虛擬現(xiàn)實技術(shù)在民航維修訓(xùn)練中的運用

陳炯

摘 ?要：文章概述了虛擬維修訓(xùn)練的定義和計算機輔助訓(xùn)練平臺的分類;分析了虛擬維修訓(xùn)練平臺的設(shè)計思路，使得它的主要功能可以在維修訓(xùn)練中得以體現(xiàn)，同時討論了飛機排故仿真系統(tǒng)在虛擬維修訓(xùn)練平臺中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;維修訓(xùn)練;排故仿真

中圖分類號：V267 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）15-0177-02

Abstract： This paper summarizes the definition of virtual maintenance training and the classification of computer aided training platform， and analyzes the design idea of virtual maintenance training platform， so that its main functions can be reflected in maintenance training. At the same time， the application of aircraft troubleshooting simulation system in virtual maintenance training platform is discussed.

Keywords： virtual reality; maintenance training; troubleshooting simulation

1 概述

當(dāng)今的民航飛機都擁有非常復(fù)雜的系統(tǒng)，裝配多類計算機、傳感器和顯示設(shè)備，它們通過數(shù)字匯流條網(wǎng)絡(luò)相連，這些高度復(fù)雜的飛機系統(tǒng)可以運用數(shù)字化設(shè)備來提供拓展的在機自檢能力。機務(wù)維修人員可以使用故障分析手冊TSM分析測試、維護和運用多功能控制顯示組件MCDU對飛機系統(tǒng)進(jìn)行排故。然而學(xué)員通常因為沒有合適的訓(xùn)練場景無法得到充分地鍛煉。

現(xiàn)代民航維修訓(xùn)練是需要結(jié)合分析能力和拆裝能力的學(xué)習(xí)過程，通過虛擬維修訓(xùn)練，學(xué)員能很好地體驗整個維修過程，基于計算機技術(shù)的虛擬維修訓(xùn)練輔佐昂貴的實地訓(xùn)練，可作為實地訓(xùn)練的前期課程。虛擬維修訓(xùn)練成功的關(guān)鍵就在于合理使用2D和3D虛擬環(huán)境使飛機、航線可更換組件、顯示組件以及飛機部件更好地呈現(xiàn)給學(xué)員。

2 虛擬維修訓(xùn)練的研究意義

虛擬維修訓(xùn)練的核心是培養(yǎng)學(xué)員自主維修能力，在實踐中學(xué)習(xí)技能。低成本搭建虛擬平臺使虛擬維修訓(xùn)練得以有效減輕傳統(tǒng)維修訓(xùn)練中配備實體設(shè)備和實物模型高昂成本的壓力。維修訓(xùn)練學(xué)習(xí)維修技能的四個階段，即：認(rèn)知熟悉、獲取技能、練習(xí)技能、鞏固技能。[1]不管對于有經(jīng)驗的還是沒有經(jīng)驗的機務(wù)維修人員來說，經(jīng)歷這個四個階段的學(xué)習(xí)經(jīng)歷對于掌握機務(wù)類維修技能而言是最為有效的。

虛擬維修訓(xùn)練平臺的研究意義在于能夠使學(xué)員在進(jìn)行實體設(shè)備操作前，利用2D和3D虛擬現(xiàn)實場景中提供的飛機維修仿真系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)操作、故障分析和排故訓(xùn)練以提高自身的維修技能。它擁有以下幾個優(yōu)勢：（1）減輕了大型設(shè)備存放的壓力，節(jié)省了培訓(xùn)場地空間。（2）能夠有效地降低對實體設(shè)備的維護成本，只需要對虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)軟件更新升級即可。（3）虛擬場景中，學(xué)員及設(shè)備的安全得以保障。（4）利用虛擬維修訓(xùn)練也可以解決持續(xù)增加的師資匱乏的窘境。

3 計算機輔助維修訓(xùn)練平臺分類

3.1 計算機輔助訓(xùn)練CBT

CBT訓(xùn)練是一種通過計算機展示教學(xué)課件的培訓(xùn)方式，CBT訓(xùn)練需要在電腦上安裝培訓(xùn)軟件，后期可以通過離線或者直接通過在線方式可以對軟件進(jìn)行更新維護，學(xué)員可以使用電腦在線遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)。飛機維修培訓(xùn)課件通常按照ATA100章節(jié)號進(jìn)行分類，每個章節(jié)包含有該系統(tǒng)的系統(tǒng)原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、思考題等等，以文字、圖表、音頻等方式作為媒介傳遞信息，可以說是強化版的PPT課件。這種訓(xùn)練方式易于復(fù)制更新，只需要配備計算機硬件就可以安裝使用，但它的缺點也是顯而易見的，大量文字信息的展示并沒有徹底解決傳統(tǒng)書本教學(xué)中的弊端，飛機系統(tǒng)呈現(xiàn)的方式較為簡單并不能起到整機系統(tǒng)有效串聯(lián)的效果，更無法再現(xiàn)飛機故障現(xiàn)象，學(xué)員無法體驗完整的維護和排故流程，自然會減弱對飛機整體維修的認(rèn)知和理解。

3.2 虛擬維修訓(xùn)練平臺

3.2.1 桌面式維修仿真訓(xùn)練平臺

桌面式維修訓(xùn)練仿真平臺在計算機中搭建虛擬維修環(huán)境，通過2D和3D的方式在虛擬維修環(huán)境中展示飛機駕駛艙環(huán)境以及飛機外場3D數(shù)字模型。學(xué)員在2D虛擬駕駛艙環(huán)境中，對虛擬儀表盤操作可以實現(xiàn)飛機系統(tǒng)啟動、操作、測試等;3D虛擬外場環(huán)境中，學(xué)員以第一人物視角在機庫中移動操作，可以完成檢測、 拆裝、設(shè)備連接、工具借用等機務(wù)維修人員日常維護動作。平臺把CBT中獨立的飛機系統(tǒng)整合在一起，形成了一套完整的維修訓(xùn)練系統(tǒng)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動，更可以再現(xiàn)飛機故障現(xiàn)象，學(xué)員在其中可以進(jìn)行系統(tǒng)測試、故障診斷、部件拆裝等維修訓(xùn)練，完整的培訓(xùn)訓(xùn)練使學(xué)員能夠更容易掌握維修排故流程，對維修知識的整體性把握更好，同時在虛擬場景中操作練習(xí)也能提高學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)習(xí)效率。

3.2.2 半沉浸式維修仿真訓(xùn)練平臺

半沉浸式維修仿真訓(xùn)練平臺是在桌面式維修仿真訓(xùn)練平臺的基礎(chǔ)上增加了物理仿真飛機部件，將駕駛艙布局以高分辨率觸摸板甚至機械儀表板及操縱桿的方式展開，以最大限度還原駕駛艙真實環(huán)境，使學(xué)員有如同置身駕駛艙內(nèi)的沉浸感，學(xué)員在進(jìn)行維修訓(xùn)練時，直接用手代替鼠標(biāo)的在儀表板上進(jìn)行操作，得到的物理反饋是其他仿真平臺所無法比擬的。雖然半沉浸式維修仿真訓(xùn)練平臺能給學(xué)員以良好的訓(xùn)練體驗，但搭建此類仿真平臺成本較高，同時相較于桌面式維修仿真訓(xùn)練平臺而言，系統(tǒng)的架構(gòu)及實驗原理基本相同，所達(dá)到的培訓(xùn)目的和效果也基本一致，所以半沉浸式維修仿真訓(xùn)練平臺通常可以在培訓(xùn)單位和培訓(xùn)院校小規(guī)模部署，如果需要大范圍培訓(xùn)使用建議使用桌面式維修仿真訓(xùn)練平臺即可，節(jié)約成本的同時并不影響培訓(xùn)的效率。

3.2.3 沉浸式維修仿真訓(xùn)練平臺

在沉浸式維修仿真訓(xùn)練平臺中，學(xué)員穿戴配套的人體感應(yīng)設(shè)備，通過手部、腳部、頭部等身體部位的動作實現(xiàn)在虛擬場景中的一切操作，它所帶來的感官體驗是所有虛擬維修訓(xùn)練平臺中最為真實的，讓人有仿佛置身其中的感覺。這類訓(xùn)練平臺由于對硬件配置要求較高，維修培訓(xùn)中教員指導(dǎo)學(xué)員時需要額外的現(xiàn)實設(shè)備才能幫助學(xué)員完成訓(xùn)練，雖然其沉浸感能帶給學(xué)員真實的維修體驗，但想要全面推廣到所有維修培訓(xùn)單位和培訓(xùn)院校還是有很大的難度。

綜上所述，計算機輔助訓(xùn)練平臺種類多樣，也都有各自的優(yōu)缺點。CBT訓(xùn)練沒有完全擺脫傳統(tǒng)培訓(xùn)中文字信息龐雜以及系統(tǒng)之間互相沒有聯(lián)動等缺點，半沉浸式和沉浸式維修仿真訓(xùn)練平臺雖然有更真實的沉浸體驗，但是搭建平臺成本較高等問題也是限制和制約其全面推廣的主要因素。桌面式維修仿真訓(xùn)練平臺以其突出的性價比、完整的維修訓(xùn)練體驗以及模塊間整合聯(lián)動等優(yōu)點受到各大培訓(xùn)院校及培訓(xùn)單位的推崇。

4 虛擬維修訓(xùn)練平臺設(shè)計分析

4.1 虛擬維修訓(xùn)練平臺的主要功能

虛擬維修訓(xùn)練平臺的設(shè)計旨在讓學(xué)員通過平臺掌握基本的飛機維修技能，并能完成虛擬場景中所預(yù)設(shè)的實驗內(nèi)容，如果需要達(dá)到上述目的，虛擬維修訓(xùn)練平臺搭建時需要提供以下幾種關(guān)鍵功能：

課程管理功能：教員席位與學(xué)員席位的設(shè)計使得平臺能夠提供課程管理、學(xué)員記錄和學(xué)習(xí)報告的功能。

多界面執(zhí)行功能：虛擬維修訓(xùn)練平臺能提供3種操作界面，分別是：軟件操作界面、2D駕駛艙操作面板界面、3D場景界面。

熟悉飛機結(jié)構(gòu)及部件：學(xué)員可以在3D場景中通過相應(yīng)的位置移動和飛機內(nèi)部場景變換找到關(guān)鍵部件位置的感覺。

飛機基本操作功能：從未接觸過飛機的學(xué)員也可以通過虛擬維修訓(xùn)練平臺掌握和實施諸如啟動發(fā)動機等飛機基本操作功能，更不需要擔(dān)心真實的維修訓(xùn)練場景中的風(fēng)險和損失。

故障診斷和分析功能：虛擬維修訓(xùn)練平臺模擬出飛機外部的和內(nèi)建的診斷測試功能。教員席位根據(jù)課程需要可以給飛機各個主要系統(tǒng)設(shè)置故障失效，學(xué)員在學(xué)員席位通過查閱相關(guān)技術(shù)手冊，然后執(zhí)行相應(yīng)的故障診斷分析后按照排故手冊所需步驟進(jìn)行排故維修，當(dāng)學(xué)員完成系統(tǒng)排故并且測試通過后，學(xué)員向教員席上傳提交排故報告，教員即可批閱報告而后分析評估學(xué)員的完成情況。

教員席位演示功能：虛擬維修訓(xùn)練平臺可以使用投影器材將教員席位的顯示內(nèi)容投影到大屏幕上，教員即可通過演示系統(tǒng)操作和排故流程向?qū)W員講解試驗課程內(nèi)容，學(xué)員也可以按照教員的演示步驟同步操作，加快對整個維修及排故流程的理解。

4.2 飛機排故仿真系統(tǒng)的應(yīng)用

對于民航培訓(xùn)單位而言，為了使學(xué)員能夠全面掌握維修技能，不光需要學(xué)會日常的勤務(wù)維護工作，排故能力的掌握也是必不可少的，虛擬排故訓(xùn)練實驗包含以下五個訓(xùn)練主題項目，旨在鞏固理論和基本維護知識后，了解和掌握飛機的排故方法和排故流程。

熟悉飛機結(jié)構(gòu)和其子系統(tǒng);訓(xùn)練時掌握基本的飛機系統(tǒng)操作，如啟動發(fā)動機和通過訓(xùn)練平臺接近飛機檢測軟件等;總體檢測功能，如執(zhí)行自檢測試BIT和故障隔離測試FIT等;針對子系統(tǒng)的特別檢測診斷功能，如電源系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等各個系統(tǒng)的檢測診斷;針對子系統(tǒng)的特別維護功能，如頂升飛機，加注航空燃油等。

隨著飛機的集成度升高以及電子電氣設(shè)備在飛機各個系統(tǒng)中占據(jù)越來越大的比重，飛機的維護重點已經(jīng)慢慢地由原來的機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)等單個系統(tǒng)和各單個組件的維護往電子電氣系統(tǒng)集中維護方向慢慢過度。同時，隨著電子化集成度的升高，系統(tǒng)檢測的重點也由以前利用外部的檢測設(shè)備為系統(tǒng)檢測診斷逐漸過渡到按照相關(guān)技術(shù)手冊通過機內(nèi)自檢系統(tǒng)進(jìn)行故障隔離診斷。對于機務(wù)維修人員而言，排除飛機故障的難度并沒有因為機內(nèi)告警、機內(nèi)自檢等降低，相反，因為飛機擁有復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計造成其維護難度以及故障診斷難度較高，所以在虛擬維修訓(xùn)練平臺中加入排故仿真系統(tǒng)對于學(xué)員是提高自身維修能力豐富自己維修經(jīng)驗的有效訓(xùn)練方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]張玉軍，陳浩.沉浸式虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報，2017（2）：16-20.