基于Prepar3D的虛擬仿真技術(shù)在民航機(jī)務(wù)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用①

基于Prepar3D的虛擬仿真技術(shù)在民航機(jī)務(wù)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用①基于Prepar3D的虛擬仿真技術(shù)在民航機(jī)務(wù)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用①

中圖分類號：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791〔2022〕06〔c〕-0161-04

Abstract：Atpresent，manymaintenancetrainingworksarelackofvividnessanddirectness.Iftherealaircraftisusedinthetraining，thequantity，thetrainingtimeandthecostareveryseriousproblems，alsoitiseasytodamagetheaircraft.ThevirtualsimulationtechnologybasedonPrepar3Dprovidesagoodsolutiontotheseproblems.Thispaperanalyzesthecurrentaviationmaintenancepracticeteachingproblems，andintroducesthePrepar3D.AvirtualsimulationtechnologyapplicationbasedonPrepar3Disusedinacivilaviationmaintenancecurriculum.Inthelast，thesignificanceofthetechnologyusedonthemaintenancepracticeteachingisbeanalyzed.

KeyWords：CivilAviationMaintenancePracticeTeachingVirtualSimulationPrepar3D

目前機(jī)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(shí)物上練習(xí)的培訓(xùn)模式，不足生動(dòng)性和直接性。另外，當(dāng)今飛機(jī)制造技術(shù)開展迅速，新的機(jī)型層出不窮，對于機(jī)務(wù)教學(xué)來講無法投入大量的真實(shí)的飛機(jī)供學(xué)生維修培訓(xùn)。而且，在真機(jī)上培訓(xùn)還會(huì)受到時(shí)間、場地等條件的限制，訓(xùn)練本錢高，飛機(jī)容易損壞。傳統(tǒng)機(jī)務(wù)實(shí)踐教學(xué)的局限性與教學(xué)設(shè)備規(guī)模嚴(yán)重裸游與迅速增長的學(xué)生隊(duì)伍使得機(jī)務(wù)教學(xué)質(zhì)量受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。

虛擬仿真技術(shù)是一個(gè)虛擬環(huán)境，能夠?qū)Ω鞣N環(huán)境和實(shí)物進(jìn)行高度模擬，當(dāng)人們進(jìn)入該環(huán)境并與其進(jìn)行交互時(shí)，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(hù)仿真平臺(tái)一出現(xiàn)就迅速成為了機(jī)務(wù)培訓(xùn)的重要組成局部。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)練辦法[4]。國內(nèi)對于虛擬維修的研究較晚。軍械項(xiàng)目學(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2022年起頒發(fā)了一系列文件指出，實(shí)踐教學(xué)要“大力推動(dòng)仿真、多媒體課件等數(shù)字化教學(xué)資源開發(fā)〞，“重點(diǎn)解決常規(guī)的教學(xué)伎倆技術(shù)、設(shè)施設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)習(xí)實(shí)踐問題，主要為了滿足有急迫需求并覆蓋范圍廣的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的需求〞[6]，這說明了機(jī)務(wù)實(shí)踐教學(xué)的方向是利用虛擬仿真技術(shù)彌補(bǔ)目前教學(xué)設(shè)備短缺等亟待解決的問題。

2民航機(jī)務(wù)維修實(shí)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(jī)務(wù)維修開展的步伐

由于飛機(jī)價(jià)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，不能大批量購買的在役飛機(jī)供學(xué)生用作實(shí)踐教學(xué)。只能使用一些退役飛機(jī)用于教學(xué)，示例707、運(yùn)7、伊爾18等。由于實(shí)踐設(shè)備的落后，實(shí)踐內(nèi)容也無法跟上民航行業(yè)的開展，學(xué)生學(xué)習(xí)后也普遍反映學(xué)到的知識與實(shí)際工作有很大的差別。

2.2教學(xué)伎倆較為干燥

機(jī)務(wù)維修實(shí)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(tái)架上練習(xí)的形式進(jìn)行。這種辦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)系講解分明，而且這種教學(xué)辦法的效果也會(huì)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(yán)重缺乏

由于民航院校的實(shí)踐教學(xué)設(shè)備普遍缺乏，實(shí)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(duì)等候的情況較多，學(xué)習(xí)效率低下，教師在短時(shí)間內(nèi)屢次重復(fù)同樣內(nèi)容，也無法到達(dá)最正確教學(xué)效果。

2.4實(shí)踐教學(xué)的學(xué)時(shí)缺乏

目前，機(jī)務(wù)教育普遍存在理論與實(shí)踐教學(xué)課時(shí)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(shí)踐課程的學(xué)時(shí)占比偏少。有些專業(yè)的人才培養(yǎng)計(jì)劃中，整個(gè)實(shí)踐教學(xué)所占的比重還達(dá)不到1/5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)踐教學(xué)的需要，也與機(jī)務(wù)教育培養(yǎng)復(fù)合型項(xiàng)目技術(shù)人才的目標(biāo)相矛盾。在機(jī)務(wù)教育相對興旺的國家，實(shí)踐課程能占整個(gè)教學(xué)任務(wù)的一半，甚至要超過理論課時(shí)，而我們的實(shí)踐教學(xué)課時(shí)量還很少，因此在現(xiàn)有情況下應(yīng)想方法延長實(shí)踐教學(xué)的時(shí)間，提升學(xué)生實(shí)踐的效率。3Prepar3D平臺(tái)

Lockheedmartin〔洛克希德馬丁，F(xiàn)35，F(xiàn)22制造商〕在2022年正式發(fā)布了Prepar3D。它的設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)。開發(fā)人員可以使用Prepar3D的環(huán)境，在最先進(jìn)的平臺(tái)上發(fā)明新的培訓(xùn)解決計(jì)劃，在該平臺(tái)下開發(fā)的Demo如圖1所示。在兼容Windows7和VisualStudio2022中，它提供了一個(gè)WindowsPresentationFoundation〔WPF〕的用戶界面，外部仿真功能，提供增強(qiáng)的仿真代碼的控制，新的軟件更新的代碼例如開發(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(shí)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(jī)務(wù)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

以?飛機(jī)及動(dòng)員機(jī)勤務(wù)》課程為例，基于Prepar3D平臺(tái)虛擬仿真技術(shù)在課程中的應(yīng)用包括下列幾方面。

4.1課程內(nèi)容方面

根據(jù)課程的實(shí)踐內(nèi)容，設(shè)置737NG飛機(jī)前起落架檢查、左側(cè)前段機(jī)身區(qū)域檢查、機(jī)頭區(qū)域檢查、右側(cè)前段機(jī)身區(qū)域檢查、右動(dòng)員機(jī)區(qū)域檢查、右機(jī)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(jī)身區(qū)域檢查、飛機(jī)尾部區(qū)域檢查、左側(cè)后段機(jī)身區(qū)域檢查、左起落架及左主輪艙區(qū)域檢查、左機(jī)翼區(qū)域檢查、左動(dòng)員機(jī)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(shí)踐步驟，學(xué)生可完成每個(gè)工程的虛擬仿真練習(xí)，掌握737NG飛機(jī)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課程安頓方面

通過虛擬仿真平臺(tái)可以使實(shí)踐教學(xué)不再局限于課堂內(nèi)完成?，F(xiàn)有的實(shí)踐練習(xí)只能在固定的時(shí)間和機(jī)坪固定的場地，出于平安的考慮，非上課時(shí)間停機(jī)坪不允許學(xué)生隨意進(jìn)入。利用虛擬仿真平臺(tái)和學(xué)校的Bb平臺(tái)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(jìn)行穩(wěn)固練習(xí)，直到完全掌握實(shí)踐內(nèi)容。

4.3利用虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐考核

大多數(shù)實(shí)踐課程都短少一個(gè)比擬好的考核方式，很多工程無法利用短暫的考核時(shí)間讓學(xué)生重復(fù)所有的操作。《擬仿真平臺(tái)提供了一個(gè)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(tái)上操作整個(gè)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(gè)課程局部考核成績。這種考核辦法能比擬客觀反饋學(xué)生對課程講授的掌握情況，可以與目前純筆試或者選取局部內(nèi)容操作的考核方法結(jié)合，從而更加全面、客觀地對學(xué)生做出評價(jià)。

5基于Prepar3D的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在機(jī)務(wù)實(shí)踐教學(xué)中的意義

將基于Prepar3D虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于機(jī)務(wù)維修實(shí)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(jìn)行學(xué)習(xí)，對于民航的機(jī)務(wù)實(shí)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(shí)學(xué)生到真實(shí)的飛機(jī)和動(dòng)員機(jī)上練習(xí)，但它能夠讓學(xué)生在到真實(shí)飛機(jī)上進(jìn)行操作前對整個(gè)飛機(jī)和動(dòng)員機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、檢查流程、考前須知等都有比擬全面的了解，學(xué)生再到飛機(jī)和動(dòng)員機(jī)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(shí)間能掌握更多的實(shí)踐內(nèi)容。

5.2降低損耗

實(shí)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(yàn)缺乏，由于操作失誤造成的非正常損壞；二是短時(shí)間內(nèi)重復(fù)操作導(dǎo)致的正常損耗。在現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)模式下，學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐前往往并不分明檢查的要點(diǎn)和考前須知，這極易造成第一種原因的非正常損壞。同時(shí)，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(tái)，學(xué)生可先在平臺(tái)上反復(fù)練習(xí)，掌握課程的重點(diǎn)難點(diǎn)和考前須知后再進(jìn)行實(shí)際操作就不容易造成飛機(jī)和動(dòng)員機(jī)的損壞。

5.3增加平安可靠性

學(xué)生在Prepar3D平臺(tái)下使用虛擬仿真實(shí)踐系統(tǒng)出現(xiàn)誤操作時(shí)，完全不會(huì)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(shí)踐后，學(xué)生可以很好地掌握各工程的重點(diǎn)難點(diǎn)操作流程、所包含的原理以及考前須知，在實(shí)踐課程中遇到時(shí)可以沉著的解決這些問題。

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(shí)踐平臺(tái)可以完成對學(xué)生進(jìn)行考核，每個(gè)學(xué)生在平臺(tái)上獨(dú)自完成工程的虛擬檢查，并答復(fù)相關(guān)問題，輸入檢測結(jié)果，而且平臺(tái)能比擬客觀反饋學(xué)生對檢查步驟的掌握情況，檢驗(yàn)學(xué)生對檢查過