摘要：对飞机上的电子设备进行维护十分复杂,且传统培训方式的训练成本不低。为提升机载电子设备的维护培训效率和便捷性,本文融合虚拟现实（VR）与增强现实（AR）技术设计了一套机载电子设备交互式维护系统。该系统具有交互操作、虚拟仪器建模、信号建模等功能,能够显著减少学员的培训时间,并且提高学员的操作准确率。本文设计的交互式维护系统能够解决传统培训方式效率低、成本高的问题,为航空电子设备的高效维护提供了创新路径。

　　关键词：电子设备维护；虚拟现实；增强现实；交互式维护；航空电子设备

　　0引言

　　飞机中的机载电子设备负责获取高度、位置等信息,以及进行信息的传输、接收和可视化呈现,常见设备包括电台、罗盘、高度表和雷达[1]。其故障具有显著非线性和时变性,导致维修困难,通常表现为效率低下。为确保航空工作顺利进行,需要对其进行高效维修,这就要求对相关的维修人员进行必要的实践培训。然而,要想使培训活动取得良好的效果,就必须使用真实的机载电子设备,这存在两大弊端：一是设备成本高,致使培训成本大；二是新员工操作失误可能引发危险。采用软硬件构建虚拟训练环境,能节省成本且保障安全。虚拟维修训练在机械设备领域已有应用,但在电子设备维护培训中较少见,因其具有复杂性和特殊性。机载电子设备维修涉及无线电、雷达等多领域技术,运行依赖特定电磁信号参数,工作状态通过多种符号显示,故障诊断需协同操作示波器等多种检测仪器[2]。因此,其维修难度大,维护人员需耗费大量精力理解设备结构与排查流程。

　　目前,虚拟现实（VR）与增强现实（AR）技术发展进步很快,由此衍生的虚拟维修技术在航空航天等领域变得越来越重要。与传统培训方法相比,使用虚拟技术进行维护培训有诸多优势,例如,不限时间地点、功能更加齐全、操作更加安全,此外能够节约很大一部分的操作成本。因此,本文融合VR与AR技术,设计了一套能够与操作人员形成互动的机载电子设备维修系统。操作人员使用该系统能够更加清晰地看到电子设备内部的结构,使得维护工作效率高、准确性好[3]。

　　1系统总体架构设计

　　1.1系统框架设计

　　该系统需要具备以下几种功能。第一,可视化展示。通过二维或者三维的方式呈现出设备内部如何构造、组件之间怎么进行连接、网络架构及其工作状态。第二,多层级模拟。既能模拟单个设备,也能模拟设备联网协作,还要模拟整个系统的运行情况。第三,要有标准化的操作流程库,同时适配各种辅助工具和测量设备。第四,系统需要具备一个能随时扩充的数据库,将故障案例、诊断方法以及维修策略全部整合入库。第五,系统内应含有一套科学的操作培训与考核体系[4]。为了实现以上功能需求,对系统进行分层模块化设计,其框架如图1所示。

　　1.2技术架构分层

　　1.2.1输入层

　　输入层用于提供人机交互界面和系统接口,是整个系统设计的基础部分。在输入层,系统采用大量VSL代码,对一些Virtools平台无法完成的外部文件操作（如读写、过程控制、逻辑控制、参数控制等）进行分散处理。通过将外部C++代码与Virtools构建模块相结合,实现与外部数据库引擎和外部消息的互操作[5]。系统输入层的工作原理如图2所示。

　　1.2.2模式层

　　模式层在输入层的基础上提供训练模式选择,并为不同的训练模式提供不同的底层支持。这些模式包括操作训练、维修训练和训练评估。选择不同的操作模式后,虚拟维修训练系统将加载不同的原理和模型库,生成不同的操作机制模型,将控制逻辑与操作模式相匹配,并调用与该模式对应的对象行为控制逻辑。系统模式层的工作原理如图3所示。

　　1.2.3逻辑层

　　逻辑层是控制系统运行过程的核心层,是系统的驱动源和响应源。逻辑层通过引入、注入和叠加原理模型来建立虚拟仿真环境。在运行环境的基础上构建操作监控逻辑和消息监控逻辑。通过调整控制类参数和状态类参数,实现三维场景对象的状态显示与控制。系统逻辑层的原理如图4所示。

　　1.2.4动作层和显示层

　　动作层本质上是一个透明的控制层,将复杂机制、逻辑、状态及参数变化全都转化为三维虚拟对象操作逻辑。经其“参数/控制”分析,输入层、模式层与逻辑层结果才能可视化呈现。

　　显示层是虚拟维修训练系统进行人机交互的可视化界面,能够向维修人员提供逼真的三维场景和虚拟操作画面。该层除了显示虚拟对象外,还会在显示中添加提示信息、评估信息、工具信息和引导信息等附加信息。

　　2关键技术实现

　　2.1交互操作

　　实际维修中,操作人员会操作机载电子设备的按钮、开关、操纵杆等,因此,虚拟训练系统需要配置模拟操作反馈功能。此外,在维修时,工作人员常常通过查看多功能显示器（MFD）或抬头显示器（HUD）等设备上的信号符号来确认各种机载电子设备的状态[6]。为训练操作人员对机载电子设备的所有操作而开发的MFD和HUD交互界面如图5所示。

　　2.2虚拟仪器建模

　　维修人员在维修机载电子设备时,有两种仪器是必不可少的,即通用仪器和专用仪器。其中,通用仪器用于常规的电子测量,比如功率、中心频率、频率带宽或时域波形,常见的通用仪器有信号发生器、频谱分析仪、示波器、模拟万用表、功率计等。而专用仪器则是为实现特定目的而设计的仪器,比如用于测试机载雷达性能的雷达信号发生器。维修人员对于这两类仪器能否熟练使用是影响维修效果和效率的关键[7]。

　　通用仪器和专用仪器均通过虚拟仪器在系统中进行模拟。虚拟仪器借助可定制软件与模块化测量硬件工作,与硬件仪器的区别在于用可复用软件替代诸多硬件。本文开发的软件系统的目的是培训新的操作人员,因此在本项目中,除了虚拟测量软件外,并未开发用于信号采样或生成的硬件。

　　本项目使用Measurement Studio软件开发虚拟仪器。本文设计的两种虚拟仪器如图６所示。

　　2.3信号建模

　　信号的产生、传输、接收和转换是机载电子设备正常运行的基础,信号建模又是故障建模的前提。但信号种类多、关系复杂且特性难描述,建模工作艰巨,致使故障建模难度大[8]。

　　虚拟训练系统采用多信号方法模拟复杂信号及其与模型的关系。多信号建模是简单有效的知识表示法,已被美国ASI公司用于TEAMS系统。当前故障建模常基于多信号流图或贝叶斯理论,本虚拟训练系统通过分层多信号模型对射频、控制、视频等信号建模。基于多信号流图的接收器模型如图７所示。

　　3多模态交互框架流程

　　当系统在训练模式下运行时,如果操作被允许,系统将正常响应。如果操作不被允许,将给出“操作错误”提示。当系统在训练与评估模式下运行时,每一步操作都需要记录,系统根据记录结果和训练评估指标给出评估结果。详细系统流程如下。

　　（1）系统启动与模式选择系统启动后,进入主界面,用户可根据需求选择三种运行模式之一,分别为操作训练模式、维护训练模式、性能评估模式。

　　（2）操作训练模式流程。用户选择操作训练课程；系统加载对应训练模块与数据库；初始化虚拟设备状态,进入操作环境；用户通过VR/AR界面进行虚拟对象操作；系统实时进行逻辑判断,若操作合理,则执行基础行为,综合展示操作结果,若操作不合理,则提示“操作错误”,引导返回操作步骤重新执行。

　　（3）维护训练模式流程。用户选择维护训练课程；加载维护模块与数据库；初始化维护场景与对象状态；进行虚拟对象操作,模拟维护流程；系统执行逻辑判断与操作反馈,若逻辑正确,则模拟基本维护行为,进行结果可视化显示,若逻辑错误,系统提示并回退至上一步操作。

　　（4）性能评估模式流程。用户选择评估课程并加载评估模块及数据库；系统完成评估环境初始化；用户执行操作任务,系统记录全部操作行为；系统进行逻辑判断与实时反馈,操作正确,则生成基础行为模拟,综合展示效果,操作错误,则继续记录并提示错误原因。

　　4案例验证

　　4.1实验环境

　　本文实验硬件与软件环境以及训练配置如表1所示。

　　4.2实验结果

　　为评估本系统在机载电子设备维护中的实际效能,选取某型机载雷达设备开展对比实验。实验设置操作训练组（VR/AR系统辅助）与传统培训组（纸质手册指导）各15名受训人员,记录两组人员在标准维护任务中的关键指标,维护训练效果对比如表2所示。

　　系统训练过程中维护人员的操作熟练度提升曲线如图８所示。在初期训练阶段（前5次训练）,AR与VR功能使操作错误率从初始的32.7%快速降至8.4%；进阶训练阶段（6～15次训练）,结合交互式维护的动态反馈机制,错误率稳定维持在2.1%以下,显示出显著的学习曲线优化效果。

　　5结语

　　机载电子设备比较复杂,且对机组人员进行维修培训存在成本昂贵、实践困难且可能发生危险等问题。为解决上述问题,本文设计了一种基于VR/AR的机载电子设备交互式维护系统。该系统一共包括五层系统架构,能够实现良好的人机交互。实验表明,与传统培训相比,使用该系统进行培训的学员故障诊断准确率提升21.7%,同时,使用该系统可有效降低培训成本,设备损耗率近乎为零。

参考文献

　　[1]蒋成刚.航空电子设备维修中静电危害及防护措施[J].中国航务周刊,2021(42):58-59.

　　[2]李鹏飞,刘伟,徐波,等.航空电子设备故障诊断技术研究综述[J].建筑工程与管理,2023,5(9):151-154.

　　[3]郭子玥,周栋,郝爱民,等.虚拟维修技术近10年研究进展综述[J].计算机辅助设计与图形学学报,2022,34(5):659-674.

　　[4]尚金龙,任斌斌.VR技术在航空机电设备维修实训中的应用研究[J].内燃机与配件,2022(1):238-240.

　　[5]张晓敏.关于航空电子设备故障诊断技术的分析[J].电子测试,2021(1):113-114.

　　[6]安太玉.基于虚拟现实技术的设备智能维修[J].电子技术与软件工程,2021(9):124-125.

　　[7]魏士松,周正东,章栩苓,等.基于桌面虚拟现实技术的航天器虚拟维修训练系统[J].系统仿真学报,2021,33(6):1358-1373.

　　[8]姚寿文,胡子然,柳博文,等.基于实时装配状态感知和直观性交互的虚拟现实辅助维修训练[J].工程设计学报,2021,28(1):14-24.