虛擬現實技術在民航維修訓練中的運用
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摘 要：文章概述了虛擬維修訓練的定義和計算機輔助訓練平臺的分類;分析了虛擬維修訓練平臺的設計思路，使得它的主要功能可以在維修訓練中得以體現，同時討論了飛機排故仿真系統在虛擬維修訓練平臺中的應用。
關鍵詞：虛擬現實;維修訓練;排故仿真
中圖分類號：V267 文獻標志碼：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
當今的民航飛機都擁有非常復雜的系統，裝配多類計算機、傳感器和顯示設備，它們通過數字匯流條網絡相連，這些高度復雜的飛機系統可以運用數字化設備來提供拓展的在機自檢能力。機務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對飛機系統進行排故。然而學員通常因為沒有合適的訓練場景無法得到充分地鍛煉。
現代民航維修訓練是需要結合分析能力和拆裝能力的學習過程，通過虛擬維修訓練，學員能很好地體驗整個維修過程，基于計算機技術的虛擬維修訓練輔佐昂貴的實地訓練，可作為實地訓練的前期課程。虛擬維修訓練成功的關鍵就在于合理使用2D和3D虛擬環境使飛機、航線可更換組件、顯示組件以及飛機部件更好地呈現給學員。
2 虛擬維修訓練的研究意義
虛擬維修訓練的核心是培養學員自主維修能力，在實踐中學習技能。低成本搭建虛擬平臺使虛擬維修訓練得以有效減輕傳統維修訓練中配備實體設備和實物模型高昂成本的壓力。維修訓練學習維修技能的四個階段，即：認知熟悉、獲取技能、練習技能、鞏固技能。[1]不管對于有經驗的還是沒有經驗的機務維修人員來說，經歷這個四個階段的學習經歷對于掌握機務類維修技能而言是最為有效的。
虛擬維修訓練平臺的研究意義在于能夠使學員在進行實體設備操作前，利用2D和3D虛擬現實場景中提供的飛機維修仿真系統進行系統操作、故障分析和排故訓練以提高自身的維修技能。它擁有以下幾個優勢：（1）減輕了大型設備存放的壓力，節省了培訓場地空間。（2）能夠有效地降低對實體設備的維護成本，只需要對虛擬維修訓練系統進行后續軟件更新升級即可。（3）虛擬場景中，學員及設備的安全得以保障。（4）利用虛擬維修訓練也可以解決持續增加的師資匱乏的窘境。
3 計算機輔助維修訓練平臺分類
3.1 計算機輔助訓練CBT
CBT訓練是一種通過計算機展示教學課件的培訓方式，CBT訓練需要在電腦上安裝培訓軟件，后期可以通過離線或者直接通過在線方式可以對軟件進行更新維護，學員可以使用電腦在線遠程學習。飛機維修培訓課件通常按照ATA100章節號進行分類，每個章節包含有該系統的系統原理、系統結構、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。這種訓練方式易于復制更新，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書本教學中的弊端，飛機系統呈現的方式較為簡單并不能起到整機系統有效串聯的效果，更無法再現飛機故障現象，學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知和理解。
3.2 虛擬維修訓練平臺
3.2.1 桌面式維修仿真訓練平臺
桌面式維修訓練仿真平臺在計算機中搭建虛擬維修環境，通過2D和3D的方式在虛擬維修環境中展示飛機駕駛艙環境以及飛機外場3D數字模型。學員在2D虛擬駕駛艙環境中，對虛擬儀表盤操作可以實現飛機系統啟動、操作、測試等;3D虛擬外場環境中，學員以第一人物視角在機庫中移動操作，可以完成檢測、 拆裝、設備連接、工具借用等機務維修人員日常維護動作。平臺把CBT中獨立的飛機系統整合在一起，形成了一套完整的維修訓練系統，可以實現系統聯動，更可以再現飛機故障現象，學員在其中可以進行系統測試、故障診斷、部件拆裝等維修訓練，完整的培訓訓練使學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也能提高學員的學習興趣，提升學習效率。
3.2.2 半沉浸式維修仿真訓練平臺
半沉浸式維修仿真訓練平臺是在桌面式維修仿真訓練平臺的基礎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境，使學員有如同置身駕駛艙內的沉浸感，學員在進行維修訓練時，直接用手代替鼠標的在儀表板上進行操作，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練平臺能給學員以良好的訓練體驗，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練平臺而言，系統的架構及實驗原理基本相同，所達到的培訓目的和效果也基本一致，所以半沉浸式維修仿真訓練平臺通?？梢栽谂嘤枂挝缓团嘤栐盒Ｐ∫幠２渴?，如果需要大范圍培訓使用建議使用桌面式維修仿真訓練平臺即可，節約成本的同時并不影響培訓的效率。 3.2.3 沉浸式維修仿真訓練平臺
在沉浸式維修仿真訓練平臺中，學員穿戴配套的人體感應設備，通過手部、腳部、頭部等身體部位的動作實現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練平臺中最為真實的，讓人有仿佛置身其中的感覺。這類訓練平臺由于對硬件配置要求較高，維修培訓中教員指導學員時需要額外的現實設備才能幫助學員完成訓練，雖然其沉浸感能帶給學員真實的維修體驗，但想要全面推廣到所有維修培訓單位和培訓院校還是有很大的難度。
綜上所述，計算機輔助訓練平臺種類多樣，也都有各自的優缺點。CBT訓練沒有完全擺脫傳統培訓中文字信息龐雜以及系統之間互相沒有聯動等缺點，半沉浸式和沉浸式維修仿真訓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。桌面式維修仿真訓練平臺以其突出的性價比、完整的維修訓練體驗以及模塊間整合聯動等優點受到各大培訓院校及培訓單位的推崇。
4 虛擬維修訓練平臺設計分析
4.1 虛擬維修訓練平臺的主要功能
虛擬維修訓練平臺的設計旨在讓學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設的實驗內容，如果需要達到上述目的，虛擬維修訓練平臺搭建時需要提供以下幾種關鍵功能：
課程管理功能：教員席位與學員席位的設計使得平臺能夠提供課程管理、學員記錄和學習報告的功能。
多界面執行功能：虛擬維修訓練平臺能提供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。
熟悉飛機結構及部件：學員可以在3D場景中通過相應的位置移動和飛機內部場景變換找到關鍵部件位置的感覺。
飛機基本操作功能：從未接觸過飛機的學員也可以通過虛擬維修訓練平臺掌握和實施諸如啟動發動機等飛機基本操作功能，更不需要擔心真實的維修訓練場景中的風險和損失。
故障診斷和分析功能：虛擬維修訓練平臺模擬出飛機外部的和內建的診斷測試功能。教員席位根據課程需要可以給飛機各個主要系統設置故障失效，學員在學員席位通過查閱相關技術手冊，然后執行相應的故障診斷分析后按照排故手冊所需步驟進行排故維修，當學員完成系統排故并且測試通過后，學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員的完成情況。
教員席位演示功能：虛擬維修訓練平臺可以使用投影器材將教員席位的顯示內容投影到大屏幕上，教員即可通過演示系統操作和排故流程向學員講解試驗課程內容，學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 飛機排故仿真系統的應用
對于民航培訓單位而言，為了使學員能夠全面掌握維修技能，不光需要學會日常的勤務維護工作，排故能力的掌握也是必不可少的，虛擬排故訓練實驗包含以下五個訓練主題項目，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。
熟悉飛機結構和其子系統;訓練時掌握基本的飛機系統操作，如啟動發動機和通過訓練平臺接近飛機檢測軟件等;總體檢測功能，如執行自檢測試BIT和故障隔離測試FIT等;針對子系統的特別檢測診斷功能，如電源系統、液壓系統等各個系統的檢測診斷;針對子系統的特別維護功能，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備在飛機各個系統中占據越來越大的比重，飛機的維護重點已經慢慢地由原來的機械系統、液壓系統、氣源系統等單個系統和各單個組件的維護往電子電氣系統集中維護方向慢慢過度。同時，隨著電子化集成度的升高，系統檢測的重點也由以前利用外部的檢測設備為系統檢測診斷逐漸過渡到按照相關技術手冊通過機內自檢系統進行故障隔離診斷。對于機務維修人員而言，排除飛機故障的難度并沒有因為機內告警、機內自檢等降低，相反，因為飛機擁有復雜的系統設計造成其維護難度以及故障診斷難度較高，所以在虛擬維修訓練平臺中加入排故仿真系統對于學員是提高自身維修能力豐富自己維修經驗的有效訓練方式。
參考文獻：
[1]張玉軍，陳浩.沉浸式虛擬維修訓練系統設計與實現[J].鹽城工學院學報，2017（2）：16-20.
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