基于Delmia的虚拟仿真技术在147实作培训中的应用探究

王巍然WANG Wei-ran；武琳WU Lin；祝家奇ZHU Jia-qi；赵其定ZHAO Qi-ding

（江西经济管理干部学院，南昌 330088）

0 引言

为保障民用航空器的持续适航和飞行安全，航线维修工作对维修人员的素质、知识、技能、心理能力要求日益提高，从事航空维修的人员需持有民用航空器维修人员执照才能工作。为规范民用航空器维修人员执照的颁发和管理，2020年7月1日起施行CCAR-66R3《民用航空器维修人员执照管理规则》。新修订的CCAR-66R3对申请执照必修的航空器维修基础知识和实作规范作出优化和改进：一方面，突出通过培训确保获得执照人员掌握应知应会的知识和技能；另一方面，执照培训突出知识结构和技能的普适化[1]。CCAR-66R3要求航空器维修基础知识培训和实作培训应当由符合CCAR-147《民用航空器维修培训机构合格审定规定》（简称147）规定的维修培训机构实施。CCAR-66R3要求民航维修人才的培养侧重于院校教育，进一步规范和明确了航空维修人才培养的标准和要求，明确了拥有147培训资质的院校的学生毕业时完成相关培训和考试，即可获取维修执照。又随着国家对职业教育的大力发展和支持，促使当前设有航空维修专业的职业院校及147机构申请R3执照的培训资质如同雨后春笋般崛起。

1 航空维修培训及技术发展

1.1 147实作培训现状及所存在的问题

AC-66-FS-002 R1《航空器维修基础知识和实作培训规范》中要求申请各类航空器维修人员执照的人员至少具备M7模块中维修基本技能、维修手册和工具设备的使用、维修记录和放行的航空器维修基本技能，且至少具备M8模块中对应航空器和发动机类别的勤务和航线检查、常见故障和缺陷的处理、航线可更换件拆装的航空器维修实践[2]。

目前，大多147机构在实作培训中采取教员按照各科目工卡进行操作示范的方法展开教学，部分培训机构采用先期录制的实作视频进行辅助教学。这种培训方法存在以下问题：

①效率低下。在传统师带徒培训模式下，由于教员技能水平参差不齐，凭经验教学，在一个教员面对多个学员的教学场景中不能做到手把手教学，实作过程标准化低、可复制性差。

②培训成本高。各机构普遍采用真机实作培训，造成大量航材、工具、设备的损耗。规章规定每位教员至多指导8名学员，学员数量的增多意味需配备等量的设备和教员，造成培训成本高居不下。

③受训效果差。受场地、设备、机型的限制，学员的净实训时间较短，所学知识不牢固，所得技能水平差，不能高效的普适不同机型的维修培训。

1.2 虚拟维修技术在航空维修中的研究现状

随着数字建模、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等信息技术的发展，将虚拟仿真技术应用在航空维修活动中所形成的虚拟维修技术为解决以上问题提供契机。相关文献对虚拟维修的技术特点、研究路径、关键技术、行业应用进行了概述[3-5]。张中波等学者从航空器设计的维修性分析核查、维修手册的快速自动生成、虚拟维修培训、维修中人的因素分析等方面对虚拟维修技术在航空维修中的应用展开论述[6]。蒋焕兵等学者分析了传统的民用飞机维修培训方式存在的不足，提出将三维虚拟技术应用于民用飞机维修培训中来提高培训效果的观点[7]。王占海等学者利用Delmia软件进行了航空维修的流程仿真、维修性分析和评价[8]。

在仿真方式上，虚拟维修技术可以划分为非沉浸式仿真和沉浸式仿真2大类。沉浸式虚拟仿真系统以VR技术为依托构建逼真的维修场景，以三维视觉、力反馈等感官刺激作为输入，可以为用户带来身临其境的体验感和交互感，但整套系统成本高昂。非沉浸式虚拟仿真系统对硬件和软件的要求较低，因此具有低成本和高普及性的特点[9]。

Delmia是一款强大的工艺流程仿真软件，主要用于航空航天、汽车、造船等行业[10]。鉴于高校学员数量众多，非沉浸式虚拟仿真系统更适合航空器维修实作培训的普适化教学，故采用Delmia软件构建147实作培训中的虚拟场景，进行维修流程仿真用于教学及培训较为适合。

2 Delmia虚拟仿真流程

选取147实作培训部分M8模块中的绕机检查科目为对象，利用Delmia软件进行维修流程仿真。绕机检查是航空器维修活动中最常执行的工作之一，某型飞机的绕机检查路线如图1所示。绕机路线中的每个检查点，包含了飞机划分的特定检查区域，每个区域均对应不同部件的多项检查项目。

首先建立虚拟样机、维修人员、工具、设备等产品及资源模型。其次将绕机检查项目的每个站点作为一个工步，每个工步按照先后顺序形成工序，依此建立PERT任务流程逻辑图。再将每个站点的检查项作为一项任务，编辑人员检查动作后赋予给每个工步。最后，按照PERT流程图进行仿真分析、评分及优化。其维修仿真的一般技术流程如图2所示。

2.1 建立场景模型

在Catia软件中创建绕机检查场景所需的模型，包括：

①产品模型：虚拟样机。

②资源模型：包括螺丝刀、手电筒、放大镜等工具；手推车、梯架等设备；不同任务的维修人员。

模型建立完成后，分别产品和资源模型导入Delmia的Productlist产品树及Resourceslist资源树下，并通过约束命令设置各模型至合适的空间位置，建立初始的虚拟维修场景并保存，如图3所示。

2.2 维修流程仿真

根据图1绕机检查路线中每个站点的先后顺序，建立PERT项目流程逻辑图（如图4所示）。PERT图将绕机检查过程中每个站点的检查任务作为一个图标框进行可视化表示，图标框之间用箭头连接代表任务的次序信息。通过调整箭头和图标框的位置不但可以仿真串行工作任务，也可以设计出各种需要并行合作完成的任务。例如维修人员在检查右侧大翼区域过程中，其他维修人员可以同时进行放污水的勤务工作。最后将每个检查站点依次连接所形成的PERT流程图导入到Delmia中的Processlist流程树下。

通过Human Builder模块中的Posture Editor对维修人员的头颈、肩、脊柱、腰、手臂、腿、脚等部位及关节的自由度参数进行编辑，创建绕机检查工作中的各种姿态，包括取放工具、行走、爬梯、移动等动作。图1中的2站点对前起落架和轮舱区域的检查中，维修人员的姿态如图5所示。每个姿态形成一帧，通过关键帧融合技术，把维修工作中的每帧姿态连贯起来实现每个站点的检查动作，形成一个检查任务。将图1中14个站点的检查动作分别编辑完成就产生了14个检查任务。然后将每个任务赋予给图4图标框中相应站点的检查工步。应用Delmia中的Human Task Simulation模块按照PERT图的流程进行绕机检查的运动仿真。

2.3 仿真结果分析和评价

Delmia可以对维修任务进行人体工程分析，包括操作可达性分析、可视性分析、工作空间分析、作业时间估算、维修性评价、人体工学/安全性分析等。

①可视性分析。通过设置维修人员的视觉属性，调取维修人员的视觉窗口，直观地观察在不同位置、不同姿态的视觉范围，如图5中维修人员检查主起落架轮胎时的红色视锥所示。

②人体姿态分析。Human Posture Analysis可对虚拟的维修人体模型进行维修任务时的姿态进行分析，评估维修人员是否能够处于最佳作业姿势，并运用最佳作业姿态进行维修作业，从而提高维修人员工作效率，减少疲劳和身体损伤。

Delmia可通过RULA（Rapid Upper Limb Assessment）标准对维修人员肢体位置进行快速、直观的分析。RULA根据运动次数、肌肉受力情况、负荷大小、工作姿势、持续的工作时间评估该任务是否有可能使人员面临上肢受伤的风险，用不同的颜色代表身体每个部位的得分情况，颜色越深代表姿势和受力越差。对维修人员检查机轮时的作业姿势进行RULA分析，得分结果如图6所示。从图中可以看出该姿势下最终得分为7分，前臂、手腕、躯干受力严重，均为红色表示，需要立即调整和改变姿势。

③维修时间估算。通过调取整个绕机检查的流程仿真过程所消耗的时间可以估算绕机检查所用的时间，从而维修工程部门可根据工时要求规划最优的人力、时间、成本和资源来完成绕机检查作业，达到精益化管理的目的。

3 结论

将147实作培训的科目使用Delmia平台建立模型，并进行维修任务的人机工程流程仿真，并形成虚拟维修资源用于培训和教学，主要有以下优点：①实现维修科目中二维图文型工卡的数字化、立体化，可提高人机交互感和用户体验感。实现一对多实作培训的标准化、统一化、可复制化，学员更容易获得规范而准确的维修知识和技能，从而提高学习效率。②减少了真机、工具、设备和耗材等资产投入，大大节省了培训成本。通过Delmia软件改变维修人员的动作及检查项，即可快速形成新的、统一规范的维修标准，更容易实现维修知识和技能的普适化。③Delmia平台下的人机工程流程虚拟仿真可进行干涉性检查、碰撞检测、可达性、维修性分析，对实训室厂房大小需求、器材摆放、工具设备的采购提供先期依据，可缩短实训室建设周期，节约建设成本。④在维修任务的仿真中，Delmia可进行人体作业时姿态、负荷的评估，通过优化人体动作提高维修人员的舒适度，从而减少疲劳和身体损伤，也可为完成维修任务所需的人力、时间、资源做最优调度提供参考。