刘亚威 ¦ “增强现实”助力航空智能制造

本期专栏文章由我中心青年学者、国防制造创新问题研究专家刘亚威先生为《空天防务观察》撰写，旨在介绍和分析“增强现实”技术在航空智能制造发展的大潮中的应用。刘亚威先生此前已为本号提供过31篇专栏文章，读者可在文末专栏文章列表中查阅。

“增强现实”（AR）一词由波音公司于1990年在研制波音777大型宽体客机时创造。AR技术是一种将数字图像实时叠加在真实影像上的技术，旨在提升用户对产品和环境状态的感知，使其与数字世界无缝集成。航空产品由于系统复杂、精度要求高，其质量非常依赖人员的技术水平。因此，现代航空产品的高质量要求与产品研制周期和人员培训时间越来越短的矛盾更为突出。AR技术能使人员与相关大数据连接并进行访问，实现更直观、更简便、更快速和更安全的操作，满足产品质量要求并节省时间、成本和能耗。

“增强现实”（AR）一词由波音公司于1990年在研制波音777大型宽体客机时创造

2016年5月，欧洲空客集团向斯普利特航空系统公司供应的“智能增强现实工具”开始在A350部件生产线部署。同月，美国数字制造与设计创新机构启动两项AR技术开发项目，成果将向波音、洛马、通用电气、罗罗等军工企业转化。近年来，AR技术在航空产品研制、生产和保障中的用途日益广泛，成为连接人与智能、助力航空智能制造的关键技术之一。

一、AR技术已广泛应用于航空产品研制、生产和维修

AR技术“增强”的是人获取信息和利用知识的能力，比如对复杂过程的动态、分步可视化，可减少培训时间和操作错误，并使其更好地理解和执行任务。与工业物联网、智能可穿戴和移动设备相结合，AR能够使人员更好地融于航空智能制造环境。

近年来，AR技术在航空产品研制、生产和维修中的用途日益广泛。

1．基于AR技术的设计开发

在飞机座舱开发过程中，使用AR技术在通用的设计样机/销售样机上叠加虚拟的设计概念或用户配置，能够迅速让设计人员和用户体验到最终效果，减少昂贵和刚性的原型制作成本。空客集团联合戴姆勒公司，利用索尼智能眼镜开发的AR系统，利用来自计算流体力学（CFD）软件和温度传感器等数据输入，实现座椅空间气流、温度的可视化，助力设计人员进行座舱开发。

上图为基于AR的空间气流可视化，下图为通用的销售样机与虚拟的用户配置叠加

2．基于AR技术的产品生产

一是基于AR的管线安装。飞机中的复杂管路和长度达数百千米的电线安装以及连接器插装，是目前AR技术应用的主力战场，AR系统通过强大的用户界面显示，能够一步步地指导操作人员如何实现这些复杂操作。空客A400M的机身布线采用了空客开发的“月亮”（以装配为导向授权增强现实）系统，使用来自工业数字样机（iDMU）的3D信息生成装配指令，以智能平板为界面指导工人进行布线操作，大大提升了首次安装速度和精准度。

上图为欧洲空客集团“月亮”AR系统的功能架构，下图为空客集团工人使用“月亮”系统指导A400M运输机电缆安装

二是基于AR的部件组装。2015年，AR技术进一步迈向飞机零部件组装环节。5月，波音在其加油机装配线演示了一款AR平板工具，操作人员通过平板看到现实世界中正在组装的扭矩盒单元，并可以通过增强视景技术看到每一步操作的数字化作业指令、虚拟的零件和指示箭头，从而加快操作速度。6月，空客A330客舱团队开始使用一种基于谷歌眼镜的AR可穿戴产品，能够帮助操作人员降低装配客舱座椅的复杂度，节省完成任务的时间。

上图为波音公司利用AR平板工具指示每一步的操作，下图为空客集团工人佩戴AR眼镜安装A330客舱座椅

三是基于AR的装配钻孔。装配中的钻孔环节是航空制造中最耗时的一个环节，往往也是工人效率最低的一个环节，综合利用AR、数字作业制造指导书、智能可穿戴设备以及先进的测量方法与视觉算法，能够大大提升钻孔效率。空客正在开发基于AR的智能工具，整套系统由AR设备以及钻孔、测量、上紧和质量验证四个工具组成，AR设备的核心部分包括嵌入智能眼镜的高清摄像头、嵌入工作服的处理器以及嵌入式图像处理软件。该系统建立在具备视觉算法的工艺环境之上，每个工具都具备一系列功能，并且能够执行自动检查和校正，相关信息都将通过AR设备使工人能够知晓，以做出最佳的后续行动。

欧洲空客集团开发基于AR的智能钻孔工具

四是基于AR技术的质量检查。在空客A350、A380和A400M生产线上，一种“智能增强现实工具”（SART）辅助进行超过6万个管线定位托架的安装质量管理。操作人员利用SART访问飞机3D模型并将操作和安装结果与原始数字设计进行对比，以检查是否有缺失、错误定位或托架损坏。在检查最后，一份报告自动生成，包括任何不合格零件的细节，使它们能够很快得到替换或修理。利用SART，A380机身8万个托架的检查时间从三周减少到了三天。

欧洲空客集团的SART智能AR工具

3．基于AR技术的维修服务

利用AR技术，不仅可以指导工人按步骤实施维修，还能够精确定位不直接可见的零件并将其可视化，从而确认要进行测试的零件并将之修理或替换。美国洛马公司正在使用基于爱普生智能眼镜的AR平台加速F-22和F-35的维修过程，检测员能够通过眼镜看到投影于战斗机上的零件编号和计划，在飞机旁边就可以记录要修理的区域，减少操作错误。这个交互式的三维AR平台能够让修理、维护和大修（MRO）机械师与三维模型、零件规格、库存信息、实时数据、图像和视频进行虚拟交互，来自每个机械师的新数据可以在平台上共享，由系统分析并集成来自每架战斗机的信息，以实施故障预测与维护规划。该AR平台能够让机械师的工作速度提高30%，操作精度上升96%。

美国洛马公司使用的AR平台

二、AR技术支撑航空智能制造仍面临一些挑战

1．AR技术是航空智能制造的重要支撑

AR系统一般包括三个主要组成部分：背景认知——收集用户附近环境的传感器；数据集成——计算输入输出数据的方法；数据通信——将信息带到用户并最终实现交互的界面。AR系统本身功能的运行过程实际上就是状态感知、实时分析、自主决策、精准执行——这是一个能够反映智能制造核心特征的过程。可以说，AR系统是航空智能制造系统的有机组成部分，两者是无缝集成的，AR系统采集的数据被自身处理为可视化的信息，再形成操作人员可以迅速掌握的知识，从而更好地利用他的智慧来从事工作，这个交互过程本身也是智能制造的本质——“数据－信息－知识－智慧”的生动体现。

人是航空智能制造转型之路的核心资产，AR作为与人紧密结合的智能技术，扮演着连接人与航空智能制造的重要角色。德国人工智能研究中心提出了“工业4.0”的三大范例——智能产品、智能机床和增强的操作员，AR就是“增强的操作员”的重要支撑技术。通用电气公司提出了工业互联网的三大要素——智能设备、先进分析、与人的连接，AR也是“与人的连接”的重要应用基础。AR技术在航空制造中的应用是欧美航空工业以人为本、以精益为导向的智能制造理念的绝佳诠释。这项技术将随着航空制造智能的推进得到进一步发展和更广泛、深入的应用。

2．AR技术应用于航空智能制造还面临着一些挑战

目前，AR技术广泛应用于航空智能制造还有三项挑战。

一是现实跟踪技术。对于大型物体，目前没有使用三维跟踪技术的可靠方式，因为尚不存在一种像WiFi网络那样的手段来填充三维跟踪区域，因而无法实现对大型机体结构的实时图像采集。比如，波音公司在加油机扭矩盒舱内可以使用红外摄像头，但是对检查KC-46整个机身这样的大尺度作业来说，这种手段并不适用，限制了AR在大型飞机制造中的使用。

二是增强现实设备。当前的可穿戴技术还不够先进，平板无法解放双手，头戴显示设备不够持久。谷歌眼镜虽然方便，但是无法显示复杂信息并且单眼显示不利于长时间观看。对于这个问题，空客集团认为最佳方案是将平视显示器（HUD）集成到眼镜中，而微软公司的“全息透镜”头戴式设备已朝这一方向迈进了一步。

三是软件开发问题。包括图形渲染、CAD模型以及用户界面等，尤其是将海量纸质作业指导书转化为数字化模型，工作量不可小视。

三、结束语

“增强现实”使现实世界与数字世界无缝集成，对于身处智能制造环境中的人来说，它是解放双手、增强技能、转变角色、参与创新的关键技术，也是未来航空制造提高质量、提升效率、缩减成本的重要手段。随着随身电子产品运算能力的提升、消费级技术成熟带来的成本降低，以及一些技术挑战的圆满解决，AR技术将能进一步广泛深入地应用于航空制造领域，成为连接人与航空智能制造的一座坚固的桥梁。届时，航空制造商将在操作人员培训、航空产品开发以及基于人的生产和维修环节上迎来深层次变革，航空工业将再次成为世界工业技术发展的领跑者。

刘亚威先生此前已为《空天防务观察》提供31篇专栏文章，如下表所示：

序号	篇名	发表日期 （2015-2016）
1		2月16日
2		2月23日
3		2月25日
4		2月27日
5		3月11日
6		4月8日
7		4月22日
8		5月27日
9		6月1日
10		8月17日
11		8月24日
12		9月28日
13		10月9日
14		10月14日
15		11月23日
16		12月18日、21日和23日
17		2016年1月8日、15日
18		2月15日
19		2月22日
20		3月4日
21		4月1日
22		4月6日
23		4月8日
24		5月11日
25		5月17日
26		5月23日
27		5月30日
28		6月6日
29		6月29日
30		7月5日、7月7日
31		7月11日、7月13日

       以上文章引起了广泛关注和较大反响，有兴趣的读者可点击上表中“篇名”列的原文链接阅读。

（中航工业经济技术研究院  刘亚威）

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