面向民航安全的协同管控虚拟仿真教学实验平台设计

［摘 要］ 为解决民航类专业在实验教学中难以满足行业背景的复杂性、动态性和大场景化问题，依托信息技术、人工智能、VR设备、多媒体及人机交互等软硬件系统，构建了一套面向“民航机场—空管部门—民航企业”等多部门的民航安全事故协同管控的虚拟仿真教学实验平台，并将此应用到民航类专业教学的课程群体系中。实施效果表明：虚拟仿真教学实验平台的应用可实现多专业、多院校、多地区的资源共享，解决民航突发事件应急管理中的不可逆性、难重现性和时空限制等问题，为民航领域的校企合作、产学研一体化发展以及民航强国和航空报国的人才培养目标提供了支持。

［关键词］ 虚拟仿真；民航专业；实验教学；人才培养

［基金项目］ 2021年度河南省教育科学“十四五”规划一般课题“面向产教融合的航空运输与安全工程人才培养联盟建设研究”（2021YB0175）；2022年度郑州航空工业管理学院教育教学改革研究与实践重点项目“虚拟仿真实验教学效果的制约因素与提升路径的实践研究”（zhjy22-09）；2023年度郑州航空工业管理学院教育教学改革研究与实践重点项目“新文科背景下航空服务艺术与管理一流本科专业人才培养模式改革研究与实践”（zhjy23-08）

［作者简介］ 郭昕曜（1988—），男，河南汝州人，博士，郑州航空工业管理学院民航学院副教授，硕士生导师，主要从事虚拟仿真技术设计研究；谢晓芳（1975—），女，河南洛阳人，硕士，郑州航空工业管理学院民航学院教授，硕士生导师，主要从事虚拟仿真智慧教学应用研究；佀庆民（1983—），男，山东菏泽人，博士，郑州航空工业管理学院民航学院副教授，研究生导师，主要从事民航安全虚拟仿真研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）02-0145-04 ［收稿日期］ 2022-11-21

公共安全与应急管理是新时代中国面临的主要挑战之一，也是政府现代管理工作体系中的重要组成部分［1-2］。作为公共安全事故的典型案例，民航突发事件具有随机性、高危性、高损失性、不可逆性及社会高关注等特点［3］。因此，培养符合民航专业类教学质量国家标准的人才，对标民航局对从业人员训练机构设置要求，以专业应用型为核心的民航安全管理人才具有重要的现实意义。然而，现有培养模式的实验教学模块主要采用课堂式桌面演练或培训中心现场式情景教学为主［4-5］。课堂桌面演练实验教学受限于现场环境及学生重视程度的不足，导致实验教学效果欠佳［6-7］；而培训中心则需花费大量的人力、财力及时间成本，且民航培训中心的相关实验设备也与真实的民航现状存在一定的偏差［8］。实验教学是“大类招生、大类培养”计划的重要组成部分，也是贯穿整个人才培养周期的重要教学环节［9］。因此，在当前实验教学无法满足复杂、动态、大场景形势下的情景化、体验式及互动式等民航人才培养需求的背景下，依托现代信息技术，开发特色鲜明的实验教学项目，建设跨学科、跨专业及跨领域的虚拟仿真实验教学平台已成为民航类院校亟须解决的人才培养问题。

郑州航空工业管理学院作为河南省与民航局省部共建高校，长期坚持“航空为本，管工结合”的办学特色，在现有省级虚拟仿真教学实验项目“民航应急撤离”“机场突发事件应急协同演练”“民航客舱应急救护”等三个省级虚拟仿真重点项目的基础上，申报并建设了面向“民航机场—空管部门—民航企业”的民航安全的协同管控虚拟仿真教学实验平台，以信息化引领构建以学生为中心的全新实验教育生态，使其提升人才培养质量。

一、系统平台的总体框架

民航安全的协同管控虚拟仿真教学实验平台围绕民航系统运行管理的三大机构，从“民航机场—空管部门—民航企业”等多部门协同运行角度，针对综合性、设计性及研究性仿真问题情景，突出应用驱动、资源共享，形成完整的面向民航安全的协同管控虚拟仿真实验教学体系，旨在全面满足航空服务艺术与管理、安全工程、交通运输及飞行技术专业等民航类相关专业的人才培养需求，实现民航类专业急需人才实验教学培养的跨区域、跨平台的资源协同与共享。以期通过该平台的构建与实施，形成完整的面向民航安全的协同管控虚拟仿真实验教学体系，并在民航业进行试验应用，建设民航特色虚拟仿真金课，更好地服务于高素质复合型应用人才培养。此外，本实验平台自建设以来，通过与新郑机场、深圳航空、南方航空河南分公司及厦门航空等多家企业的深度合作，在不断完善实验平台框架和功能的基础上，也形成了定期选派实验教师到民航单位挂职锻炼，为航空公司从业人员提供初始训练和复训的沟通机制。为实现产学研一体化，以及科研和社会服务水平的提升，提供了有力的支撑和助力。

二、系统平台的软硬件模块

软件主要包括：（1）面向机场的民航机场安检、货机着陆异常起火应急处置、机场指挥中心综合演练、民用航空器事件调查。（2）面向塔台的空中交通流量管控、空中交通协同放行、飞行冲突探测与调配、签派员突发事件应急处置。（3）面向航空公司的机务/维修部的机务例行检查故障应急处置、面向飞行的品质监控、面向客舱部的民航客舱特情处置及求生、面向保卫部的空防协同演练虚拟仿真实验教学软件（如图1所示）。

依托面向民航安全的协同管控虚拟仿真实验教学平台建设，以民航安全的协同管控需求为导向，充分利用VR、MR、AR等各种媒介，创新实验教学项目资源呈现方式，优化重构民航特色专业实验教学内容和课程体系，推动交通运输和安全科学与工程等学科知识点的融合，将飞行技术、交通运输、安全工程、航空服务艺术与管理等专业能力有机融合，建设民航特色专业类的虚拟仿真实验教学课程群，实现教育教学、研发设计、师资培训及社会服务等功能，构建可持续发展的高质量民航特色虚拟仿真实验教学体系。

三、系统平台的实验模块

平台的实验模块主要包含民航应急撤离、机场突发事件应急协同演练、民航客舱应急救护、民航飞行品质监控、空中交通流量管控、空中交通协同放行、飞行冲突探测与调配、签派员突发事件应急处置、民航机场安检、民航机务/维修、民航货机着陆异常起火应急处置及民用航空器事件调查等虚拟仿真实验教学软件系统。该虚拟仿真实验教学管理平台具有统一数据对接标准体系，共享平台处于中间层面，向下面向的是各院系的仿真实验资源，向上面向的是校级层面的教务系统等。现针对上述已立项实施的虚拟仿真教学实验模块进行如下介绍与说明。

（一）民航应急撤离虚拟仿真教学实验

该实验模块以B737-800型飞机客舱为背景，按照客舱的真实比例环境进行建模，仿真情景包括应急撤离的陆地和水上两种环境。通过对机组人员有准备撤离和无准备撤离的交互式仿真，引导学生对灭火、释压及医疗救护等实训任务演习。所有任务中，按照课程知识点，细分到各小章节。涉及的虚拟人物包含机长、副驾驶、安全员、各号位乘务员、旅客（包括特殊旅客和非特殊旅客）等。虚拟设备有安全带、氧气面罩、救生衣、应急发报机、海伦灭火瓶、水灭火瓶、防护式呼吸装置、氧气瓶、急救箱、应急医疗箱、SK包及救生筏等服务设备和应急设备。

（二）机场突发事件应急协同演练虚拟仿真教学实验

机场突发事件应急协同演练实验教学模块以大型机场飞行事故为情景背景，通过模拟仿真使学生了解并学习在突发事件中机场应急救援中心、运输服务部、航务管理部、空中交通管制、消防、医疗救护及机场公安机关等多部门的协同效应，以缩短应急救援过程时间为目标，通过划分任务时间节点为考察依据，以情景推演的方式引导学生从宏观层面操作机场突发事件应急演练的步骤，了解不同部门的任务和职责，以及如何处理大型机场突发事件的演练和应急处置工作。

（三）民航客舱应急救护虚拟仿真教学实验

民航客舱应急救护虚拟仿真实验教学模块设有学习模式、实训模式和竞赛模式，根据教学需求，可自由切换。该模块从视觉和听觉方面，采用自控角色人物、地图点击反馈、按压点击反馈及背包系统等丰富多样的人机交互方式指导学生在旅客生命攸关之际按照程序要求实施应急救护。主要的仿真教学内容包含：心肺复苏术（CPR）、海姆立克法、外伤包扎、晕厥及机上分娩处置等5个子任务。通过对心肺复苏术中的判断意识、广播寻医、清理口腔异物、胸外按压及人工呼吸等方法；海姆立克法中的成人、儿童与婴儿的不同施救方法；外伤包扎中的询问旅客情况、清创止血、固定包扎；晕厥中的询问旅客情况、拿取氧气瓶协助旅客吸氧、提供糖盐水；机上分娩中的询问旅客情况、判断孕妇是否即将分娩、调整孕妇座位搭建临时产房、乘务员对自身及孕妇消毒等关键步骤的仿真学习，以“交互游戏”的方式激发学生的积极性。

四、系统平台的课程管理模块

面向民航安全的协同管控实验教学子系统涵盖了教学资源库管理、教学信息管理、实验教学安排及选课、实验教学过程管理及实验效果评价等管理模块，可以较好地保障仿真实验教学管理的各环节的秩序和质量。系统通过虚拟仿真实验教学过程化管理，加强仿真实验教学环节管控，提供全新的教学和管理手段，强化学生掌握实验方法，培养学生对实验教学的主动性，有效提高了学生自主学习的积极性及实验教学质量。

（一）课程管理

平台系统中教师可按课程、仿真实验项目及理论资料的层级结构对实验过程进行管理，如教学安排、课程属性、上课班级、用户信息、相关教学资源及面向专业等。此外，在实际教学过程中支持优质教学资源、课程多次安排，提高课程项目利用率，对重复性的课程资源便于进行快速开课管理和教学活动的开展。当课程开设后，班级学生登录平台即可在指定时间内进行教辅资源学习、虚拟实验操作，并提交实验结果报告。

（二）课程学习

课程学习是实验环节的核心部分，需要师生共同参与。学生加入项目或课程后、实验开始前可对教师发布的教辅资源库中的资源进行学习，以便提前掌握实验操作知识及要点。教辅资源的类型多样，支持PPT、Word、Excel、PDF、视频及安装包等，支持课前或在线查阅、下载和收藏，辅助学生学习。实验操作前，提供理论测验功能，不仅可以帮助学生更好地掌握理论知识，巩固操作技能，还可以帮助学生更好地进行实验操作，提升实验操作技能。将理论测验成绩作为平时成绩，方便教师统计学生的学习情况。在线实验可多次重复练习，在实验操作过程中学生和教师进行项目交流，操作过程中支持提交实验报告，方便学生进行修改检验。

（三）课程成绩

按照实验课程汇总成绩并输出，平台提供数据接口给教务部门的成绩管理系统或导入本地保存。教师针对学生操作实验流程的快慢，在关键环节实施流程主评分、客观题由系统自动批改给分及主观题由教师评分等。对课程成绩支持上传和导入操作，同时也支持教师调整和维护实验课程成绩信息。

结语

民航安全作为专业性和实操性较强的领域，应用型人才培养离不开课程理论学习和实践能力培养。针对民航类高等院校的实际情况，结合专业建设的需求制订专项培训方案，本课程团队面向民航交通运输、飞行技术、航空服务与管理及安全科学与工程等专业开发的面向民航安全的协同管控虚拟仿真教学实验平台对培养效果而言，满足了民航突发事件的复杂、动态、大场景的情景化、体验式、互动式民航人才培养需求，解决了日常教学、管理工作烦琐和多专业资源共享的问题。此外，面向民航安全的协同管控虚拟仿真教学实验平台的构建也为后续高等院校提供研创产地、实训中心、课程培训、成果展示、课题研发及校企合作，实现产学研一体化发展提供了支持。

参考文献

［1］景国勋，王远声，郭昕曜，等.2019年国内航空安全领域研究现状分析［J］.安全与环境学报，2020，20（5）：2024-2028.

［2］刘奕，倪顺江，翁文国，等.公共安全体系发展与安全保障型社会［J］.中国工程科学，2017，19（1）：118-123.

［3］孙军亚，孙瑞山.比较安全学方法在民航安全管理模型中的应用研究［J］.交通信息与安全，2021，39（5）：36-42.

［4］李晶，尹云鹏，杨立娟.工业机器人仿真软件开发与实验教学应用［J］.实验室科学，2021，24（6）：57-61.

［5］刘苹苹，韩正之.上海市开放实训中心星级评定的实践与探索［J］.实验室研究与探索，2018，37（11）：247-251.