陳炯

摘 ?要：文章概述了虛擬維修訓(xùn)練的定義和計(jì)算機(jī)輔助訓(xùn)練平臺(tái)的分類;分析了虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)的設(shè)計(jì)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(shí)討論了飛機(jī)排故仿真系統(tǒng)在虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);維修訓(xùn)練;排故仿真

中圖分類號(hào)：V267 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(jī)都擁有非常復(fù)雜的系統(tǒng)，裝配多類計(jì)算機(jī)、傳感器和顯示設(shè)備，它們通過(guò)數(shù)字匯流條網(wǎng)絡(luò)相連，這些高度復(fù)雜的飛機(jī)系統(tǒng)可以運(yùn)用數(shù)字化設(shè)備來(lái)提供拓展的在機(jī)自檢能力。機(jī)務(wù)維修人員可以使用故障分析手冊(cè)TSM分析測(cè)試、維護(hù)和運(yùn)用多功能控制顯示組件MCDU對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行排故。然而學(xué)員通常因?yàn)闆](méi)有合適的訓(xùn)練場(chǎng)景無(wú)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(guò)程，通過(guò)虛擬維修訓(xùn)練，學(xué)員能很好地體驗(yàn)整個(gè)維修過(guò)程，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬維修訓(xùn)練輔佐昂貴的實(shí)地訓(xùn)練，可作為實(shí)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(jī)、航線可更換組件、顯示組件以及飛機(jī)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(shí)踐中學(xué)習(xí)技能。低成本搭建虛擬平臺(tái)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(shí)體設(shè)備和實(shí)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(gè)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(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的還是沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的機(jī)務(wù)維修人員來(lái)說(shuō)，經(jīng)歷這個(gè)四個(gè)階段的學(xué)習(xí)經(jīng)歷對(duì)于掌握機(jī)務(wù)類維修技能而言是最為有效的。

虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)的研究意義在于能夠使學(xué)員在進(jìn)行實(shí)體設(shè)備操作前，利用2D和3D虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中提供的飛機(jī)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(gè)優(yōu)勢(shì)：（1）減輕了大型設(shè)備存放的壓力，節(jié)省了培訓(xùn)場(chǎng)地空間。（2）能夠有效地降低對(duì)實(shí)體設(shè)備的維護(hù)成本，只需要對(duì)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)軟件更新升級(jí)即可。（3）虛擬場(chǎng)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(jì)算機(jī)輔助維修訓(xùn)練平臺(tái)分類

3.1 計(jì)算機(jī)輔助訓(xùn)練CBT

CBT訓(xùn)練是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)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(guò)離線或者直接通過(guò)在線方式可以對(duì)軟件進(jìn)行更新維護(hù)，學(xué)員可以使用電腦在線遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)。飛機(jī)維修培訓(xùn)課件通常按照ATA100章節(jié)號(hào)進(jìn)行分類，每個(gè)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(shuō)是強(qiáng)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(jì)算機(jī)硬件就可以安裝使用，但它的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，大量文字信息的展示并沒(méi)有徹底解決傳統(tǒng)書(shū)本教學(xué)中的弊端，飛機(jī)系統(tǒng)呈現(xiàn)的方式較為簡(jiǎn)單并不能起到整機(jī)系統(tǒng)有效串聯(lián)的效果，更無(wú)法再現(xiàn)飛機(jī)故障現(xiàn)象，學(xué)員無(wú)法體驗(yàn)完整的維護(hù)和排故流程，自然會(huì)減弱對(duì)飛機(jī)整體維修的認(rèn)知和理解。

3.2 虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)

3.2.1 桌面式維修仿真訓(xùn)練平臺(tái)

桌面式維修訓(xùn)練仿真平臺(tái)在計(jì)算機(jī)中搭建虛擬維修環(huán)境，通過(guò)2D和3D的方式在虛擬維修環(huán)境中展示飛機(jī)駕駛艙環(huán)境以及飛機(jī)外場(chǎng)3D數(shù)字模型。學(xué)員在2D虛擬駕駛艙環(huán)境中，對(duì)虛擬儀表盤操作可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)、操作、測(cè)試等;3D虛擬外場(chǎng)環(huán)境中，學(xué)員以第一人物視角在機(jī)庫(kù)中移動(dòng)操作，可以完成檢測(cè)、 拆裝、設(shè)備連接、工具借用等機(jī)務(wù)維修人員日常維護(hù)動(dòng)作。平臺(tái)把CBT中獨(dú)立的飛機(jī)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，更可以再現(xiàn)飛機(jī)故障現(xiàn)象，學(xué)員在其中可以進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)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(duì)維修知識(shí)的整體性把握更好，同時(shí)在虛擬場(chǎng)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(tái)

半沉浸式維修仿真訓(xùn)練平臺(tái)是在桌面式維修仿真訓(xùn)練平臺(tái)的基礎(chǔ)上增加了物理仿真飛機(jī)部件，將駕駛艙布局以高分辨率觸摸板甚至機(jī)械儀表板及操縱桿的方式展開(kāi)，以最大限度還原駕駛艙真實(shí)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(shí)，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(tái)所無(wú)法比擬的。雖然半沉浸式維修仿真訓(xùn)練平臺(tái)能給學(xué)員以良好的訓(xùn)練體驗(yàn)，但搭建此類仿真平臺(tái)成本較高，同時(shí)相較于桌面式維修仿真訓(xùn)練平臺(tái)而言，系統(tǒng)的架構(gòu)及實(shí)驗(yàn)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(tái)通?？梢栽谂嘤?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(tái)即可，節(jié)約成本的同時(shí)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(tái)

在沉浸式維修仿真訓(xùn)練平臺(tái)中，學(xué)員穿戴配套的人體感應(yīng)設(shè)備，通過(guò)手部、腳部、頭部等身體部位的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)在虛擬場(chǎng)景中的一切操作，它所帶來(lái)的感官體驗(yàn)是所有虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)中最為真實(shí)的，讓人有仿佛置身其中的感覺(jué)。這類訓(xùn)練平臺(tái)由于對(duì)硬件配置要求較高，維修培訓(xùn)中教員指導(dǎo)學(xué)員時(shí)需要額外的現(xiàn)實(shí)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(shí)的維修體驗(yàn)，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(jì)算機(jī)輔助訓(xùn)練平臺(tái)種類多樣，也都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。CBT訓(xùn)練沒(méi)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(méi)有聯(lián)動(dòng)等缺點(diǎn)，半沉浸式和沉浸式維修仿真訓(xùn)練平臺(tái)雖然有更真實(shí)的沉浸體驗(yàn)，但是搭建平臺(tái)成本較高等問(wèn)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(tái)以其突出的性價(jià)比、完整的維修訓(xùn)練體驗(yàn)以及模塊間整合聯(lián)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)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(tái)設(shè)計(jì)分析

4.1 虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)的主要功能

虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)的設(shè)計(jì)旨在讓學(xué)員通過(guò)平臺(tái)掌握基本的飛機(jī)維修技能，并能完成虛擬場(chǎng)景中所預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如果需要達(dá)到上述目的，虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)搭建時(shí)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(jì)使得平臺(tái)能夠提供課程管理、學(xué)員記錄和學(xué)習(xí)報(bào)告的功能。

多界面執(zhí)行功能：虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)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(chǎng)景界面。

熟悉飛機(jī)結(jié)構(gòu)及部件：學(xué)員可以在3D場(chǎng)景中通過(guò)相應(yīng)的位置移動(dòng)和飛機(jī)內(nèi)部場(chǎng)景變換找到關(guān)鍵部件位置的感覺(jué)。

飛機(jī)基本操作功能：從未接觸過(guò)飛機(jī)的學(xué)員也可以通過(guò)虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)掌握和實(shí)施諸如啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)等飛機(jī)基本操作功能，更不需要擔(dān)心真實(shí)的維修訓(xùn)練場(chǎng)景中的風(fēng)險(xiǎn)和損失。

故障診斷和分析功能：虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)模擬出飛機(jī)外部的和內(nèi)建的診斷測(cè)試功能。教員席位根據(jù)課程需要可以給飛機(jī)各個(gè)主要系統(tǒng)設(shè)置故障失效，學(xué)員在學(xué)員席位通過(guò)查閱相關(guān)技術(shù)手冊(cè)，然后執(zhí)行相應(yīng)的故障診斷分析后按照排故手冊(cè)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(cè)試通過(guò)后，學(xué)員向教員席上傳提交排故報(bào)告，教員即可批閱報(bào)告而后分析評(píng)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(tái)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(guò)演示系統(tǒng)操作和排故流程向?qū)W員講解試驗(yàn)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(duì)整個(gè)維修及排故流程的理解。

4.2 飛機(jī)排故仿真系統(tǒng)的應(yīng)用

對(duì)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(huì)日常的勤務(wù)維護(hù)工作，排故能力的掌握也是必不可少的，虛擬排故訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)包含以下五個(gè)訓(xùn)練主題項(xiàng)目，旨在鞏固理論和基本維護(hù)知識(shí)后，了解和掌握飛機(jī)的排故方法和排故流程。

熟悉飛機(jī)結(jié)構(gòu)和其子系統(tǒng);訓(xùn)練時(shí)掌握基本的飛機(jī)系統(tǒng)操作，如啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和通過(guò)訓(xùn)練平臺(tái)接近飛機(jī)檢測(cè)軟件等;總體檢測(cè)功能，如執(zhí)行自檢測(cè)試BIT和故障隔離測(cè)試FIT等;針對(duì)子系統(tǒng)的特別檢測(cè)診斷功能，如電源系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等各個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)診斷;針對(duì)子系統(tǒng)的特別維護(hù)功能，如頂升飛機(jī)，加注航空燃油等。

隨著飛機(jī)的集成度升高以及電子電氣設(shè)備在飛機(jī)各個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)越來(lái)越大的比重，飛機(jī)的維護(hù)重點(diǎn)已經(jīng)慢慢地由原來(lái)的機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)等單個(gè)系統(tǒng)和各單個(gè)組件的維護(hù)往電子電氣系統(tǒng)集中維護(hù)方向慢慢過(guò)度。同時(shí)，隨著電子化集成度的升高，系統(tǒng)檢測(cè)的重點(diǎn)也由以前利用外部的檢測(cè)設(shè)備為系統(tǒng)檢測(cè)診斷逐漸過(guò)渡到按照相關(guān)技術(shù)手冊(cè)通過(guò)機(jī)內(nèi)自檢系統(tǒng)進(jìn)行故障隔離診斷。對(duì)于機(jī)務(wù)維修人員而言，排除飛機(jī)故障的難度并沒(méi)有因?yàn)闄C(jī)內(nèi)告警、機(jī)內(nèi)自檢等降低，相反，因?yàn)轱w機(jī)擁有復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成其維護(hù)難度以及故障診斷難度較高，所以在虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)中加入排故仿真系統(tǒng)對(duì)于學(xué)員是提高自身維修能力豐富自己維修經(jīng)驗(yàn)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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（2）：16-20.