VR技术在民用航空器维修人...（TA专业）中的可行性分析_郭昊宇.pdf

2023 年1 月Jan2023DigitalTechnology&Application第 41 卷第 1 期Vol.41No.1数字技术与应用46中图分类号:V267文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2023)01-0046-03DOI:10.19695/12-1369.2023.01.14VR 技术在民用航空器维修人员执照培训（TA 专业）中的可行性分析江苏航空职业技术学院郭昊宇Virtual Reality（VR）虚拟现实技术是多媒体技术发展的最高形态，是利用电脑模拟产生一个三维的虚拟世界，向使用者提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。目前该技术已经应用于医疗、应急演练、室内设计、汽车仿真、学历教育等领域。1 VR 技术简介Virtual Reality（VR），即我们通常所说的虚拟现实技术，由美国思想家 Jaron Lanier于 20 世纪 80 年代提出。该项技术是指在计算机软硬件及各种传感器（如高性能计算机、图形图像生成系统，以及特制服装、特制手套、特别眼镜等）的支持下生成一个逼真的、三维的，具有一定的视、听、触、嗅等感知能力的环境，使用户在这些软硬件设备的支持下，能以简捷、自然的方法与这一由计算机所生成的“虚拟”的世界中对象进行交互作用。它是现代高性能计算机系统、人工智能、计算机图形学、人机接口、立体影像、立体声响、测量控制、模拟仿真等技术综合集成的成果，目的是建立起一个更为和谐的人工环境1。2 民用航空器维修人员执照培训国内外现状目前国际上民用航空器维修人员执照培训影响最广泛规章是由美国联邦航空局（FAA）颁布的 FAR-147规章和欧洲航空安局（EASA）颁发的 EASA-147 规章，中国民航局在充分借鉴了 FAR-147 和 EASA-147的基础上，结合我国民航发展特色，制定了符合中国国情的 CCAR-147 部规章，即民用航空器维修培训机构合格审定规则。CCAR-147 部规章从“人、机、料、法、环”五个方面，对民用航空器维修培训机构从机构申请标准到人员培训要求进行了详细的说明，是中国民用航空维修培训的纲领性文件。3 民用航空器维修人员执照培训硬件成本问题根据现行有效的 CCAR-147 规章要求，培训机构必须具备与培训执照类别对应的真实航空器及其维修手册。航空器可以使用非适航状态的报废航空器，但其停放条件和状态应当能够按照维修手册开展航空器及其发动机维修实践，包括采用部分模拟设备开展相关的维修实践，维修手册可以使用非现行有效的版本，但应当保持其完整可用并注明仅供培训使用2。例如，若某单位想要进行安装有涡轮发动机（TA）的民用航空器维修人员培训，除了人员需要符合局方规章要求外，还需要面对以下问题。3.1 教学用机的高昂投入由于适航飞机售价昂贵，所以目前国内的民用航空器维修培训机构，普遍采购已经退役的民航客机/货机作为教学用机，但即使是退役的不适航飞机，其售价也高达数百万人民币。3.2 教学用机场地的高昂投入教学用机采购回来后，为了保证飞机能够长期使用，所以像在役适航飞机那样露天停放显然是不行的，培训机构还需要为这架教学用机搭建机库，以波音 737-300型飞机为例，这款机型的机身长 33.4m，翼展 28.9m，机身高度 4.01m，如此庞大的机身，加上其他附属工装、消防设备等，机库面积基本在 1400m2（40m35m）左右。为了有效利用空间，培训机构基本上采用机库上方盖培训楼的模式，即整个培训大楼一楼为机库和库房，其余楼层为办公室、教室、考场。3.3 航材备件的持续性投入根据局方规章要求，一个培训班至多 24 名学员，按照每年 4 个培训班，每名学员培训时拆卸、安装 2 次成品估算，在实际培训时，教学用机上的某一部件将被拆收稿日期：2022-08-19作者简介：郭昊宇（1986），男，河南洛阳人，本科，讲师，研究方向：民用航空器维修工程管理。2023 年第 1 期47郭昊宇：VR 技术在民用航空器维修人员执照培训（TA 专业）中的可行性分析卸、安装 192 次/年，在如此高频率的拆卸安装环境下，想要长期保证一架退役飞机成品的完好性是非常难以实现的。除了机载成品外，标准件的损耗和结构件的防腐也是培训机构需要持续投入的项目。综上所述，在疫情防控期间、民航市场萎缩以及民用航空器维修人员需求量减少的大环境下，民用航空器维修培训机构如果没有稳定的生源，前期巨大的硬件投入及运行期间持续的航材备件投入，随时都可能成为压死骆驼的最后一根稻草。4 VR 技术在民用航空器维修人员执照培训领域的可行性分析VR技术有3个基本特征，又被称为3I，分别为Immer-sion（沉浸）、Interaction（交互）和 Imagination（构想）3，彼此间的关系如图 1 所示。Immersion（沉浸）Interaction（交互）Imagination（构想）图 1 3I 关系图Fig.1 3I relationshipVR 技术的沉浸式特征，会使用户有一种置身于虚拟世界之中的感觉，利用头戴式设备把用户的视觉、听觉封闭起来，产生虚拟视觉。同时，它利用手部穿戴设备把用户的手感通道封闭起来，产生虚拟触动感4。而 VR技术的交互式特征主要以三维界面的形式呈现，通过眼动追踪、语音控制、惯导设备、动作识别、物理空间定位等体感交互技术的应用让用户能通过自然动作在三维空间里与计算机进行交互5。民用航空器维修培训工作是向民航业输送合格维修人员的重要渠道，其培训质量的高低、培训效果的好坏，将会对民航运营安全产生深远的影响。因此，将 VR 技术引入民用航空器维修培训领域之前，需要针对民用航空器维修培训工作的特点展开分析，并针对这些特点，进行 VR 教学平台的搭建。4.1 民用航空器维修培训工作分类CCAR-147 部规章将民用航空器维修人员执照培训工作分为理论部分和实操部分，其中理论部分总共有 M1（航空概论）、M2（航空器维修）、M3（飞机结构和系统）、M5（涡轮发动机）4 个子模块，以课堂讲授为主，实操部分有 M7（航空器维修基本技能）、M8（航空器维修实践）2 个模块，以现场实践为主，但是，现行规章要求参训学员在未完成理论部分培训并考试合格时，不得进行实操部分的考试评估。4.2 民用航空器维修培训生源分类随着最新版民用航空器维修人员执照管理规则（CCAR-66R3）于 2020 年 7 月 1 日正式实施，理工类应届毕业生也可以参加民用航空器维修培训，经考试合格后，即可申请民用航空器维修人员执照。在新规章颁布之前，只有已经参加工作，并且有一定工作经验的人员才能考取民用航空器维修人员执照，新规章的施行打破了以往民用航空器维修培训生源单一的弊端，让广大立志从事民航维修工作的理工类应届大学生实现“带照毕业”。但是由于新规章颁布时间尚短，目前民用航空器维修培工作的生源依然分为应届毕业生和在职人员两类。应届毕业生生源稳定，但是没有工作经验，相比较在职人员，他们学习能力更强，而在职人员虽然工作经验丰富，但是学习能力相对较弱，且在职生源将会随着时间的推移，逐步萎缩。4.3 VR 教学可行性分析（1）VR 硬件要求。相较于游戏、电影等传统 VR 应用领域，由于民用航空维修培训工作的特殊性，除了配备 VR 设备主机、头戴式设备等传统设备外，还需要根据培训内容，定制所需的手持式设备，例如扳手、螺刀、钳子等。同时培训机构应配备适用的备份设备，除了保存每次考试的考试数据外，在特殊情况下（如断电、设备故障等）能够及时恢复考试。（2）VR 软件要求。根据航空器维修基础知识和实作培训规范（AC-66-FS-002 R1）中对 M7（航空器维修基本技能）、M8（航空器维修实践）两个模块的培训要求，结合实际培训内容分析得出，M7 模块中的 M7.1.2（航空紧固件介绍、拆装和保险）、M7.1.3（硬/软管路施工）、M7.1.4（传动部件的检查与校装）、M7.1.8（标准线路施工）、M8 全部模块均可引入 VR 技术，软件要求如下：1）与局方批准的培训类别相一致的机型数据库，例如某培训机构进行 TA 类别培训，其 VR 软件仅需要安装一款有涡轮发动机的固定翼飞机即可，如波音系列、数字技术与应用 第 41 卷48空客系列、安博威系列、ARJ 系列等机型中任意一款即可；2）机型数据库中的机型数据必须包含整机所有系统、部件的三维模型，且必须是 1:1 真实还原的模型；3）数据库中的机型可以是已经退役的机型，但必须是现实中真实存在的；4）软件需要根据局方 M7、M8 考核评估要求设定最低终止考核标准，即考生在考核过程中若存在可能导致严重后果的违规操作，系统将自动终止考核；5）软件需设置学员（考生）通道、教员（考试员）通道、局方检察员通道（可远程连接）。学员（考生）通道用于学员的日常培训与考试；教员（考试员）通道用于教员（考试员）在日常培训中的指导以及考试过程中的考核评估；局方检察员通道用于局方对考试过程的监控；6）软件应具即时录制功能，且在保证影像资料清晰度的前提下，尽可能的缩小视频文件大小，便于机构保存。（3）其他要求。除了配备满足培训要求的 VR 设备外，培训机构还应当根据自身培训规模，合理的设置培训教室、应急通道、防火设施等。5 两种检查方法的对比两种检查方法的对比如表 1 所示。通过表 1 对比我们不难看出，虽然传统培训存在前期投入大、占地面积大、维持飞机状态困难等诸多不便，但是由于其培训过程真实，受外部影响较小，对于年龄较大、计算机水平较低的大龄学员来说更加方便，目前国内的民用航空器维修培训机构基本上还是采用这种培训形式。VR 技术作为新兴技术，目前国内的 VR 厂家更多专注于娱乐、影音、传统学历教育等方向的技术开发，而对于民用航空器维修人员执照培训这类职业技能培训还未特别关注，这导致了适用于该培训的 VR 硬件和软件的可选择性都较小，也从软、硬件基础上就对 VR 技术在民用航空器维修人员执照培训领域的应用发展进行了一定的限制。同时，在法律法规层面，目前中国民航局还未就 VR 技术在民用航空器维修人员执照培训工作中的应用进行相关说明，这也从法规方面将 VR 技术拒之于民用航空器维修人员执照培训的大门外。虽然目前国内的培训机构还无法开展基于 VR 技术的民用航空器维修人员执照培训，但是南航、海航技术等国内航司的维修部门，都已于 2022 年开展了基于 VR 技术的机型培训并取得了优秀的培训效果，这也为 VR 技术在民用航空器维修培训领域的应用打开了一扇窗户。随着技术的发展，民航法规的完善，我们相信 VR 技术将会对民用航空器维修培训人员执照培训工作带来新的变革。引用1美海姆.从界面到网络空间:虚拟实在的形而上学M.金吾伦,刘钢,译.上海:上海科学普及出版社,2000.2民用航空器维修培训机构合格审定规则J.中华人民共和国国务院公报,2022(15):23-32.3徐素宁,韦中亚,杨景春.虚拟现实技术在虚拟旅游中的应用J.地理学与国土研究,2001(3):92-96.4喻晓和.虚拟现实技术基础教程M.北京:清华大学出版社,2015.5安颖.基于支架式教学法的VR实训软件交互界面设计研究D.天津:天津职业技术师范大学,2019.表 1 传统培训与 VR 培训对比Tab.1 Comparison of traditional training and VR training培训类型前期投入持续投入优点缺点传统培训购买飞机；各种工具；机棚或专用培训楼；各种航化品；适用于年龄较大学员；考试过程更加稳定；无需额外配置复杂考试系统前期资金投入较大；各种标准件；飞机状态长久保持困难；各种损坏成品；培训机构占地面积庞大；飞机保养需要较多辅助岗位VR 培训VR 软、硬件设备VR 培训系统维护适用于年轻学员；目前缺乏局方文件支持；国内该领域 VR 厂家较少；考试过程受考试系统稳定性影响；需要针对系统的可恢复性进行额外硬件配置无需采购真实飞机；培训场地面积小；机型数据库一次采购，长期使用；培训机构简