左凌 何勇 劉建華

摘 要：為支持實現(xiàn)空管設(shè)備維修資源共享，提高維護效率、降低綜合維護費用，構(gòu)建了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的民航空管設(shè)備遠程虛擬維修系統(tǒng)。分析了虛擬維修系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計，建立了包含設(shè)備層、協(xié)作層、支援層的系統(tǒng)體系架構(gòu)，并闡述了系統(tǒng)研發(fā)中涉及的故障數(shù)據(jù)采集及處理、協(xié)同方式設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。采用實際維修案例展示了該系統(tǒng)在虛擬維修支持方面的效果。

關(guān)鍵詞：空中交通管理;設(shè)備維修;故障;虛擬現(xiàn)實

中圖分類號：V355.1

Abstract：In order to fulfill the repair resource sharing，upgrade the efficiency of maintenance，cut down the cost of maintenance，a virtual reality-based virtual maintenance system for air traffic control equipment was established.The function module was designed，which was compose of the equipment level，coordination level and support level.And the key technologies for the development of maintenance system were analyzed，such as the malfunction data collection，the coordination mode design，and so on.The function effect of the designed maintenance system was demonstrated by the concrete maintenance case.

Key words：Air traffic control，equipment maintenance，malfunction，virtual reality

民航空管系統(tǒng)是國家重要的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性行業(yè)，是保障民用航空安全高效運行的中樞。經(jīng)過長期的建設(shè)和發(fā)展，民航空管設(shè)備保障基本完備，空管設(shè)備基本實現(xiàn)標準配置和智能管理。但是，構(gòu)建科學(xué)的民航空管設(shè)備技術(shù)保障體系仍是今后一個時期民航空管工作的重要內(nèi)容，尤其是隨著民航空管設(shè)備高技術(shù)化特征日益凸顯，功能日益復(fù)雜，空管設(shè)備現(xiàn)場維修水平要求也越來越高。當空管故障設(shè)備現(xiàn)場人員技術(shù)能力有限時，采用先進的遠程協(xié)同維修支援方式，可在短時間內(nèi)調(diào)動維修資源，實現(xiàn)資源共享，提高維護效率、降低綜合維護費用，并促進空管設(shè)備維修水平提升。本文對基于虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)的民航空管設(shè)備虛擬維修系統(tǒng)構(gòu)建進行研究。

近年來，國家相關(guān)部門出臺了關(guān)文件，要求促進空管設(shè)備運行智能可靠，持續(xù)完善設(shè)備運行保障體系，探索臺站建設(shè)與設(shè)備維護新模式[1]，指出應(yīng)制定詳細的、可操作的空管設(shè)備運行保障及維護維修規(guī)程，為民航空管設(shè)備維護提供制度保障[2]。相關(guān)研究人員也在空管設(shè)備維修方面開展了大量研究。其中，張昊等人對空管設(shè)備管理與維護過程中的原則及規(guī)定進行了研究[3]，也有學(xué)者從空管設(shè)備故障模式和影響分析、預(yù)防性維修工作類型及維修工作間隔期的確定等方面進行了研究[4]。張龍飛對空管設(shè)備預(yù)防性維修從設(shè)備維護特點、潛在的問題以及預(yù)防性維修的應(yīng)用措施等方面進行研究[5]。也有研究人員在空管設(shè)備運維信息化平臺建設(shè)方面進行研究，對構(gòu)建基于多信息系統(tǒng)的維修平臺進行了較深入的分析，對實現(xiàn)設(shè)備運行數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控，基于預(yù)定的分析模型開展設(shè)備可靠性和可用性評估[6]。此外，也有研究人員對空管設(shè)備維修方案的評估方法進行研究，對方案的維修類型、原則、級別及維修策略等內(nèi)容進行分析，給出了常見的評估方法[7]。本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對民航空管設(shè)備虛擬維修系統(tǒng)進行研究，闡述了系統(tǒng)開發(fā)過程及其中涉及的相關(guān)技術(shù)，包括系統(tǒng)功能設(shè)計、架構(gòu)設(shè)計以及涉及的關(guān)鍵技術(shù)等，并基于實際維修案例的虛擬化呈現(xiàn)過程為例介紹了系統(tǒng)的人機界面。

1 虛擬維修系統(tǒng)功能設(shè)計

空管設(shè)備遠程虛擬維修支援系統(tǒng)可輔助前方設(shè)備維修人員開展設(shè)備故障信息的獲取，并基于遠程專家協(xié)同支援開展故障診斷，及時開展設(shè)備故障定位并制定維修措施，節(jié)省維修人員的時間，提高維修效率。

空管設(shè)備遠程虛擬維修支援系統(tǒng)的總體功能框架如圖1所示。主要功能模塊有：

（1）支援系統(tǒng)信息管理子模塊：包括支援專家資源管理、空管設(shè)備故障信息管理、手冊管理、現(xiàn)場環(huán)境三維管理、維修案例管理、用戶管理等;

（2）支援系統(tǒng)測試診斷子模塊：遠程協(xié)同支援申請發(fā)布、遠程協(xié)同交互過程控制;

（3）維修指導(dǎo)子系統(tǒng)：遠程協(xié)同支援交互、現(xiàn)場三維虛擬場景查看等。

基于上述功能模塊，系統(tǒng)可以實現(xiàn)：（1）遠程協(xié)同資源匹配功能。根據(jù)前方設(shè)備維修人員輸入的設(shè)備故障信息，自動匹配查找合適的遠程協(xié)同資源;（2）故障診斷遠程協(xié)同功能。根據(jù)前方設(shè)備維修人員發(fā)起的遠程協(xié)同請求，后方支援專家可以進入系統(tǒng)，開展設(shè)備現(xiàn)場工作環(huán)境、以及設(shè)備工作狀況查看，并協(xié)同展開設(shè)備故障定位，及時指導(dǎo)維修人員;（3）故障維修指導(dǎo)功能。在維修人員得到故障診斷結(jié)果后，需要進行故障隔離和維修作業(yè)。此時，系統(tǒng)可以支持遠程專家繼續(xù)提供故障維修指導(dǎo)，開展遠程詢問或討論，專家可基于平臺將相關(guān)維修指令、資源或信息及時傳遞給前方維修人員;（4）遠程協(xié)同信息管理功能。對于維修故障信息、協(xié)同過程等信息，系統(tǒng)需要提供管理模塊，實現(xiàn)對協(xié)同信息的存儲，以便支持開展維修案例的制作。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

民航空管設(shè)備遠程虛擬維修實質(zhì)上是針對空管設(shè)備維修需求，開展遠程協(xié)同支援技術(shù)和虛擬化技術(shù)在空管設(shè)備維修領(lǐng)域的融合應(yīng)用，促進遠程支援專家對故障空管設(shè)備現(xiàn)場的工作環(huán)境熟悉，提升遠程協(xié)同質(zhì)量和水平。區(qū)別于傳統(tǒng)的虛擬維修，空管設(shè)備遠程協(xié)同虛擬維修除了包含維修實施過程模擬外，還包含在專家端構(gòu)建高度逼真的設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境，使得專家與前方維修人員之間能基于虛擬化技術(shù)手段實現(xiàn)維修過程的交互。它可以在計算機上提供一個實時的、三維的虛擬環(huán)境，通過生動的視覺、聽覺、觸覺等效果隨著參與者的動作而變化的場景使人獲得身臨其境的感覺。它突破了空間、時間的限制，可以實現(xiàn)逼真的設(shè)備裝配、故障維修操作，提取任何關(guān)于設(shè)備的已有資料、狀態(tài)數(shù)據(jù)，檢驗設(shè)備性能。

空管設(shè)備遠程虛擬維修支援系統(tǒng)組織架構(gòu)包括三個功能層：

（1）設(shè)備層：設(shè)備層的功能，即支持前方維修人員開展人機交互，提交遠程系統(tǒng)維修支援任務(wù)請求，以及顯示故障診斷結(jié)果，反饋故障維護效果，提供某些故障診斷所需的設(shè)備信息、故障癥狀描述等;提供設(shè)備現(xiàn)場的運行環(huán)境信息，與現(xiàn)場設(shè)備進行虛擬的交互;提取設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，獲取設(shè)備故障癥狀;管理設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備維護日志等。

（2）協(xié)作層：①協(xié)作層系統(tǒng)在接收到前方設(shè)備維修人員提交的遠程協(xié)同支援任務(wù)后，應(yīng)將設(shè)備的維修支援任務(wù)基于不同問題域進行分析，并且將獲取的設(shè)備故障癥狀信息按照問題域分類，提取出相匹配的遠程支援維修資源，供設(shè)備維修人員查看。②前方人員在查看可調(diào)取的維修支援資源列表后，可相相關(guān)資源及時發(fā)布遠程協(xié)同支援請求;同時，也可以根據(jù)協(xié)同支援的進程或問題，邀請新的支援資源加入?yún)f(xié)同過程，又或者，提出新的遠程協(xié)同任務(wù)請求;因此，在此過程中，協(xié)作層系統(tǒng)將管理多個參與遠程協(xié)同支援的任務(wù)進程，以符合維修人員所邀請的診斷邏輯或流程。

（3）支援層：支援層根據(jù)獲取的設(shè)備故障癥狀，支持遠程協(xié)同維修資源進入?yún)f(xié)同環(huán)境開展故障診斷，得出診斷結(jié)論，并提供相應(yīng)的設(shè)備維護措施。支援層包括多個運行在不同地域的支援子系統(tǒng)。支援層子系統(tǒng)根據(jù)協(xié)作系統(tǒng)發(fā)布的遠程支援協(xié)同請求而運行，并且及時響應(yīng)其他相關(guān)地域支援子系統(tǒng)的協(xié)作行為。遠程支援過程是不間斷的，但是遠程支援的發(fā)起是隨機的，因此在支援層子系統(tǒng)的運行工程中，會根據(jù)前方維修人員協(xié)同支援的需求不斷調(diào)整自己的運行過程。

3 關(guān)鍵技術(shù)

空管設(shè)備遠程協(xié)同虛擬維修支援是指前方維修人員在遠方專家的支援下，開展維修的一個過程。具體來看，遠程協(xié)同虛擬維修的最大特點是跨地域性。由于空管保障設(shè)備分布地域相對較大，需要通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)前方故障現(xiàn)場與后方支援專家之間的信息交換。為支持遠程協(xié)同維修支援能夠高效展開，需要解決以下幾個方面的關(guān)鍵問題：信號采集、信號處理及傳輸、信號專家端呈現(xiàn)、維修案例的存儲，以及專家遠程協(xié)同交互方式設(shè)計。

3.1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的空管設(shè)備信號采集

設(shè)備維修診斷的前提是能準確提取能描述空管設(shè)備工作狀態(tài)的信號。設(shè)備故障診斷中常見的信號有電壓、電流、功率等電信號以及數(shù)字電路中的狀態(tài)碼信息。同時，為了使遠程專家能夠獲得全面的設(shè)備工作狀態(tài)信息，還需要提供設(shè)備工作現(xiàn)場的視頻、音頻等環(huán)境信息。在基于現(xiàn)場信號開展故障診斷時，需要重點考慮信號的類型、傳感器的類型以及各檢測點的分布等因素。

3.2 空管設(shè)備工作現(xiàn)場及故障信號處理及傳輸

空管設(shè)備工作現(xiàn)場及故障信號采集獲取后，必須要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給后方支援專家，其相關(guān)的數(shù)據(jù)量非常龐大，受到網(wǎng)絡(luò)帶寬和傳輸速度的限制，因此必須在保證圖像和聲音傳輸質(zhì)量的前提下尋求有效的信號處理算法來予以實現(xiàn)。在信號的傳輸方面，不同的信號類型有不同的傳輸特征和要求，同時，在傳輸?shù)倪^程中需要有較好的安全性和可靠性。因此，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)標準化問題需要進行研究，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式就難于進行信息的有效表達和高效排故作業(yè)。

3.3 空管設(shè)備協(xié)同維修案例數(shù)據(jù)的存儲

空管設(shè)備的維修案例是一個非常寶貴的資源，可以基于案例數(shù)據(jù)開展后續(xù)的培訓(xùn)資源的開發(fā)，以及進行維修決策知識或規(guī)則的總結(jié)。因此，有必要解決好空管設(shè)備維修案例數(shù)據(jù)的存儲，一方面完成設(shè)備故障案例信息存儲格式的標準化、規(guī)范化，另一方面完成維修知識表達的規(guī)范化和標準化，主要涉及維修知識的編碼、管理、維護。

3.4 空管設(shè)備維修專家遠程協(xié)同方式的設(shè)計

空管設(shè)備復(fù)雜化程度、信息化水平較高，且考慮到當前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，5G技術(shù)，VR/AR/MR等技術(shù)的不斷成熟，需要開發(fā)設(shè)計合理的，可滿足多方協(xié)同開展故障診斷資源共享需要的遠程協(xié)同方式。遠程協(xié)同方式的設(shè)計是一項系統(tǒng)工程，必須以提升空管設(shè)備的運行保障能力以及提升維修保障水平為目標，以信息化技術(shù)和管理科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用為前提。

4 虛擬維修場景實現(xiàn)及人機界面

基于Unity3D的虛擬機房軟件開發(fā)，將在Unity3D中設(shè)計的場景、實現(xiàn)的功能、以及人機的交互控制等進行完整打包并發(fā)布生成.exe文件。在Unity3D中完成頁面UI布局設(shè)計、菜單設(shè)計、窗口規(guī)范化等內(nèi)容。使用3DMAX建模軟件將機柜、工具模型搭建出來，并完成本設(shè)計所需要的材質(zhì)調(diào)配、貼圖以及文本等內(nèi)容，最后將完整的模型導(dǎo)入Unity3D。以“大功率放大器驅(qū)動器的更換”和“射頻和測試振蕩器更換”為例進行VR虛擬維修環(huán)境的呈現(xiàn)。

5 結(jié)論

采用遠程協(xié)同維修支援方式，可高效快速調(diào)動維修資源，提升復(fù)雜空管設(shè)備的維修水平。論證了民航空管設(shè)備遠程虛擬化維修支援系統(tǒng)建設(shè)需求，開展了系統(tǒng)功能層次設(shè)計、總體架構(gòu)方案設(shè)計，并具體分析了系統(tǒng)建設(shè)中面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題。以實際的空管設(shè)備維修過程虛擬化為例，展現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在空管設(shè)備遠程虛擬化維修支援系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。進一步應(yīng)考慮：（1）提升系統(tǒng)的遠程網(wǎng)絡(luò)協(xié)同能力，支持快速接入多地維修資源;（2）進一步完善系統(tǒng)人機界面。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（U1733105），中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項項目（2020ZYD094），四川省科技計劃項目（2020YFS0541）

作者簡介：左凌（1976— ），男，漢族，江蘇南京人，碩士，工程師，主要研究領(lǐng)域為空管設(shè)備維修。