像技术，通过在空间视点上进行360度全封闭图像的采集，可以获得相应的柱面全景图和空间全景图。在图像无缝连接技术和纹理映射技术的辅助下，甚至可以轻松的实现虚拟环境下的视角和光度的调节。

飞机模型中，各部件的材料属性和几何构造差异巨大，要进行精确的虚拟维修操作，必须赋予其精确的物理、化学属性。通过CATIA等三维建模软件，可以便捷的为实体单元的附加几何属性、材料属性、力学属性和光学属性等。人体数字模型是虚拟维修场景的重要部分，将人体模型细分为人体构造和动作分析，这主要是通过DELMIA软件来实现的，具体是将人体关节运动如：肩、四肢、颈、脊和腰椎等等140多个自由度进行动力学仿真建模，同时通过软件中的人体动作姿势数据库和不同的人种模式的原始数据，可以进行针对性的修正。民用飞机的数字模型的虚拟环境构建主要是真实飞机的实况再现，这也仰仗于CATIA和DELMIA中强大的属性赋予能力和三维建模能力，将这些人体模型、飞机模型和环境参数、维修设备进行组装，就构成了虚拟环境操作的素材基础。

3 虚拟环境下民用飞机维修性评估和验证技术

在虚拟环境的操作条件下，可以实现数字化的虚拟维修、维修检测和维修管理，整个民用飞机的维修流程都可以实现可视化、实时化、可控化和数字化。因此基于虚拟环境下的民用飞机的可维修性评估和验证也是基于现有的设备和人力基础，对维修可行性、维修效率、维修成本和维修环境变化等进行定性、定量评估，并给出一定的验证方案。

维修性评估应该是针对整个维修流程的，从维修方案的制定到实际维修操作。维修方案的周期设定、工时和设备用度分配、维修操作规范、维修事故处理、维修审核方案等，这些都是维修方案中及其重要的部分，也是考核虚拟维修的重要技术指标。细分来看，评估和验证的主要方案如下：

1）维修的能见度和可控制度，维修作业的主体是维修人员，因此，维修作业的实际剩余空间应该能够容纳维修人员，其次是维修人员对于动作的控制程度，这要求维修人员能够完整的看到自己的整个技术工作，以便于进行修正和定位；

2）维修干涉和碰撞分析，在实际的维修过程中，待维修的部件或者设备所需要的换休部件、所需维修工具以及维修操作是否会与飞机主体相干涉，这将决定了维修行为的可行性，其次是碰撞现象，这包括了人与飞机的碰撞也包括了维修工具、设备和飞机主体的碰撞；

3）维修操作舒适性评估和验证，不当的维修姿势和动作会加速维修人员的疲劳甚至会造成损伤，于此同时尽量减少维修人员的升降动作、旋转动作的用力幅度，也是重点考察的内容。这在虚拟环境的维修操作中，主要是基于CATIA和DELMIA软件中的人体姿态数据库，根据不同人体姿态的受力分析和关节扭转分析，可以对舒适度进行量化计算，通过设置阈值，摒弃掉疲劳度较大的动作，对整个维修操作的动作进行优化。

5结论

本文针对民用飞机的维修保养，提出了在虚拟现实技术的技术基础下，对维修方案、维修操作管理和维修人体模型、维修飞机模型等进行了虚拟重现，提出了基于虚拟环境下的维修质量评估方案，并针对维修技术指标提出了定性分析的验证技术方法。

参考文献

[1]戴永峰.民用飞机维修性虚拟分析与验证方法研究[M].南京航空航天大学，2005，12.

[2]邓华伟.计算机辅助民机维修性设计与分析技术研究[M].南京航空航天大学，2005，2.