虛擬技術(shù)在直升機(jī)維修中的作用與實(shí)現(xiàn)

郭傳友

摘 要 本文介紹了續(xù)集技術(shù)和直升機(jī)維修的特點(diǎn)。針對(duì)直升機(jī)維修的實(shí)際，對(duì)直升機(jī)虛擬維修的作用和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析，提出了初步建議。

【關(guān)鍵詞】虛擬技術(shù) 直升機(jī) 維修

直升機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修工作涉及機(jī)械、航電等多個(gè)專業(yè)，各種檢測(cè)設(shè)備和儀表繁多，對(duì)維修人員要求高，技術(shù)難度大。特別是新研制直升機(jī)投入使用后，技術(shù)人員通過實(shí)裝演練和輔助訓(xùn)練手段，一般要用二至三年才能形成快速維修能力。因此，維修和訓(xùn)練手段的現(xiàn)代化與直升機(jī)的先進(jìn)程度同等重要。采用虛擬維修技術(shù)可以不受裝備數(shù)量、工作環(huán)境等條件的限制，有效開展直升機(jī)維修和技術(shù)人員的培訓(xùn)工作，是保障維修廠“出動(dòng)率再生”的重要輔助手段。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR），是指計(jì)算機(jī)模擬的三維真實(shí)環(huán)境。具體來說，就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的各種現(xiàn)代化高科技合成的視聽、觸覺一體化的特定范圍內(nèi)的虛擬環(huán)境，使用者借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用相互影響，從而產(chǎn)生親臨實(shí)境的感受和體驗(yàn)。研究表明，人對(duì)基于圖像、聲音等感官器官信息的理解能力遠(yuǎn)大于對(duì)數(shù)字、文字等抽象信息的理解、記憶能力，因此，用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的訓(xùn)練系統(tǒng)可以使使用者的訓(xùn)練效果極大地得到改善。

虛擬現(xiàn)實(shí)不同于一般的交互三維圖形學(xué)，首先，他可以使用戶從虛擬空間中向外觀察，這種感受是用戶作為旁觀由外部向內(nèi)部觀察無法體會(huì)到的；其次，通過虛擬空間，用戶可以實(shí)時(shí)看到隨視點(diǎn)而改變的場(chǎng)景，即實(shí)時(shí)性；最后，用戶融入到虛擬現(xiàn)實(shí)中，感受與現(xiàn)實(shí)世界相同的環(huán)境，從而按照實(shí)際的工作狀態(tài)與環(huán)境交互，即交互性。這些與計(jì)算機(jī)仿真有很大的不同。

虛擬維修技術(shù)起源于虛擬制造技術(shù)，他更側(cè)重于裝備的維修、裝配及功能上的模擬，并能作到實(shí)時(shí)交互和浸潤(rùn)感，而虛擬制造技術(shù)則側(cè)重于設(shè)計(jì)和加工制造工藝，他其實(shí)是一種基于CAD的仿真，這一類的軟件很多，如Unigraphics（UG），雖然有裝配功能，但是它必須渲染后才能實(shí)現(xiàn)，不是實(shí)時(shí)的，也不能把人和環(huán)境融合到一起，所以還不是真正的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

2 虛擬技術(shù)在直升機(jī)維修中的作用

直升機(jī)維修的工作流程是根據(jù)故障現(xiàn)象確定故障類型，分析故障原因，找出故障部位，進(jìn)行故障部件的拆卸或修理。在整個(gè)維修過程中，他要求維修人員了解裝備的原理、構(gòu)造，并具有熟練使用檢測(cè)設(shè)備的能力。另外，在維修時(shí)，由于故障的不確定性，還可能出現(xiàn)維修工作的反復(fù)。而采用虛擬維修技術(shù)，可以為維修者提供預(yù)先演練的平臺(tái)，將操作過程在計(jì)算機(jī)上真實(shí)再現(xiàn)，熟悉整個(gè)操作過程，并對(duì)操作的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，大大地提高了維修的效率。另外，如果在設(shè)計(jì)階段就引入虛擬維修技術(shù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修改設(shè)計(jì)中的不足，以免在直升機(jī)使用中才發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，確保直升機(jī)的可維修性。

2.1 直升機(jī)虛擬維修的特點(diǎn)

作為功能性的軟硬件平臺(tái)，直升機(jī)虛擬維修的特點(diǎn)是：

（1）全面逼真的反映現(xiàn)實(shí)的維修和技術(shù)保障環(huán)境及實(shí)現(xiàn)過程；

（2）具有功能模擬；

（3）對(duì)操作中的出現(xiàn)碰撞、干涉提供報(bào)警；

（4）真實(shí)的反映人機(jī)工程環(huán)境；

（5）能對(duì)裝備維修和技術(shù)保障的正確性進(jìn)行評(píng)估；

（6）具有專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)能力。

2.2 直升機(jī)虛擬維修的作用

與常規(guī)維修相比，直升機(jī)虛擬維修技術(shù)的突出作用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.2.1 預(yù)有準(zhǔn)備，精確維修

直升機(jī)價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)盡量避免在直升機(jī)上進(jìn)行不必要的維修操作。當(dāng)直升機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過計(jì)算機(jī)模擬，真實(shí)再現(xiàn)維修過程，了解多種維修方案的可行性，從中選擇最優(yōu)的維修方式，做到預(yù)有準(zhǔn)備，精確維修，提高工作效率。

2.2.2 一個(gè)平臺(tái)，多種應(yīng)用

陸航直升機(jī)機(jī)型較多，對(duì)于維修人員有不同的技術(shù)要求。采用虛擬維修技術(shù)可以在固定的一套軟、硬件上開發(fā)不同機(jī)型的訓(xùn)練、維修系統(tǒng)，不必因機(jī)型不同而開發(fā)、選擇不同的訓(xùn)練、維修設(shè)備，大大降低了維修投入，也方便不同機(jī)型維修人員的使用。

2.2.3 信息集成，綜合保障

作為功能性的維修技術(shù)平臺(tái)，集成了直升機(jī)研制、生產(chǎn)、使用和維護(hù)全過程的技術(shù)信息，建立了模型庫(kù)、故障庫(kù)、維修環(huán)境等綜合化數(shù)據(jù)庫(kù)。它不僅可以成為直升機(jī)維修、人員培訓(xùn)的重要手段，也可以用于遠(yuǎn)程技術(shù)支援和技術(shù)信息查詢，是提高陸航裝備綜合技術(shù)保障能力的一種有利途徑。

3 直升機(jī)虛擬維修的實(shí)現(xiàn)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在逐漸使用，西方發(fā)達(dá)國(guó)家早就將其應(yīng)用與飛行模擬訓(xùn)練，繼而又應(yīng)用在作戰(zhàn)、后勤保障、裝備研制等方面，產(chǎn)生巨大的效益。在我國(guó)，直升機(jī)模擬維修技術(shù)還處于探索階段，沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的虛擬維修。

從整個(gè)虛擬維修系統(tǒng)而言，有些方面的理論還在探索中。根據(jù)目前直升機(jī)虛擬維修的情況來看，應(yīng)該從基礎(chǔ)入手，積累經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)跟蹤國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬維修建設(shè)的高起點(diǎn)。作為直升機(jī)虛擬維修的基礎(chǔ)建設(shè)，應(yīng)當(dāng)從三個(gè)方面入手：

3.1 建立直升機(jī)虛擬維修系統(tǒng)的三維模型庫(kù)

三維建模是虛擬維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，三維數(shù)據(jù)庫(kù)又是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)三維場(chǎng)景建模的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)格式對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量有極大的影戲。對(duì)于直升機(jī)虛擬維修的模型庫(kù)，應(yīng)將各型直升機(jī)的維修工具、主要的維修零、部件按照模塊化的方式建立起來。另外還要建立直升機(jī)維修的場(chǎng)景模型（包括機(jī)艙.機(jī)身等），這主要是考慮人機(jī)工程和增強(qiáng)“浸潤(rùn)感”。同時(shí)，整個(gè)虛擬維修系統(tǒng)應(yīng)采取開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各種模塊間要有細(xì)分的功能及接口。作為其模型庫(kù)應(yīng)允許直接輸入多種來源的CAD數(shù)據(jù)來構(gòu)造一個(gè)與真實(shí)樣機(jī)比例相同的數(shù)字樣機(jī)，考慮到模型來源的廣泛性，它最好還能接受3DSMAX、MULTIGEN、ALIAS等設(shè)計(jì)軟件的三維模型數(shù)據(jù)格式。另外，我們還要考慮實(shí)時(shí)交互性的要求，對(duì)模型的數(shù)字信息進(jìn)行優(yōu)化，只提取對(duì)虛擬維修系統(tǒng)有用的數(shù)據(jù)（主要是部件的幾何信息和表面信息）。endprint

3.2 建立直升機(jī)虛擬維修系統(tǒng)的故障庫(kù)

故障庫(kù)是與模型庫(kù)密切相關(guān)的，它通過劇情的方式來體現(xiàn)直升機(jī)故障。通過分析直升機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的故障原理，故障涉及的直升機(jī)零、部件和維修工具、設(shè)備，把一個(gè)故障作為一個(gè)模型、模型庫(kù)中存放所需模型的編號(hào)、工具和設(shè)備編號(hào)供虛擬維修系統(tǒng)管理人員調(diào)用，提供用戶接口可以擴(kuò)充新的故障。故障庫(kù)中的故障可以與修理步驟對(duì)應(yīng)。

3.3 確立直升機(jī)虛擬維修中的人機(jī)工程環(huán)境

裝備維修性的指導(dǎo)思想是任何裝備的維修性設(shè)計(jì)應(yīng)與產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，其操作培訓(xùn)在裝備使用前就應(yīng)完成。要實(shí)現(xiàn)上述思想，就要考慮人機(jī)工程環(huán)境，具體地說就是把人體模型放在虛擬直升機(jī)上，以便實(shí)時(shí)地研究可達(dá)性、可視性和可維修性。例如：在直升機(jī)虛擬系統(tǒng)中，從機(jī)件上拆卸一枚螺釘，引入人機(jī)工程學(xué)后，要考慮操作工具是否可達(dá)，操作中的推位、提起等各種動(dòng)作的人力極限和空間限度，這些需要通過碰撞測(cè)試來實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)工具與各零、部件之間沖突或是僅僅接觸，檢測(cè)人體與工具、直升機(jī)零部件之間沖突或是僅僅接觸，以及各維修人員之間身體碰撞的檢測(cè)，上述三項(xiàng)被稱為硬硬碰撞檢測(cè)、硬軟碰撞檢測(cè)。這種檢測(cè)對(duì)于在有限空間內(nèi)執(zhí)行協(xié)同維修環(huán)境和過程，消除訓(xùn)練與實(shí)際維修之間的差別。

3.4 提高直升機(jī)虛擬維修的“浸潤(rùn)感”設(shè)計(jì)，建立維修工作評(píng)判系統(tǒng)

“浸潤(rùn)感”設(shè)計(jì)需要專用的設(shè)備支持：多通道的顯示系統(tǒng)、立體頭盔（或眼鏡）、三維跟蹤設(shè)備（數(shù)據(jù)手套等）。也可以采用廉價(jià)的解決方案，采用在微機(jī)上用立體眼鏡來觀察顯示器，利用三維鼠標(biāo)來進(jìn)行交互，這是個(gè)初級(jí)的方案，嚴(yán)格的說還不能稱其為“浸潤(rùn)”。但是要實(shí)現(xiàn)真正有“浸潤(rùn)感”的虛擬環(huán)境，除了需要如SGI的ONYX RE2或IR這樣的超級(jí)圖形工作站外，還有很多技術(shù)需要探索。在對(duì)直升機(jī)進(jìn)行了虛擬維修后，需要對(duì)整個(gè)維修過程評(píng)判打分，作為維修訓(xùn)練的輔助參考，同時(shí)通過過程復(fù)現(xiàn)、多視角觀察、碰撞檢測(cè)等技術(shù)手段，可以使維修人員快速糾正自己的錯(cuò)誤，使維修水平大大提高。

4 結(jié)束語

真正實(shí)現(xiàn)直升機(jī)虛擬維修不僅面臨著很多技術(shù)上的難題，也是一項(xiàng)工作量巨大的工程。但是，“千里之行始于足下”，只要我們結(jié)合現(xiàn)有條件，因陋就簡(jiǎn)進(jìn)行虛擬維修系統(tǒng)方面的研究，打牢技術(shù)基礎(chǔ)，充實(shí)模型庫(kù)、故障庫(kù)等，逐步實(shí)現(xiàn)虛擬維修系統(tǒng)的各部分功能，就能在提高維修質(zhì)量、訓(xùn)練水平方面發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)高“費(fèi)效”比，縮短直升機(jī)形成戰(zhàn)斗力的時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

河北省保定市66350部隊(duì) 河北省保定市 071000endprint