航空維修虛擬仿真平臺設(shè)計開發(fā)與教學應(yīng)用研究

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)14-0039-05

Abstract:Avitionmaintenanceisaprofessonalandtechnicalfieldwithgreatresponsiblityandinvolvesmulti-discipliesimingatthechallengesfacedbyChina’saviationmaintenancetrainingindustryandcombiningvirtualsimulationtechnologythis paper proposes to build a solution of \"semi-physical simulation cockpit + virtual simulation system\" platform based on the prototypeofAirbusA32Ocockpit.Thesimulationplatformcansimulatecomplexfaultsituationsandimprovestudents‘operational skillsThispaperproposestobuildateachingplatformbasedonthesemi-physicalsimulationcockpitandvirtualsimulatiosystemtobuildatrainingsysteof\"physicalsimulation-mixedreality\"，whichcanrealizetheinteractivetroubleshotingdriloperationofaircraft，andsolvetheproblemsofhighcostandhighriskinthetradionaltrainingmodethroughthevirtualsimulationsystem tointegrate thevirtual andreal training scenarios，and improve the training quality of students.

Key words:aviation maintenance; semi-physical simulation cockpit; virtual simulation; interactive program

隨著我國航空產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)相關(guān)航空維修培訓行業(yè)的需求也在不斷地增加，經(jīng)過國內(nèi)民航培訓行業(yè)多年的發(fā)展，我國相關(guān)航空培訓行業(yè)已形成了較為完善的體系，而隨著國內(nèi)對民用航空器的持續(xù)引入，相關(guān)培訓行業(yè)的需求也在呈遞增的趨勢。以2024年為例，中國民用航空局(簡稱“民航局\"批準的飛行培訓機構(gòu)超過200家。近幾年，國內(nèi)航空機場在爭先擴建，航空器引人數(shù)量也在不斷地增加，隨著航空器數(shù)量的增多，民航業(yè)對航空維修專業(yè)高素質(zhì)人才的需求不斷增長。而航空維修專業(yè)是航空安全飛行的重要保障，通過航空維修來預(yù)防和消除航空器存在的潛在危險，對保障航空器的安全適航則尤為重要。在民航局鼓勵下，全國開設(shè)飛機維修類專業(yè)行業(yè)外的高職院校數(shù)量日益擴大。以需求量大、就業(yè)質(zhì)量高的飛機機電設(shè)備維修專業(yè)為例，該專業(yè)的高職院校數(shù)量從2008年的不到10所，到2011年已達30所，2016年達58所，

2019年達98所，截至2021年教育部備案數(shù)量已達

130所]。

航空維修專業(yè)與常規(guī)培訓行業(yè)不同，航空器的復(fù)雜性以及航空飛行安全的需求，決定了航空維修是一個責任重大且專業(yè)技術(shù)要求較高的行業(yè)。目前，航空維修專業(yè)采用理論講解和實踐培訓相結(jié)合的方式，但同時也面臨相關(guān)局限性的問題，如培訓成本高、培訓設(shè)備昂貴且數(shù)量有限、設(shè)備更新緩慢等諸多問題，如何更高效地提高航空維修專業(yè)的培訓效率和質(zhì)量，提升培訓效果，建立更完善的培訓體系，任重而道遠。

本文設(shè)計開發(fā)一種以空客A320駕駛艙為原型的機務(wù)維護模擬器仿真設(shè)備，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，搭建相關(guān)機務(wù)維護平臺，通過對駕駛艙內(nèi)的功能區(qū)域面板組件進行建立模型，制作A320駕駛艙的仿真設(shè)備，實現(xiàn)復(fù)刻駕駛艙內(nèi)儀表面板功能。同時，搭載以空客A320為模型的虛擬仿真系統(tǒng)，通過佩戴VR眼鏡，實現(xiàn)駕駛艙內(nèi)相關(guān)元件和真實飛機系統(tǒng)動態(tài)結(jié)合的操作環(huán)境，可實現(xiàn)真實飛機所無法觀察飛機故障的問題，解決學生理論學習與實操對接的高需求問題。

1航空維修培訓現(xiàn)狀分析

據(jù)統(tǒng)計，中國航空維修市場規(guī)模在逐年擴大，2023年已接近190億美元。預(yù)計在未來幾年內(nèi)中國航空維修行業(yè)市場將繼續(xù)保持增長態(tài)勢，年復(fù)合增長率有望達到 8% 左右，到2029年，整體市場規(guī)模將超過300億美元。面對航空維修市場的高需求，現(xiàn)有教育存在瓶頸問題，教學內(nèi)容對于滿足航空維修的需求存在一定的滯后性，實訓設(shè)備數(shù)量難以滿足大批量培訓學生使用需求，培訓設(shè)備的頻繁使用導致高損壞率、高危險環(huán)境的培訓風險問題等。

1.1培訓內(nèi)容與方法的滯后性

目前，在航空維修培訓中，部分培訓內(nèi)容仍沿用傳統(tǒng)教材，未及時更新技術(shù)以提高培養(yǎng)質(zhì)量?，F(xiàn)航空院校對航空維修專業(yè)的培養(yǎng)模式為理論培養(yǎng)結(jié)合147基本技能培訓的模式。對于該專業(yè)學生的理論培養(yǎng)，課程內(nèi)容模式較為固定，理論知識更新較為緩慢，因國內(nèi)民用航空器多引進于國外，國內(nèi)民航相關(guān)維修培訓的模式多借鑒于國外培養(yǎng)經(jīng)驗，與本土實際情況相結(jié)合，調(diào)整存在短板，導致理論與實踐脫節(jié)。而對于實踐教學，目前高校采用的是養(yǎng)成基本技能實踐和147基本技能實踐相結(jié)合的形式，但147基本技能費用較高，有些學生難以承擔費用而放棄報名。同時，147基本技能培訓培養(yǎng)周期較長，又分為理論培訓和實操培訓，培養(yǎng)周期分別各為2個月的脫產(chǎn)學習實踐，且在理論考核通過后才可以參加實操實踐。

航空維修對于實踐操作培訓的依賴度較高，在現(xiàn)有學生的培養(yǎng)過程中，接觸真實航空器作為培訓條件的機會較少。雖然，在高校的培養(yǎng)模式中，學生可以通過報名參加147基本理論學習的方式接觸實操實踐，但由于所參加培訓學生數(shù)量較多，而147培訓采用的是小組制，參加實操培訓因人員數(shù)量較多而會面臨排隊問題，以至于很多學生會在大四或部分研究生在研三的時候才能參加實操訓練，接觸實踐操作的時間較為滯后。因此，在航空維修專業(yè)學生培養(yǎng)過程中，其理論學習和真實航空器實踐操作匹配度欠佳，難以在航空器實踐與理論學習中很好地銜接。

1.2 培訓資源不足

在民航維修培訓中，學生接觸航空器的機會較少，航空器數(shù)量和類型不足，學生難以接觸真實設(shè)備。因航空器昂貴的價格，在多數(shù)高校中，購置航空器以供航空維修專業(yè)學生學習較為困難，而通過航空器進行培訓的方式，對于航空器的高頻率拆解訓練，極易造成零部件的損壞。同時，航空器的零部件均為航材件，其昂貴的更換成本更讓高校難以承擔。航空發(fā)動機試車時轉(zhuǎn)速高、排氣溫度高，含有航空燃油、高壓交流電等危險因素，學生開展航空發(fā)動機地面點火試車條件難度大，危險性高。因此，對于多數(shù)高校申請資金大量購置航空器以供學生培養(yǎng)使用不太現(xiàn)實。

在機務(wù)維修培訓中，高校還面臨師資力量不足的問題。因?qū)嵺`操作作教員需具備一線工作經(jīng)驗，而在高校教師隊伍中，恰恰缺少一線工作經(jīng)驗的機會。同時，相關(guān)培訓設(shè)備資源缺乏，面對實操培訓的高頻率使用，培訓設(shè)備損壞率極高，影響培訓的質(zhì)量。

因此，開發(fā)低成本的航空器模擬器，搭建先進的航空維修虛擬仿真平臺，借助虛擬現(xiàn)實(VR)和增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)，將駕駛艙和航空器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搬入課堂，為學生提供接近于真實航空器的維修場景，構(gòu)建航空院校學生的高素質(zhì)培養(yǎng)模式，是目前所需解決的問題。同時，虛擬仿真平臺可根據(jù)航空維修專業(yè)培養(yǎng)需求，開發(fā)多樣化的虛擬仿真訓練課程，模擬復(fù)雜工況的故障情況，提高學生的專業(yè)認知度。在虛擬仿真平臺，可以建立相關(guān)的評估系統(tǒng)，根據(jù)學生的訓練情況，分析評估學生在培訓過程中存在的問題，對于教師的教學進行反饋改進。

2航空維修虛擬仿真平臺建設(shè)

航空維修虛擬仿真平臺的搭建分為2部分：基于空客A320的半實物仿真駕駛艙和虛擬仿真系統(tǒng)。

2.1整體平臺搭建設(shè)計

半實物仿真駕駛艙以空客A320駕駛艙為原型，通過對A320駕駛艙進行建模，以自主設(shè)計的方式，對駕駛艙各個部件以實物的形式進行搭建，通過將A320駕駛艙以1:1比例復(fù)刻而再現(xiàn)駕駛艙的空間結(jié)構(gòu)，使學生可以在半實物仿真駕駛艙內(nèi)操作，感受真實航空器駕駛艙的操作環(huán)境，提高其模擬的真實度。

虛擬仿真系統(tǒng)以空客A320整機為原型，采用三維建模技術(shù)對飛機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行建模，通過動畫交互技術(shù)和飛機系統(tǒng)仿真技術(shù)，將飛機系統(tǒng)在虛擬場景中進行搭建，學生可以通過佩戴VR裝備，在虛擬場景中進行飛機相關(guān)故障的排故操作，并可觀察飛機架構(gòu)的故障情況，讓學生真實地了解飛機的各個部件及故障的常見情況，提高學生對飛機部件的識別度，解決學員在學習過程中“不知為何物”的問題，提升課堂學習質(zhì)量。

通過將空客A320半實物仿真駕駛艙和虛擬仿真系統(tǒng)相結(jié)合的方式，在半實物仿真駕駛艙內(nèi)進行相關(guān)操作，設(shè)置飛機相關(guān)系統(tǒng)所要訓練的故障類型，結(jié)合虛擬仿真系統(tǒng)，在仿真系統(tǒng)中模擬對應(yīng)部附件的故障，在虛擬仿真系統(tǒng)中，學生根據(jù)手冊內(nèi)容進行排故操作，完成維修(圖1)。

2.2空客A320半實物仿真駕駛艙平臺

空客A320駕駛艙分為頭頂板、遮光板、主儀表板、中央操縱臺、側(cè)操縱臺、腳蹬幾部分。本仿真駕駛艙以真實A320駕駛艙為原型，將A320駕駛艙以實物化設(shè)計并進行搭建制作，形成真實駕駛艙1:1比例復(fù)刻的平臺，從而將駕駛艙搬入課堂進行教學。

仿真駕駛艙在設(shè)計時，采用模塊化設(shè)計，以駕駛艙整體外殼作為承載主體，將駕駛艙內(nèi)功能區(qū)域分為頭頂板、遮光板、主儀表板、中央操縱臺、側(cè)操縱臺、腳蹬幾個模塊化區(qū)域作為不同的功能模塊，在每個模塊化區(qū)域，再根據(jù)功能面板分為子模塊。通過將不同的功能化模塊進行組裝，整合成A320駕駛艙的仿真實物平臺(圖2)。

2.3 虛擬仿真系統(tǒng)平臺

虛擬仿真平臺的搭建通過A320飛機整體結(jié)構(gòu)進行建模，將A320的整機結(jié)構(gòu)件進行建模設(shè)計，以復(fù)刻A320的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因A320整機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將所有結(jié)構(gòu)件再現(xiàn)任務(wù)量龐大，因此，在進行模擬仿真模型設(shè)計時，考慮對于所需開展課程所涉及到的部附件進行建模，而忽略掉所不需要的結(jié)構(gòu)部件，以減少工作量。

通過建立好的模型，結(jié)合動畫交互技術(shù)，搭建基于飛機系統(tǒng)仿真技術(shù)的平臺，可以在虛擬場景中模擬故障類型，設(shè)置故障類別，通過所佩戴的VR設(shè)備，在虛擬場景中選擇正確的排故方法，并通過場景化觀察出現(xiàn)相應(yīng)故障的飛機部附件情況（圖3）。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1空客A320半實物仿真駕駛艙設(shè)計

半實物仿真駕駛艙通過Creo三維軟件進行建模，根據(jù)所劃分的模塊化功能區(qū)域，將駕駛艙分為頭頂板、遮光板、主儀表板、中央操縱臺4部分分別進行建模(圖4)。在每個模塊化模組進行建模時，需考慮駕駛艙結(jié)構(gòu)復(fù)刻和功能實現(xiàn)2方面的要求，保證面板的外觀結(jié)構(gòu)和真實駕駛艙模塊完全復(fù)刻，在功能設(shè)計方面，雖是仿真件，但需要考慮能夠?qū)崿F(xiàn)操作信號的傳遞。

3.2 頭頂板

空客A320的頭頂板是駕駛艙的核心控制區(qū)域，包含空調(diào)面板、增壓面板、火警面板、燈光面板和APU面板等各功能單元模塊。頭頂板的設(shè)計根據(jù)其功能化，將其分為15個子模塊進行設(shè)計，通過參考駕駛艙內(nèi)頭頂板結(jié)構(gòu)，采用等比例的方式復(fù)刻其結(jié)構(gòu)(圖5）。

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3.3 遮光板

空客A320的遮光板位于主儀表板前方，集成了部分關(guān)鍵飛行控制單元FCU和EFIS。通過對EFIS和FCU進行建模設(shè)計，根據(jù)其功能結(jié)構(gòu)設(shè)計功能面板模組，分為EFIS和FCU兩子單元模塊，實現(xiàn)EFIS和FCU的功能信息傳遞元件組建（圖6）。

3.4 主儀表板

空客A320的主儀表板是駕駛艙的核心顯示與操作區(qū)域，集中呈現(xiàn)飛行關(guān)鍵數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)，包含儀表顯示器和起落架選擇手柄等控制元件。儀表顯示器

通過搭載顯示屏實現(xiàn)儀表的顯示功能，其他功能元件，考慮其功能化，進行相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(圖7)。

3.5 中央操縱臺

空客A320的中央操縱臺位于駕駛艙中部，是飛行員進行飛行操縱和動力控制的核心區(qū)域，集成了一系列關(guān)鍵操縱裝置和系統(tǒng)控制組件，包含MCDU、自動油門、氣象雷達和減速板等控制單元。對于該部件依然采用模塊化設(shè)計，實現(xiàn)其信號傳遞功能（圖8）。

4虛擬仿真平臺系統(tǒng)設(shè)計

飛機訓練科目中的維修任務(wù)，按照“維修任務(wù) $$ 工作卡 $$ 操作單元\"3級多層定義方式，自頂向下逐層分解，直至分解到操作單元4。該仿真平臺的搭建，以飛機ATA章節(jié)劃分體系結(jié)構(gòu)，面向航空電子、電氣、機械、發(fā)動機等不同專業(yè)方向，根據(jù)各機務(wù)專業(yè)的培養(yǎng)方案，靈活而有針對性地選擇部件位置識別的內(nèi)容，不必局限于飛機部件實物和場地的限制[5]。

虛擬仿真平臺的搭建，借助Maya建模軟件建立模型，并結(jié)合交互程序開發(fā)軟件Unity3D實現(xiàn)相應(yīng)動畫交互功能的開發(fā)。交互程序的開發(fā)基于Unity3D軟件，根據(jù)Unity3D平臺所開發(fā)的編輯制作程序WEAVR平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)無編程化的編制[4。

通過Maya建模軟件，將空客A320飛機功能結(jié)構(gòu)進行建立模型。分析所訓練科目涉及部附件，對其建立模型，組裝相應(yīng)的裝配體。然后通過WEAVR平臺，