王 征 張 通 高 達 井大為

(石家莊工程職業(yè)學(xué)院，河北 石家莊 050061)

在2019年4月的全國深化職教改革電視電話會議上，國務(wù)院副總理孫春蘭明確指出要高度重視職業(yè)教育質(zhì)量，不斷深化改革，破解難題，要求必須建立“雙師型”教師隊伍建設(shè)，并將最新的技術(shù)、工藝均納入教材，推動教學(xué)、實訓(xùn)的融合”[1]。推動職業(yè)供給側(cè)改革和學(xué)校內(nèi)部建設(shè)，推進的“教師、教材、教法”三教改革，這是職業(yè)院校深化改革、培養(yǎng)優(yōu)秀人才隊伍的關(guān)鍵舉措[2]。

目前高職類院校開設(shè)的航空機電設(shè)備維修專業(yè)課程，一般分成為理論教學(xué)和設(shè)備實訓(xùn)兩部分。對于理論教學(xué)，主要采取教師集中理論授課和計算機輔助培訓(xùn)相結(jié)合的方式，而設(shè)備培訓(xùn)主要采取模擬器與設(shè)備實物相結(jié)合的方式。這種高職院校傳統(tǒng)的實訓(xùn)教學(xué)方式在實訓(xùn)時間、實訓(xùn)質(zhì)量、實訓(xùn)方式、實訓(xùn)效率、實訓(xùn)成本等方面存在許多不足之處。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概況

虛擬現(xiàn)實技術(shù)也可以叫做臨境技術(shù)或人工環(huán)境，主要是通過電腦模擬來構(gòu)建三度空間的虛擬世界，從而讓使用者身臨其境的感受到視覺、觸覺與聽覺等方面的體驗，再借助頭盔式顯示器、遙控設(shè)備、手勢等方式和環(huán)境里的虛擬物體、場景進行實時交互，帶來一種身臨其境的感受[3]。事實上，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是信息化時代以來，仿真技術(shù)發(fā)展的必然發(fā)展趨勢，也與計算機圖形學(xué)人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等緊密相連，是當(dāng)前具有重要挑戰(zhàn)性和最熱門的研究領(lǐng)域，屬于前沿的智能交叉技術(shù)，受到社會大眾的廣泛關(guān)注[4]。

早在1965年，Sutherland在《終極的顯示》中第一次闡述了由力反饋設(shè)計、交互圖形顯示以及聲音提示的綜合系統(tǒng)，這也是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)思想的雛形。到了20世紀(jì)70年代，誕生了第一個具有較為系統(tǒng)功能的HMD(頭盔顯示器)系統(tǒng)。結(jié)合六十年代關(guān)于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的相關(guān)理論研究成果，美國著名專家賈朗·拉尼爾(JaronLanier)明確表達了“虛擬現(xiàn)實”的含義，在當(dāng)時的學(xué)術(shù)界引起了深遠的影響。到了20世紀(jì)80年代，美國宇航局(NASA)及美國國防部圍繞虛擬現(xiàn)實展開了許多方面的專題研究，并取得了矚目的成就；20世紀(jì)90年代，伴隨計算機硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，以及計算機軟件系統(tǒng)的推陳出新，從而為在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上集合圖像與聲音的動畫制作奠定了良好的基礎(chǔ)[5]。

于20世紀(jì)90年代初，隨著計算機圖形學(xué)、計算機系統(tǒng)工程等的高速發(fā)展，我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)相關(guān)研究開始起步。因為該技術(shù)其具有3I特性，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity)和構(gòu)想性(Imagination)，使它被越來越多的教育學(xué)者認(rèn)定可作為一種新的認(rèn)知工具新的教學(xué)手段應(yīng)用在教育領(lǐng)域中[6]。

倘若把虛擬現(xiàn)實技術(shù)推廣到高校實踐教學(xué)，能給一些傳統(tǒng)的教學(xué)觀念和模式帶來改變，開展虛擬化的實驗實訓(xùn)，為高校學(xué)生提供就業(yè)先期實踐，對解決高校長期普遍存在的實踐教學(xué)問題具有重要的技術(shù)指導(dǎo)意義[7]。

2 虛擬維修環(huán)境的實現(xiàn)

起落架裝置，是為了滿足飛機等航空器停放、滑跑、起飛、著陸等需求的重要支撐部件，降低或抵消飛行器在降落過程引起的巨大負(fù)載，此外還可以降低地面靜止或是移動過程中飛行器受到靜載荷和動載荷作用，增強飛機機體的結(jié)構(gòu)完整性，提高其生命周期，因此航空器的起落架屬于飛機的關(guān)鍵部件。起落架主要包含主體結(jié)構(gòu)與附件行的部附件，尤其是在剎車系統(tǒng)及機構(gòu)傳統(tǒng)系統(tǒng)等方面。事實上，對于起落架的主體結(jié)構(gòu)來說，它們是整體的受力單位，直接關(guān)系到機構(gòu)傳統(tǒng)系統(tǒng)的運行，所以必須在對其設(shè)計和運作的時候，予以高度的重視。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)可知，在飛機故障的事件中，超過百分之四十的故障都是起落架故障所導(dǎo)致[8]。

基于飛機起落架的工作部件可知，收放機構(gòu)存在的失效概率達到34.4%，所以加強對收放機構(gòu)的研究十分關(guān)鍵[9]，故此在職業(yè)院校的飛機維修專業(yè)教學(xué)安排的課程中，起落架收放系統(tǒng)維護處于重要地位。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行教學(xué)實訓(xùn)成為一種新型、有效且低成本的手段。隨著虛擬維修仿真技術(shù)的不斷演進，該領(lǐng)域的理論與實踐應(yīng)用得到了顯著的發(fā)展，逐漸從基礎(chǔ)的航空器設(shè)計，發(fā)展到貫穿航空器的使用、維修、檢查等環(huán)節(jié)。如今，虛擬維修方針技術(shù)越來越多的聚焦在航空器維修方面，卻沒有較多的相關(guān)培訓(xùn)機會[10]。所以，對于以往開設(shè)的飛機機電設(shè)備維修存在設(shè)備昂貴、工具短缺、環(huán)境有害等局限性，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融于飛機機電設(shè)備的虛擬維修過程，對于培養(yǎng)高職院校航空專業(yè)學(xué)員的維修能力和降低職業(yè)院校運營成本具有重要的現(xiàn)實意義。

本項目以飛機起落架收放系統(tǒng)為例，探索將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于職業(yè)院校的航空機電設(shè)備維修專業(yè)實訓(xùn)課程的方法和途徑。

2.1 研究對象

以石家莊工程職業(yè)學(xué)院航空工程實訓(xùn)中心的波音777飛機前起落架為研究對象，實物如圖1所示。

圖1 飛機起落架實物

將飛機起落收放系統(tǒng)架分解后，對各部件、零件進行精確測量，并做出必要的簡化，即去掉一些輔助構(gòu)件后，使用3D仿真軟件SolidWorks進行建模，如圖2所示。

圖2 飛機起落架數(shù)學(xué)模型

2.2 虛擬維修過程實現(xiàn)及特點

從構(gòu)成上來說，飛機起落收放系統(tǒng)架虛擬現(xiàn)實維修平臺的軟件部分，主要包含建模軟件及虛擬工具等，硬件部分則包含立體顯示設(shè)備、動作捕捉設(shè)備等方面的硬件設(shè)備，詳見表1所示。

表1 虛擬現(xiàn)實維修平臺的軟件及硬件構(gòu)成

基于以上軟件與硬件的相關(guān)內(nèi)容，本文構(gòu)建了基于VR技術(shù)的起落架收放系統(tǒng)的虛擬維修培訓(xùn)平臺，支持實訓(xùn)仿真與考核評估，虛擬實訓(xùn)軟件在計算機上創(chuàng)設(shè)三維虛擬維修場景，學(xué)生通過鼠標(biāo)(或微軟體感游戲設(shè)備Kinect)選擇虛擬維修環(huán)境中的維護工具、供替換的零部件和完整的裝置等進行拆卸或安裝，進而滿足預(yù)定各項目的實施和考核要求。虛擬維修環(huán)境運行條件由運行虛擬維修程序所必需的硬件設(shè)備，包括個人計算機組、工作站和網(wǎng)絡(luò)、空間動作捕捉設(shè)備等。效果如圖3所示。

圖3 虛擬維修環(huán)境

3 虛擬維修環(huán)境的應(yīng)用效果

3.1 提高實訓(xùn)能力，擴展教學(xué)維度

基于VR技術(shù)，學(xué)員通過使用虛擬維修教學(xué)平臺的各項功能，能夠?qū)崿F(xiàn)交互式分解、組裝虛擬環(huán)境中的部附件。VR技術(shù)的發(fā)展實現(xiàn)了對實體結(jié)構(gòu)難以拆分的部件操作，比如航空發(fā)動機的主泵、啟動機的拆裝及齒輪的更換、飛機起落架收放系統(tǒng)的及選擇閥下游管路堵塞故障等。

3.2 提升實操體驗，激勵學(xué)生參與

學(xué)員在虛擬維修教學(xué)系統(tǒng)可根據(jù)自身掌握科目情況選擇實操環(huán)節(jié)和難度，實施多次模擬訓(xùn)練，操作過程數(shù)據(jù)回放可以便于學(xué)生進行實操的認(rèn)真學(xué)習(xí)，觀察結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)及維護流程，保證了學(xué)員們的實訓(xùn)效果。

3.3 繁復(fù)程序簡單化，危險步驟安全化

針對培訓(xùn)課程有些實訓(xùn)科目準(zhǔn)備時間長、開展難度大、危險步驟程序多的情況，基于虛擬現(xiàn)實平臺開展安全操作，在虛擬環(huán)境中設(shè)置實操時容易出現(xiàn)的錯誤操作，這樣就能身臨其境的讓學(xué)員體驗到錯誤操作的不良影響，讓參訓(xùn)學(xué)員印象深刻；

3.4 網(wǎng)絡(luò)化實訓(xùn)教學(xué)，為航空維修等多行業(yè)提供人才保障

不同省份、不同院校間實訓(xùn)條件、師資水平差別很大，在航空設(shè)備實訓(xùn)教學(xué)中應(yīng)用VR技術(shù)，從而方便各大學(xué)校能夠相互學(xué)習(xí)借鑒，發(fā)揚各自教學(xué)優(yōu)勢，甚至可以在同類院校組織“維修云比賽”，從而節(jié)省大量社會資源，并能夠有力地滿足航空事業(yè)發(fā)展對維護隊伍日益增加的需求。

4 總結(jié)

飛機起落架收放系統(tǒng)虛擬維修平臺應(yīng)用Unity 3D引擎、3D 仿真等技術(shù)，解決了三維實物建模、實物材料控制、實物行程建模、訓(xùn)練交互控制等技術(shù)問題，較為真實地模擬了某型飛機收放系統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)，達到了教學(xué)實訓(xùn)的目的。

本平臺在使用的過程中，滿足學(xué)員對起落架收放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及維護技能實訓(xùn)要求，使其能夠了解操作規(guī)范，熟悉航空維修工作任務(wù)內(nèi)容，掌握操作的動作要領(lǐng)。因此，通過虛擬維修平臺能在很大程度上改善教學(xué)中存在的實訓(xùn)設(shè)備不足、耗材成本昂貴、操作對新訓(xùn)人員具有危險性等問題，可為民用航空器維修專業(yè)學(xué)員在實訓(xùn)教學(xué)中改善訓(xùn)練條件、提高訓(xùn)練效果的有效手段。