基于Prepar3D的虛擬仿真技術在民航機務實踐教學中的應用①

薛鵬

摘 要：目前民航機務很多培訓工作缺乏生動性和直接性，用真機訓練受到時間、場地等條件限制，訓練成本高，飛機容易損壞。基于Prepar3D的虛擬仿真技術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維修實踐教學存在的問題，介紹了Prepar3D平臺，并以實際課程為例介紹了基于Prepar3D的虛擬仿真技術在民航機務實踐教學中的應用，最后分析了這種技術應用在機務實踐教學中的意義。

關鍵詞：民航 機務 實踐教學 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

目前機務很多培訓工作主要采用教師結合文本、圖片講解，學生到實物上練習的培訓模式，缺乏生動性和直接性。另外，當今飛機制造技術發展迅速，新的機型層出不窮，對于機務教學來講無法投入大量的真實的飛機供學生維修培訓。而且，在真機上培訓還會受到時間、場地等條件的限制，訓練成本高，飛機容易損壞。傳統機務實踐教學的局限性與教學設備規模嚴重裸游與迅速增長的學生隊伍使得機務教學質量受到嚴峻挑戰[1]。

虛擬仿真技術是一個虛擬環境，能夠對各種環境和實物進行高度模擬，當人們進入該環境并與其進行交互時，可產生“身臨其境”的感覺[2]。所以基于虛擬仿真技術開發的維護仿真平臺一出現就迅速成為了機務培訓的重要組成部分。國外專家學者對于虛擬維修培訓技術的應用做了大量的研究。新加坡南洋理工大學的Wang等開發了V-REALISM用于虛擬維修的培訓[3]。意大利薩勒諾大學的Abate等研究出了一種航空中基于觸覺系統的虛擬維修訓練方法[4]。國內對于虛擬維修的研究較晚。軍械工程學院的郝建平等人提出了一種基于Multi-Agent的虛擬維修訓練系統VMTS[5]，對于虛擬維修培訓技術的研究有重要意義。

教育部從2008年起頒發了一系列文件指出，實踐教學要“大力推動仿真、多媒體課件等數字化教學資源開發”，“重點解決常規的教學手段技術、設施設備難以實現的實習實踐問題，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的需求”[6]，這表明了機務實踐教學的方向是利用虛擬仿真技術彌補目前教學設備短缺等亟待解決的問題。

2 民航機務維修實踐教學存在的問題

2.1 教學內容與教學設備不能緊跟民航機務維修發展的步伐

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

2.2 教學手段較為枯燥

機務維修實踐課的教學主要是通過老師通過PPT、展板等形式講解，學生在一些訓練臺架上練習的形式進行。這種方法很難直觀形象地將系統的結構、原理、系統之間的連接關系講解清楚，而且這種教學方法的效果也會隨著教師授課學生人數的增加而大打折扣。因此我們迫切需要引入新的教學方式，提高教學質量。

2.3 工位嚴重不足

由于民航院校的實踐教學設備普遍不足，實踐教學中經常出現“僧多粥少”的情況，從而導致學生排隊等候的情況較多，學習效率低下，教師在短時間內多次重復同樣內容，也無法達到最佳教學效果。

2.4 實踐教學的學時不足

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

3 Prepar3D平臺

Lockheed martin（洛克希德馬丁，F35，F22制造商）在2010年正式發布了Prepar3D。它的設計和架構更加偏向于專業教學及評估使用，功能面向的對象也主要是一些有規模的商業組織、軍方及科研機構。開發人員可以使用Prepar3D的環境，在最先進的平臺上創造新的培訓解決方案，在該平臺下開發的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工具包（SDK）文檔，并支持最新的的3DStudio最大工具，開發人員可以在環境中開發自己需要的功能。

Simdirector作為Prepare3D3.4的新功能發布。在此之前，開發Prepare3D任務只能通過編寫文字代碼完成，Simdirector將之前通過特定函數實現的任務流程以可視化對象展現，通過流程圖方式直觀表現函數之間的關系，大幅減少了任務開發的工作量，如圖2所示。

4 基于Prepar3D的虛擬仿真技術在民航機務實踐教學中的應用

以《飛機及發動機勤務》課程為例，基于Prepar3D平臺虛擬仿真技術在課程中的應用包括以下幾方面。

4.1 課程內容方面

根據課程的實踐內容，設置737NG飛機前起落架檢查、左側前段機身區域檢查、機頭區域檢查、右側前段機身區域檢查、右發動機區域檢查、右機翼區域檢查、右起落架及右主輪艙區域檢查、右側后段機身區域檢查、飛機尾部區域檢查、左側后段機身區域檢查、左起落架及左主輪艙區域檢查、左機翼區域檢查、左發動機區域檢查、硬著陸跡象檢查、輪胎壓力檢查以及結束繞行檢查等實踐步驟，學生可完成每個項目的虛擬仿真練習，掌握737NG飛機的具體航后檢查內容，根據課程需求開發的教學應用如圖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不再局限于課堂內完成。現有的實踐練習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生隨意進入。利用虛擬仿真平臺和學校的Bb平臺可以使學生在課前了解勤務課程授課內容，提升課堂內的學習效率，對一些不容易理解的內容課后還可進行鞏固練習，直到完全掌握實踐內容。

4.3 利用虛擬仿真平臺進行實踐考核

大多數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生重復所有的操作。虛擬仿真平臺提供了一個很好的考核方式，教師可以通過設置考核模塊，學生在虛擬仿真平臺上操作整個過程、輸入檢查結果、并完成相關的問題，系統記錄學生的考試情況，并將結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學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容操作的考核辦法結合，從而更加全面、客觀地對學生做出評價。

5 基于Prepar3D的虛擬仿真技術應用在機務實踐教學中的意義

將基于Prepar3D虛擬仿真技術應用于機務維修實踐課程的教學中，能讓學生增加新的學習途徑，多方位、浸入式的進行學習，對于民航的機務實踐教學有非常大的好處。

5.1 提高效率

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

5.2 降低損耗

實踐教學過程中的教學設備損壞主要有兩種原因，一是學生積累的經驗不足，由于操作失誤造成的非正常損壞；二是短時間內重復操作導致的正常損耗。在現有的實踐教學模式下，學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知識，學生需要在設備上反復練習，這就更加劇了設備的磨損和耗材的使用。而利用虛擬仿真平臺，學生可先在平臺上反復練習，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動機的損壞。

5.3 增加安全可靠性

學生在Prepar3D平臺下使用虛擬仿真實踐系統出現誤操作時，完全不會造成設備的損壞和對學生人身的傷害。通過虛擬仿真實踐后，學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 考評結合，提升教學效果

利用Prepar3D開發的虛擬仿真實踐平臺可以完成對學生進行考核，每個學生在平臺上單獨完成項目的虛擬檢查，并回答相關問題，輸入檢測結果，而且平臺能比較客觀反應學生對檢查步驟的掌握情況，檢驗學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質量有很大的幫助。

6 結語

現有的機務維修實踐教學完全依賴飛機和發動機等設備實物，造成了實踐教學中存在很多問題。該文介紹的基于Prepar3D虛擬仿真技術能夠較好地豐富現有民航機務實踐教學環節，能夠改善實踐教學設備落后、教學手段枯燥、工位不足、教學時間不足等缺點，具有學習效率高、過程無損耗、全程安全可靠、考評結合等優點，可以極大的提高民航院校機務實踐教學質量和機務類學生的工程應用能力。

參考文獻

[1] 劉亞豐，余龍江.虛擬仿真實驗教學中心建設理念及發展模式探索[J].實驗技術與管理.2016，33（4）：108-110.

[2] 吳旭琤.飛機虛擬維修仿真的設計重用方法[J].微型電腦應用， 2013， 29（9）：36-39.

[3] Qing-Hui Wang，Jing-Rong Li，Bao-Li Wu，et al.Live parametric design modifications in CAD-linked virtual environment[J].Int J adv Manuf Technol，2010（50）：859-869.

[4] Abate A F，Guida M，Leoncini P，et al.A haptic-based approach to virtual training for aerospace industry [J]Journal of Virtual Languages and Computing ，2009，20（5）：318～325.

[5] 郝建平，蔣科藝，王松山，等.基于虛擬維修仿真的維修性分析技術研究及系統實現[J].數字制造科學，2004，2（3）：35-36.

[6] 教育部.關于進一步深化中等教育教學改革的若干意見.教職成[2008]8號.