虛擬現(xiàn)實技術(shù)在民航維修培訓(xùn)中的應(yīng)用

■ 蔡國華/廈門航空有限公司

0 引言

隨著我國民航業(yè)的快速發(fā)展，特別是后疫情時代航空業(yè)復(fù)蘇，國內(nèi)各航司機隊規(guī)模持續(xù)增長，成熟維修人員數(shù)量的增加不能滿足機隊規(guī)模的增長需求。因此，尋求培訓(xùn)新思路、應(yīng)用培訓(xùn)新方法、提高培訓(xùn)效率成為各航司維修人員培訓(xùn)部門的當(dāng)務(wù)之急。在傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式中引入更多的新技術(shù)、新方法已成為民航維修培訓(xùn)的發(fā)展趨勢，讓培訓(xùn)模式從“單一性”向“多樣性”發(fā)展，全面提升培訓(xùn)質(zhì)量。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境對學(xué)生的學(xué)習(xí)具有巨大的輔助和促進作用[1]。本文重點使用SWOT 模型分析了VR 技術(shù)應(yīng)用于民航維修培訓(xùn)的可行性，并通過基于VR 的培訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)建展示了VR 在維修人員培訓(xùn)中的應(yīng)用效果。

1 民航維修現(xiàn)有培訓(xùn)模式面臨的難點與痛點分析

民航維修人員的資質(zhì)能力培訓(xùn)是圍繞《維修培訓(xùn)大綱》的要求開展的，培訓(xùn)課程分為理論課程和實作課程。理論課程主要講授基本理論、部件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)原理等，一般是在培訓(xùn)教室開展；實作課程主要是實際操作的培訓(xùn)，一般是在維修車間或者一線維修現(xiàn)場由實作教員以“手把手教”“師傅帶徒”的方式進行培訓(xùn)。現(xiàn)有的培訓(xùn)模式能夠滿足民航維修人員資質(zhì)能力培訓(xùn)的要求，但在大批量機務(wù)新員工的崗前集中培訓(xùn)時會出現(xiàn)一些亟待解決的困難。

1.1 理論課程期間，知識遷移效率低

在理論課程期間，理論教員授課方式主要是維修手冊、PPT，輔以部分圖片、視頻進行課堂講解。由于機務(wù)新員工崗前培訓(xùn)時與飛機實物接觸較少，并且傳統(tǒng)培訓(xùn)教材存在空間感和視覺上的局限性，學(xué)員需要根據(jù)教員講解的知識點進行“想象”，把各個知識點構(gòu)建成一個完整的系統(tǒng)或者一架飛機。由于學(xué)員缺乏直觀感受，導(dǎo)致有些知識難以在課堂被認(rèn)知或者被理解。即使學(xué)會了，由于理論培訓(xùn)與實作培訓(xùn)分開實施，可能時間間隔長，參加實作培訓(xùn)時需要再次花費大量時間復(fù)習(xí)理論知識，導(dǎo)致培訓(xùn)效果不顯著。

1.2 實作課程期間，學(xué)員參與度低

在實作課程期間，受培訓(xùn)環(huán)境和培訓(xùn)器材的局限，很容易出現(xiàn)學(xué)員參與度低的情況。首先，由于部分課程需要在飛機上開展，客運航空的飛機白天都在保障運營，很少有飛機可以提供給學(xué)員進行實作培訓(xùn)，所以只能將實作培訓(xùn)安排在晚上，而夜間培訓(xùn)受人為因素、環(huán)境因素影響，實施難度較大；其次，停場的飛機需要在航后執(zhí)行例行維修或排故等維修工作，教員必須根據(jù)當(dāng)天的機隊維修工作內(nèi)容“見縫插針”地完成帶教清單上的內(nèi)容；最后，通常情況下1 名實作教員帶8 名學(xué)員，每名學(xué)員都有機會動手操作的難度非常大，更多的只是現(xiàn)場觀摩，而駕駛艙、設(shè)備艙等空間狹小的地方，還需要將學(xué)員分成2 或4 組進行分組帶教，空間環(huán)境增加了授課難度，對于培訓(xùn)效果有顯著影響。

1.3 未實施“差異化”培訓(xùn)，學(xué)員自主學(xué)習(xí)難度大

機務(wù)新員工的學(xué)歷不同，所學(xué)專業(yè)不同，來自的學(xué)校也不同，可能存在很大的差異性，而上崗前的集中培訓(xùn)往往都是標(biāo)準(zhǔn)化培訓(xùn)，所有學(xué)員學(xué)習(xí)同樣的課程，培訓(xùn)進度保持一致，導(dǎo)致民航院校和非民航院校的學(xué)生在學(xué)習(xí)層次和動手能力上出現(xiàn)更大的差異性。受培訓(xùn)場地、設(shè)備的限制，學(xué)員無法在課余時間對薄弱的知識點進行加強訓(xùn)練，最終影響培訓(xùn)質(zhì)量。

2 VR 技術(shù)應(yīng)用于民航維修培訓(xùn)的可行性分析（SWOT 分析法）

VR 技術(shù)是利用計算機生成的一個逼真的三維立體虛擬空間，通過頭戴式顯示器、手柄、定位器等設(shè)備實現(xiàn)人與虛擬世界的交互，從而使處于虛擬空間中的人產(chǎn)生一種身臨其境的感覺[2]。VR 技術(shù)能夠提供一個模擬現(xiàn)實場景，使用者可獲得無限接近現(xiàn)實的沉浸式體驗，包括立體視覺、聽覺以及速度和加速度等身體感知。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與民航維修培訓(xùn)相融合，能夠彌補傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的不足，提高培訓(xùn)效率。以下運用SWOT 分析法分析VR 技術(shù)應(yīng)用于民航維修培訓(xùn)的優(yōu)勢、劣勢、機會及挑戰(zhàn)，以便更好地評估VR 技術(shù)應(yīng)用于民航維修培訓(xùn)的可行性。

2.1 優(yōu)勢分析

1）理論與實際相融合，實現(xiàn)情境學(xué)習(xí)，促進知識遷移[3]。以高精度1:1仿真3D 可交互模型的方式創(chuàng)建飛機系統(tǒng)部件模型，并完整還原維修場景和維修過程，學(xué)員可從不同的空間視角觀察飛機系統(tǒng)部件，實現(xiàn)可交互式的零部件拆解，幫助學(xué)員更直觀、更深刻地理解飛機系統(tǒng)的工作原理及部件維護要求。機務(wù)新學(xué)員在去一線之前，通過VR 身臨其境感受飛機的維修情景，一方面有助于學(xué)員建立部件的空間位置關(guān)系，提高學(xué)習(xí)和認(rèn)知效率；另一方面可構(gòu)建現(xiàn)實中難以遇到但對安全至關(guān)重要的培訓(xùn)場景，如應(yīng)急滑梯釋放、RAT（沖壓空氣渦輪）釋放、ELT（應(yīng)急定位發(fā)射機）測試等。學(xué)員通過VR 可實現(xiàn)對理論培訓(xùn)知識點的強化，拓寬至傳統(tǒng)培訓(xùn)方式無法覆蓋的領(lǐng)域和范圍。

2）學(xué)員可在標(biāo)準(zhǔn)化、沉浸式、安全的環(huán)境下不限次數(shù)操作訓(xùn)練，提高培訓(xùn)效率。根據(jù)維修工卡開發(fā)的實作培訓(xùn)課程，完整還原了維修場景，通過交互式3D 圖形技術(shù)將維修技術(shù)手冊呈現(xiàn)在學(xué)員面前，學(xué)員可根據(jù)維修技術(shù)手冊逐步完成操作練習(xí)，完全獲得與實際工作中“看一條、做一條、簽一條”一樣的操作體驗。學(xué)員在教員創(chuàng)建的虛擬班級里，如同來到了真實的維修現(xiàn)場，無需分組即可同時進入駕駛艙和電子艙等狹小空間，提升了培訓(xùn)效率。并可根據(jù)自己的熟練程度無限次重復(fù)訓(xùn)練，為學(xué)員的自主化學(xué)習(xí)創(chuàng)造良好條件。由于是在虛擬環(huán)境中，不規(guī)范操作帶來的人員和設(shè)備傷害風(fēng)險將大大降低，并且可通過還原不規(guī)范操作引發(fā)的事故場景，加深學(xué)員對于維修工作中的易錯點和風(fēng)險點的理解。

3）節(jié)省培訓(xùn)成本。通過對維修場景進行虛擬仿真還原，不再依賴飛機、特種車輛等“高價值”設(shè)備，一次性投資，無限次使用。學(xué)員無需到維修現(xiàn)場，在教室里就可以獲得身臨其境的培訓(xùn)體驗，節(jié)省了培訓(xùn)過程中消耗品的使用，也避免了學(xué)員動手操作過程中造成設(shè)備的損壞。另外，由于培訓(xùn)效率提升，在更短的時間內(nèi)即可完成相關(guān)課程的學(xué)習(xí)。同時也減少了培訓(xùn)教員脫產(chǎn)授課的時間，顯著降低人力成本和培訓(xùn)費用支出。

2.2 劣勢分析

1）硬件技術(shù)瓶頸。目前市面上主流的VR 頭顯設(shè)備主要有兩種，一種是VR 頭盔，需要通過數(shù)據(jù)線連接電腦主機才能運行，主要代表是HTC VIVE和Valve index；另一種是無需數(shù)據(jù)線連接的VR 一體機，主要代表是Oculus Quest。相比之下，VR 頭盔分辨率高、延遲率低，整體性能出色，但因受到線束的束縛，操作性較差；而VR 一體機沒有線束的束縛，使用空間更自由，但受硬件性能及網(wǎng)絡(luò)通信帶寬限制，無法達到高精度模型場景及復(fù)雜的流程訓(xùn)練需求，且電池續(xù)航時間短。

2）長時間佩戴會有眩暈感。使用VR 進行培訓(xùn)時，戴上頭盔幾乎與外界隔絕，時間久了容易產(chǎn)生疲勞、眩暈等不適感，主要原因是當(dāng)眼睛感受到的情景和身體感受到的運動不協(xié)調(diào)時，佩戴者就會產(chǎn)生眩暈感和不適感。相關(guān)研究顯示，頭動和視野的延遲不能超過20ms，否則就會出現(xiàn)眩暈[4]。而要將VR 頭顯設(shè)備延遲控制在20ms 以內(nèi)，對VR 一體機來說是較大的挑戰(zhàn)。

2.3 機會分析

1）政策支持。2022 年11 月1 日，工業(yè)和信息化部、教育部、文化和旅游部、國家廣播電視總局、國家體育總局等五部門聯(lián)合發(fā)布《虛擬現(xiàn)實與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動計劃（2022-2026 年）》，明確指出要深化“虛擬現(xiàn)實+教育培訓(xùn)”的有機融合，加快虛擬現(xiàn)實行業(yè)的發(fā)展。

2）民航維修培訓(xùn)需要。隨著國內(nèi)各航司機隊規(guī)模的持續(xù)增長，勢必要求維修人員的培訓(xùn)養(yǎng)成速度更快，而將VR 技術(shù)與民航維修培訓(xùn)相融合，能夠彌補傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的不足，提高培訓(xùn)效率。目前國內(nèi)航司已開始運用VR 技術(shù)進行民航維修培訓(xùn)或者乘務(wù)培訓(xùn)，并取得了良好的培訓(xùn)效果。例如，海航技術(shù)已運用VR 技術(shù)搭建航空維修VR 智能培訓(xùn)平臺[5]；東航利用VR技術(shù)開展乘務(wù)培訓(xùn)[6]；南航貴州啟用VR 航空器實訓(xùn)平臺，進入飛機“智修時代”。

2.4 挑戰(zhàn)分析

1）軟件開發(fā)成本高。民航維修培訓(xùn)項目多、種類繁雜，單個培訓(xùn)項目往往涉及多個系統(tǒng)，導(dǎo)致開發(fā)難度大、平臺搭建成本高。例如，波音737NG 機型單駕駛艙的電門、跳開關(guān)等部件就有上千個，每個部件和場景都通過3D 對象建模、實現(xiàn)操作交互，將需要很大的人力投入和資金投入。因此根據(jù)實際培訓(xùn)需求，分期開發(fā)培訓(xùn)項目，以最低成本提供最好的用戶體驗，產(chǎn)生最大的培訓(xùn)效果，才是產(chǎn)品迭代的核心和必經(jīng)途徑。

2）VR 課程開發(fā)和使用門檻高。VR 技術(shù)在虛擬培訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用還處于初級階段，缺乏配套的理論指導(dǎo)和模式建構(gòu)[7]。首先，課程開發(fā)過程中，需要課程開發(fā)者對教學(xué)內(nèi)容和教法方法進行準(zhǔn)確理解和把握，這就要求技術(shù)開發(fā)人員和課程設(shè)計人員有著良好的溝通與配合；其次，VR 維修培訓(xùn)不同于傳統(tǒng)的PPT 教學(xué)或者維修現(xiàn)場帶教，如何設(shè)計培訓(xùn)教學(xué)活動以及如何評價培訓(xùn)效果，也缺乏較為成熟的研究指導(dǎo)和評價模型。

2.5 SWOT 分析的結(jié)論

以上運用SWOT 分析方法，得出VR 技術(shù)應(yīng)用于民航維修培訓(xùn)具有很大的優(yōu)勢和發(fā)展空間，通過VR 技術(shù)設(shè)計的培訓(xùn)課程是對現(xiàn)有理論課程、實作培訓(xùn)的一種全新的教學(xué)改革。但因軟件開發(fā)成本高，可以根據(jù)實際培訓(xùn)需求分期開發(fā)培訓(xùn)項目，選擇有線連接的VR 頭盔，避免眩暈感且提供更高的分辨率和刷新率，通過培訓(xùn)教室設(shè)計減少有線連接帶來的影響。這些措施可彌補存在的不足，充分發(fā)揮VR 技術(shù)在民航維修培訓(xùn)中的優(yōu)勢。

3 基于VR 的培訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)建

以波音737-800 為研究對象，進一步深入研究和探索VR 技術(shù)在民航維修培訓(xùn)課程中的實現(xiàn)方式，包括系統(tǒng)設(shè)計流程圖、VR 培訓(xùn)課程參數(shù)、VR 設(shè)備選擇以及VR 平臺模塊功能開發(fā)，以期解決民航維修現(xiàn)有培訓(xùn)模式所面臨的難點與痛點。

圖1 為基于VR 的系統(tǒng)設(shè)計流程圖，系統(tǒng)/設(shè)備參數(shù)如表1 所示，模塊功能如表2 所示，部分模型效果展示見圖2。

表1 系統(tǒng)/設(shè)備參數(shù)

表2 模塊功能

圖1 基于VR的系統(tǒng)設(shè)計流程圖

圖2 部分模型效果展示

4 結(jié)語

基于VR 技術(shù)開發(fā)的“波音737-800 VR 培訓(xùn)系統(tǒng)”上線后，學(xué)員和教員均反映良好，收到了很好的培訓(xùn)效果和反響，特別是能夠滿足大批量機務(wù)新員工上崗前集中培訓(xùn)期間的部分理論培訓(xùn)和部分實作培訓(xùn)的要求，并能促進理論和實作的結(jié)合，提高培訓(xùn)效率及培訓(xùn)質(zhì)量，降低培訓(xùn)成本。后續(xù)將對培訓(xùn)效果數(shù)據(jù)進行收集分析，重點研究VR 培訓(xùn)效果的評價模型，以期建立更加完善的波音737-800 VR 培訓(xùn)系統(tǒng)模型。