虚拟现实／增强现实技术支撑航空智能制造转型
本文由空天防务观察（ID:AerospaceWatch）授权转载，作者：中国航空工业发展研究中心 刘亚威
2017月5月5日，国产大飞机C919成功首飞。接线是飞机总装中的一个劳动密集型过程，C919机身中有700多线束，固定线束零件3000多种，零件总数超过15,0000个。而且接线工作往往在狭小空间内进行，其复杂和精细程度考验着每一个接线员，也是总装任务成败的一个关键。在这一轮航空智能制造转型中，虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术将大大提升这一过程的效率和质量。
一、航空智能制造转型中的三类关键技术
全球经历智能制造转型
当前，全球正在经历智能制造转型，各行各业在围绕价值链建立智能制造系统，在这一进程中，人是难以回避的话题，航空工业拥有大量像接线这样无法自动化或实施机器人极不划算的生产过程。业界的几点共识是：人是智能制造系统的有机组成部分，人是智能制造转型之路的核心资产，人是实现智能制造的潜在瓶颈。因此，提升人的感知、分析、决策、执行能力，成为重中之重，即：连接人与智能制造环境——这是“工业互联网”概念的三大要素之一；增强人获取和利用信息的能力——这是“工业4.0”概念的三大范例之一。此外，还要发展核心竞争力背后的核心竞争力，即各类智能制造核心技术。
2. 再次认识智能制造
提到智能，总是存在Smart和Intelligent两个词。国外目前普遍提出的是“Smart制造”，它从运行角度看问题，重在实现精益、高效、降本、节能目标，使智能的结果是“聪明的”；我国往往提出的是“Intelligent制造”，它从功能角度看问题，重在集成关键技术形成系统层级部署，容易形成为了智能而智能的局面，比如盲目强调“机器换人”。另外，“Digital制造”是智能制造的基础，它从使能角度，体现了智能制造转型中软件、数据和模型这些新兴资产的价值。因此，智能制造的全新定义可以是，在Digital制造使能基础上，以Intelligent制造系统实现制造的Smart结果。连接人与智能制造环境和增强人获取和利用信息的能力，在这一定义下，是实现Smart制造不可缺少的组成部分。
Smart制造的三个基本元素是“人—机—物”，重点是建立它们的自感知和彼此的互联通，实现“数据信息知识智慧”（DIKW）过程的自组织和自优化。Intelligent制造的三个基本元素是“数字虚体—物理实体—意识人体”（参见《三体智能革命》一书），重点是建立并维护彼此的接口，实现各层级智能制造系统的最佳涌现性。显然，VR/AR技术就属于在数字虚体、物理实体与意识人体之间建立接口的范畴，是智能制造的核心技术之一。
3. 航空智能制造三类关键技术
从全球来看，航空工业一直处于引领智能制造发展的位置，对于航空工业来说，物联网、大数据、机器人、3D打印都是基础技术。航空智能制造的三类核心技术可以归纳为：数字线索技术（洛克希德·马丁称为数字织锦），赛博物理生产系统（CPPS）技术，智能人工增强系统技术。简单地说，数字线索是集成软件、传递数据、基于模型的全寿命周期分析框架，无缝连接各阶段的“数据－信息－知识”系统，支撑最佳决策；CPPS是智能制造系统的核心，具备“状态感知—实时分析—自主决策—精准执行—学习提升”这一特征；智能人工增强系统由数字线索支撑，提升对复杂系统和过程的理解和洞察，充分发挥人类智慧创新，确保任务高效无误执行。VR/AR技术是智能人工增强系统的重要支撑。
二、虚拟现实技术与航空智能制造
虚拟显示技术伴随航空数字化－智能化之路
近两年不断涌现的应用和炒作，使大家对虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术已经不再陌生。互联网上甚至称2016年为虚拟现实元年，其实VR和AR技术在航空中的应用已经分别超过35和45年，伴随航空工业由数字化一路走向智能化。VR方面——1982年，业界所成的“VR祖父”为美国空军开发了虚拟耦合空中系统模拟器；2007年，洛克希德·马丁收购好莱坞合作商3DSolve公司（创始人与詹姆斯·卡梅隆等有过合作）开启动作捕捉新天地；2016年，诺斯罗普·格鲁门联合CAE开发了终极VR训练器。AR方面——1972年，法国试飞员开发并测试了军转民用的平视显示器；1990年，波音在777飞机的数字化研制中创造了“增强现实”一词（没错，AR这个英文词来自航空工业）；2015年，空客与微软达成HoloLens合作协议，在其正式发售前进行各项应用研究，同时空客旗下Testia公司开始在全球范围内销售其开发的增强现实质量检测系统。
2. 虚拟现实技术的三大应用领域
虚拟现实技术在航空工业中主要用于虚拟／增强工程、虚拟／增强建造和虚拟／增强服务这三大领域。波音、空客、洛克希德·马丁和诺斯罗普·格鲁门等航空制造业巨头都拥有不止一个VR实验室，并且积极实验和实践AR技术，VR和AR技术给他们带来巨大好处。比如，洛克希德·马丁首先将VR技术用于F-22和F-35项目，仅沉浸式工程就为F-35项目节省超1亿美元，投资回报率达15倍，在太空项目生产上每年节省1000万美元。
（1）虚拟／增强工程
虚拟／增强工程在设计阶段早期，利用数字样机将海量数据可视化，以更直观的方式，提升对复杂系统的理解，实施诸如可入/可达/可见性仿真和活动组件的直接评价，确保得到最佳的产品设计。还可包括：数据审查，产品可行性研究，操作性与功能性分析，面向维修性的设计，用户参与的设计，快速便捷的构型管理等。虚拟／增强工程对于基于模型的系统工程（MBSE）的意义是，它增强了多学科的沟通，提早发现和消灭问题。对于设计人员，支撑想法的可视化与交流；对于工程人员，支撑对问题的分析、理解与优化；对于市场/销售人员，支撑可视化以向用户推销和售卖；对于管理人员，支撑对风险和成本的快速掌握和降低决策。
（2）虚拟／增强建造
虚拟／增强建造在物理样机成形前后，分别确认和培训装配工艺，包括工人操作安全性控制、机械手/人机工程操作定义与确认、装配仿真/运动学确认等，提升制造成熟度。还可包括：装配单元人机工程、建造操作识别、手部间隙审查与确认，工装可入性审查、确认与培训，数字样机零件审查，虚拟操作培训与零培训操作，虚实对比质量检查等。虚拟／增强建造对于MBSE的意义是，通过虚实结合，即虚拟优化、确认和培训以及虚实结合的培训、操作和检查，提升生产制造的质效。
（3）虚拟／增强服务
虚拟／增强服务在早期虚拟确认并培训拆解、维修和组装程序，实时指导维修，节省可观的维修成本。还可包括：工具可入性审查、确认与培训，维修、修理与大修（MRO）操作可行性分析，虚拟操作培训与零培训操作，以及基于数字线索的维修等。由于过程类似，虚拟／增强服务对于MBSE的意义也是一样的，即虚实结合提升质效。
三、结束语
需要指出的是，VR/AR技术不仅仅是一个眼镜或者屏幕，其背后是由一个强大的计算与通信系统以及数字线索支撑的。比如AR应用一般包括背景认知、数据集成和数据通信三个组成部分以及基于降阶模型的数字化作业指导书；具备沉浸、交互和集成特征的“穴式自动虚拟环境”（CAVE）背后是强大的高性能计算和显示能力。虽然看起来很复杂，但是由于航空工业在实施MBSE的进程中不断积累和取得进步，VR/AR技术的应用在诸多环节上，比机器人和其它自动化技术的应用要节省不少人力物力和财力，具有很高的性价比。
全球正在经历智能制造转型，提升人的感知、分析、决策、执行能力成为航空工业的重中之重。基于VR/AR的智能人工增强系统由数字线索支撑，提升对复杂系统和过程的理解和洞察，充分发挥人类智慧创新，确保任务高效无误执行。通过虚拟现实技术，能够得到更好、更贴近用户需求的设计，更合理、更精益的生产工艺规划，更省时、更便捷的人工培训，更高效、更高质量的人工操作，极高的投资回报率和极低的错误率。人是智能制造系统的有机组成部分和智能制造转型之路的核心资产，VR/AR技术也将是未来航空制造业提质增效的一个必然选择，作为核心技术支撑航空智能制造转型。
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