虚拟维修技术及其在航空维修训练中的应用初探

谢军 唐庆如

摘 要

主要阐述虚拟维修技术概况并简要分析其在航空维修训练中的一些应用问题， 对深入开展虚拟维修技术的应用研究及系统开发具有参考价值。

关键词

虚拟维修;航空维修;训练

中图分类号： V267                      文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 71

0 引言

随着我国航空业特别是民航运输业的快速发展，航空维修作为保障航空安全及行业运营的基础，也迎来了一些新的挑战。传统航空器维修长期以来普遍都采用理论培训加机上实践的方法，训练内容及手段越来越不能满足高效率高质量培训的需求。虚拟现实技术近年来迅速普及，虚拟维修作为虚拟现实技术在维修中的应用也得到了进一步发展。虚拟维修技术研究目前主要集中在维修人员训练、维修性设计验证和维修保障规划三个方向，本文主要对虚拟维修技术在航空维修训练中的应用进行简要分析。

1 虚拟维修起源

虚拟维修最初起源于某些大型复杂的系统如飞机、航天器等对于维修及维护训练等工作的需求。虚拟维修VM （Virtual Maintenance）这个概念最早出现在美国军用手册MIL-HDBK-470A中，指的是：使用虚拟现实技术，维修工程师可进入虚拟环境中，对虚拟产品进行维修[1]。

2 研究及应用概况

2.1 国外情况

新加坡南洋理工大学最早采用面向对象的思想以低成本建立了V-REALISM桌面维修培训系统，该系统将重点放在维修路径规划和演示上[2]。美国Lockheed Martin公司采用DELMIA平台对发动机拆装、武器装填等过程进行仿真[3-4]。加拿大Bombardier公司则选用Jack模拟机载设备的装配和维修[5] 。国外一些著名航空制造商也推出了虚拟维修训练系统产品，如美国的Aerosim公司研发的Virtual Flight Deck （VFD）虚拟驾驶舱和Virtual Aircraft （VA）虚拟飞机专门用于维修人员培训。加拿大CAE、FAROS等公司也都推出自己的VMT（Virtual Maintenance Trainer）产品。L3 Commercial Aviation公司推出了桌面式和便携式VMT训练器等。VMT基于桌面PC平台，主要针对飞机维修培训设计，可以提供虚拟维修操作训练，且可替代部分OJT（On Job Training）实习课程，国内山东航空、厦门航空等航空公司均采购了CAE公司的虚拟维修训练器用于培训。

2.2 国内情况

北京航空航天大学的虚拟现实技术国家重点实验室、浙江大学CAD&CG国家重点实验室、中国民航大学、中国民航飞行学院等在维修过程建模、虚拟样机建模、维修动作仿真以及虚拟人机交互等方面已开展了大量研究，取得了一些成果。

浙江大学万华根等开发的VDVAS（Virtual Designand Virtual Assembly System）用于虚拟设计与得到最佳装配顺序和路径[2]。中国民航大学主导开发了虚拟驾驶舱和虚拟飞机仿真系统、半物理仿真系统及桌面虚拟仿真教学系统。模拟飞机真实系统运行过程和场景，用于航空维修工程技术及管理的模拟再现和训练。中国民航飞行学院自主开发了机务维护模拟机和虚拟维修训练系统用于航空维修工程人才培养。

3 虚拟维修应用于航空维修训练

虚拟维修在航空维修培训领域具有很好的应用前景，从20世纪90年代出现和普及的CBT（Computer Based Training）技术，到后来出现的MTD（Maintenance Training Device）模拟器软件产品和目前以SBT（Simulator Based Training）为代表的航空维修培训新方式，都体现着虚拟维修技术的内涵。虚拟维修技术可以弥补传统航空维修训练中存在的理论与实践脱节、理论讲解不够生动、实践操作危险及困难等问题，同时能实现传统维修实训难以实现的复杂系统性工作的训练。

3.1 航空维修的特点

航空器属于高价值、高技术、高风险的复杂产品，其系统多且高度复杂。航空维修直接影响航空安全及运行效率，是航空运营保障的关键环节。因此，航空器的维修保障工作在人员、设备、环境、程序等方面的要求也相对较高，航空维修具有如下特点：

（1）航空维修技术综合性高

（2）航空维修程序严格

（3）航空维修具有高消耗性

（4）航空维修对人员资质要求高

由于航空维修的行业特殊性，其在培训方面也有一定要求。

3.2 航空维修训练的需求

實训教学是培养航空维修应用型人才的重要环节，实训即职业技能实际训练，它包含“培训”和“实践”。实训的目的是使受训者获得一项稳定的行为方式或技能。常见航空维修工作包括日常勤务、部件拆装等，需要较强的实践动手能力;系统功能测试、故障判断及排除等对工程分析能力要求较高;目前我国绝大部分民航运输机来自美国或欧洲制造商，对专业英语阅读能力也有一定要求。因此，需要在训练方式及内容方面来满足航空维修训练新的更高需求。

3.3 传统航空维修训练方式的弊端

传统航空器维修培训普遍采用的理论加机上实践的方法虽然涵盖了工作所需的训练内容，但往往由于资金、环境设备等限制，两者在衔接上与实际维修工作并不能保持一致。且采用飞机实体或特制的训练设备，往往具有以下不足：造价昂贵，后期设备升级及维护成本也高;实体飞机上操作可能受时间、场地、天气等因素的限制;相对主流机型，培训内容往往滞后，学员对维修整体流程及实际系统性工作缺乏认知;某些项目如拆装、飞机通电测试等可持续性较差;某些不必要的零部件购置、维修工具管理、耗材使用等大大增加维修训练成本;有的操作对初学者人身安全造成一定威胁。

3.4 虚拟维修训练的优势

虚拟维修训练以计算机技术为核心，虚拟现实应用为基础，虚拟的数字样机和场景为操作对象，以行业特点及专业需求为导向。创建具有高逼真度的维修训练任务场景，与传统的实体设备训练相比具有以下优势：

（1）安全性——高风险维护工作在实体训练中难以开展，且需要人员具备相关资质

（2）经济性——虚拟维样机训练比物理样机训练的使用和维护成本低

（3）系统性——传统航空维修训练中各项目之间往往比较孤立，整体流程也难以进行训练，虚拟维修训练环境下可形成系统的综合训练体系

（4）灵活性——可不受场地、时间和天气等因素影响，并且可以和实体设备组成半虚拟半物理的混合训练方式，具有较强的灵活性

3.5 对虚拟维修训练系统提出的要求

虚拟维修训练系统以虚拟场景和数字样机为操作对象，通过计算机来实现人机交互。受到硬件设备条件和仿真技术的限制，在实现手段和操作方法上都与实际维修过程有一定差别[6]。为完成操作者和虚拟操作对象更好的交互，保持与真实维修过程较好的一致性从而增强训练效果，虚拟维修训练系统应具有以下特征：

（1）模型真实度高

（2）训练过程表达准确

（3）能对训练过程进行优化

（4）能对训练质量进行评估

（5）界面友好，易于操作

4 结束语

虚拟维修技术从诞生至今，已经被广泛应用在航空航天、军事科技、机械制造、产品设计、生产建设等诸多领域，广泛的应用领域证明了其巨大的发展潜力。虚拟维修技术在航空维修训练中的应用具有很大的潜力，目前国内特别是民航维修方面的应用研究还并不多。同时，深入研究虚拟维修技术以及所应用领域的特点能够更好使两者结合，对其应用领域有着重要意义。

参考文献

[1]MIL-HDBK-470A.Designing and Developing Maintainable Products and     Systems[Z].Department of Defense Hand-book，1997.

[2]刘佳，刘毅.虛拟维修技术发展综述[J].计算机辅助设计与图形学学报，2009，21（11）：1519-1534.

[3]Anonymous.Maintaining focus： routine fixes and servicing are receiving   greater emphasis in the design of the latest fighter aircraft[J].Mechanical  Engineering， 2001， 123（10）：76-78.

[4]Anonymous.Gearing up for JSF assembly：simulating ERGOm an at work[J].Tooling & Production， 2003， 69（7）：20-23.

[5]Wimsatt A.Virtual reality software really flies [J].IIE Solutions， 1998， 30（11）：52-53.

[6]焦玉民，等.虚拟维修技术研究与展望[J].中国工程机械学报，2011，9（3）：359-366.