王 征 張 通 高 達(dá) 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(guó)深化職教改革電視電話會(huì)議上，國(guó)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(duì)伍建設(shè)，并將最新的技術(shù)、工藝均納入教材，推動(dòng)教學(xué)、實(shí)訓(xùn)的融合”[1]。推動(dòng)職業(yè)供給側(cè)改革和學(xué)校內(nèi)部建設(shè)，推進(jìn)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(duì)伍的關(guān)鍵舉措[2]。

目前高職類院校開(kāi)設(shè)的航空機(jī)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(shí)訓(xùn)兩部分。對(duì)于理論教學(xué)，主要采取教師集中理論授課和計(jì)算機(jī)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(shí)物相結(jié)合的方式。這種高職院校傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式在實(shí)訓(xùn)時(shí)間、實(shí)訓(xùn)質(zhì)量、實(shí)訓(xùn)方式、實(shí)訓(xùn)效率、實(shí)訓(xùn)成本等方面存在許多不足之處。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概況

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也可以叫做臨境技術(shù)或人工環(huán)境，主要是通過(guò)電腦模擬來(lái)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(jué)、觸覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)等方面的體驗(yàn)，再借助頭盔式顯示器、遙控設(shè)備、手勢(shì)等方式和環(huán)境里的虛擬物體、場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，帶來(lái)一種身臨其境的感受[3]。事實(shí)上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是信息化時(shí)代以來(lái)，仿真技術(shù)發(fā)展的必然發(fā)展趨勢(shì)，也與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)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(mén)的研究領(lǐng)域，屬于前沿的智能交叉技術(shù)，受到社會(huì)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(jì)、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(shí)系統(tǒng)思想的雛形。到了20世紀(jì)70年代，誕生了第一個(gè)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(shí)系統(tǒng)的相關(guān)理論研究成果，美國(guó)著名專家賈朗·拉尼爾(JaronLanier)明確表達(dá)了“虛擬現(xiàn)實(shí)”的含義，在當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)界引起了深遠(yuǎn)的影響。到了20世紀(jì)80年代，美國(guó)宇航局(NASA)及美國(guó)國(guó)防部圍繞虛擬現(xiàn)實(shí)展開(kāi)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(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)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(dòng)畫(huà)制作奠定了良好的基礎(chǔ)[5]。

于20世紀(jì)90年代初，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程等的高速發(fā)展，我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)研究開(kāi)始起步。因?yàn)樵摷夹g(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(lái)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(shí)技術(shù)推廣到高校實(shí)踐教學(xué)，能給一些傳統(tǒng)的教學(xué)觀念和模式帶來(lái)改變，開(kāi)展虛擬化的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，為高校學(xué)生提供就業(yè)先期實(shí)踐，對(duì)解決高校長(zhǎng)期普遍存在的實(shí)踐教學(xué)問(wèn)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(shí)現(xiàn)

起落架裝置，是為了滿足飛機(jī)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(guò)程引起的巨大負(fù)載，此外還可以降低地面靜止或是移動(dòng)過(guò)程中飛行器受到靜載荷和動(dòng)載荷作用，增強(qiáng)飛機(jī)機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)傳統(tǒng)系統(tǒng)等方面。事實(shí)上，對(duì)于起落架的主體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，它們是整體的受力單位，直接關(guān)系到機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)系統(tǒng)的運(yùn)行，所以必須在對(duì)其設(shè)計(jì)和運(yùn)作的時(shí)候，予以高度的重視。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)可知，在飛機(jī)故障的事件中，超過(guò)百分之四十的故障都是起落架故障所導(dǎo)致[8]。

基于飛機(jī)起落架的工作部件可知，收放機(jī)構(gòu)存在的失效概率達(dá)到34.4%，所以加強(qiáng)對(duì)收放機(jī)構(gòu)的研究十分關(guān)鍵[9]，故此在職業(yè)院校的飛機(jī)維修專業(yè)教學(xué)安排的課程中，起落架收放系統(tǒng)維護(hù)處于重要地位。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)實(shí)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(jìn)，該領(lǐng)域的理論與實(shí)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(jì)，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(lái)越多的聚焦在航空器維修方面，卻沒(méi)有較多的相關(guān)培訓(xùn)機(jī)會(huì)[10]。所以，對(duì)于以往開(kāi)設(shè)的飛機(jī)機(jī)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(shí)技術(shù)融于飛機(jī)機(jī)電設(shè)備的虛擬維修過(guò)程，對(duì)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(yùn)營(yíng)成本具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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

2.1 研究對(duì)象

以石家莊工程職業(yè)學(xué)院航空工程實(shí)訓(xùn)中心的波音777飛機(jī)前起落架為研究對(duì)象，實(shí)物如圖1所示。

圖1 飛機(jī)起落架實(shí)物

將飛機(jī)起落收放系統(tǒng)架分解后，對(duì)各部件、零件進(jìn)行精確測(cè)量，并做出必要的簡(jiǎn)化，即去掉一些輔助構(gòu)件后，使用3D仿真軟件SolidWorks進(jìn)行建模，如圖2所示。

圖2 飛機(jī)起落架數(shù)學(xué)模型

2.2 虛擬維修過(guò)程實(shí)現(xiàn)及特點(diǎn)

從構(gòu)成上來(lái)說(shuō)，飛機(jī)起落收放系統(tǒng)架虛擬現(xiàn)實(shí)維修平臺(tái)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(dòng)作捕捉設(shè)備等方面的硬件設(shè)備，詳見(jiàn)表1所示。

表1 虛擬現(xiàn)實(shí)維修平臺(tái)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(tái)，支持實(shí)訓(xùn)仿真與考核評(píng)估，虛擬實(shí)訓(xùn)軟件在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)設(shè)三維虛擬維修場(chǎng)景，學(xué)生通過(guò)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(hù)工具、供替換的零部件和完整的裝置等進(jìn)行拆卸或安裝，進(jìn)而滿足預(yù)定各項(xiàng)目的實(shí)施和考核要求。虛擬維修環(huán)境運(yùn)行條件由運(yùn)行虛擬維修程序所必需的硬件設(shè)備，包括個(gè)人計(jì)算機(jī)組、工作站和網(wǎng)絡(luò)、空間動(dòng)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(shí)訓(xùn)能力，擴(kuò)展教學(xué)維度

基于VR技術(shù)，學(xué)員通過(guò)使用虛擬維修教學(xué)平臺(tái)的各項(xiàng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)難以拆分的部件操作，比如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主泵、啟動(dòng)機(jī)的拆裝及齒輪的更換、飛機(jī)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(shí)操體驗(yàn)，激勵(lì)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(shí)操環(huán)節(jié)和難度，實(shí)施多次模擬訓(xùn)練，操作過(guò)程數(shù)據(jù)回放可以便于學(xué)生進(jìn)行實(shí)操的認(rèn)真學(xué)習(xí)，觀察結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)及維護(hù)流程，保證了學(xué)員們的實(shí)訓(xùn)效果。

3.3 繁復(fù)程序簡(jiǎn)單化，危險(xiǎn)步驟安全化

針對(duì)培訓(xùn)課程有些實(shí)訓(xùn)科目準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、開(kāi)展難度大、危險(xiǎn)步驟程序多的情況，基于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)開(kāi)展安全操作，在虛擬環(huán)境中設(shè)置實(shí)操時(shí)容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤操作，這樣就能身臨其境的讓學(xué)員體驗(yàn)到錯(cuò)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(shí)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(shí)訓(xùn)條件、師資水平差別很大，在航空設(shè)備實(shí)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(yáng)各自教學(xué)優(yōu)勢(shì)，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(huì)資源，并能夠有力地滿足航空事業(yè)發(fā)展對(duì)維護(hù)隊(duì)伍日益增加的需求。

4 總結(jié)

飛機(jī)起落架收放系統(tǒng)虛擬維修平臺(tái)應(yīng)用Unity 3D引擎、3D 仿真等技術(shù)，解決了三維實(shí)物建模、實(shí)物材料控制、實(shí)物行程建模、訓(xùn)練交互控制等技術(shù)問(wèn)題，較為真實(shí)地模擬了某型飛機(jī)收放系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，達(dá)到了教學(xué)實(shí)訓(xùn)的目的。

本平臺(tái)在使用的過(guò)程中，滿足學(xué)員對(duì)起落架收放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及維護(hù)技能實(shí)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(dòng)作要領(lǐng)。因此，通過(guò)虛擬維修平臺(tái)能在很大程度上改善教學(xué)中存在的實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足、耗材成本昂貴、操作對(duì)新訓(xùn)人員具有危險(xiǎn)性等問(wèn)題，可為民用航空器維修專業(yè)學(xué)員在實(shí)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。