虚拟训练在航空装备维修训练中应用的评估

2020-04-12罗智勇刘洁宋海方谢永兴

航空维修与工程 2020年11期

罗智勇刘洁宋海方谢永兴

摘要：随着虚拟训练的逐步成熟，其在航空装备维修训练中的应用和推广步伐不断加快。因此对虚拟训练在航空装备维修训练中应用的影响因素和效果做出有效评估势在必行。本文通过研究虚拟训练案例，总结出虚拟训练的特点、优劣以及系统功能模块，然后结合当前航空装备维修训练模式，分析了在航空装备维修训练中应用虚拟训练的优势和挑战，为虚拟训练的进一步研究推广提供了一定的借鉴和参考。

关键词：虚拟现实；虚拟训练；维修训练

Keywords：virtual reality； virtual training； maintenance training

0引言

航空装备维修是使航空装备保持和恢复到规定状态所进行的维护和修理工作，为航空兵部队的快速反应、持续作战提供了重要支撑，是打赢现代化战争的关键环节。近年来，随着航空发动机技术、飞机隐身技术、自动控制等先进科学技术的发展应用，部队航空装备改装换代节奏加快，航空装备维修工作科技含量越来越高，对航空装备保障人员的能力素质和培训效率提出了更高要求。

自2016年以来，虚拟现实的运用呈爆发式增长，也掀起了虚拟训练的高潮。对比传统实装训练，虚拟训练能够在不限时间、不限地点，保证人员装备安全的情况下，训练维修技能。尽管运用虚拟训练能突破传统训练的种种限制，使受训人员迅速地掌握航空装备维修技能，提高机务人员维修水平和能力素质。但是我们也要认识到当前的虚拟训练技术还不成熟，虚拟训练在航空装备维修应用上还存在诸多挑战。

1虚拟训练概述

1.1虚拟训练的定义与基本概念

要想科学地定义虚拟训练，就必须准确地解释“训练”。《现代汉语词典》对“训练”的定义是：经有计划、有步骤地指导，使受训者具有某种特长或技能的教育方法。由此可得虚拟训练是指运用虚拟现实技术对受训者进行指导，使其具有某种特长或技能的教育方法。

虚拟现实技术（Virtual Reality Technology，简称VR或虚拟现实），是利用计算机构建一个虚拟的三维场景，再通过立体显示器、操控器、定位器、等一系列传感辅助设备来实现人与虚拟环境交互的一种综合性技术。它综合了图形处理、信号转换、计算机仿真等[1]，伴随着信息技术的发展，由虚拟现实技术还延伸出了增强现实技术[2]。虚拟现实技术最重要最突出的特征是沉浸性（Immersion）和交互性（Interaction），前者是指虚拟现实环境的逼真性和多种刺激表征的特性，后者是指虚拟环境中的自然交互的特点[3]。使用者利用如数据衣服、数据手套、立体眼镜、操作手柄等辅助设备不仅能获得视觉、听觉、重力感知、触觉感知、运动感知等多重感官刺激，还能像在真实世界中一样完成打击、抓握、投掷等交互操作。

虚拟训练是使用了虚拟现实技术的模拟训练。这种训练方式具有安全无风险、可重复、不受气候条件和场地空间限制等优点，还具备了沉浸性和交互性，让训练者有身临其境的感受。虚拟训练在虚拟战场环境、战术训练、单兵训练和诸军兵种联合演习、指挥员训练等多方面获得了广泛应用[4]，越来越真实的训练交互使得通过模拟代替真实成为可能。

1.2虚拟训练系统模块及功能

近几年虚拟现实技术获得了飞速发展，在航空、军事、医疗等各个领域的虚拟训练系统呈爆发式增长，如民航发动机虚拟装配、反坦克导弹射击虚拟训练、胸腔穿刺虚拟训练等等。综合不同领域不同类别的虚拟训练系统，发现虚拟训练系统一般包括3个功能和7个模块，如图1所示。

1）教学功能。对使用者选择的学习内容通过动画演示、信息指导、装配爆炸图等方式进行系统自动讲解，或者基于分布式虚拟现实系统，在虚拟场景中进行教员教学。不论是系统自动讲解还是教员教学，都允许使用者在受训过程中进行操作和练习，虚拟训练提供的是一种有别于传统单向输入训练的交互式教学。

2）训练功能。在完全还原实际工作场景的虚拟环境中，使用者既能通过直接观察装备的外观结构、零部件、专业工具，获得工作场景及其装备零部位置结构的认知训练；又能通过物品选择、拆卸安装、开关控制等与实际维修工作相关的行为，实现故障排除、工具使用、安装调试等专业技能的训练。

3）考评功能。根据参考者的基础信息，随机生成针对该人员的技能操作和故障处理的考核内容，并且记录参考者的操作、完成时间等信息，最后比对标准操作流程、步骤和时间，做出成绩评定。现阶段，考评功能主要有两种，一种是系统自动评定成绩，另一种是系统记录再由考官评定。第一种评定方式，虽然更智能更客观，但是要求系统具有强大的识别处理能力，技术要求和开发成本都更高；第二种方式需要人员介入但更容易实现。

4）虚拟训练系统7个模块。7个模块构成了虚拟训练系统，是实现系统功能的基础，具体包括虚拟场景模块、操作响应模块、评估判定模块、故障设置模块、资源管理模块、教學演示模块和网络模块，各个模块的具体作用见表1。

1.3虚拟训练的问题

1）设备技术问题。目前市场上主流的虚拟现实设备有HTC VIVE、三星Gear VR、Google Cardboard等，这些设备都存在一些技术的缺陷，如显示分辨率、刷新率不高，容易出现窗纱现象和视觉滞留；头戴式显示设备需要对准瞳孔间距，且设备重量与体积较大；追踪信号易被遮挡，定位不稳定。

2）系统开发上存在开发平台不兼容、开发语言不统一、技术不明确等问题。系统开发的问题限制了虚拟训练系统开发效率、提高了系统维护升级门槛。目前虚拟训练系统后期升级较困难，很难发挥虚拟训练受众广、资源丰富的优势，导致了虚拟训练研究开发多、实际运用少。

3）虚拟现实系统分类多，关键技术不明确的问题。虚拟训练本身可以分为多个类别，比较成熟的有桌面式虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统并且还延伸出了增强现实技术。虽然增强现实和虚拟现实在技术基础和交互形式上有很大差异，但有很多学者认为它们两者本质相同，只是存在不同的沉浸程度，可将增强现实归为虚拟现实的一种类型。综合性强、潜力大是虚拟训练的优点，但是过于混乱的技术增加了虚拟训练开发难度和成本，阻滞了虚拟训练的推广应用。

2航空装备维修训练及其问题

2.1航空装备维修训练及训练模式

航空装备维修是一种人的活动，人是维修工作的主体。航空装备维修训练是教授机务人员航空装备维修专业技能，并对学习的技能进行练习，使机务人员技能的水平达到《维修大纲》要求的活动。航空装备维修训练为航空装备维修提供了人员支持，是保障维修工作的重要环节。

目前航空装备维修训练采用“院校理论教学+基层业务培训”的模式。院校理论教学采用原理图、动画、录像等多种方式，基层业务培训普遍采用“一带一”的实装维修训练的方式。

2.2航空装备维修训练的问题

1）理论教学与技能培训联系不紧密。受训人员在接受院校理論教学时，还没有航空装备维修经验，在院校也没有机会接触实际航空装备。虽然理论教学会采用原理图、动画、录像等多种方式让受训人员认识装备并建立维修意识，但是图片、视频、音频等传统媒介表现不形象、受制作质量影响大、缺乏交互，受训人员通过这种形式很难在脑海中形成准确的实物构造和场景，接受的知识非常局限。学员在院校的理论学习大多靠死记硬背，不能很好地与下一阶段的技能培训产生联系。

2）维修训练受限于维修工作。基层的业务培训采用“一带一”的实装维修训练，这种训练其实是带教机务人员监督下的维修工作。这种训练方式存在训练需求和训练机会矛盾的问题，如图2所示。操作简单、难度低、训练代价低的维护技能，如清洁润滑、油料添加、外观检查等，训练需求低但在实装训练中机会多。操作复杂、难度高、训练代价高的修理技能，如故障排查、零部件更换、改装等，受训人员需要更多训练，但在实装训练中训练机会少并且训练时机滞后。想要打赢现代化战争，航空兵部队需要在高强度、高频率的情况下保证任务完成，更加依赖迅速高效的航空装备维修。实装训练的方式缺少修理机会严重影响了机务人员修理能力的培养，越来越无法满足部队需求。

3）重经验、轻规范。实装维修训练门槛低、不用准备教案，虽然有利于开展训练计划，但是不规范的教学训练也导致了机务人员维修水平差异大、维修工作不规范的问题。带教人员是进行航空装备维修的机务人员，在缺少教案和教学理论指导的情况下，带教人员只能把自己的维修经验传授给受训人员。在经验式、个性化的教学下，受训人员习得的维修技能既不规范又不统一，并且还会导致受训人员养成经验维修的思维。

3虚拟训练在航空装备维修训练应用中的优势 3.1时间上的优势

在航空装备维修训练中应用虚拟训练，能提前训练时机，缩短训练时间，与传统训练相比具有时间上的优势。具体表现在以下两个方面：

1）有机结合理论教学与技能培训，缩短维修训练周期。完善的虚拟训练系统包括理论教学资源和技能训练资源，能够兼顾理论和技能的训练，允许受训人员在接受理论学习的同时进行对应的技能练习。但是完善的虚拟训练系统研发难度大、成本高，目前航空装备维修虚拟训练系统一般只包含技能训练资源。一般的训练系统仍然能解决缺少实装、缺乏环境场地的问题，使在院校进行技能训练成为可能。应用航空装备虚拟训练系统能很好地解决传统训练模式理论教学与技能培训脱节的问题，让受训人员在院校理论学习阶段就能进行对应的维修技能，减少了基层技能培训内容，有助于缩短维修训练周期。

2）打破实装时间限制，提前修理训练时机，缩短训练周期，如图3所示。训练周期包括教学和练习两个过程。虚拟训练使修理技能教学练习完成在修理工作前，例如在遇到故障前进行故障排查训练，飞机飞行时间达到定检要求前进行定检技能训练。实装训练只有发生故障或者达到定检时间时，才能在修理工作中进行教学、练习，一般一个训练周期至少需要两次修理工作，两次修理工作间隔时间长，导致实装训练时机滞后周期长。

3.2环境上的优势

虚拟训练拥有沉浸性强而且丰富的场景资源，虚拟训练在推动差异化训练和认知训练上有巨大优势，具体如下：

1）提供自主训练平台，推动训练差异化。受训人员在虚拟训练时可以根据自身情况和需要选择不同的训练场景，并且虚拟训练具备考评功能对受训人员的训练进行记录和评估，使训练突破了对环境、装备和人员的依赖，提供了自主训练的平台。在航空装备虚拟训练中可以选择飞行前场景训练飞行前准备技能，也可以选择夜间航行的场景训练夜航维修技能，并且学习能力强的人员可以在巩固基础的前提下训练更多的技能，学习能力弱的也能扎实磨练基础技能。虚拟训练真正实现了针对不同人员、不同时间、不同内容的“因需受训”的差异化训练。

2）身临其境的训练场景，让参训人员获得沉浸式训练。一般的模拟训练隔阂感强，而实地训练却无法还原特定的训练场景，这些限制让受训人员无法得到真实的临场体验。虚拟训练既还原了逼真的训练场景，又提供了多重感官刺激，能给予参训人员沉浸式的训练。沉浸式训练一方面能给训练者带来放松、愉悦、感兴趣等积极情绪，激发训练积极性[1]，另一方面能在认知阶段取得更好的效果。

3.3安全性的优势

虚拟训练能在不损坏装备，保证人员安全的情况下进行技能训练。实装训练不可避免的存在安全隐患，损害人员装备的安全。例如受训人员上飞机不慎跌落造成摔伤，排故和换件训练损坏临近零部件，试车过程中因反应不及时造成发动机超温等。在虚拟训练中发生各类事故，却不会对人员和装备的安全产生影响，可以更好地保证训练安全进行。

4虚拟训练应用的挑战

4.1训练效果的挑战

虽然大部分研究表明虚拟训练能获得与实装训练相同甚至更好的效果[2]，但是仍然存在有不同的看法。Bertram J等对比了警务人员的虚拟训练和现实训练的结果，表明虚拟训练能获得与实际训练一样的效果[5]。刘鹏等对比虚拟训练系统与地图导航训练，认为虚拟训练能获得更有优势[6]。徐迪琼等在建造教学研究中发现，虚拟训练技术平台不同对认知类学习和过程认知类学习的效果不同[7]。航空装备虚拟训练偏重程序性训练，能否达到实装訓练效果还缺少专项的研究，只能参考其他评估结论。

4.2机务人员的挑战

传统的训练模式在理论教学和技能培训阶段都是以教员为中心的方式，而在虚拟训练中则以受训者为中心。使用虚拟训练系统没有教员或者带教师傅进行指导，受训人员不能是被动接受，而要自主训练，这需要机务人员具备自控自律、自我规划、自我反思的自学能力。在航空兵部队，机务人员学历层次复杂，本科、专科、初高中学历层次占比大致相同，机务人员素质差异明显。虽然航空装备虚拟训练本身有许多优势，但是虚拟训练对机务人员的素质提出了更高要求。不同层次的机务人员对虚拟训练的适应速度不同，怎样能让传统训练理念快速转变，机务人员该如何适应虚拟训练，这是使虚拟训练发挥本身优势的关键。

4.3应用基础的挑战

在实际应用上的挑战主要是两个方面，一是使用场地问题，另一个是应用方法的问题。首先需要考虑的是使用场地问题。虚拟现实的辅助设备和计算机展开之后不易移动，并且虚拟训练区需要占用20平方米的空间，一套虚拟训练系统的布置至少需要一个30平方米的房间作为虚拟训练室，如图4所示。虚拟训练的需求近几年呈爆发式增长，对突如其来的新需求，航空兵部队还没有做好准备，虚拟训练室的建设还不能满足虚拟训练要求。

另一方面，运用虚拟训练目前仍然缺少系统的、规范的、成熟的教学法和条例法规。虚拟训练的运用必定会改革传统航空装备训练模式，但是新的训练模式还存在如何安排训练计划，如何协调虚拟训练与传统训练关系，如何衔接训练内容等等一系列的问题。国内虚拟训练起步较晚，缺乏可供参考的资料，还需要进一步探索。