先进运动技术助飞机涂装师一臂之力
发布时间：2009-10-15 作者：Ed Diehl & Scott VanDelinder, Concept Systems Inc.
在波音公司的Everett基地，机身涂装是一项由技艺精湛的工匠手动完成的艰巨工作。基地内，由装饰绘图师绘制的涂装原稿中，许多都是不折不扣的艺术品。如今，先进运动技术的出现大幅提高了机身涂装的便利性。在确保不发生接触的前提下，涂装人员能够被吊送到与飞机间隔4英寸之内的位置。
一般的商用客机经过涂装后会携带重达800磅的油漆。油漆的主要作用是保护机身不受腐蚀。油漆必须满足以下要求：具有耐久性，能够忍受舱内气压增高造成的机身膨胀；具有很强的适应性，能够适应任何极端环境、气候和温度；能够抵挡冰雹和灰尘（以每小时600英里的速度飞行时）；能够抵御盐份和其它化学试剂（液压机液体、除冰剂等）。
图1 机会携带重达800磅的油漆，而且这些设计都是通过手工完成的。
来源：Boeing
在为飞机涂装作准备以及实际操作的过程中，涂装人员乘坐安装在塔式起重机上的大型工作平台，以很快的速度在机身周围穿梭。塔式起重机（如图2所示）是一种顶置式的起重臂，能够以四种方式运动：桥接、滑行、抬升以及旋转。
涂装人员将所需物品携带在起重机平台上，并通过手持控制器上的按钮操纵塔式起重机。基于可编程自动化控制器（PAC）的控制系统能够接收手持控制器的信号，并引导变频电机驱动器按照要求移动塔式起重机。为了达到涂装效果的统一性，整个机身涂装必须在一分钟内完成，涂装人员的移动势必要相当迅速。
涂装人员首先必须专注于他们手中的工作——高质量地完成涂装。与此同时，他们还必须格外小心地操纵起重机。他们都是相当熟练的涂装师，但却不一定是熟练的精密设备操作人员。考虑到这点，Boeing公司希望提高设备使用时的简便性和安全性。为了实现这一目标，Boeing公司采用了防碰撞系统，用来避免塔式起重机与机身之间的接触。
图2 塔式起重机平台下部的视图（照片中央偏左位置）。来源：Concept Systems
PAC与负责监控的计算机协同工作，构成了所谓的防碰撞模块（CAM），控制每个平台的运动。CAM先对手持控制器传来的请求信号作检验，然后作出回应——执行还是不执行请求。如果平台可以运动，那么系统会根据平台与机身的接近程度选择一种预先设定的运动速度。随着起重机与机身的间距越来越近，运动速度会不断减慢直至两者的间距缩小为4英寸。这种情况下，起重机被禁止向机身进一步靠近。
平台或起重臂与机身的接近程度一方面可以通过飞机和塔式起重机表面的计算机模型来确定。另一方面，在控制起重机运动的电机驱动器上装有一些传感器。系统可以通过传感器发来的位置信息确定接近程度。
CAM系统一直被使用到2007年。虽然这套系统能够大幅提升工作效率，但是它毕竟是十年前的产物，许多方面都受到当时技术的限制。该系统的软件是一款基于DOS系统的应用程序，在对飞机结构建模以预测需要涂装的机身表面位置时会遭遇到瓶颈。
该系统建立的模型是由一系列棱长为2英寸的立方体组成的，因此对于曲面只能作粗略的近似处理——就好像用Lego积木搭建实际模型一样。由于模型表面存在曲面这种情况，涂装人员的移动会显得不流畅，有时候还会受到阻碍。由于采用早期的数学方式对各种飞机建立的模型不够精确，在对每种新型飞机作涂装之前，用户都需要花费很长时间开发并验证塔式起重机的运行方案。
2007年，Boeing公司与位于俄勒冈州Albany市的Concept Systems公司签订了设计开发一套新型防碰撞系统的合同。Concept Systems是一家系统集成商，在运动系统、人机界面以及实时软件解决方案等领域均拥有相当深厚的开发经验。他们此次的目标是为Boeing提供一套相对于原先的系统，在性能和实用性方面都有大幅提升的现代化软件解决方案。系统需要支持三个涂装机库的操作，还要支持多种塔式起重机系统，无论是最新的型号还是那些服役超过20年的型号。
图3 Control Systems关注的焦点是如何通过Boeing公司提供的飞机资料生成更好的三维模型
（图片显示了飞机和塔式起重机的模型）。来源：Concept Systems。
建立新系统
由位于俄勒冈州Clackamas地区的Oregon Iron Works建造的新型塔式起重机系统基于Rockwell Automation ControlLogix处理器，采用Ethernet通信；而原先的系统基于Allen-Bradley PLC-5控制器，采用Data Highway Plus通信。原先的防碰撞系统代码针对不同的机库会有所改变，而且每当系统为了支持新机型而作出升级后，代码都需经过单独编译；新系统的设计充分体现出灵活性，能够支持同一个通用编译代码库内多种多样的控制结构和通信方式。
Control System将改进飞机对象的模型放在首要位置。新模型必须能够由Boeing公司提供的飞机资料简单地生成，必须准确反映飞机表面的状况，还必须支持三维可视化应用。Control Systems在通过授权后使用了北卡罗来纳大学基督山分校研制的Proximity Query Package（PQP）作为模型位置比较的后台引擎。
他们还选用了Open Graphics Library（OpenGL）二维、三维计算机图像生成软件作为可视化再现技术。PQP和OpenGL都基于三角形网格组成的模型，而Boeing公司的设计软件能够以兼容格式（STL）将飞机表面模型导出。PQP引擎提供了一种查询任何两个模型对象最小间距的机制，例如塔式起重机与机身的间距之类的。
图4 通过Boeing公司的内联网可以看到的事件日志实例。来源：Concept Systems
Concept公司围绕PQP开发了CAM应用程序，通过一系列复杂的判断机制最终决定是否允许移动。采用了基于三角形的模型后，系统能够精确再现飞机的表面形态，消除塔式起重机与机身曲面部分的间隔计算问题。这一问题在原先的系统中可能导致灾难性的后果。经过改进后，涂装人员将不会受到非正常的运动限制而损失工作时间。
一种被称为工程工作站（EWS）的中央计算机被用来配置系统并为CAM作升级。EWS能够将Boeing公司提供的飞机资料转换为系统能够识别的模型，并且建立起塔式起重机和其他对象的模型。
EWS提供了一种基于OpenGL的工具，能够把任何模型转换为三维对象供用户浏览，并提供任意角度旋转、视图调整和缩放功能。通过该模型浏览器，用户还能够实时观察任何一台塔式起重机与机身当前的位置关系。有了如此先进的浏览功能，当前视图能够证实塔式起重机与机身的间距是否正常，从而简单地验证模型的准确性。
由于Boeing飞机的外形尺寸不尽相同，系统必须能够适应多种模型，包括767、747、777和最新的787客机。对原先的系统而言，每当有不同尺寸的机型上马时，都必须花费数天时间作准备。这段时间内，涂装工作不得不被中断。原先的流程非常浪费时间，每当有一种新的机型上马，任何一个涂装机库内的工作都必须从零开始。这是因为某种飞机的模型必须经过调整才能适应各个飞机库。
仿真引擎
为了改善这种状况，新系统在设计时加入了仿真引擎，用来模拟起重机PAC的功能。采用仿真器后，引擎能够在离线环境下通过完整的软件系统对飞机模型作全面测试。这样做能够将机库内的涂装准备过程缩短到一个工作日。新的设计方案中，同一款模型还直接适用于各个机库，消除了针对同一型号飞机作多次涂装准备的情况。
Concept Systems采用Microsoft C++ .NET 2005平台开发防碰撞软件，并创建了多个库类以消除在同一套件的多个应用程序中出现重复代码的情况。所有应用程序都运行在Windows XP平台上，而CAM程序能够保证在250ms的扫描时间内解决问题。
系统的维护和诊断数据通过Web浏览器接口能够传送到Boeing公司的工程师手中。与此同时，相关人员可以借助Boeing公司的内联网浏览详细的事件日志（如图4所示）。事件浏览器还提供了分类和关键词过滤功能，使工程师迅速掌握关键信息，进行系统维护。EWS上的Web服务器掌管着事件浏览器，并且通过独立的防碰撞网络向CAM发送Web信息查询请求，以获取数据。另一个页面提供了针对机库内所有CAM的快速状态浏览功能以及基于AJAX技术的状态信息持续更新。
翻译：翁思健