基于虚拟现实的民航空管设备远程虚拟维修系统

左凌 何勇 刘建华

摘 要：为支持实现空管设备维修资源共享，提高维护效率、降低综合维护费用，构建了基于虚拟现实技术的民航空管设备远程虚拟维修系统。分析了虚拟维修系统的功能模块设计，建立了包含设备层、协作层、支援层的系统体系架构，并阐述了系统研发中涉及的故障数据采集及处理、协同方式设计等关键技术。采用实际维修案例展示了该系统在虚拟维修支持方面的效果。

关键词：空中交通管理;设备维修;故障;虚拟现实

中图分类号：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

民航空管系統是国家重要的基础性和战略性行业，是保障民用航空安全高效运行的中枢。经过长期的建设和发展，民航空管设备保障基本完备，空管设备基本实现标准配置和智能管理。但是，构建科学的民航空管设备技术保障体系仍是今后一个时期民航空管工作的重要内容，尤其是随着民航空管设备高技术化特征日益凸显，功能日益复杂，空管设备现场维修水平要求也越来越高。当空管故障设备现场人员技术能力有限时，采用先进的远程协同维修支援方式，可在短时间内调动维修资源，实现资源共享，提高维护效率、降低综合维护费用，并促进空管设备维修水平提升。本文对基于虚拟现实（Virtual Reality）技术的民航空管设备虚拟维修系统构建进行研究。

近年来，国家相关部门出台了关文件，要求促进空管设备运行智能可靠，持续完善设备运行保障体系，探索台站建设与设备维护新模式[1]，指出应制定详细的、可操作的空管设备运行保障及维护维修规程，为民航空管设备维护提供制度保障[2]。相关研究人员也在空管设备维修方面开展了大量研究。其中，张昊等人对空管设备管理与维护过程中的原则及规定进行了研究[3]，也有学者从空管设备故障模式和影响分析、预防性维修工作类型及维修工作间隔期的确定等方面进行了研究[4]。张龙飞对空管设备预防性维修从设备维护特点、潜在的问题以及预防性维修的应用措施等方面进行研究[5]。也有研究人员在空管设备运维信息化平台建设方面进行研究，对构建基于多信息系统的维修平台进行了较深入的分析，对实现设备运行数据的集中监控，基于预定的分析模型开展设备可靠性和可用性评估[6]。此外，也有研究人员对空管设备维修方案的评估方法进行研究，对方案的维修类型、原则、级别及维修策略等内容进行分析，给出了常见的评估方法[7]。本文结合虚拟现实技术，对民航空管设备虚拟维修系统进行研究，阐述了系统开发过程及其中涉及的相关技术，包括系统功能设计、架构设计以及涉及的关键技术等，并基于实际维修案例的虚拟化呈现过程为例介绍了系统的人机界面。

1 虚拟维修系统功能设计

空管设备远程虚拟维修支援系统可辅助前方设备维修人员开展设备故障信息的获取，并基于远程专家协同支援开展故障诊断，及时开展设备故障定位并制定维修措施，节省维修人员的时间，提高维修效率。

空管设备远程虚拟维修支援系统的总体功能框架如图1所示。主要功能模块有：

（1）支援系统信息管理子模块：包括支援专家资源管理、空管设备故障信息管理、手册管理、现场环境三维管理、维修案例管理、用户管理等;

（2）支援系统测试诊断子模块：远程协同支援申请发布、远程协同交互过程控制;

（3）维修指导子系统：远程协同支援交互、现场三维虚拟场景查看等。

基于上述功能模块，系统可以实现：（1）远程协同资源匹配功能。根据前方设备维修人员输入的设备故障信息，自动匹配查找合适的远程协同资源;（2）故障诊断远程协同功能。根据前方设备维修人员发起的远程协同请求，后方支援专家可以进入系统，开展设备现场工作环境、以及设备工作状况查看，并协同展开设备故障定位，及时指导维修人员;（3）故障维修指导功能。在维修人员得到故障诊断结果后，需要进行故障隔离和维修作业。此时，系统可以支持远程专家继续提供故障维修指导，开展远程询问或讨论，专家可基于平台将相关维修指令、资源或信息及时传递给前方维修人员;（4）远程协同信息管理功能。对于维修故障信息、协同过程等信息，系统需要提供管理模块，实现对协同信息的存储，以便支持开展维修案例的制作。

2 系统架构设计

民航空管设备远程虚拟维修实质上是针对空管设备维修需求，开展远程协同支援技术和虚拟化技术在空管设备维修领域的融合应用，促进远程支援专家对故障空管设备现场的工作环境熟悉，提升远程协同质量和水平。区别于传统的虚拟维修，空管设备远程协同虚拟维修除了包含维修实施过程模拟外，还包含在专家端构建高度逼真的设备现场环境，使得专家与前方维修人员之间能基于虚拟化技术手段实现维修过程的交互。它可以在计算机上提供一个实时的、三维的虚拟环境，通过生动的视觉、听觉、触觉等效果随着参与者的动作而变化的场景使人获得身临其境的感觉。它突破了空间、时间的限制，可以实现逼真的设备装配、故障维修操作，提取任何关于设备的已有资料、状态数据，检验设备性能。

空管设备远程虚拟维修支援系统组织架构包括三个功能层：

（1）设备层：设备层的功能，即支持前方维修人员开展人机交互，提交远程系统维修支援任务请求，以及显示故障诊断结果，反馈故障维护效果，提供某些故障诊断所需的设备信息、故障症状描述等;提供设备现场的运行环境信息，与现场设备进行虚拟的交互;提取设备运行状态数据，获取设备故障症状;管理设备运行状态数据、设备维护日志等。

（2）协作层：①协作层系统在接收到前方设备维修人员提交的远程协同支援任务后，应将设备的维修支援任务基于不同问题域进行分析，并且将获取的设备故障症状信息按照问题域分类，提取出相匹配的远程支援维修资源，供设备维修人员查看。②前方人员在查看可调取的维修支援资源列表后，可相相关资源及时发布远程协同支援请求;同时，也可以根据协同支援的进程或问题，邀请新的支援资源加入协同过程，又或者，提出新的远程协同任务请求;因此，在此过程中，协作层系统将管理多个参与远程协同支援的任务进程，以符合维修人员所邀请的诊断逻辑或流程。

（3）支援层：支援层根据获取的设备故障症状，支持远程协同维修资源进入协同环境开展故障诊断，得出诊断结论，并提供相应的设备维护措施。支援层包括多个运行在不同地域的支援子系统。支援层子系统根据协作系统发布的远程支援协同请求而运行，并且及时响应其他相关地域支援子系统的协作行為。远程支援过程是不间断的，但是远程支援的发起是随机的，因此在支援层子系统的运行工程中，会根据前方维修人员协同支援的需求不断调整自己的运行过程。

3 关键技术

空管设备远程协同虚拟维修支援是指前方维修人员在远方专家的支援下，开展维修的一个过程。具体来看，远程协同虚拟维修的最大特点是跨地域性。由于空管保障设备分布地域相对较大，需要通过网络实现前方故障现场与后方支援专家之间的信息交换。为支持远程协同维修支援能够高效展开，需要解决以下几个方面的关键问题：信号采集、信号处理及传输、信号专家端呈现、维修案例的存储，以及专家远程协同交互方式设计。

3.1 网络环境下的空管设备信号采集

设备维修诊断的前提是能准确提取能描述空管设备工作状态的信号。设备故障诊断中常见的信号有电压、电流、功率等电信号以及数字电路中的状态码信息。同时，为了使远程专家能够获得全面的设备工作状态信息，还需要提供设备工作现场的视频、音频等环境信息。在基于现场信号开展故障诊断时，需要重点考虑信号的类型、传感器的类型以及各检测点的分布等因素。

3.2 空管设备工作现场及故障信号处理及传输

空管设备工作现场及故障信号采集获取后，必须要通过网络传输给后方支援专家，其相关的数据量非常庞大，受到网络带宽和传输速度的限制，因此必须在保证图像和声音传输质量的前提下寻求有效的信号处理算法来予以实现。在信号的传输方面，不同的信号类型有不同的传输特征和要求，同时，在传输的过程中需要有较好的安全性和可靠性。因此，数据传输的数据标准化问题需要进行研究，没有统一的数据格式就难于进行信息的有效表达和高效排故作业。

3.3 空管设备协同维修案例数据的存储

空管设备的维修案例是一个非常宝贵的资源，可以基于案例数据开展后续的培训资源的开发，以及进行维修决策知识或规则的总结。因此，有必要解决好空管设备维修案例数据的存储，一方面完成设备故障案例信息存储格式的标准化、规范化，另一方面完成维修知识表达的规范化和标准化，主要涉及维修知识的编码、管理、维护。

3.4 空管设备维修专家远程协同方式的设计

空管设备复杂化程度、信息化水平较高，且考虑到当前网络技术的发展，5G技术，VR/AR/MR等技术的不断成熟，需要开发设计合理的，可满足多方协同开展故障诊断资源共享需要的远程协同方式。远程协同方式的设计是一项系统工程，必须以提升空管设备的运行保障能力以及提升维修保障水平为目标，以信息化技术和管理科学技术的应用为前提。

4 虚拟维修场景实现及人机界面

基于Unity3D的虚拟机房软件开发，将在Unity3D中设计的场景、实现的功能、以及人机的交互控制等进行完整打包并发布生成.exe文件。在Unity3D中完成页面UI布局设计、菜单设计、窗口规范化等内容。使用3DMAX建模软件将机柜、工具模型搭建出来，并完成本设计所需要的材质调配、贴图以及文本等内容，最后将完整的模型导入Unity3D。以“大功率放大器驱动器的更换”和“射频和测试振荡器更换”为例进行VR虚拟维修环境的呈现。

5 结论

采用远程协同维修支援方式，可高效快速调动维修资源，提升复杂空管设备的维修水平。论证了民航空管设备远程虚拟化维修支援系统建设需求，开展了系统功能层次设计、总体架构方案设计，并具体分析了系统建设中面临的关键技术问题。以实际的空管设备维修过程虚拟化为例，展现了虚拟现实技术在空管设备远程虚拟化维修支援系统中的应用潜力。进一步应考虑：（1）提升系统的远程网络协同能力，支持快速接入多地维修资源;（2）进一步完善系统人机界面。

参考文献：

[1]中国民用航空局空中交通管理局，中国民用航空局空中交通管理局战略发展纲要[R].2015.

[2]中国民用航空局空管行业管理办公室，民用航空通信导航监视运行保障与维护维修规程[S].2016.

[3]张昊.空管设备的管理与维护[J].科技咨询，2011，（12）：245-246.

[4]舒涛.空管设备以可靠性为中心的维修分析研究[J].现代工业经济和信息化，2019，（1）：114-116.

[5]张龙飞.空管设备预防性维修的相关思想研究[J].科技创新导报，2019，（9）：171-172.

[6]卢栩茵.空管设备运维信息化中心平台建设探究[J].电脑知识与技术，2017，13（15）：54-55.

[7]李家杰.空管设备大修方案评估方法研究[J].科技创新，2016，（26）：22-23.

基金项目：国家自然科学基金项目（U1733105），中央引导地方科技发展专项项目（2020ZYD094），四川省科技计划项目（2020YFS0541）

作者简介：左凌（1976— ），男，汉族，江苏南京人，硕士，工程师，主要研究领域为空管设备维修。