面向民航安全的協(xié)同管控虛擬仿真教學實驗平臺設計

郭昕曜 謝曉芳 佀慶民

［摘 要］ 為解決民航類專業(yè)在實驗教學中難以滿足行業(yè)背景的復雜性、動態(tài)性和大場景化問題，依托信息技術、人工智能、VR設備、多媒體及人機交互等軟硬件系統(tǒng)，構建了一套面向“民航機場—空管部門—民航企業(yè)”等多部門的民航安全事故協(xié)同管控的虛擬仿真教學實驗平臺，并將此應用到民航類專業(yè)教學的課程群體系中。實施效果表明：虛擬仿真教學實驗平臺的應用可實現(xiàn)多專業(yè)、多院校、多地區(qū)的資源共享，解決民航突發(fā)事件應急管理中的不可逆性、難重現(xiàn)性和時空限制等問題，為民航領域的校企合作、產(chǎn)學研一體化發(fā)展以及民航強國和航空報國的人才培養(yǎng)目標提供了支持。

［關鍵詞］ 虛擬仿真；民航專業(yè)；實驗教學；人才培養(yǎng)

［基金項目］ 2021年度河南省教育科學“十四五”規(guī)劃一般課題“面向產(chǎn)教融合的航空運輸與安全工程人才培養(yǎng)聯(lián)盟建設研究”（2021YB0175）；2022年度鄭州航空工業(yè)管理學院教育教學改革研究與實踐重點項目“虛擬仿真實驗教學效果的制約因素與提升路徑的實踐研究”（zhjy22-09）；2023年度鄭州航空工業(yè)管理學院教育教學改革研究與實踐重點項目“新文科背景下航空服務藝術與管理一流本科專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革研究與實踐”（zhjy23-08）

［作者簡介］ 郭昕曜（1988—），男，河南汝州人，博士，鄭州航空工業(yè)管理學院民航學院副教授，碩士生導師，主要從事虛擬仿真技術設計研究；謝曉芳（1975—），女，河南洛陽人，碩士，鄭州航空工業(yè)管理學院民航學院教授，碩士生導師，主要從事虛擬仿真智慧教學應用研究；佀慶民（1983—），男，山東菏澤人，博士，鄭州航空工業(yè)管理學院民航學院副教授，研究生導師，主要從事民航安全虛擬仿真研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）02-0145-04［收稿日期］ 2022-11-21

公共安全與應急管理是新時代中國面臨的主要挑戰(zhàn)之一，也是政府現(xiàn)代管理工作體系中的重要組成部分［1-2］。作為公共安全事故的典型案例，民航突發(fā)事件具有隨機性、高危性、高損失性、不可逆性及社會高關注等特點［3］。因此，培養(yǎng)符合民航專業(yè)類教學質量國家標準的人才，對標民航局對從業(yè)人員訓練機構設置要求，以專業(yè)應用型為核心的民航安全管理人才具有重要的現(xiàn)實意義。然而，現(xiàn)有培養(yǎng)模式的實驗教學模塊主要采用課堂式桌面演練或培訓中心現(xiàn)場式情景教學為主［4-5］。課堂桌面演練實驗教學受限于現(xiàn)場環(huán)境及學生重視程度的不足，導致實驗教學效果欠佳［6-7］；而培訓中心則需花費大量的人力、財力及時間成本，且民航培訓中心的相關實驗設備也與真實的民航現(xiàn)狀存在一定的偏差［8］。實驗教學是“大類招生、大類培養(yǎng)”計劃的重要組成部分，也是貫穿整個人才培養(yǎng)周期的重要教學環(huán)節(jié)［9］。因此，在當前實驗教學無法滿足復雜、動態(tài)、大場景形勢下的情景化、體驗式及互動式等民航人才培養(yǎng)需求的背景下，依托現(xiàn)代信息技術，開發(fā)特色鮮明的實驗教學項目，建設跨學科、跨專業(yè)及跨領域的虛擬仿真實驗教學平臺已成為民航類院校亟須解決的人才培養(yǎng)問題。

鄭州航空工業(yè)管理學院作為河南省與民航局省部共建高校，長期堅持“航空為本，管工結合”的辦學特色，在現(xiàn)有省級虛擬仿真教學實驗項目“民航應急撤離”“機場突發(fā)事件應急協(xié)同演練”“民航客艙應急救護”等三個省級虛擬仿真重點項目的基礎上，申報并建設了面向“民航機場—空管部門—民航企業(yè)”的民航安全的協(xié)同管控虛擬仿真教學實驗平臺，以信息化引領構建以學生為中心的全新實驗教育生態(tài)，使其提升人才培養(yǎng)質量。

一、系統(tǒng)平臺的總體框架

民航安全的協(xié)同管控虛擬仿真教學實驗平臺圍繞民航系統(tǒng)運行管理的三大機構，從“民航機場—空管部門—民航企業(yè)”等多部門協(xié)同運行角度，針對綜合性、設計性及研究性仿真問題情景，突出應用驅動、資源共享，形成完整的面向民航安全的協(xié)同管控虛擬仿真實驗教學體系，旨在全面滿足航空服務藝術與管理、安全工程、交通運輸及飛行技術專業(yè)等民航類相關專業(yè)的人才培養(yǎng)需求，實現(xiàn)民航類專業(yè)急需人才實驗教學培養(yǎng)的跨區(qū)域、跨平臺的資源協(xié)同與共享。以期通過該平臺的構建與實施，形成完整的面向民航安全的協(xié)同管控虛擬仿真實驗教學體系，并在民航業(yè)進行試驗應用，建設民航特色虛擬仿真金課，更好地服務于高素質復合型應用人才培養(yǎng)。此外，本實驗平臺自建設以來，通過與新鄭機場、深圳航空、南方航空河南分公司及廈門航空等多家企業(yè)的深度合作，在不斷完善實驗平臺框架和功能的基礎上，也形成了定期選派實驗教師到民航單位掛職鍛煉，為航空公司從業(yè)人員提供初始訓練和復訓的溝通機制。為實現(xiàn)產(chǎn)學研一體化，以及科研和社會服務水平的提升，提供了有力的支撐和助力。

二、系統(tǒng)平臺的軟硬件模塊

軟件主要包括：（1）面向機場的民航機場安檢、貨機著陸異常起火應急處置、機場指揮中心綜合演練、民用航空器事件調查。（2）面向塔臺的空中交通流量管控、空中交通協(xié)同放行、飛行沖突探測與調配、簽派員突發(fā)事件應急處置。（3）面向航空公司的機務/維修部的機務例行檢查故障應急處置、面向飛行的品質監(jiān)控、面向客艙部的民航客艙特情處置及求生、面向保衛(wèi)部的空防協(xié)同演練虛擬仿真實驗教學軟件（如圖1所示）。

依托面向民航安全的協(xié)同管控虛擬仿真實驗教學平臺建設，以民航安全的協(xié)同管控需求為導向，充分利用VR、MR、AR等各種媒介，創(chuàng)新實驗教學項目資源呈現(xiàn)方式，優(yōu)化重構民航特色專業(yè)實驗教學內容和課程體系，推動交通運輸和安全科學與工程等學科知識點的融合，將飛行技術、交通運輸、安全工程、航空服務藝術與管理等專業(yè)能力有機融合，建設民航特色專業(yè)類的虛擬仿真實驗教學課程群，實現(xiàn)教育教學、研發(fā)設計、師資培訓及社會服務等功能，構建可持續(xù)發(fā)展的高質量民航特色虛擬仿真實驗教學體系。

三、系統(tǒng)平臺的實驗模塊

平臺的實驗模塊主要包含民航應急撤離、機場突發(fā)事件應急協(xié)同演練、民航客艙應急救護、民航飛行品質監(jiān)控、空中交通流量管控、空中交通協(xié)同放行、飛行沖突探測與調配、簽派員突發(fā)事件應急處置、民航機場安檢、民航機務/維修、民航貨機著陸異常起火應急處置及民用航空器事件調查等虛擬仿真實驗教學軟件系統(tǒng)。該虛擬仿真實驗教學管理平臺具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)對接標準體系，共享平臺處于中間層面，向下面向的是各院系的仿真實驗資源，向上面向的是校級層面的教務系統(tǒng)等?，F(xiàn)針對上述已立項實施的虛擬仿真教學實驗模塊進行如下介紹與說明。

（一）民航應急撤離虛擬仿真教學實驗

該實驗模塊以B737-800型飛機客艙為背景，按照客艙的真實比例環(huán)境進行建模，仿真情景包括應急撤離的陸地和水上兩種環(huán)境。通過對機組人員有準備撤離和無準備撤離的交互式仿真，引導學生對滅火、釋壓及醫(yī)療救護等實訓任務演習。所有任務中，按照課程知識點，細分到各小章節(jié)。涉及的虛擬人物包含機長、副駕駛、安全員、各號位乘務員、旅客（包括特殊旅客和非特殊旅客）等。虛擬設備有安全帶、氧氣面罩、救生衣、應急發(fā)報機、海倫滅火瓶、水滅火瓶、防護式呼吸裝置、氧氣瓶、急救箱、應急醫(yī)療箱、SK包及救生筏等服務設備和應急設備。

（二）機場突發(fā)事件應急協(xié)同演練虛擬仿真教學實驗

機場突發(fā)事件應急協(xié)同演練實驗教學模塊以大型機場飛行事故為情景背景，通過模擬仿真使學生了解并學習在突發(fā)事件中機場應急救援中心、運輸服務部、航務管理部、空中交通管制、消防、醫(yī)療救護及機場公安機關等多部門的協(xié)同效應，以縮短應急救援過程時間為目標，通過劃分任務時間節(jié)點為考察依據(jù)，以情景推演的方式引導學生從宏觀層面操作機場突發(fā)事件應急演練的步驟，了解不同部門的任務和職責，以及如何處理大型機場突發(fā)事件的演練和應急處置工作。

（三）民航客艙應急救護虛擬仿真教學實驗

民航客艙應急救護虛擬仿真實驗教學模塊設有學習模式、實訓模式和競賽模式，根據(jù)教學需求，可自由切換。該模塊從視覺和聽覺方面，采用自控角色人物、地圖點擊反饋、按壓點擊反饋及背包系統(tǒng)等豐富多樣的人機交互方式指導學生在旅客生命攸關之際按照程序要求實施應急救護。主要的仿真教學內容包含：心肺復蘇術（CPR）、海姆立克法、外傷包扎、暈厥及機上分娩處置等5個子任務。通過對心肺復蘇術中的判斷意識、廣播尋醫(yī)、清理口腔異物、胸外按壓及人工呼吸等方法；海姆立克法中的成人、兒童與嬰兒的不同施救方法；外傷包扎中的詢問旅客情況、清創(chuàng)止血、固定包扎；暈厥中的詢問旅客情況、拿取氧氣瓶協(xié)助旅客吸氧、提供糖鹽水；機上分娩中的詢問旅客情況、判斷孕婦是否即將分娩、調整孕婦座位搭建臨時產(chǎn)房、乘務員對自身及孕婦消毒等關鍵步驟的仿真學習，以“交互游戲”的方式激發(fā)學生的積極性。

四、系統(tǒng)平臺的課程管理模塊

面向民航安全的協(xié)同管控實驗教學子系統(tǒng)涵蓋了教學資源庫管理、教學信息管理、實驗教學安排及選課、實驗教學過程管理及實驗效果評價等管理模塊，可以較好地保障仿真實驗教學管理的各環(huán)節(jié)的秩序和質量。系統(tǒng)通過虛擬仿真實驗教學過程化管理，加強仿真實驗教學環(huán)節(jié)管控，提供全新的教學和管理手段，強化學生掌握實驗方法，培養(yǎng)學生對實驗教學的主動性，有效提高了學生自主學習的積極性及實驗教學質量。

（一）課程管理

平臺系統(tǒng)中教師可按課程、仿真實驗項目及理論資料的層級結構對實驗過程進行管理，如教學安排、課程屬性、上課班級、用戶信息、相關教學資源及面向專業(yè)等。此外，在實際教學過程中支持優(yōu)質教學資源、課程多次安排，提高課程項目利用率，對重復性的課程資源便于進行快速開課管理和教學活動的開展。當課程開設后，班級學生登錄平臺即可在指定時間內進行教輔資源學習、虛擬實驗操作，并提交實驗結果報告。

（二）課程學習

課程學習是實驗環(huán)節(jié)的核心部分，需要師生共同參與。學生加入項目或課程后、實驗開始前可對教師發(fā)布的教輔資源庫中的資源進行學習，以便提前掌握實驗操作知識及要點。教輔資源的類型多樣，支持PPT、Word、Excel、PDF、視頻及安裝包等，支持課前或在線查閱、下載和收藏，輔助學生學習。實驗操作前，提供理論測驗功能，不僅可以幫助學生更好地掌握理論知識，鞏固操作技能，還可以幫助學生更好地進行實驗操作，提升實驗操作技能。將理論測驗成績作為平時成績，方便教師統(tǒng)計學生的學習情況。在線實驗可多次重復練習，在實驗操作過程中學生和教師進行項目交流，操作過程中支持提交實驗報告，方便學生進行修改檢驗。

（三）課程成績

按照實驗課程匯總成績并輸出，平臺提供數(shù)據(jù)接口給教務部門的成績管理系統(tǒng)或導入本地保存。教師針對學生操作實驗流程的快慢，在關鍵環(huán)節(jié)實施流程主評分、客觀題由系統(tǒng)自動批改給分及主觀題由教師評分等。對課程成績支持上傳和導入操作，同時也支持教師調整和維護實驗課程成績信息。

結語

民航安全作為專業(yè)性和實操性較強的領域，應用型人才培養(yǎng)離不開課程理論學習和實踐能力培養(yǎng)。針對民航類高等院校的實際情況，結合專業(yè)建設的需求制訂專項培訓方案，本課程團隊面向民航交通運輸、飛行技術、航空服務與管理及安全科學與工程等專業(yè)開發(fā)的面向民航安全的協(xié)同管控虛擬仿真教學實驗平臺對培養(yǎng)效果而言，滿足了民航突發(fā)事件的復雜、動態(tài)、大場景的情景化、體驗式、互動式民航人才培養(yǎng)需求，解決了日常教學、管理工作煩瑣和多專業(yè)資源共享的問題。此外，面向民航安全的協(xié)同管控虛擬仿真教學實驗平臺的構建也為后續(xù)高等院校提供研創(chuàng)產(chǎn)地、實訓中心、課程培訓、成果展示、課題研發(fā)及校企合作，實現(xiàn)產(chǎn)學研一體化發(fā)展提供了支持。

參考文獻

［1］景國勛，王遠聲，郭昕曜，等.2019年國內航空安全領域研究現(xiàn)狀分析［J］.安全與環(huán)境學報，2020，20（5）：2024-2028.

［2］劉奕，倪順江，翁文國，等.公共安全體系發(fā)展與安全保障型社會［J］.中國工程科學，2017，19（1）：118-123.

［3］孫軍亞，孫瑞山.比較安全學方法在民航安全管理模型中的應用研究［J］.交通信息與安全，2021，39（5）：36-42.

［4］李晶，尹云鵬，楊立娟.工業(yè)機器人仿真軟件開發(fā)與實驗教學應用［J］.實驗室科學，2021，24（6）：57-61.

［5］劉蘋蘋，韓正之.上海市開放實訓中心星級評定的實踐與探索［J］.實驗室研究與探索，2018，37（11）：247-251.

［6］崔建華，余瓊，張琳，等.山東航海實訓中心非均勻溫度場及溫度效應研究［J］.建筑結構，2017，47（18）：99-104.

［7］王瑩.獨立學院公共管理類實驗課程情景模擬教學改進策略研究［J］.高教學刊，2018（2）：132-134.

［8］張俊，馮杰才，袁軍亭.激光加工虛擬仿真實驗系統(tǒng)設計與開發(fā)［J］.實驗室科學，2021，24（6）：171-174.

［9］洪文圳，陳玉琴，周勁樺.高水平專業(yè)群實訓中心融合創(chuàng)新平臺建設研究［J］.信息系統(tǒng)工程，2021（6）：101-102+105.

Design and Development of a Virtual Simulation Teaching Experiment Platform for Full-process Collaborative Management and Control for Civil Aviation Safety

GUO Xin-yao， XIE Xiao-fang， SI Qing-min

（School of Civil Aviation， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou， Henan 450046， China）

Abstract： In order to solve the complexity， dynamics and large-scale scenes in the experimental teaching of civil aviation majors， based on software and hardware systems such as information technology， artificial intelligence， VR equipment， multimedia， and human-computer interaction， a set of virtual simulation teaching experiment platform for the full-process collaborative management and control of civil aviation emergencies for “civil aviation airport-air traffic control department-civil aviation enterprise” was constructed. Then this virtual simulation platform was applied to the curriculum system of civil aviation majors. The implementation effect shows that the application of the virtual simulation teaching experiment platform can realize the resource sharing among multiple majors， multiple colleges， and multiple regions， solve the problems of irreversibility， difficulty in reproducibility and time and space limitations in the emergency management of civil aviation emergencies. The establishment of this virtual simulation platform provides support for the school-enterprise cooperation in the field of civil aviation， the integrated development of “production， study and research”， and the talent training goals of “Chinas civil aviation power” and “Aviation serves our country”.

Key words： virtual simulation; civil aviation major; experimental teaching; talent training