虚拟现实技术在民航维修训练中的运用

陈炯

摘  要：文章概述了虚拟维修训练的定义和计算机辅助训练平台的分类;分析了虚拟维修训练平台的设计思路，使得它的主要功能可以在维修训练中得以体现，同时讨论了飞机排故仿真系统在虚拟维修训练平台中的应用。

关键词：虚拟现实;维修训练;排故仿真

中图分类号：V267         文献标志码：A         文章编号：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

当今的民航飞机都拥有非常复杂的系统，装配多类计算机、传感器和显示设备，它们通过数字汇流条网络相连，这些高度复杂的飞机系统可以运用数字化设备来提供拓展的在机自检能力。机务维修人员可以使用故障分析手册TSM分析测试、维护和运用多功能控制显示组件MCDU对飞机系统进行排故。然而学员通常因为没有合适的训练场景无法得到充分地锻炼。

现代民航维修训练是需要结合分析能力和拆装能力的学习过程，通过虚拟维修训练，学员能很好地体验整个维修过程，基于计算机技术的虚拟维修训练辅佐昂贵的实地训练，可作为实地训练的前期课程。虚拟维修训练成功的关键就在于合理使用2D和3D虚拟环境使飞机、航线可更换组件、显示组件以及飞机部件更好地呈现给学员。

2 虚拟维修训练的研究意义

虚拟维修训练的核心是培养学员自主维修能力，在实践中学习技能。低成本搭建虚拟平台使虚拟维修训练得以有效减轻传统维修训练中配备实体设备和实物模型高昂成本的压力。维修训练学习维修技能的四个阶段，即：认知熟悉、获取技能、练习技能、巩固技能。[1]不管对于有经验的还是没有经验的机务维修人员来说，经历这个四个阶段的学习经历对于掌握机务类维修技能而言是最为有效的。

虚拟维修训练平台的研究意义在于能够使学员在进行实体设备操作前，利用2D和3D虚拟现实场景中提供的飞机维修仿真系统进行系统操作、故障分析和排故训练以提高自身的维修技能。它拥有以下几个优势：（1）减轻了大型设备存放的压力，节省了培训场地空间。（2）能够有效地降低对实体设备的维护成本，只需要对虚拟维修训练系统进行后续软件更新升级即可。（3）虚拟场景中，学员及设备的安全得以保障。（4）利用虚拟维修训练也可以解决持续增加的师资匮乏的窘境。

3 计算机辅助维修训练平台分类

3.1 计算机辅助训练CBT

CBT训练是一种通过计算机展示教学课件的培训方式，CBT训练需要在电脑上安装培训软件，后期可以通过离线或者直接通过在线方式可以对软件进行更新维护，学员可以使用电脑在线远程学习。飞机维修培训课件通常按照ATA100章节号进行分类，每个章节包含有该系统的系统原理、系统结构、思考题等等，以文字、图表、音频等方式作为媒介传递信息，可以说是强化版的PPT课件。这种训练方式易于复制更新，只需要配备计算机硬件就可以安装使用，但它的缺点也是显而易见的，大量文字信息的展示并没有彻底解决传统书本教学中的弊端，飞机系统呈现的方式较为简单并不能起到整机系统有效串联的效果，更无法再现飞机故障现象，学员无法体验完整的维护和排故流程，自然会减弱对飞机整体维修的认知和理解。

3.2 虚拟维修训练平台

3.2.1 桌面式维修仿真训练平台

桌面式维修训练仿真平台在计算机中搭建虚拟维修环境，通过2D和3D的方式在虚拟维修环境中展示飞机驾驶舱环境以及飞机外场3D数字模型。学员在2D虚拟驾驶舱环境中，对虚拟仪表盘操作可以实现飞机系统启动、操作、测试等;3D虚拟外场环境中，学员以第一人物视角在机库中移动操作，可以完成检测、 拆装、设备连接、工具借用等机务维修人员日常维护动作。平台把CBT中独立的飞机系统整合在一起，形成了一套完整的维修训练系统，可以实现系统联动，更可以再现飞机故障现象，学员在其中可以进行系统测试、故障诊断、部件拆装等维修训练，完整的培訓训练使学员能够更容易掌握维修排故流程，对维修知识的整体性把握更好，同时在虚拟场景中操作练习也能提高学员的学习兴趣，提升学习效率。

3.2.2 半沉浸式维修仿真训练平台

半沉浸式维修仿真训练平台是在桌面式维修仿真训练平台的基础上增加了物理仿真飞机部件，将驾驶舱布局以高分辨率触摸板甚至机械仪表板及操纵杆的方式展开，以最大限度还原驾驶舱真实环境，使学员有如同置身驾驶舱内的沉浸感，学员在进行维修训练时，直接用手代替鼠标的在仪表板上进行操作，得到的物理反馈是其他仿真平台所无法比拟的。虽然半沉浸式维修仿真训练平台能给学员以良好的训练体验，但搭建此类仿真平台成本较高，同时相较于桌面式维修仿真训练平台而言，系统的架构及实验原理基本相同，所达到的培训目的和效果也基本一致，所以半沉浸式维修仿真训练平台通常可以在培训单位和培训院校小规模部署，如果需要大范围培训使用建议使用桌面式维修仿真训练平台即可，节约成本的同时并不影响培训的效率。

3.2.3 沉浸式维修仿真训练平台

在沉浸式维修仿真训练平台中，学员穿戴配套的人体感应设备，通过手部、脚部、头部等身体部位的动作实现在虚拟场景中的一切操作，它所带来的感官体验是所有虚拟维修训练平台中最为真实的，让人有仿佛置身其中的感觉。这类训练平台由于对硬件配置要求较高，维修培训中教员指导学员时需要额外的现实设备才能帮助学员完成训练，虽然其沉浸感能带给学员真实的维修体验，但想要全面推广到所有维修培训单位和培训院校还是有很大的难度。

综上所述，计算机辅助训练平台种类多样，也都有各自的优缺点。CBT训练没有完全摆脱传统培训中文字信息庞杂以及系统之间互相没有联动等缺点，半沉浸式和沉浸式维修仿真训练平台虽然有更真实的沉浸体验，但是搭建平台成本较高等问题也是限制和制约其全面推广的主要因素。桌面式维修仿真训练平台以其突出的性价比、完整的维修训练体验以及模块间整合联动等优点受到各大培训院校及培训单位的推崇。

4 虚拟维修训练平台设计分析

4.1 虚拟维修训练平台的主要功能

虚拟维修训练平台的设计旨在让学员通过平台掌握基本的飞机维修技能，并能完成虚拟场景中所预设的实验内容，如果需要达到上述目的，虚拟维修训练平台搭建时需要提供以下几种关键功能：

课程管理功能：教员席位与学员席位的设计使得平台能够提供课程管理、学员记录和学习报告的功能。

多界面执行功能：虚拟维修训练平台能提供3种操作界面，分别是：软件操作界面、2D驾驶舱操作面板界面、3D场景界面。

熟悉飞机结构及部件：学员可以在3D场景中通过相应的位置移动和飞机内部场景变换找到关键部件位置的感觉。

飞机基本操作功能：从未接触过飞机的学员也可以通过虚拟维修训练平台掌握和实施诸如启动发动机等飞机基本操作功能，更不需要担心真实的维修训练场景中的风险和损失。

故障诊断和分析功能：虚拟维修训练平台模擬出飞机外部的和内建的诊断测试功能。教员席位根据课程需要可以给飞机各个主要系统设置故障失效，学员在学员席位通过查阅相关技术手册，然后执行相应的故障诊断分析后按照排故手册所需步骤进行排故维修，当学员完成系统排故并且测试通过后，学员向教员席上传提交排故报告，教员即可批阅报告而后分析评估学员的完成情况。

教员席位演示功能：虚拟维修训练平台可以使用投影器材将教员席位的显示内容投影到大屏幕上，教员即可通过演示系统操作和排故流程向学员讲解试验课程内容，学员也可以按照教员的演示步骤同步操作，加快对整个维修及排故流程的理解。

4.2 飞机排故仿真系统的应用

对于民航培训单位而言，为了使学员能够全面掌握维修技能，不光需要学会日常的勤务维护工作，排故能力的掌握也是必不可少的，虚拟排故训练实验包含以下五个训练主题项目，旨在巩固理论和基本维护知识后，了解和掌握飞机的排故方法和排故流程。

熟悉飞机结构和其子系统;训练时掌握基本的飞机系统操作，如启动发动机和通过训练平台接近飞机检测软件等;总体检测功能，如执行自检测试BIT和故障隔离测试FIT等;针对子系统的特别检测诊断功能，如电源系统、液压系统等各个系统的检测诊断;针对子系统的特别维护功能，如顶升飞机，加注航空燃油等。

随着飞机的集成度升高以及电子电气设备在飞机各个系统中占据越来越大的比重，飞机的维护重点已经慢慢地由原来的机械系统、液压系统、气源系统等单个系统和各单个组件的维护往电子电气系统集中维护方向慢慢过度。同时，随着电子化集成度的升高，系统检测的重点也由以前利用外部的检测设备为系统检测诊断逐渐过渡到按照相关技术手册通过机内自检系统进行故障隔离诊断。对于机务维修人员而言，排除飞机故障的难度并没有因为机内告警、机内自检等降低，相反，因为飞机拥有复杂的系统设计造成其维护难度以及故障诊断难度较高，所以在虚拟维修训练平台中加入排故仿真系统对于学员是提高自身维修能力丰富自己维修经验的有效训练方式。

参考文献：

[1]张玉军，陈浩.沉浸式虚拟维修训练系统设计与实现[J].盐城工学院学报，2017（2）：16-20.