基于DELMIA的民機內飾虛擬維修仿真與評價方法

陳登凱，王瑤，敖卿，錢軍

基于DELMIA的民機內飾虛擬維修仿真與評價方法

陳登凱，王瑤，敖卿，錢軍

（西北工業大學 工業設計與人機工效工信部重點實驗室，西安 710072）

針對傳統民機內飾維修困難且成本大的問題，構建民機虛擬維修仿真與評價體系，提出基于DELMIA的虛擬維修仿真與評價優化方法。首先對維修任務仿真動作進行分解，并對維修操作階段進行劃分，根據不同階段動作進行特性分析，完成操作區的劃分；其次針對不同區域再次進行維修動作類型的劃分，按照不同類型分別進行虛擬仿真操作；再次基于DELMIA仿真結果中提取的關鍵幀進行各指標分析，得到單項評估的結果；最后基于MATLAB平臺完成上述多種人機因素的綜合評估權重向量并計算出各關鍵幀結果，輸出人機工效綜合評估可視圖和報告，給出可優化方向。依靠項目支撐對某型號民機內飾行李箱維修仿真進行案例驗證，表明該方法能夠系統地完成民機內飾典型部件的維修仿真分析任務，并給出明確的維修優化方向。新方法體系的提出有助于民機內飾虛擬維修仿真的效率及綜合評估可靠性的提高。

民機內飾；虛擬維修；仿真分析；綜合評估；人機工效

虛擬維修技術是一種可靠性高、不受空間和場地的限制、可多次反復使用、成本較低的技術。從國內發文機構來看，對虛擬維修研究較多的主要是中國石油大學等院所，能夠應用于民機維修等很多領域。因此，許多國家都高度重視虛擬維修技術的發展[1-2]。虛擬維修技術的廣泛性應用，不僅有助于產品維修工作，還覆蓋了產品全生命周期的各個階段[3]。在民機中，飛機內飾結構的維護是飛機內飾設計不可或缺的部分。傳統的維修方法存在耗時耗力的缺點，而虛擬仿真技術的應用能夠高效地完成飛機內飾結構的安裝、拆卸和維修工作。虛擬維修技術是民機維修評估的重要技術手段之一。它基于現代技術，在虛擬環境中模擬維修過程，還能夠評估維修時的可視域、可達域維修時間及維修難易度等因素[4]。從維修人員的角度出發，虛擬維修技術不僅能夠提高維修人員的作業效率，還能提升維修人員的舒適度及操作的便捷性。通過對具體飛機內飾維修過程中的維修行為動作進行全面分析，虛擬仿真技術還能提高仿真的可靠性和準確性，從而在實際維修中得到應用。

本文以構建民機虛擬維修的仿真及評價體系為出發點，提出了一套虛擬仿真及人機工效綜合評估方法。通過實例驗證，展示了基于DELMIA的民機內飾虛擬維修仿真及評價方法的創新性。該方法為民機內飾的維修任務提供了一種新穎的仿真及評價方法，并為后續民機內飾的維修保障分析和維修輔具設計等工作提供了基礎數據和指導。

1 民機內飾虛擬維修理論與方法

民機內飾工程維修技術研究根據當前內飾工程維護的現狀、不足及趨勢，提出針對民機內飾工程維修及評估方法，主要針對內飾中各個模塊化部件進行研究。結合國內外相關文獻，發現關于民機維修的關鍵技術可以分為維修任務仿真技術及維修任務評估技術兩大類。對民機內飾維修而言，其工程維護綜合評價指標體系主要包括維修作業舒適度、維修操作過程評估以及維修適航評估。相對于其他維修任務，民機內飾維修對維修人員體力負荷、作業姿勢、作業布局、維修件、維修通道操作的可行性有更高的要求。此外，民機內飾維修更加注重標準化、互換性及模塊化這三個方面的適航性評估。

1.1 虛擬維修仿真理論

目前，虛擬維修的主要方法是基于虛擬維修模型、資源、場景，根據仿真方案完成仿真[5]。在仿真場景中，常使用DELMIA軟件進行虛擬維修仿真，該軟件支持任務行為的建立，能夠實現連續的動作仿真，并完成各種分析任務，因此被廣泛認可作為可靠的虛擬維修平臺[6]。國內外學者在虛擬仿真維修方面進行了大量的研究，其中Numfu等[7]、Ronan等[8]借助第三方系統捕捉動作數據，實時驅動虛擬人進行仿真，但該方法收到精度及硬件性能的限制。徐丙立等[9]、Deng等[10]通過采集真實動作的數據，建立參數化模型來生成人體動作，以實現仿真，但該方法存在對象的約束。此外，愛荷華大學Vujoservic等[11]提出維修任務分解的思想，將維修作業進行不同層次的分解，以便于維修仿真。類似地，李星新等[12]借助人因工程中動素的分類方法及維修操作仿真，建立維修動素庫，以便于維修數據的提取。

1.2 虛擬維修評估方法

隨著技術的飛速發展，民機的功能變得越來越多樣化，同時也變得更加復雜。它們逐漸呈現出高技術、大風險、高要求的特點[13-14]。盡管裝配自動化程度提高，但在沒有人參與下，仍然無法實現全自動化工作。為保證正常運行，仍需要操作人員的參與來保證操作的有效進行。然而，現代維修作業中維修人員需要承擔潛在的設計、制造及安裝缺陷，同時受到維修空間的限制，容易產生巨大的生理疲勞和心理負擔。因此，維修性評估的主要對象是維修人員。通過使用人機工效學的理論知識，可以確保維修工人在民機維修的設計中能夠高效、安全和準確地開展維修活動。虛擬維修評估的主要出發點是視野可見性、維修操作可達性、安全性和舒適性等方面。Lu等[15]很早就基于虛擬環境下民用飛機維修評估的方法和技術進行了研究，并提出了分析評價結果和修改建議。周棟等[16]建立的維修安全評估模型可對潛在的安全影響因素進行分析預測，此外，許多研究人員還基于仿真環境開展了維修性評價方法的研究[17-18]。

對現有的維修操作人機工效評估流程，通常是通過設定虛擬人維修操作位置，并定義一些典型的維修操作姿態，然后對每個姿態下的人機因素進行分析。然而，這些方法往往只對單個指標進行分析，并沒有考慮到在實際維修中多個指標綜合分析的可靠性提升。此外，維修任務是一個動態的多姿態過程，應該綜合考慮各個姿態，進行綜合評估，以提高維修綜合評估的可靠性。

2 民機內飾維修仿真及評估流程

本文提出了一種民機內飾虛擬維修仿真及評估方法，具體流程可分為以下5個步驟，見圖1。

1）依據民機內飾的基本維修作業分解思想，對民機維修操作者本身動作、工具設備的動作、零部件動作等進行分解。

2）綜合考慮民機維修動作庫的完備性、可靠性以及單個維修動作設計的獨立性的基礎上，劃分民機內飾維修作業階段，并總結歸納各個階段所需要的維修動作。

3）根據實際維修作業過程中操作動作的特點，確定適合的維修仿真方法，并進行維修仿真。

4）遍歷維修關鍵幀，輸出對應民機維修操作人員的可視性評估、可達性評估、姿態舒適度評估。

5）進行指標權重分配，輸出綜合評估結果，并對仿真問題進行總結，提出優化建議。

2.1 基本維修作業驅動下的虛擬仿真方法

2.1.1 維修作業分解

維修作業是維修人員完成維修的全部活動過程的總和，包括了所有的基本維修作業。對基本維修作業，其作為維修作業的子集，是一項維修活動中分解出的多個任務子集中的一個[19]。在民機內飾維修中基本維修作業可以分解為DELMIA環境中的虛擬人維修操作動作、維修操作的工具設備動作、維修操作的民機內飾零部件的動作，虛擬人的維修動作包含姿態的調整和方位的轉換，姿態調整則包含了上肢運動、彎腰、扭頭等，方位轉換則包含了步行、轉身、下樓梯等。然而民機內飾維修是由民機內飾裝配約束、內飾環境約束及操作者本身的生理特點共同決定的，而在民機維修時使用工具和操作對象也會對操作者動作存在影響。而維修人員作為維修動作的發起者和執行者，直接或間接主導其他對象，其操作動作直接決定了維修仿真效率。

2.1.2 維修動作歸納

民機內飾維修的動作庫集成了所有的維修動作，其完備性及可靠性是最主要的，即任何民機內飾部件維修作業都可以在維修動作庫里找到相應的維修動作，其多種維修動作組合構成某特定維修作業。同時動作庫中的每個動作為保證其能夠有序組合，實現仿真效率的提高，每個動作都應該擁有獨立性，如在拆卸民機內飾座椅時，擰螺絲、拆卸椅背等動作都具有其特定的含義。

對民機維修基本維修作業的流程進行詳細劃分，并根據分段區域進行各自基本維修作業動作的劃分，將基本維修作業流程劃分為準備、執行和結束三個階段，其各自對應的基本維修作業動作見表1。

表1 基本維修作業三個階段的基本維修動作

2.1.3 面向虛擬仿真的動作特性分析與歸類

基于民機內飾維修作業任務的基本維修動作進行特性分析，再結合DELMIA軟件特點，可將虛擬維修操作區劃分為局部操作區和整體操作區，維修動作可分為精準參數維修動作、普通維修動作、過渡維修動作三種類型。

局部操作區主要指不需要借助人體方位的轉換即可進行操作的區域。在此區域內主要存在兩種維修動作類型，普通維修動作和精準維修動作。普通維修動作是指不需要依賴具體參數數據，僅通過維修工作者自身的經驗或僅需要大概約束定位就可以完成的動作。例如在民機維修時維修人員可以憑借自身經驗抓取工具，不用參數定位（僅需在避免碰撞干涉的情況下）就可以完成工具至對象的定位。精準維修動作則需要當維修人員將工具與對象進行匹配后，保證精準的軸線對齊及參數定位方可進行拆卸、擰出、擰緊等一系列操作。

整體操作區主要是指需要借助人體方位的轉換才可以進行操作的區域。針對這一操作區主要因為民機上存在多處連接，在拆卸時需要進行位置的調整才可以完成，所以在此類過程中則需要進行人體方位的轉換，由此也會存在一系列動作，本文將其稱之為過渡維修工作。例如民機行李箱門拆卸時，左右兩側皆有螺母，維修人員則需要在完成左側部位拆卸后，調整姿態移動至右側完成右側部位的工作，這中間階段的動作則屬于過渡維修動作。

針對以上三種維修動作類型，基于DELMIA軟件本身選取適合各自特點的仿真方法。外設模擬仿真和自適應參數驅動兩種仿真方法分別應用于普通、過渡和精準維修動作中進行仿真分析。外設模擬仿真方法即主要通過觀察真實民機維修人員的交互行為來指導虛擬仿真操作者進行維修仿真動作設置，例如，路徑到達規劃時真實維修人員則會避免碰撞及干涉，選擇最方便高效的方法完成位置的調整。自適應參數驅動仿真方法主要是針對DELMIA軟件中可直接定位到軸線處、設置轉動、移動等參數，確保精確定位的特征，再通過實際零件裝配的尺寸來計算參數，將其應用于精準維修動作中可以保證仿真的精確性。

2.2 面向民機維修的人機工效綜合評估方法

在完成一系列仿真流程后，全面的綜合評估方法能夠全面真實地反映維修過程的評估結果。首先，在虛擬仿真環境中對維修任務進行模擬仿真，將實際維修作業的詳細信息通過虛擬環境進行還原，隨后對整個維修任務操作的全過程進行三種不同類型的作業分段；其次，依次對每一段的維修作業的關鍵幀進行提取，得到任務過程中維修人員的操作可達性、操作可視性、快速上肢的分析，并進行單項評估的結果總結；最后，基于權重計算和分配綜合得出上述三種人機因素的綜合評估，輸出人機工效綜合評估可視圖和報告，根據結果提出可優化方案。

2.2.1 單項指標評估。

單項指標評估將采用定量化對比的方式。本文案例驗證中主要針對維修人員可視域、可達域、RULA姿態評估進行分析，因此，單項指標評估以這三種為主。

可視域評估主要是基于民機內飾維修任務中維修過程的關鍵幀進行分別量化，量化分數范圍為1～3，主要根據當前操作區域是否屬于最佳可視域范疇，若屬于則為1，處于一般可視域范圍則為2，處于較差可視域范圍則為3?？蛇_域評估類比可視域。RULA姿態評估則主要根據姿態分析評價分數自動生成各關鍵幀數值。

2.2.2 綜合指標評估

步驟1：判斷單項指標評估中的各個指標兩兩之間的重要程度，分為6級，含義分別為，1-不太重要；2-同等重要；3-略微重要；4-一般重要；5-相當重要；6-極端重要。

步驟3：計算人機因素的權重向量。核心程序如下所示：

最后得到最大特征值對應的特征向量即y_lamda。

式中，為y_lamda。

步驟5：根據綜合分數生成的圖表總結維修過程中的問題及可優化的方向。

3 案例應用——以某民機型號行李箱為例

本文提出的面向民機內飾維修的虛擬仿真和評估方法可應用于民機維修，具有一定的普適性，本文選取課題項目中的某民機型號為例，驗證此方法面向民機內飾維修的可行性。

3.1 民機行李箱維修作業驅動下的虛擬仿真

以飛機客艙行李箱的拆卸為案例，利用DELMIA軟件進行仿真維修，DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）是法國達索系統公司（Dassault Systemes）的一款數字化企業的互動制造應用軟件?；贒ELMIA軟件平臺，一是通過人體任務仿真（Human Task Stimulation）模塊創建、驗證及模擬維修人員的人體活動，如抓取、放置、攀爬等；二是構建飛機客艙行李架的虛擬維修場景，Insert（插入）某型號飛機客艙內飾模型和維修工具。利用DELMIA的Human Builder（人體建模）模塊創建擬維修人員模型，在選項卡中設置詳細信息，如人群、性別、百分位數及參考點等；三是為增加維修仿真過程的可靠性和真實性，當飛機客艙模型、維修工具導入到DELMIA且建立維修人員人體模型后，通過建立手與螺絲刀的約束及Posture Editor模塊完成精準姿勢的調整，還原真實的飛機客艙維修場景。

完成仿真準備后，按照本文提出的方法對某民機型號行李箱門的維修進行驗證，箱門的主要拆卸點為左右兩側8個點位的螺釘，見圖2。

步驟1：首先對箱門作業任務進行分解。主要包含打開箱門動作、拆卸左側螺釘、固定已拆卸箱門、下樓梯、移動樓梯、上樓梯、拆卸右側螺釘、拆卸箱門。

步驟2：基于基本的維修作業過程進行階段劃分、動作歸納，同時根據基本維修動作的動作匹配定義仿真維修動作，見表2。

步驟3：針對不同維修動作定義進行虛擬仿真，并在此基礎上生成了動態仿真視頻，對箱門在虛擬仿真過程中的關鍵幀截取，見圖3。

圖2 箱門維修主要拆卸點

表2 箱門基本維修作業過程細化

Tab.2 Refinement of basic maintenance operation process of the trunk door

續表2

圖3 基于DELMIA軟件的某民機型號行李箱門虛擬維修關鍵幀

3.2 面向某民機型號行李箱門維修的人機工效綜合評估

根據面向維修過程的人機功效綜合評估方法，通過在DELMIA平臺中來完成虛擬仿真環境中的維修任務仿真，將民機內飾實際維修作業的詳細信息通過虛擬環境進行還原，隨后對整個內飾維修任務操作的全過程進行三種不同類型的作業分段，基于每一段維修作業過程，根據基本維修動作選取關鍵幀進行量化分析。

步驟1：為了得到單項指標量化結果，遍歷維修過程獲取了38個關鍵幀，如圖4所示為部分關鍵幀指標，分別記錄多個關鍵幀的不同指標量化數值，生成可視、可達、姿態分析結果，如圖5所示，縱坐標為量化后的維修評估等級分數（0～7），評分等級越高，則不舒適度越強。

步驟2：建立各個人機因素之間的權重矩陣。根據舒適度重要度等級，確定可視性、可達性、舒適度的相對等級，生成權重矩陣，見式（3）。

步驟3：利用MATLAB進行各個人機因素的權重向量計算，并完成一致性檢驗。

代入權重矩陣得到最大特征值對應的特征向量為（0.910 6 0.371 5 0.150 6）。

步驟4：計算人機工效綜合評價分數，整理得到拆卸箱門的人機工效綜合評價，見圖6。

從拆卸箱門的人機工效綜合評價圖來看，維修過程中的0～7等級，等級3占比最大，在移動樓梯、上下樓梯以及拆卸右側螺釘階段出現等級評分為4和5的情況，同時在各階段對應的關鍵幀評分等級占比中，拆卸左側螺釘等級3占75%的比例、等級2占25%的比例；固定箱門等級3占67%的比例、等級2占33%的比例；下樓梯等級4占33%的比例、等級3占33%的比例、等級2占33%的比例；移動樓梯等級3占100%的比例；上樓梯等級4占67%的比例、等級3占33%的比例；拆卸右側螺釘等級5占12.5%的比例、等級4占12.5%的比例、等級3占75%的比例；拆卸箱門等級3占71%的比例、等級4占14%的比例、等級2占14%的比例。

圖4 部分任務關鍵幀指標

3.3 某民機型號行李箱虛擬維修綜合評估結果分析

本文基于DELMIA軟件提出了民機內飾維修的仿真與評價優化方法，主要由維修作業分解、維修任務過程分段、維修動作歸納和面向維修過程的人機工效綜合評估方法體系構成。

1）能夠獲取維修任務過程的動態仿真問題預測及模擬仿真時間預估，使用Human Task Simulation模塊對典型部件拆裝過程進行仿真，在仿真過程中可判斷零件的拆裝有無干涉問題，若存在干涉問題可進行優化改進。仿真過程中得到典型部件在給定拆裝順序下的時間預估及典型部件單一拆卸模塊的拆裝時間，將典型部件整個流程仿真預估的拆裝時間與整艙部件拆裝平均時間指標進行對比，得出預估時間與平均時間指標的時間長短對比結果。若典型部件拆裝預估時間大于平均時間指標，可以典型部件拆裝的單一模塊的拆裝時間作為切入點，完成整個流程拆裝時間的優化。

2）在對動態仿真過程中的虛擬人可視、可達、姿態進行綜合評估時，通過量化數據可以得到維修部件的可優化點，并基于可優化點實現進一步優化。正如本文中客艙行李箱門的案例分析結果，從維修人員的角度出發，有助于人員維修舒適度的提升，從維修部件的角度出發，能夠優化維修部件的使用配合度。

通過對客艙行李箱箱門維修分析進行了案例驗證，根據選取的38個關鍵幀的綜合評價結果可知，由于客艙維修通道受限，因此維修臺即本文描述為維修樓梯的尺寸及樣式會對維修人員的操作效率及舒適度有一定影響，此外拆卸箱門連接件的左右螺釘，經分析可知其不適等級較高。主要是在拆卸箱門過程中，操作者大部分的維修作業空間在頭部及以上，并需要拆卸4顆螺釘，拆卸螺釘時間占整個拆卸箱門比重大，保持維修姿勢的時間增長，拆卸左側螺釘執行階段RULA分析，可知操作人員在維修過程中的不舒適。但操作人員沒有輔助拆卸或支撐維修人員上臂的工具，長期作業易對操作人員上肢產生損傷。同時，在維修人員配合問題上通過仿真也發現了部分可能增加人體不適度的情況。

3.4 某民機型號行李箱虛擬維修優化建議

針對案例結果分析設計建議如下。

1）針對民機內飾中像行李箱這種需要借助維修臺的輔助來進行維修操作的內飾部件，由于維修通道受限，可對其輔助維修臺進行優化設計，設計切入點為便于移動、高度可靈活調整。

圖5 箱門拆卸可視、可達、姿態量化

2）需要對箱門連接件進行優化，選用盡量避免長時間的手過頭操作，即可以選用撥片式設計，實現按壓彈扣，縮短維修人員操作時間。

3）考慮設計輔助拆卸工具，本文關鍵幀獲取能夠為輔具設計提供數據支撐，通過設計輔助拆卸工具，保證能夠降低維修人員長時間手過頭操作的不適度，從而降低維修人員職業病的發生概率。

4）針對操作者配合的流程優化問題，輔助操作者需要幫助主要操作者完成維修任務，當主要操作者移動到右側時，需要固定箱門左側的螺釘，防止箱門或其他部件損壞，此時輔助操作者的作業空間高于頭頂，由RULA分析可知，其前臂在此姿勢下不舒適。當主操作者移動到另外一側后，應視情況判斷是否需要再抓取箱門左側，若主操作者不便于拆卸，應該保持姿勢，但易對輔助操作者上肢產生損傷，若方便拆卸可以回到站立狀態，等待主要操作者完成右側螺釘拆卸后再完成拆卸任務。因此，在配合問題上通過仿真可提前獲取較優配合方式，減少不適損耗。

圖6 拆卸箱門的人機工效綜合評價

4 結語

為了保證虛擬維修仿真的高效性及評估的可靠性，本文提出了基于DELMIA軟件的維修仿真與評價優化方法。首先依據虛擬維修仿真相關理論提出了基于DELMIA的虛擬維修仿真出發點，依據維修任務分解的思想，對維修操作者本身動作、工具設備的動作、零部件動作進行分解；其次在綜合考慮維修動作庫的完整性與可靠性，以及單個維修動作設計的獨立性的基礎上劃分作業階段，并總結歸納各個階段所需要的維修動作；再次根據實際作業過程的基本維修作業特征完成自適應參數驅動方法和外設模擬仿真方法的確定，并進行仿真，依據綜合評估優勢進行關鍵幀綜合評估結果的獲取，并基于MATLAB完成權重向量的生成和檢驗，得到最終綜合結果；最后根據綜合結果提出了本次維修的可優化方向。該方法對虛擬仿真在民機內飾維修的應用及維修輔具的設計具有一定的借鑒意義。

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Simulation and Evaluation Optimization Method of Civil Aircraft Interior Virtual Maintenance Based on DELMIA

CHEN Deng-kai, WANG Yao, AO Qing, QIAN Jun

(Key Laboratory of Industrial Design and Ergonomics, Ministry of Industry and Information Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)

The work aims to propose a virtual maintenance simulation and evaluation optimization method based on DELMIA to construct a virtual maintenance simulation and evaluation system for civil aircraft so as to solve the difficulty and high cost of traditional civil aircraft interior maintenance. First, the maintenance task simulation actions were decomposed and the maintenance operation stages were divided, and the characteristics of the actions in different stages were analyzed to complete the division of the operation area. The maintenance action types were divided again for different areas, and virtual simulation operations were performed according to different types. The evaluation was based on the key frames extracted from the DELMIA simulation results to analyze the indicators to obtain the results of single evaluation. Finally, based on the MATLAB platform, the comprehensive evaluation weight vector of the above-mentioned various ergonomic factors was completed, the results of each key frame were calculated, the visual diagram and report of the comprehensive evaluation of ergonomics were output, and the optimization direction was given. The case verification of maintenance simulation of a certain type of civil aircraft interior luggage based on the project support showed that the method can systematically complete the maintenance simulation analysis task of typical interior components of civil aircraft, and give a clear maintenance optimization direction. The new method system is helpful to improve the efficiency and comprehensive evaluation reliability of civil aircraft interior virtual maintenance simulation.

internal components of civil aircraft; virtual maintenance; simulation analysis; comprehensive evaluation; ergonomics

TB472

A

1001-3563(2023)14-0073-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.14.007

2023–02–07

中央高校建設世界一流大學（學科）和特色發展引導專項資金項目（22GH030706）；陜西省特支計劃領軍人才項目（W099115）；陜西省特支哲社領軍項目（D5113200021）

陳登凱（1973—），男，博士，教授，主要研究方向為工業設計、人機工程學、產品創新設計。

王瑤（1999—），女，碩士生，主攻人機工程學、布局評估。

責任編輯：陳作