基于Prepar3D的虛擬仿真技術(shù)在民航機務(wù)實踐教學(xué)中的應(yīng)用①

薛鵬

摘 要：目前民航機務(wù)很多培訓(xùn)工作缺乏生動性和直接性，用真機訓(xùn)練受到時間、場地等條件限制，訓(xùn)練成本高，飛機容易損壞?；赑repar3D的虛擬仿真技術(shù)為解決這些問題提供了非常好的解決途徑。該文分析了目前民航機務(wù)維修實踐教學(xué)存在的問題，介紹了Prepar3D平臺，并以實際課程為例介紹了基于Prepar3D的虛擬仿真技術(shù)在民航機務(wù)實踐教學(xué)中的應(yīng)用，最后分析了這種技術(shù)應(yīng)用在機務(wù)實踐教學(xué)中的意義。

關(guān)鍵詞：民航 機務(wù) 實踐教學(xué) 虛擬仿真 Prepar3D

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（c）-0161-04

Abstract：At present， many maintenance training works are lack of vividness and directness.If the real aircraft is used in the training ，the quantity， the training time and the cost are very serious problems，also it is easy to damage the aircraft.The virtual simulation technology based on Prepar3D provides a good solution to these problems. This paper analyzes the current aviation maintenance practice teaching problems， and introduces the Prepar3D.A virtual simulation technology application based on Prepar3D is used in a civil aviationmaintenance curriculum.In the last， the significance of the technology used on the maintenance practice teaching is be analyzed.

Key Words：Civil Aviation Maintenance Practice Teaching Virtual Simulation Prepar3D

目前機務(wù)很多培訓(xùn)工作主要采用教師結(jié)合文本、圖片講解，學(xué)生到實物上練習(xí)的培訓(xùn)模式，缺乏生動性和直接性。另外，當今飛機制造技術(shù)發(fā)展迅速，新的機型層出不窮，對于機務(wù)教學(xué)來講無法投入大量的真實的飛機供學(xué)生維修培訓(xùn)。而且，在真機上培訓(xùn)還會受到時間、場地等條件的限制，訓(xùn)練成本高，飛機容易損壞。傳統(tǒng)機務(wù)實踐教學(xué)的局限性與教學(xué)設(shè)備規(guī)模嚴重裸游與迅速增長的學(xué)生隊伍使得機務(wù)教學(xué)質(zhì)量受到嚴峻挑戰(zhàn)[1]。

虛擬仿真技術(shù)是一個虛擬環(huán)境，能夠?qū)Ω鞣N環(huán)境和實物進行高度模擬，當人們進入該環(huán)境并與其進行交互時，可產(chǎn)生“身臨其境”的感覺[2]。所以基于虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的維護仿真平臺一出現(xiàn)就迅速成為了機務(wù)培訓(xùn)的重要組成部分。國外專家學(xué)者對于虛擬維修培訓(xùn)技術(shù)的應(yīng)用做了大量的研究。新加坡南洋理工大學(xué)的Wang等開發(fā)了V-REALISM用于虛擬維修的培訓(xùn)[3]。意大利薩勒諾大學(xué)的Abate等研究出了一種航空中基于觸覺系統(tǒng)的虛擬維修訓(xùn)練方法[4]。國內(nèi)對于虛擬維修的研究較晚。軍械工程學(xué)院的郝建平等人提出了一種基于Multi-Agent的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)VMTS[5]，對于虛擬維修培訓(xùn)技術(shù)的研究有重要意義。

教育部從2008年起頒發(fā)了一系列文件指出，實踐教學(xué)要“大力推動仿真、多媒體課件等數(shù)字化教學(xué)資源開發(fā)”，“重點解決常規(guī)的教學(xué)手段技術(shù)、設(shè)施設(shè)備難以實現(xiàn)的實習(xí)實踐問題，主要為了滿足有急切需求并覆蓋范圍廣的虛擬仿真實踐教學(xué)的需求”[6]，這表明了機務(wù)實踐教學(xué)的方向是利用虛擬仿真技術(shù)彌補目前教學(xué)設(shè)備短缺等亟待解決的問題。

2 民航機務(wù)維修實踐教學(xué)存在的問題

2.1 教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)設(shè)備不能緊跟民航機務(wù)維修發(fā)展的步伐

由于飛機價格昂貴、核心部件受到限制、航空器維修技術(shù)更新也非常迅速，我國各民航院校由于教學(xué)資金短缺、教學(xué)場地有限等多種原因，不能大批量購置的在役飛機供學(xué)生用作實踐教學(xué)。只能使用一些退役飛機用于教學(xué)，例如707、運7、伊爾18等。由于實踐設(shè)備的落后，實踐內(nèi)容也無法跟上民航行業(yè)的發(fā)展，學(xué)生學(xué)習(xí)后也普遍反映學(xué)到的知識與實際工作有很大的差異。

2.2 教學(xué)手段較為枯燥

機務(wù)維修實踐課的教學(xué)主要是通過老師通過PPT、展板等形式講解，學(xué)生在一些訓(xùn)練臺架上練習(xí)的形式進行。這種方法很難直觀形象地將系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理、系統(tǒng)之間的連接關(guān)系講解清楚，而且這種教學(xué)方法的效果也會隨著教師授課學(xué)生人數(shù)的增加而大打折扣。因此我們迫切需要引入新的教學(xué)方式，提高教學(xué)質(zhì)量。

2.3 工位嚴重不足

由于民航院校的實踐教學(xué)設(shè)備普遍不足，實踐教學(xué)中經(jīng)常出現(xiàn)“僧多粥少”的情況，從而導(dǎo)致學(xué)生排隊等候的情況較多，學(xué)習(xí)效率低下，教師在短時間內(nèi)多次重復(fù)同樣內(nèi)容，也無法達到最佳教學(xué)效果。

2.4 實踐教學(xué)的學(xué)時不足

目前，機務(wù)教育普遍存在理論與實踐教學(xué)課時比重失衡的現(xiàn)象，很多民航院校都偏重理論課的教學(xué)，實踐課程的學(xué)時占比偏少。有些專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中，整個實踐教學(xué)所占的比重還達不到1/5，遠遠不能滿足實踐教學(xué)的需要，也與機務(wù)教育培養(yǎng)復(fù)合型工程技術(shù)人才的目標相矛盾。在機務(wù)教育相對發(fā)達的國家，實踐課程能占整個教學(xué)任務(wù)的一半，甚至要超過理論課時，而我們的實踐教學(xué)課時量還很少，因此在現(xiàn)有情況下應(yīng)想辦法延長實踐教學(xué)的時間，提升學(xué)生實踐的效率。

3 Prepar3D平臺

Lockheed martin（洛克希德馬丁，F(xiàn)35，F(xiàn)22制造商）在2010年正式發(fā)布了Prepar3D。它的設(shè)計和架構(gòu)更加偏向于專業(yè)教學(xué)及評估使用，功能面向的對象也主要是一些有規(guī)模的商業(yè)組織、軍方及科研機構(gòu)。開發(fā)人員可以使用Prepar3D的環(huán)境，在最先進的平臺上創(chuàng)造新的培訓(xùn)解決方案，在該平臺下開發(fā)的Demo如圖1所示。在兼容Windows 7和Visual Studio 2010中，它提供了一個Windows Presentation Foundation（WPF）的用戶界面，外部仿真功能，提供增強的仿真代碼的控制，新的軟件更新的代碼示例開發(fā)工具包（SDK）文檔，并支持最新的的3DStudio最大工具，開發(fā)人員可以在環(huán)境中開發(fā)自己需要的功能。

Simdirector作為Prepare3D3.4的新功能發(fā)布。在此之前，開發(fā)Prepare3D任務(wù)只能通過編寫文字代碼完成，Simdirector將之前通過特定函數(shù)實現(xiàn)的任務(wù)流程以可視化對象展現(xiàn)，通過流程圖方式直觀表現(xiàn)函數(shù)之間的關(guān)系，大幅減少了任務(wù)開發(fā)的工作量，如圖2所示。

4 基于Prepar3D的虛擬仿真技術(shù)在民航機務(wù)實踐教學(xué)中的應(yīng)用

以《飛機及發(fā)動機勤務(wù)》課程為例，基于Prepar3D平臺虛擬仿真技術(shù)在課程中的應(yīng)用包括以下幾方面。

4.1 課程內(nèi)容方面

根據(jù)課程的實踐內(nèi)容，設(shè)置737NG飛機前起落架檢查、左側(cè)前段機身區(qū)域檢查、機頭區(qū)域檢查、右側(cè)前段機身區(qū)域檢查、右發(fā)動機區(qū)域檢查、右機翼區(qū)域檢查、右起落架及右主輪艙區(qū)域檢查、右側(cè)后段機身區(qū)域檢查、飛機尾部區(qū)域檢查、左側(cè)后段機身區(qū)域檢查、左起落架及左主輪艙區(qū)域檢查、左機翼區(qū)域檢查、左發(fā)動機區(qū)域檢查、硬著陸跡象檢查、輪胎壓力檢查以及結(jié)束繞行檢查等實踐步驟，學(xué)生可完成每個項目的虛擬仿真練習(xí)，掌握737NG飛機的具體航后檢查內(nèi)容，根據(jù)課程需求開發(fā)的教學(xué)應(yīng)用如圖3所示。

4.2 課程安排方面

通過虛擬仿真平臺可以使實踐教學(xué)不再局限于課堂內(nèi)完成?，F(xiàn)有的實踐練習(xí)只能在固定的時間和機坪固定的場地，出于安全的考慮，非上課時間停機坪不允許學(xué)生隨意進入。利用虛擬仿真平臺和學(xué)校的Bb平臺可以使學(xué)生在課前了解勤務(wù)課程授課內(nèi)容，提升課堂內(nèi)的學(xué)習(xí)效率，對一些不容易理解的內(nèi)容課后還可進行鞏固練習(xí)，直到完全掌握實踐內(nèi)容。

4.3 利用虛擬仿真平臺進行實踐考核

大多數(shù)實踐課程都缺少一個比較好的考核方式，很多項目無法利用短暫的考核時間讓學(xué)生重復(fù)所有的操作。虛擬仿真平臺提供了一個很好的考核方式，教師可以通過設(shè)置考核模塊，學(xué)生在虛擬仿真平臺上操作整個過程、輸入檢查結(jié)果、并完成相關(guān)的問題，系統(tǒng)記錄學(xué)生的考試情況，并將結(jié)果作為整個課程部分考核成績。這種考核方法能比較客觀反應(yīng)學(xué)生對課程講授的掌握情況，可以與目前純筆試或者選取部分內(nèi)容操作的考核辦法結(jié)合，從而更加全面、客觀地對學(xué)生做出評價。

5 基于Prepar3D的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在機務(wù)實踐教學(xué)中的意義

將基于Prepar3D虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于機務(wù)維修實踐課程的教學(xué)中，能讓學(xué)生增加新的學(xué)習(xí)途徑，多方位、浸入式的進行學(xué)習(xí)，對于民航的機務(wù)實踐教學(xué)有非常大的好處。

5.1 提高效率

虛擬仿真的聯(lián)系過程雖然不能代替真實學(xué)生到真實的飛機和發(fā)動機上練習(xí)，但它能夠讓學(xué)生在到真實飛機上進行操作前對整個飛機和發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特點、檢查流程、注意事項等都有比較全面的了解，學(xué)生再到飛機和發(fā)動機上操作后能做到胸有成竹，這大大提高了課堂教學(xué)的效率，學(xué)生花更少的時間能掌握更多的實踐內(nèi)容。

5.2 降低損耗

實踐教學(xué)過程中的教學(xué)設(shè)備損壞主要有兩種原因，一是學(xué)生積累的經(jīng)驗不足，由于操作失誤造成的非正常損壞；二是短時間內(nèi)重復(fù)操作導(dǎo)致的正常損耗。在現(xiàn)有的實踐教學(xué)模式下，學(xué)生進行實踐前往往并不清楚檢查的要點和注意事項，這極易造成第一種原因的非正常損壞。同時，為了更好地掌握所學(xué)知識，學(xué)生需要在設(shè)備上反復(fù)練習(xí)，這就更加劇了設(shè)備的磨損和耗材的使用。而利用虛擬仿真平臺，學(xué)生可先在平臺上反復(fù)練習(xí)，掌握課程的重點難點和注意事項后再進行實際操作就不容易造成飛機和發(fā)動機的損壞。

5.3 增加安全可靠性

學(xué)生在Prepar3D平臺下使用虛擬仿真實踐系統(tǒng)出現(xiàn)誤操作時，完全不會造成設(shè)備的損壞和對學(xué)生人身的傷害。通過虛擬仿真實踐后，學(xué)生可以很好地掌握各項目的重點難點操作流程、所包含的原理以及注意事項，在實踐課程中遇到時可以從容的解決這些問題。

5.4 考評結(jié)合，提升教學(xué)效果

利用Prepar3D開發(fā)的虛擬仿真實踐平臺可以完成對學(xué)生進行考核，每個學(xué)生在平臺上單獨完成項目的虛擬檢查，并回答相關(guān)問題，輸入檢測結(jié)果，而且平臺能比較客觀反應(yīng)學(xué)生對檢查步驟的掌握情況，檢驗學(xué)生對檢查過程中的注意事項是否掌握，這對于提升實踐教學(xué)質(zhì)量有很大的幫助。

6 結(jié)語

現(xiàn)有的機務(wù)維修實踐教學(xué)完全依賴飛機和發(fā)動機等設(shè)備實物，造成了實踐教學(xué)中存在很多問題。該文介紹的基于Prepar3D虛擬仿真技術(shù)能夠較好地豐富現(xiàn)有民航機務(wù)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，能夠改善實踐教學(xué)設(shè)備落后、教學(xué)手段枯燥、工位不足、教學(xué)時間不足等缺點，具有學(xué)習(xí)效率高、過程無損耗、全程安全可靠、考評結(jié)合等優(yōu)點，可以極大的提高民航院校機務(wù)實踐教學(xué)質(zhì)量和機務(wù)類學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

參考文獻

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