虛擬現(xiàn)實／增強現(xiàn)實技術(shù)支撐航空智能制造轉(zhuǎn)型

2017-06-05 12:00:17 來源：北京創(chuàng)新谷熱度:

OFweek工控網(wǎng)訊：2017月5月5日，國產(chǎn)大飛機C919成功首飛。接線是飛機總裝中的一個勞動密集型過程，C919機身中有700多線束，固定線束零件3000多種，零件總數(shù)超過15,0000個。而且接線工作往往在狹小空間內(nèi)進(jìn)行，其復(fù)雜和精細(xì)程度考驗著每一個接線員，也是總裝任務(wù)成敗的一個關(guān)鍵。在這一輪航空智能制造轉(zhuǎn)型中，虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)將大大提升這一過程的效率和質(zhì)量。

一、航空智能制造轉(zhuǎn)型中的三類關(guān)鍵技術(shù)

全球經(jīng)歷智能制造轉(zhuǎn)型

當(dāng)前，全球正在經(jīng)歷智能制造轉(zhuǎn)型，各行各業(yè)在圍繞價值鏈建立智能制造系統(tǒng)，在這一進(jìn)程中，人是難以回避的話題，航空工業(yè)擁有大量像接線這樣無法自動化或?qū)嵤C器人極不劃算的生產(chǎn)過程。業(yè)界的幾點共識是：人是智能制造系統(tǒng)的有機組成部分，人是智能制造轉(zhuǎn)型之路的核心資產(chǎn)，人是實現(xiàn)智能制造的潛在瓶頸。因此，提升人的感知、分析、決策、執(zhí)行能力，成為重中之重，即：連接人與智能制造環(huán)境——這是“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”概念的三大要素之一；增強人獲取和利用信息的能力——這是“工業(yè)4.0”概念的三大范例之一。此外，還要發(fā)展核心競爭力背后的核心競爭力，即各類智能制造核心技術(shù)。

2. 再次認(rèn)識智能制造

提到智能，總是存在Smart和Intelligent兩個詞。國外目前普遍提出的是“Smart制造”，它從運行角度看問題，重在實現(xiàn)精益、高效、降本、節(jié)能目標(biāo)，使智能的結(jié)果是“聰明的”；我國往往提出的是“Intelligent制造”，它從功能角度看問題，重在集成關(guān)鍵技術(shù)形成系統(tǒng)層級部署，容易形成為了智能而智能的局面，比如盲目強調(diào)“機器換人”。另外，“Digital制造”是智能制造的基礎(chǔ)，它從使能角度，體現(xiàn)了智能制造轉(zhuǎn)型中軟件、數(shù)據(jù)和模型這些新興資產(chǎn)的價值。因此，智能制造的全新定義可以是，在Digital制造使能基礎(chǔ)上，以Intelligent制造系統(tǒng)實現(xiàn)制造的Smart結(jié)果。連接人與智能制造環(huán)境和增強人獲取和利用信息的能力，在這一定義下，是實現(xiàn)Smart制造不可缺少的組成部分。

Smart制造的三個基本元素是“人—機—物”，重點是建立它們的自感知和彼此的互聯(lián)通，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)信息知識智慧”（DIKW）過程的自組織和自優(yōu)化。Intelligent制造的三個基本元素是“數(shù)字虛體—物理實體—意識人體”（參見《三體智能革命》一書），重點是建立并維護(hù)彼此的接口，實現(xiàn)各層級智能制造系統(tǒng)的最佳涌現(xiàn)性。顯然，VR/AR技術(shù)就屬于在數(shù)字虛體、物理實體與意識人體之間建立接口的范疇，是智能制造的核心技術(shù)之一。

3. 航空智能制造三類關(guān)鍵技術(shù)

從全球來看，航空工業(yè)一直處于引領(lǐng)智能制造發(fā)展的位置，對于航空工業(yè)來說，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機器人、3D打印都是基礎(chǔ)技術(shù)。航空智能制造的三類核心技術(shù)可以歸納為：數(shù)字線索技術(shù)（洛克希德·馬丁稱為數(shù)字織錦），賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)（CPPS）技術(shù)，智能人工增強系統(tǒng)技術(shù)。簡單地說，數(shù)字線索是集成軟件、傳遞數(shù)據(jù)、基于模型的全壽命周期分析框架，無縫連接各階段的“數(shù)據(jù)－信息－知識”系統(tǒng)，支撐最佳決策；CPPS是智能制造系統(tǒng)的核心，具備“狀態(tài)感知—實時分析—自主決策—精準(zhǔn)執(zhí)行—學(xué)習(xí)提升”這一特征；智能人工增強系統(tǒng)由數(shù)字線索支撐，提升對復(fù)雜系統(tǒng)和過程的理解和洞察，充分發(fā)揮人類智慧創(chuàng)新，確保任務(wù)高效無誤執(zhí)行。VR/AR技術(shù)是智能人工增強系統(tǒng)的重要支撐。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與航空智能制造

虛擬顯示技術(shù)伴隨航空數(shù)字化－智能化之路

近兩年不斷涌現(xiàn)的應(yīng)用和炒作，使大家對虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)已經(jīng)不再陌生?；ヂ?lián)網(wǎng)上甚至稱2016年為虛擬現(xiàn)實元年，其實VR和AR技術(shù)在航空中的應(yīng)用已經(jīng)分別超過35和45年，伴隨航空工業(yè)由數(shù)字化一路走向智能化。VR方面——1982年，業(yè)界所成的“VR祖父”為美國空軍開發(fā)了虛擬耦合空中系統(tǒng)模擬器；2007年，洛克希德·馬丁收購好萊塢合作商3DSolve公司（創(chuàng)始人與詹姆斯·卡梅隆等有過合作）開啟動作捕捉新天地；2016年，諾斯羅普·格魯門聯(lián)合CAE開發(fā)了終極VR訓(xùn)練器。AR方面——1972年，法國試飛員開發(fā)并測試了軍轉(zhuǎn)民用的平視顯示器；1990年，波音在777飛機的數(shù)字化研制中創(chuàng)造了“增強現(xiàn)實”一詞（沒錯，AR這個英文詞來自航空工業(yè)）；2015年，空客與微軟達(dá)成HoloLens合作協(xié)議，在其正式發(fā)售前進(jìn)行各項應(yīng)用研究，同時空客旗下Testia公司開始在全球范圍內(nèi)銷售其開發(fā)的增強現(xiàn)實質(zhì)量檢測系統(tǒng)。

2. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三大應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在航空工業(yè)中主要用于虛擬／增強工程、虛擬／增強建造和虛擬／增強服務(wù)這三大領(lǐng)域。波音、空客、洛克希德·馬丁和諾斯羅普·格魯門等航空制造業(yè)巨頭都擁有不止一個VR實驗室，并且積極實驗和實踐AR技術(shù)，VR和AR技術(shù)給他們帶來巨大好處。比如，洛克希德·馬丁首先將VR技術(shù)用于F-22和F-35項目，僅沉浸式工程就為F-35項目節(jié)省超1億美元，投資回報率達(dá)15倍，在太空項目生產(chǎn)上每年節(jié)省1000萬美元。

（1）虛擬／增強工程

虛擬／增強工程在設(shè)計階段早期，利用數(shù)字樣機將海量數(shù)據(jù)可視化，以更直觀的方式，提升對復(fù)雜系統(tǒng)的理解，實施諸如可入/可達(dá)/可見性仿真和活動組件的直接評價，確保得到最佳的產(chǎn)品設(shè)計。還可包括：數(shù)據(jù)審查，產(chǎn)品可行性研究，操作性與功能性分析，面向維修性的設(shè)計，用戶參與的設(shè)計，快速便捷的構(gòu)型管理等。虛擬／增強工程對于基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）的意義是，它增強了多學(xué)科的溝通，提早發(fā)現(xiàn)和消滅問題。對于設(shè)計人員，支撐想法的可視化與交流；對于工程人員，支撐對問題的分析、理解與優(yōu)化；對于市場/銷售人員，支撐可視化以向用戶推銷和售賣；對于管理人員，支撐對風(fēng)險和成本的快速掌握和降低決策。

（2）虛擬／增強建造

虛擬／增強建造在物理樣機成形前后，分別確認(rèn)和培訓(xùn)裝配工藝，包括工人操作安全性控制、機械手/人機工程操作定義與確認(rèn)、裝配仿真/運動學(xué)確認(rèn)等，提升制造成熟度。還可包括：裝配單元人機工程、建造操作識別、手部間隙審查與確認(rèn)，工裝可入性審查、確認(rèn)與培訓(xùn)，數(shù)字樣機零件審查，虛擬操作培訓(xùn)與零培訓(xùn)操作，虛實對比質(zhì)量檢查等。虛擬／增強建造對于MBSE的意義是，通過虛實結(jié)合，即虛擬優(yōu)化、確認(rèn)和培訓(xùn)以及虛實結(jié)合的培訓(xùn)、操作和檢查，提升生產(chǎn)制造的質(zhì)效。

（3）虛擬／增強服務(wù)

虛擬／增強服務(wù)在早期虛擬確認(rèn)并培訓(xùn)拆解、維修和組裝程序，實時指導(dǎo)維修，節(jié)省可觀的維修成本。還可包括：工具可入性審查、確認(rèn)與培訓(xùn)，維修、修理與大修（MRO）操作可行性分析，虛擬操作培訓(xùn)與零培訓(xùn)操作，以及基于數(shù)字線索的維修等。由于過程類似，虛擬／增強服務(wù)對于MBSE的意義也是一樣的，即虛實結(jié)合提升質(zhì)效。

三、結(jié)束語

需要指出的是，VR/AR技術(shù)不僅僅是一個眼鏡或者屏幕，其背后是由一個強大的計算與通信系統(tǒng)以及數(shù)字線索支撐的。比如AR應(yīng)用一般包括背景認(rèn)知、數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)通信三個組成部分以及基于降階模型的數(shù)字化作業(yè)指導(dǎo)書；具備沉浸、交互和集成特征的“穴式自動虛擬環(huán)境”（CAVE）背后是強大的高性能計算和顯示能力。雖然看起來很復(fù)雜，但是由于航空工業(yè)在實施MBSE的進(jìn)程中不斷積累和取得進(jìn)步，VR/AR技術(shù)的應(yīng)用在諸多環(huán)節(jié)上，比機器人和其它自動化技術(shù)的應(yīng)用要節(jié)省不少人力物力和財力，具有很高的性價比。

全球正在經(jīng)歷智能制造轉(zhuǎn)型，提升人的感知、分析、決策、執(zhí)行能力成為航空工業(yè)的重中之重?；赩R/AR的智能人工增強系統(tǒng)由數(shù)字線索支撐，提升對復(fù)雜系統(tǒng)和過程的理解和洞察，充分發(fā)揮人類智慧創(chuàng)新，確保任務(wù)高效無誤執(zhí)行。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠得到更好、更貼近用戶需求的設(shè)計，更合理、更精益的生產(chǎn)工藝規(guī)劃，更省時、更便捷的人工培訓(xùn)，更高效、更高質(zhì)量的人工操作，極高的投資回報率和極低的錯誤率。人是智能制造系統(tǒng)的有機組成部分和智能制造轉(zhuǎn)型之路的核心資產(chǎn)，VR/AR技術(shù)也將是未來航空制造業(yè)提質(zhì)增效的一個必然選擇，作為核心技術(shù)支撐航空智能制造轉(zhuǎn)型。

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責(zé)任編輯：朱虹瑾

虛擬現(xiàn)實航空智能

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虛擬現(xiàn)實／增強現(xiàn)實技術(shù)支撐航空智能制造轉(zhuǎn)型

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