基于虚拟仿真技术的外部绕机检查系统设计研究

摘要：外部绕机检查虚拟仿真系统设计研究是以虚拟仿真技术为依托、计算机仿真为支撑，借助WEAVR平台，通过三维建模以搭建仿真模型，构建虚拟现实的沉浸式虚拟维修训练的培训方法。虚拟维修培训是一种新型的培训方式，虚拟维修培训和真实维修培训相结合，两者互相配合，互相补足短板。虚拟仿真培训具有突破真实培训条件局限的优势，具有更好的通用性、灵活性、层次性和资源共享性，可根据培训需要以构建故障类型和故障内容，在虚拟环境系统中进行故障排除操作，提高培训效率、降低培训成本。

关键词：外部绕机检查;虚拟仿真技术;WEAVR平台;沉浸式虚拟维修;三维建模

中图分类号：TP391     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）11-0126-03

虚拟维修主要是利用虚拟现实技术，通过构建虚拟维修环境，进行航空装备维修操作仿真。其广泛应用于 IETM 系统中，具有操作简便、程序可视、信息可交互的优良特点[1]。

外部绕机检查是在飞机起飞前对飞机适航状态进行最后的确认工作，是目视排查飞机潜在故障非常重要的手段。在新66部民用航空器维修人员执照改革中，将航空器维修实作培训分成基础部分和专业部分，并在大纲中明确提出了飞机绕机检查培训的要求。

针对维修执照培训需求，通过建设外部绕机检查虚拟仿真课程，采用线上线下相结合的培训形式，配套虚拟仿真的复合教学模式，可建立更加可靠和便捷的授课方式，针对线下绕机检查实训项目进行补充，切实提高学生基础知识水平、故障排查能力和综合素养。

本论文所研究虚拟仿真实验项目采用空客A350飞机为模型，以外部绕机检查路线设置、常见缺陷识别为例，借助虚拟现实技术，按照维修程序进行操作、故障排除，实现与真实绕机路线流程以及整机外部例行检查工作的对接，完成训练。

1 绕机检查与虚拟仿真技术

航线检查是指航线维修人员根据航线工作单要求，在飞机航班运行的航前、短停和航后进行检查，并对发现的故障和缺陷进行处理[2]。使用虚拟仿真技术，将外部绕机检查内容与虚拟仿真相糅合，将虚拟维护技术与传统授课有机结合，科学排布课程顺序，构建课程结构，让学生从虚拟仿真到动手实操，更好地学习其中的专业知识。虚拟仿真技术是真实培训环境的虚拟再现，通过三维设计软件构建，将真实环境带入虚拟化数字空间，在虚拟空间内对培训知识进行整合，可实现学生在虚拟空间内对培训项目进行操作，实现对培训内容的深入学习。

2 虚拟仿真绕机检查实训价值

2.1 培训场地灵活

在绕机检查实训课程中，常采用课堂讲授和外场真实飞机演练相结合的培训方式。在外场使用真实飞机演练，需考虑规划相应场地，以停放所培训使用的飞机，对培训场地和培训设施需求均较高。虚拟仿真绕机检查是一种新型的培训方式，采用该课程的形式，所使用培训场所面积较小，可在虚拟仿真系统中实现培训场景再现，对培训场地需求较低，培训方式更加灵活。

2.2 培训场所规划成本低

通过使用传统真实飞机培训的方式，需采购所培训使用的航空器，如此，将面临大飞机价格昂贵，采购资金压力困难的问题。同时，因同期培训学生较多，如果仅采用单架飞机进行课程培训，培训效率较低，培训压力较大，学生依次进行操作，会产生因操作时间较短而对课堂内容掌握不够深刻的问题。而通过虚拟仿真技术进行培训，单部操作设备价格比较低，所采购成本远远低于采购飞机费用，在培训场所可布置多部培训用VR外设设备，以实现每个受培训学生均可单独操纵一台设备进行练习，提高学生培训效率，加深对课堂知识的理解。

2.3 培训内容多样化

采用真实飞机进行课堂培训，所采购飞机大多为退役飞机，飞机健康状况不明确，所培训检查项目实训点的位置状况是否满足培训条件未知。同时，经过多批次学生培训，会对飞机产生一定损耗，实训检查点经过多次操作会产生一定故障，造成受培训学生对概念的理解产生一定干扰。由于飞机为实物物体，所展示故障为固定模式，故障类型较为单一，设置同一检查点不同故障模式较为困难。采用虚拟仿真绕机检查的培训形式，可实现培训内容多样化，培训难易程度层次化，针对不同的训练环境，根据所需可在虚拟程序中设置所对应故障类型和故障情况，在操作程序中实现模拟训练不同的故障模式类型，提高学生的培训质量。

大量的资源消耗是航空维修中不可忽视的一个内容，维修人员不仅要有意识地降低资源消耗量，还应当着重提升自己的维修综合技能[3]。在一些难操作或者容易发生危险的项目操作前，事先进行虚拟训练可以大幅度降低维修风险[4]。针对培训学生，对较难操作的故障可通过多次训练以达到熟练操作的目的，以降低维修过程中可能会出现的风险，提高学生的安全意识。而采用真实飞机进行训练，多次的操作训练势必会增加飞机设备的损耗，增加培训的训练成本。采用虚拟仿真培训的形式，将虚拟仿真和真实飞机训练进行结合，可有效地节省培训时间，降低培训耗材的使用，进而降低培训成本。

2.4 抽象与具体结合

采用虚拟仿真绕机检查实训的方式，可以让抽象的教学知识具象化，将学生置身于虚拟培训环境，更有利于学生对课堂知识的消化和理解。传统绕机检查实训课程的授课方式为课堂CBT课程讲解的形式，通过CBT展示绕机检查路线、检查点、检查内容和每个检查点的注意事项等，在讲解过程中，学生缺乏直观的接触，对知识点理解不够深刻，对知识点的掌握较抽象化。在绕机检查实训中，可通过真实飞机进行绕机检查实训培训，增加学生的动手操作过程，以提高培训质量。但使用真实飞机培训仍存在短板，存在故障类型单一、故障难易度层次化不明显、培训成本较高等问题。而通过虚拟仿真技术，将真实飞机培训与虚拟仿真培训相结合，将抽象的知识具体化，两者相辅相成，互补短板，加深对课堂知识的理解，提高学生的动手能力，提升学生的培训质量。

3 基于模型的方法

飞机训练科目中的维修任务，按照“维修任务→工作卡→操作单元”3级多层定义方式，自顶向下逐层分解，直至分解到操作单元[5]。本模型的建立，以外部绕机检查为案例，结合空客A350型飞机，通过研究相关资料，整合外部绕机检查项目的典型故障案例，结合实际外部绕机检查内容和故障排除方法，借助虚拟现实技术，按照维修程序进行操作、排除故障，实现与真实绕机路线检查流程以及整机外部例行检查工作的对接，建立相关研究方案。

根据项目研究内容，进行相关模型的分类与整合，虚拟程序的编写首先需进行A350型飞机的三维模型创建以进行下一步故障类型的设定。通过Maya三维建模软件，对空客A350型飞机进行三维模型的构建，将真实的飞机数据通过建模建立虚拟操作模型，然后通过基于Unity软件的WEAVR平台，对A350型飞机外部绕机检查的各个检查部位进行交互程序设置，建立操作步骤的互动操作，按照绕机检查路线工作流程对整机外部例行检查，排查盖板是否恢复原位、机身是否有损伤、是否有油液渗漏等故障，完成对三维模型相应的操作设置，实现交互操作的功能。

4 整体方案

绕机检查虚拟仿真系统分为硬件和软件两部分，硬件部分包含计算机、VR外设两部件;软件部分以编程软件为依托，结合三维建模软件，构建飞机模型，完成虚拟环境的搭建。在编程软件中所构建的虚拟环境程序，通过计算机硬件设备进行运算运行，在VR外设中，搭建虚拟环境运行场所，将计算机硬件设备所运行的虚拟程序，通过佩戴的VR设备进行操作，实现沉浸式虚拟维修的培训。

4.1 硬件基础

硬件部分由计算机和VR外设组成。VR外设以HTC VIVE虚拟设备为依托，包含一个头戴式显示器、两个单手持控制器和追踪定位系统。通过硬件系统，可实现虚拟仿真系统的虚拟交互操作训练。

4.2 软件基础

软件系统由Maya建模软件和交互程序开发软件Unity 3D共同完成，所开发的交互程序可使学习者在虚拟现实环境下进行练习操作。

通过三维建模软件建立A350飞机模型，并在Unity 3D软件中，根据绕机检查路线流程及所需检查项目，编写开发程序，可实现绕机检查路线、绕机检查项目、排故过程等训练操作。

5 程序开发

根据所建立的三维模型，结合绕机检查路线设置、典型故障案例，借助虚拟现实技术，按照绕机检查路线工作流程对整机外部例行检查，根据检查程序进行操作、排除故障，实现与真实绕机检查路线以及整机外部例行检查工作的对接，完成训练。

5.1 三维模型建模

通过Autodesk Maya建模软件，根据A350飞机数据，建立空客A350的3D模型。模型各部件为独立部件，可以实现将三维模型导入Unity 3D进行各部件的独立控制。

5.2 人机交互程序编写

交互程序的开发基于Unity 3D软件，根据所开发的制作软件WEAVR平台，能够实现无编程化的制作。WEAVR平台包括四个可选模块，开发仿真中心（Developer Simulation Hub） ， 报告（Reporting） ，远程协作（Remote Collaboration） ，以及Run-Time 仿真中心（Run-Time Simulation Hub） 。借助该工具，可以直接进行程序的编制操作，能够更加便捷地编制交互程序，并将所开发程序导出为交互操作系统。

6 绕机检查项目设定

绕机检查虚拟仿真系统以空客A350飞机为背景，根据绕机检查路线图，通过研究相关绕机检查项目、绕机检查路线、检查区域和内容，制定相关绕机检查实训点和常见、典型故障案例，建设绕机检查课程项目，将绕机检查项目融入虚拟仿真系统中，实现构建沉浸式的绕机检查虚拟仿真教学模式。

通过绕机检查项目的逻辑，结合WEAVR平台的编程步骤，创建课程程序、场景和测试程序的单一访问点，建立完整的程序操作步骤。

7 总结

绕机检查虚拟仿真系统是以空客A350飞机为背景，根据绕机检查路线、检查区域和内容，在Unity 3D软件平台中搭建相关的操作步骤。通过建立完整的交互操作程序，可以实现使用虚拟仿真设备，进行交互式操作练习，构建虚拟现实的飞机模拟维修训练的模式，对于真实的维修培训，是一个补充配合的培训方式，具有更好的通用性、灵活性和资源共享性。

参考文献：

[1] 张涛，袁野.航空装备虚拟维修关键技术研究[J].中国新通信，2019，21（17）：159-160.

[2] 张超，宋文滨，刘小鸟.航线检查维修培训中的VR应用分析[J].民用飞机设计与研究，2021（3）：91-100.

[3] 郑青.虚拟维修技术在航空维修中的应用[J].企业科技与发展，2020（12）：76-77，80.

[4] 贾丽，杜浩，李梓，等.基于虚拟现实技术的装备维修训练系统设计[J].科技资讯，2019，17（8）：11-13.

[5] 李荣强，文爱兵，花斌，等.航空装备虚拟维修训练仿真模型快速开发技术[J].系统仿真学报，2021，33（5）：1167-1176.

收稿日期：2021-12-24

基金项目：新执照背景下基于虚拟仿真的“绕机检查”实训课程建设（E2020022） ;省级教学实验平台提升建设（0252129）

作者简介：王洛锋（1989—） ，男，河南许昌人，硕士研究生，实验师，主要从事通用航空器加改装和航空机械研究。