航空維修虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(guó)航空產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)相關(guān)航空維修培訓(xùn)行業(yè)的需求也在不斷地增加，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)民航培訓(xùn)行業(yè)多年的發(fā)展，我國(guó)相關(guān)航空培訓(xùn)行業(yè)已形成了較為完善的體系，而隨著國(guó)內(nèi)對(duì)民用航空器的持續(xù)引入，相關(guān)培訓(xùn)行業(yè)的需求也在呈遞增的趨勢(shì)。以2024年為例，中國(guó)民用航空局(簡(jiǎn)稱“民航局\"批準(zhǔn)的飛行培訓(xùn)機(jī)構(gòu)超過(guò)200家。近幾年，國(guó)內(nèi)航空機(jī)場(chǎng)在爭(zhēng)先擴(kuò)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(duì)航空維修專業(yè)高素質(zhì)人才的需求不斷增長(zhǎng)。而航空維修專業(yè)是航空安全飛行的重要保障，通過(guò)航空維修來(lái)預(yù)防和消除航空器存在的潛在危險(xiǎn)，對(duì)保障航空器的安全適航則尤為重要。在民航局鼓勵(lì)下，全國(guó)開設(shè)飛機(jī)維修類專業(yè)行業(yè)外的高職院校數(shù)量日益擴(kuò)大。以需求量大、就業(yè)質(zhì)量高的飛機(jī)機(jī)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(dá)30所，2016年達(dá)58所，

2019年達(dá)98所，截至2021年教育部備案數(shù)量已達(dá)

130所]。

航空維修專業(yè)與常規(guī)培訓(xùn)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(gè)責(zé)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(shí)踐培訓(xùn)相結(jié)合的方式，但同時(shí)也面臨相關(guān)局限性的問(wèn)題，如培訓(xùn)成本高、培訓(xùn)設(shè)備昂貴且數(shù)量有限、設(shè)備更新緩慢等諸多問(wèn)題，如何更高效地提高航空維修專業(yè)的培訓(xùn)效率和質(zhì)量，提升培訓(xùn)效果，建立更完善的培訓(xùn)體系，任重而道遠(yuǎn)。

本文設(shè)計(jì)開發(fā)一種以空客A320駕駛艙為原型的機(jī)務(wù)維護(hù)模擬器仿真設(shè)備，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，搭建相關(guān)機(jī)務(wù)維護(hù)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)駕駛艙內(nèi)的功能區(qū)域面板組件進(jìn)行建立模型，制作A320駕駛艙的仿真設(shè)備，實(shí)現(xiàn)復(fù)刻駕駛艙內(nèi)儀表面板功能。同時(shí)，搭載以空客A320為模型的虛擬仿真系統(tǒng)，通過(guò)佩戴VR眼鏡，實(shí)現(xiàn)駕駛艙內(nèi)相關(guān)元件和真實(shí)飛機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)合的操作環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)真實(shí)飛機(jī)所無(wú)法觀察飛機(jī)故障的問(wèn)題，解決學(xué)生理論學(xué)習(xí)與實(shí)操對(duì)接的高需求問(wèn)題。

1航空維修培訓(xùn)現(xiàn)狀分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)航空維修市場(chǎng)規(guī)模在逐年擴(kuò)大，2023年已接近190億美元。預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)中國(guó)航空維修行業(yè)市場(chǎng)將繼續(xù)保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，年復(fù)合增長(zhǎng)率有望達(dá)到 8% 左右，到2029年，整體市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)300億美元。面對(duì)航空維修市場(chǎng)的高需求，現(xiàn)有教育存在瓶頸問(wèn)題，教學(xué)內(nèi)容對(duì)于滿足航空維修的需求存在一定的滯后性，實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量難以滿足大批量培訓(xùn)學(xué)生使用需求，培訓(xùn)設(shè)備的頻繁使用導(dǎo)致高損壞率、高危險(xiǎn)環(huán)境的培訓(xùn)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題等。

1.1培訓(xùn)內(nèi)容與方法的滯后性

目前，在航空維修培訓(xùn)中，部分培訓(xùn)內(nèi)容仍沿用傳統(tǒng)教材，未及時(shí)更新技術(shù)以提高培養(yǎng)質(zhì)量。現(xiàn)航空院校對(duì)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(xùn)的模式。對(duì)于該專業(yè)學(xué)生的理論培養(yǎng)，課程內(nèi)容模式較為固定，理論知識(shí)更新較為緩慢，因國(guó)內(nèi)民用航空器多引進(jìn)于國(guó)外，國(guó)內(nèi)民航相關(guān)維修培訓(xùn)的模式多借鑒于國(guó)外培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)，與本土實(shí)際情況相結(jié)合，調(diào)整存在短板，導(dǎo)致理論與實(shí)踐脫節(jié)。而對(duì)于實(shí)踐教學(xué)，目前高校采用的是養(yǎng)成基本技能實(shí)踐和147基本技能實(shí)踐相結(jié)合的形式，但147基本技能費(fèi)用較高，有些學(xué)生難以承擔(dān)費(fèi)用而放棄報(bào)名。同時(shí)，147基本技能培訓(xùn)培養(yǎng)周期較長(zhǎng)，又分為理論培訓(xùn)和實(shí)操培訓(xùn)，培養(yǎng)周期分別各為2個(gè)月的脫產(chǎn)學(xué)習(xí)實(shí)踐，且在理論考核通過(guò)后才可以參加實(shí)操實(shí)踐。

航空維修對(duì)于實(shí)踐操作培訓(xùn)的依賴度較高，在現(xiàn)有學(xué)生的培養(yǎng)過(guò)程中，接觸真實(shí)航空器作為培訓(xùn)條件的機(jī)會(huì)較少。雖然，在高校的培養(yǎng)模式中，學(xué)生可以通過(guò)報(bào)名參加147基本理論學(xué)習(xí)的方式接觸實(shí)操實(shí)踐，但由于所參加培訓(xùn)學(xué)生數(shù)量較多，而147培訓(xùn)采用的是小組制，參加實(shí)操培訓(xùn)因人員數(shù)量較多而會(huì)面臨排隊(duì)問(wèn)題，以至于很多學(xué)生會(huì)在大四或部分研究生在研三的時(shí)候才能參加實(shí)操訓(xùn)練，接觸實(shí)踐操作的時(shí)間較為滯后。因此，在航空維修專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程中，其理論學(xué)習(xí)和真實(shí)航空器實(shí)踐操作匹配度欠佳，難以在航空器實(shí)踐與理論學(xué)習(xí)中很好地銜接。

1.2 培訓(xùn)資源不足

在民航維修培訓(xùn)中，學(xué)生接觸航空器的機(jī)會(huì)較少，航空器數(shù)量和類型不足，學(xué)生難以接觸真實(shí)設(shè)備。因航空器昂貴的價(jià)格，在多數(shù)高校中，購(gòu)置航空器以供航空維修專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)較為困難，而通過(guò)航空器進(jìn)行培訓(xùn)的方式，對(duì)于航空器的高頻率拆解訓(xùn)練，極易造成零部件的損壞。同時(shí)，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(dān)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)轉(zhuǎn)速高、排氣溫度高，含有航空燃油、高壓交流電等危險(xiǎn)因素，學(xué)生開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面點(diǎn)火試車條件難度大，危險(xiǎn)性高。因此，對(duì)于多數(shù)高校申請(qǐng)資金大量購(gòu)置航空器以供學(xué)生培養(yǎng)使用不太現(xiàn)實(shí)。

在機(jī)務(wù)維修培訓(xùn)中，高校還面臨師資力量不足的問(wèn)題。因?qū)嵺`操作作教員需具備一線工作經(jīng)驗(yàn)，而在高校教師隊(duì)伍中，恰恰缺少一線工作經(jīng)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。同時(shí)，相關(guān)培訓(xùn)設(shè)備資源缺乏，面對(duì)實(shí)操培訓(xùn)的高頻率使用，培訓(xùn)設(shè)備損壞率極高，影響培訓(xùn)的質(zhì)量。

因此，開發(fā)低成本的航空器模擬器，搭建先進(jìn)的航空維修虛擬仿真平臺(tái)，借助虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(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(xué)生提供接近于真實(shí)航空器的維修場(chǎng)景，構(gòu)建航空院校學(xué)生的高素質(zhì)培養(yǎng)模式，是目前所需解決的問(wèn)題。同時(shí)，虛擬仿真平臺(tái)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(xùn)練課程，模擬復(fù)雜工況的故障情況，提高學(xué)生的專業(yè)認(rèn)知度。在虛擬仿真平臺(tái)，可以建立相關(guān)的評(píng)估系統(tǒng)，根據(jù)學(xué)生的訓(xùn)練情況，分析評(píng)估學(xué)生在培訓(xùn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，對(duì)于教師的教學(xué)進(jìn)行反饋改進(jìn)。

2航空維修虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)

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

2.1整體平臺(tái)搭建設(shè)計(jì)

半實(shí)物仿真駕駛艙以空客A320駕駛艙為原型，通過(guò)對(duì)A320駕駛艙進(jìn)行建模，以自主設(shè)計(jì)的方式，對(duì)駕駛艙各個(gè)部件以實(shí)物的形式進(jìn)行搭建，通過(guò)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(xué)生可以在半實(shí)物仿真駕駛艙內(nèi)操作，感受真實(shí)航空器駕駛艙的操作環(huán)境，提高其模擬的真實(shí)度。

虛擬仿真系統(tǒng)以空客A320整機(jī)為原型，采用三維建模技術(shù)對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，通過(guò)動(dòng)畫交互技術(shù)和飛機(jī)系統(tǒng)仿真技術(shù)，將飛機(jī)系統(tǒng)在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行搭建，學(xué)生可以通過(guò)佩戴VR裝備，在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行飛機(jī)相關(guān)故障的排故操作，并可觀察飛機(jī)架構(gòu)的故障情況，讓學(xué)生真實(shí)地了解飛機(jī)的各個(gè)部件及故障的常見情況，提高學(xué)生對(duì)飛機(jī)部件的識(shí)別度，解決學(xué)員在學(xué)習(xí)過(guò)程中“不知為何物”的問(wèn)題，提升課堂學(xué)習(xí)質(zhì)量。

通過(guò)將空客A320半實(shí)物仿真駕駛艙和虛擬仿真系統(tǒng)相結(jié)合的方式，在半實(shí)物仿真駕駛艙內(nèi)進(jìn)行相關(guān)操作，設(shè)置飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)所要訓(xùn)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(duì)應(yīng)部附件的故障，在虛擬仿真系統(tǒng)中，學(xué)生根據(jù)手冊(cè)內(nèi)容進(jìn)行排故操作，完成維修(圖1)。

2.2空客A320半實(shí)物仿真駕駛艙平臺(tái)

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

仿真駕駛艙在設(shè)計(jì)時(shí)，采用模塊化設(shè)計(jì)，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(tái)、側(cè)操縱臺(tái)、腳蹬幾個(gè)模塊化區(qū)域作為不同的功能模塊，在每個(gè)模塊化區(qū)域，再根據(jù)功能面板分為子模塊。通過(guò)將不同的功能化模塊進(jìn)行組裝，整合成A320駕駛艙的仿真實(shí)物平臺(tái)(圖2)。

2.3 虛擬仿真系統(tǒng)平臺(tái)

虛擬仿真平臺(tái)的搭建通過(guò)A320飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，將A320的整機(jī)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，以復(fù)刻A320的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因A320整機(jī)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(jìn)行模擬仿真模型設(shè)計(jì)時(shí)，考慮對(duì)于所需開展課程所涉及到的部附件進(jìn)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(guò)建立好的模型，結(jié)合動(dòng)畫交互技術(shù)，搭建基于飛機(jī)系統(tǒng)仿真技術(shù)的平臺(tái)，可以在虛擬場(chǎng)景中模擬故障類型，設(shè)置故障類別，通過(guò)所佩戴的VR設(shè)備，在虛擬場(chǎng)景中選擇正確的排故方法，并通過(guò)場(chǎng)景化觀察出現(xiàn)相應(yīng)故障的飛機(jī)部附件情況（圖3）。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1空客A320半實(shí)物仿真駕駛艙設(shè)計(jì)

半實(shí)物仿真駕駛艙通過(guò)Creo三維軟件進(jìn)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(tái)4部分分別進(jìn)行建模(圖4)。在每個(gè)模塊化模組進(jìn)行建模時(shí)，需考慮駕駛艙結(jié)構(gòu)復(fù)刻和功能實(shí)現(xiàn)2方面的要求，保證面板的外觀結(jié)構(gòu)和真實(shí)駕駛艙模塊完全復(fù)刻，在功能設(shè)計(jì)方面，雖是仿真件，但需要考慮能夠?qū)崿F(xiàn)操作信號(hào)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(jì)根據(jù)其功能化，將其分為15個(gè)子模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)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）。

D □ 品 口 6 6 QQ.G □ 品 QQ 品

品 回Qc 0 品 G 品 000 麗

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回QQ G D 回 ·四Q □ 8 品 SL

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(guò)對(duì)EFIS和FCU進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，根據(jù)其功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能面板模組，分為EFIS和FCU兩子單元模塊，實(shí)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(guò)搭載顯示屏實(shí)現(xiàn)儀表的顯示功能，其他功能元件，考慮其功能化，進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(圖7)。

3.5 中央操縱臺(tái)

空客A320的中央操縱臺(tái)位于駕駛艙中部，是飛行員進(jìn)行飛行操縱和動(dòng)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(dòng)油門、氣象雷達(dá)和減速板等控制單元。對(duì)于該部件依然采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其信號(hào)傳遞功能（圖8）。

4虛擬仿真平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飛機(jī)訓(xùn)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(jí)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(tái)的搭建，以飛機(jī)ATA章節(jié)劃分體系結(jié)構(gòu)，面向航空電子、電氣、機(jī)械、發(fā)動(dòng)機(jī)等不同專業(yè)方向，根據(jù)各機(jī)務(wù)專業(yè)的培養(yǎng)方案，靈活而有針對(duì)性地選擇部件位置識(shí)別的內(nèi)容，不必局限于飛機(jī)部件實(shí)物和場(chǎng)地的限制[5]。

虛擬仿真平臺(tái)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(shí)現(xiàn)相應(yīng)動(dòng)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(tái)所開發(fā)的編輯制作程序WEAVR平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)編程化的編制[4。

通過(guò)Maya建模軟件，將空客A320飛機(jī)功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行建立模型。分析所訓(xùn)練科目涉及部附件，對(duì)其建立模型，組裝相應(yīng)的裝配體。然后通過(guò)WEAVR平臺(tái)，