虚拟现实下的飞机部件维修建模技术研究

邵欣桐，魏晓飞

（1.上海民航职业技术学院 民航工程系，上海 200232；2.上海飞机客户服务有限公司工程技术服务部，上海 201100）

传统的维修模式存在诸多问题，对于一些新出现的价格昂贵、结构复杂的高科技新式装备，由于本身数量有限，无法提供实体用于维修人员的培训和维修训练。对于现有的高科技设备，维修训练依然需要大量的经费支持，而且为了避免维修训练过程中对实体造成的不可修复的损伤，维修训练往往不能够全面展开。利用虚拟现实技术进行维修训练可以有效地解决上述问题。但虚拟维修平台的建立面临着数据信息量大，维修部件间相互关联等问题，不易于数据的管理和维护。因此我们将约束可视化建模技术应用于结构复杂，数据信息量大的飞机虚拟维修平台，方便其数据的更新和维护，大大减少了工作量，提高了飞机虚拟维修平台数据操作的效率。本文具体阐述了飞机虚拟维修部件间约束关系的数据表示方法以及按照约束关系生成拆卸规则过程中避免死锁的方法。

1 虚拟现实理论基础

虚拟维修是结合了计算机技术与虚拟现实技术理论，在包含虚拟装备模型与维修人员人体模型的三维虚拟场景中，通过驱动人体模型来完成整个维修过程仿真的综合性应用技术[1]。总体来讲，虚拟维修有如下两种实现方式：

（1）完全通过算法来控制虚拟环境中的人体模型从而完成维修操作的仿真。

（2）通过外部控制设备驱动虚拟场景中的人体模型动作，即人在回路的仿真方式，这种方法使维修人员更好地参与到维修训练中。因此，产品的虚拟维修过程是虚拟的维修过程，它完全通过虚拟的场景和对象来模拟产品维修的实施过程[2]。完整的虚拟维修系统是在硬件和软件的基础上建立的，如图1所示。

图1虚拟维修系统的构成

2 飞机虚拟维修系统约束可视化建模系统

2.1 虚拟维修拆装对象模型

虚拟拆装是虚拟维修系统的核心，实现虚拟拆装首先需要建立拆装对象模型，拆装对象模型表达的是虚拟维修过程中各个活动的核心数据，拆装对象模型的表达是否完善是虚拟维修能否顺利进行的关键。

在实现进行虚拟维修之前，需要先建立拆装对象模型，然后在虚拟拆装过程中提取这些模型的信息，包括零件的基本属性、约束关系、拆卸方法等，利用这些数据在虚拟环境中实现虚拟拆装。

民航飞机的日常维修工作都是严格按照工卡来进行的，在工卡中明确规定了拆卸、装配步骤和拆装的方法。虚拟维修系统应该严格按照实际的维修步骤来模拟拆装过程。采用基于约束关系的拆装序列生成方法，在人机交互界面通过输入拆装单元的约束序列来实现虚拟环境中拆装过程的模拟。一般来讲，虚拟装备的零件具有“可拆即可装”的性质，因此只需要给出虚拟装备零件的拆卸序列，然后该序列的逆序即为该零件的装配序列。

2.2 虚拟维修约束表示方法

虚拟拆装中的约束关系可以抽象的表示为有向无环图DAG（Directed Acycline Graph）。对整个工程和系统，人们最关心两个方面的问题：一是工程是否能够顺利完成；二是完成整个过程所需的最短时间，对于有向图来讲，则是进行拓扑排序和关键路径的求解[3]。

2.2.1 拓扑排序

用顶点表示活动，用弧表示活动间优先关系的有向图称为顶点表示活动的网（Activity On Vertex Network）称为AOV-网，在网中如果从顶点i到顶点j有一条有向路径，则i是j的前驱，j是i的后继，如果是有向图中的一条弧，则i是j的直接前驱，j是i的直接后继。在AOV-网中不应该出现有向环，因为存在环意味着某项活动以自己为先决条件，显然这是荒谬的。若设计出这样的流程图，工程便无法进行[4]。而对于程序的数据流图来讲，则意味着存在死循环。因此对于给定的AOV-网，应该首先判断网是否存在环。检测的方法是对AOV-网构造拓扑有序序列，若拓扑有序序列包含网中所有的点，就可以断定AOV-网中不存在闭环。如图2所示，圆形代表了飞机某部件的拆装零件之间的约束关系。

图2飞机拆装部件的AOV网

根据拓扑有序序列生成算法可以得出以下两个序列：

2.2.2 进行拓扑排序的方法

（1）选择有向图中一个没有前驱的顶点输出；

（2）在有向图中删除该顶点以及所有以它为尾的弧。重复上述两步，直到把所有的顶点全部输出，或者当前图中找不到无前驱的顶点为止。当还有顶点没有输出，却找不到没有前驱的顶点时，说明有向图中存在回路[5]。

如图 3 所示，（a） 为 AOV-网；（b） 为输出C1以后；（c）为输出C3以后；（d）为输出C2以后；（e）为输出C6以后；（f）为输出C4以后。生成的拓扑有序序列为C1C3C2C6C4C5.

图3 AOV-网及拓扑有序序列的产生过程

如果在飞机拆卸AOV-网中包含环则在拆装过程中会出现死锁现象，所以在生成拆卸规则时一定要避免这种情况。因此在约束可视化系统中，需要对构造的飞机部件拆卸模型进行检测，查看飞机拆卸AOV-网中是否存在回路，如果存在回路则需要对存在回路的部位按照说明重新进行定义。

2.3 约束可视化图元数据定义

用户可在操作界面对零件的基本信息和约束进行可视化定义，并将可视化定义界面的零件和有向弧线段的属性存入数据库中。系统采用面向对象的方法将零件和有向弧用类抽象出来，类定义表示如下：

2.4 虚拟维修约束可视化建模系统实现

图4是虚拟维修约束可视化程序运行图，用户可根据参考文档中的内容在可视化界面建立产品拆装模型，但需要对参考文档中设备的每一个零件进行属性定义，由于3D模型也是按照参考文档建立的，所以零件或者子部件的名称必须按照参考文档中的名称严格定义，使拆卸模型中的零件与3D模型中的零件一一对应。

图4虚拟维修约束可视化建模系统图

进行零件或者子部件之间的约束定义时，先根据连接的类型选择该约束属于可拆连接或者不可拆连接，选择对应的有向弧，然后对该有向弧进行约束其他属性的定义，如拆装所需的工具，拆装所需的方法等。

3 约束可视化建模系统在飞机虚拟维修系统中的应用

飞机虚拟拆装平台如图5所示，在进行拆装操作前先将约束可视化系统生成的数据文件导入到飞机虚拟维修系统中，数据文件主要包括零件的基本信息以及零件拆装时的约束信息。

图5飞机在虚拟环境下进行拆装图

当进行虚拟拆卸的时候，选择一个零件，首先判断该零件的拆卸约束序列中的零件是否全部被拆除，如果是则继续判断该零件拆卸所需要的人员、工具、设备等其它约束条件是否满足，如果是则该零件可被拆除。当进行虚拟安装时，选择一个待安装的零件，首先判断该零件的安装约束序列中的零件是否全部被安装，如果是则继续判断安装该零件所需要的人员、设备等其他约束条件是否满足，如果是则该零件可被安装。

4 结束语

本文在虚拟现实的基础上，实现了可视化的装备拆装方法。由于可视化方法的引入，使得相关人员能更好地设计部件拆装方案，可以提前把握拆装过程中遇到的疑难杂症，具有极大的应用价值。在虚拟现实环境下，将我们常见的拆装程序，部件信息导入数据库中，以此培训员工，这样做可以提高员工对整个拆装流程的把握，提高真实工作中的拆装效率，也可以减少耗材损耗，特别是对某些在现实中难以开展的飞机部件进行模拟拆装，让员工有深刻的认识，在实际中碰到此类维修任务时能够使员工目的清晰，行为规范，从而安全高效地完成生产任务。

[1]HOLLEWAND，GLADDEN L F.Visualization of phases in catalyst pellets and pellet mass transfer processes using magnetic resonance imaging [J].Chemical Engineering Research&Design，2011，(A2):183-185.

[2]HISAYA T，HIROYUKI Z，TOHRU M，et al.Highresolution MR imaging of the inner ear:findings in Meniere’s disease[J].European Journalof Radiology，1992，15(1):83-88.

[3]王国庆，吴广茂，刘天时.虚拟现实技术(VR)及其应用[J].航空计算技术，1994，(2)：1-6.

[4]吴祚宝，肖田元.虚拟制造环境下有限元分析的应用[J].清华大学学报：自然科学版，2000，40(7)：66-69.

[5]杨宇航，李志忠，傅焜等.基于虚拟现实的导弹维修训练系统[J].兵工学报，2006，27(2)：297-300.

[6]徐永红，洪文学，陈铭明.基于Radviz及其优化的可视化故障诊断方法[J].计算机应用研究2009，26(3)：840-842.