羅智勇 劉潔 宋海方 謝永興

摘要：隨著虛擬訓練的逐步成熟，其在航空裝備維修訓練中的應用和推廣步伐不斷加快。因此對虛擬訓練在航空裝備維修訓練中應用的影響因素和效果做出有效評估勢在必行。本文通過研究虛擬訓練案例，總結出虛擬訓練的特點、優(yōu)劣以及系統(tǒng)功能模塊，然后結合當前航空裝備維修訓練模式，分析了在航空裝備維修訓練中應用虛擬訓練的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，為虛擬訓練的進一步研究推廣提供了一定的借鑒和參考。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實；虛擬訓練；維修訓練

Keywords：virtual reality； virtual training； maintenance training

0引言

航空裝備維修是使航空裝備保持和恢復到規(guī)定狀態(tài)所進行的維護和修理工作，為航空兵部隊的快速反應、持續(xù)作戰(zhàn)提供了重要支撐，是打贏現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的關鍵環(huán)節(jié)。近年來，隨著航空發(fā)動機技術、飛機隱身技術、自動控制等先進科學技術的發(fā)展應用，部隊航空裝備改裝換代節(jié)奏加快，航空裝備維修工作科技含量越來越高，對航空裝備保障人員的能力素質和培訓效率提出了更高要求。

自2016年以來，虛擬現(xiàn)實的運用呈爆發(fā)式增長，也掀起了虛擬訓練的高潮。對比傳統(tǒng)實裝訓練，虛擬訓練能夠在不限時間、不限地點，保證人員裝備安全的情況下，訓練維修技能。盡管運用虛擬訓練能突破傳統(tǒng)訓練的種種限制，使受訓人員迅速地掌握航空裝備維修技能，提高機務人員維修水平和能力素質。但是我們也要認識到當前的虛擬訓練技術還不成熟，虛擬訓練在航空裝備維修應用上還存在諸多挑戰(zhàn)。

1虛擬訓練概述

1.1虛擬訓練的定義與基本概念

要想科學地定義虛擬訓練，就必須準確地解釋“訓練”?！冬F(xiàn)代漢語詞典》對“訓練”的定義是：經有計劃、有步驟地指導，使受訓者具有某種特長或技能的教育方法。由此可得虛擬訓練是指運用虛擬現(xiàn)實技術對受訓者進行指導，使其具有某種特長或技能的教育方法。

虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality Technology，簡稱VR或虛擬現(xiàn)實），是利用計算機構建一個虛擬的三維場景，再通過立體顯示器、操控器、定位器、等一系列傳感輔助設備來實現(xiàn)人與虛擬環(huán)境交互的一種綜合性技術。它綜合了圖形處理、信號轉換、計算機仿真等[1]，伴隨著信息技術的發(fā)展，由虛擬現(xiàn)實技術還延伸出了增強現(xiàn)實技術[2]。虛擬現(xiàn)實技術最重要最突出的特征是沉浸性（Immersion）和交互性（Interaction），前者是指虛擬現(xiàn)實環(huán)境的逼真性和多種刺激表征的特性，后者是指虛擬環(huán)境中的自然交互的特點[3]。使用者利用如數(shù)據(jù)衣服、數(shù)據(jù)手套、立體眼鏡、操作手柄等輔助設備不僅能獲得視覺、聽覺、重力感知、觸覺感知、運動感知等多重感官刺激，還能像在真實世界中一樣完成打擊、抓握、投擲等交互操作。

虛擬訓練是使用了虛擬現(xiàn)實技術的模擬訓練。這種訓練方式具有安全無風險、可重復、不受氣候條件和場地空間限制等優(yōu)點，還具備了沉浸性和交互性，讓訓練者有身臨其境的感受。虛擬訓練在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境、戰(zhàn)術訓練、單兵訓練和諸軍兵種聯(lián)合演習、指揮員訓練等多方面獲得了廣泛應用[4]，越來越真實的訓練交互使得通過模擬代替真實成為可能。

1.2虛擬訓練系統(tǒng)模塊及功能

近幾年虛擬現(xiàn)實技術獲得了飛速發(fā)展，在航空、軍事、醫(yī)療等各個領域的虛擬訓練系統(tǒng)呈爆發(fā)式增長，如民航發(fā)動機虛擬裝配、反坦克導彈射擊虛擬訓練、胸腔穿刺虛擬訓練等等。綜合不同領域不同類別的虛擬訓練系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)虛擬訓練系統(tǒng)一般包括3個功能和7個模塊，如圖1所示。

1）教學功能。對使用者選擇的學習內容通過動畫演示、信息指導、裝配爆炸圖等方式進行系統(tǒng)自動講解，或者基于分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，在虛擬場景中進行教員教學。不論是系統(tǒng)自動講解還是教員教學，都允許使用者在受訓過程中進行操作和練習，虛擬訓練提供的是一種有別于傳統(tǒng)單向輸入訓練的交互式教學。

2）訓練功能。在完全還原實際工作場景的虛擬環(huán)境中，使用者既能通過直接觀察裝備的外觀結構、零部件、專業(yè)工具，獲得工作場景及其裝備零部位置結構的認知訓練；又能通過物品選擇、拆卸安裝、開關控制等與實際維修工作相關的行為，實現(xiàn)故障排除、工具使用、安裝調試等專業(yè)技能的訓練。

3）考評功能。根據(jù)參考者的基礎信息，隨機生成針對該人員的技能操作和故障處理的考核內容，并且記錄參考者的操作、完成時間等信息，最后比對標準操作流程、步驟和時間，做出成績評定。現(xiàn)階段，考評功能主要有兩種，一種是系統(tǒng)自動評定成績，另一種是系統(tǒng)記錄再由考官評定。第一種評定方式，雖然更智能更客觀，但是要求系統(tǒng)具有強大的識別處理能力，技術要求和開發(fā)成本都更高；第二種方式需要人員介入但更容易實現(xiàn)。

4）虛擬訓練系統(tǒng)7個模塊。7個模塊構成了虛擬訓練系統(tǒng)，是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎，具體包括虛擬場景模塊、操作響應模塊、評估判定模塊、故障設置模塊、資源管理模塊、教學演示模塊和網絡模塊，各個模塊的具體作用見表1。

1.3虛擬訓練的問題

1）設備技術問題。目前市場上主流的虛擬現(xiàn)實設備有HTC VIVE、三星Gear VR、Google Cardboard等，這些設備都存在一些技術的缺陷，如顯示分辨率、刷新率不高，容易出現(xiàn)窗紗現(xiàn)象和視覺滯留；頭戴式顯示設備需要對準瞳孔間距，且設備重量與體積較大；追蹤信號易被遮擋，定位不穩(wěn)定。

2）系統(tǒng)開發(fā)上存在開發(fā)平臺不兼容、開發(fā)語言不統(tǒng)一、技術不明確等問題。系統(tǒng)開發(fā)的問題限制了虛擬訓練系統(tǒng)開發(fā)效率、提高了系統(tǒng)維護升級門檻。目前虛擬訓練系統(tǒng)后期升級較困難，很難發(fā)揮虛擬訓練受眾廣、資源豐富的優(yōu)勢，導致了虛擬訓練研究開發(fā)多、實際運用少。

3）虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類多，關鍵技術不明確的問題。虛擬訓練本身可以分為多個類別，比較成熟的有桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)并且還延伸出了增強現(xiàn)實技術。雖然增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實在技術基礎和交互形式上有很大差異，但有很多學者認為它們兩者本質相同，只是存在不同的沉浸程度，可將增強現(xiàn)實歸為虛擬現(xiàn)實的一種類型。綜合性強、潛力大是虛擬訓練的優(yōu)點，但是過于混亂的技術增加了虛擬訓練開發(fā)難度和成本，阻滯了虛擬訓練的推廣應用。

2航空裝備維修訓練及其問題

2.1航空裝備維修訓練及訓練模式

航空裝備維修是一種人的活動，人是維修工作的主體。航空裝備維修訓練是教授機務人員航空裝備維修專業(yè)技能，并對學習的技能進行練習，使機務人員技能的水平達到《維修大綱》要求的活動。航空裝備維修訓練為航空裝備維修提供了人員支持，是保障維修工作的重要環(huán)節(jié)。

目前航空裝備維修訓練采用“院校理論教學+基層業(yè)務培訓”的模式。院校理論教學采用原理圖、動畫、錄像等多種方式，基層業(yè)務培訓普遍采用“一帶一”的實裝維修訓練的方式。

2.2航空裝備維修訓練的問題

1）理論教學與技能培訓聯(lián)系不緊密。受訓人員在接受院校理論教學時，還沒有航空裝備維修經驗，在院校也沒有機會接觸實際航空裝備。雖然理論教學會采用原理圖、動畫、錄像等多種方式讓受訓人員認識裝備并建立維修意識，但是圖片、視頻、音頻等傳統(tǒng)媒介表現(xiàn)不形象、受制作質量影響大、缺乏交互，受訓人員通過這種形式很難在腦海中形成準確的實物構造和場景，接受的知識非常局限。學員在院校的理論學習大多靠死記硬背，不能很好地與下一階段的技能培訓產生聯(lián)系。

2）維修訓練受限于維修工作。基層的業(yè)務培訓采用“一帶一”的實裝維修訓練，這種訓練其實是帶教機務人員監(jiān)督下的維修工作。這種訓練方式存在訓練需求和訓練機會矛盾的問題，如圖2所示。操作簡單、難度低、訓練代價低的維護技能，如清潔潤滑、油料添加、外觀檢查等，訓練需求低但在實裝訓練中機會多。操作復雜、難度高、訓練代價高的修理技能，如故障排查、零部件更換、改裝等，受訓人員需要更多訓練，但在實裝訓練中訓練機會少并且訓練時機滯后。想要打贏現(xiàn)代化戰(zhàn)爭，航空兵部隊需要在高強度、高頻率的情況下保證任務完成，更加依賴迅速高效的航空裝備維修。實裝訓練的方式缺少修理機會嚴重影響了機務人員修理能力的培養(yǎng)，越來越無法滿足部隊需求。

3）重經驗、輕規(guī)范。實裝維修訓練門檻低、不用準備教案，雖然有利于開展訓練計劃，但是不規(guī)范的教學訓練也導致了機務人員維修水平差異大、維修工作不規(guī)范的問題。帶教人員是進行航空裝備維修的機務人員，在缺少教案和教學理論指導的情況下，帶教人員只能把自己的維修經驗傳授給受訓人員。在經驗式、個性化的教學下，受訓人員習得的維修技能既不規(guī)范又不統(tǒng)一，并且還會導致受訓人員養(yǎng)成經驗維修的思維。

3虛擬訓練在航空裝備維修訓練應用中的優(yōu)勢 3.1時間上的優(yōu)勢

在航空裝備維修訓練中應用虛擬訓練，能提前訓練時機，縮短訓練時間，與傳統(tǒng)訓練相比具有時間上的優(yōu)勢。具體表現(xiàn)在以下兩個方面：

1）有機結合理論教學與技能培訓，縮短維修訓練周期。完善的虛擬訓練系統(tǒng)包括理論教學資源和技能訓練資源，能夠兼顧理論和技能的訓練，允許受訓人員在接受理論學習的同時進行對應的技能練習。但是完善的虛擬訓練系統(tǒng)研發(fā)難度大、成本高，目前航空裝備維修虛擬訓練系統(tǒng)一般只包含技能訓練資源。一般的訓練系統(tǒng)仍然能解決缺少實裝、缺乏環(huán)境場地的問題，使在院校進行技能訓練成為可能。應用航空裝備虛擬訓練系統(tǒng)能很好地解決傳統(tǒng)訓練模式理論教學與技能培訓脫節(jié)的問題，讓受訓人員在院校理論學習階段就能進行對應的維修技能，減少了基層技能培訓內容，有助于縮短維修訓練周期。

2）打破實裝時間限制，提前修理訓練時機，縮短訓練周期，如圖3所示。訓練周期包括教學和練習兩個過程。虛擬訓練使修理技能教學練習完成在修理工作前，例如在遇到故障前進行故障排查訓練，飛機飛行時間達到定檢要求前進行定檢技能訓練。實裝訓練只有發(fā)生故障或者達到定檢時間時，才能在修理工作中進行教學、練習，一般一個訓練周期至少需要兩次修理工作，兩次修理工作間隔時間長，導致實裝訓練時機滯后周期長。

3.2環(huán)境上的優(yōu)勢

虛擬訓練擁有沉浸性強而且豐富的場景資源，虛擬訓練在推動差異化訓練和認知訓練上有巨大優(yōu)勢，具體如下：

1）提供自主訓練平臺，推動訓練差異化。受訓人員在虛擬訓練時可以根據(jù)自身情況和需要選擇不同的訓練場景，并且虛擬訓練具備考評功能對受訓人員的訓練進行記錄和評估，使訓練突破了對環(huán)境、裝備和人員的依賴，提供了自主訓練的平臺。在航空裝備虛擬訓練中可以選擇飛行前場景訓練飛行前準備技能，也可以選擇夜間航行的場景訓練夜航維修技能，并且學習能力強的人員可以在鞏固基礎的前提下訓練更多的技能，學習能力弱的也能扎實磨練基礎技能。虛擬訓練真正實現(xiàn)了針對不同人員、不同時間、不同內容的“因需受訓”的差異化訓練。

2）身臨其境的訓練場景，讓參訓人員獲得沉浸式訓練。一般的模擬訓練隔閡感強，而實地訓練卻無法還原特定的訓練場景，這些限制讓受訓人員無法得到真實的臨場體驗。虛擬訓練既還原了逼真的訓練場景，又提供了多重感官刺激，能給予參訓人員沉浸式的訓練。沉浸式訓練一方面能給訓練者帶來放松、愉悅、感興趣等積極情緒，激發(fā)訓練積極性[1]，另一方面能在認知階段取得更好的效果。

3.3安全性的優(yōu)勢

虛擬訓練能在不損壞裝備，保證人員安全的情況下進行技能訓練。實裝訓練不可避免的存在安全隱患，損害人員裝備的安全。例如受訓人員上飛機不慎跌落造成摔傷，排故和換件訓練損壞臨近零部件，試車過程中因反應不及時造成發(fā)動機超溫等。在虛擬訓練中發(fā)生各類事故，卻不會對人員和裝備的安全產生影響，可以更好地保證訓練安全進行。

4虛擬訓練應用的挑戰(zhàn)

4.1訓練效果的挑戰(zhàn)

雖然大部分研究表明虛擬訓練能獲得與實裝訓練相同甚至更好的效果[2]，但是仍然存在有不同的看法。Bertram J等對比了警務人員的虛擬訓練和現(xiàn)實訓練的結果，表明虛擬訓練能獲得與實際訓練一樣的效果[5]。劉鵬等對比虛擬訓練系統(tǒng)與地圖導航訓練，認為虛擬訓練能獲得更有優(yōu)勢[6]。徐迪瓊等在建造教學研究中發(fā)現(xiàn)，虛擬訓練技術平臺不同對認知類學習和過程認知類學習的效果不同[7]。航空裝備虛擬訓練偏重程序性訓練，能否達到實裝訓練效果還缺少專項的研究，只能參考其他評估結論。

4.2機務人員的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的訓練模式在理論教學和技能培訓階段都是以教員為中心的方式，而在虛擬訓練中則以受訓者為中心。使用虛擬訓練系統(tǒng)沒有教員或者帶教師傅進行指導，受訓人員不能是被動接受，而要自主訓練，這需要機務人員具備自控自律、自我規(guī)劃、自我反思的自學能力。在航空兵部隊，機務人員學歷層次復雜，本科、?？啤⒊醺咧袑W歷層次占比大致相同，機務人員素質差異明顯。雖然航空裝備虛擬訓練本身有許多優(yōu)勢，但是虛擬訓練對機務人員的素質提出了更高要求。不同層次的機務人員對虛擬訓練的適應速度不同，怎樣能讓傳統(tǒng)訓練理念快速轉變，機務人員該如何適應虛擬訓練，這是使虛擬訓練發(fā)揮本身優(yōu)勢的關鍵。

4.3應用基礎的挑戰(zhàn)

在實際應用上的挑戰(zhàn)主要是兩個方面，一是使用場地問題，另一個是應用方法的問題。首先需要考慮的是使用場地問題。虛擬現(xiàn)實的輔助設備和計算機展開之后不易移動，并且虛擬訓練區(qū)需要占用20平方米的空間，一套虛擬訓練系統(tǒng)的布置至少需要一個30平方米的房間作為虛擬訓練室，如圖4所示。虛擬訓練的需求近幾年呈爆發(fā)式增長，對突如其來的新需求，航空兵部隊還沒有做好準備，虛擬訓練室的建設還不能滿足虛擬訓練要求。

另一方面，運用虛擬訓練目前仍然缺少系統(tǒng)的、規(guī)范的、成熟的教學法和條例法規(guī)。虛擬訓練的運用必定會改革傳統(tǒng)航空裝備訓練模式，但是新的訓練模式還存在如何安排訓練計劃，如何協(xié)調虛擬訓練與傳統(tǒng)訓練關系，如何銜接訓練內容等等一系列的問題。國內虛擬訓練起步較晚，缺乏可供參考的資料，還需要進一步探索。

參考文獻

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[7]許迪瓊，等.基于個人沉浸式虛擬環(huán)境的模擬建造再評估[J].蘇州科技大學學報，2018（3），64-67.