大數(shù)據(jù)背景下飛機與發(fā)動機故障診斷技術(shù)課程改革研究

李合 于光輝 鄒剛

摘? 要? 飛機與發(fā)動機故障診斷技術(shù)是航空機務(wù)維修專業(yè)機械方向?qū)W員的一門核心課程，主要通過對飛機和發(fā)動機故障診斷技術(shù)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)員分析問題、解決問題的能力。大數(shù)據(jù)時代的來臨給故障診斷技術(shù)課程教學(xué)帶來挑戰(zhàn)和機遇。為了順應(yīng)大數(shù)據(jù)發(fā)展的趨勢，針對大數(shù)據(jù)對故障診斷理論和方法的影響，分析目前飛機與發(fā)動機故障診斷技術(shù)課程教學(xué)存在的問題，進(jìn)行課程教學(xué)改革，為進(jìn)一步提升教學(xué)效益、進(jìn)而提高育人質(zhì)量進(jìn)行探索與嘗試。

關(guān)鍵詞? 大數(shù)據(jù);飛機與發(fā)動機故障診斷技術(shù);慕課;教學(xué)改革;相關(guān)關(guān)系;混合式教學(xué);數(shù)據(jù)可視化技術(shù);故障診斷軟件

中圖分類號：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）06-0108-03

Research on Curriculum Reform of Aircraft and Engine Fault Diagnosis Technology under Background of Big Data//LI He， YU Guanghui， ZOU Gang

Abstract? Aircraft and Engine Fault Diagnosis Technology is a core course for mechanical students majoring in aviation maintenance， which mainly trains students’ ability to analyze and solve problems by studying Aircraft and Engine Fault Diagnosis Technology. The advent of the era of big data has?brought challenges and opportunities to the teaching of fault?diagnosis technology. In order to comply with the develop-ment trend of big data， aiming at the influence of big data on the theory and method of fault diagnosis， this paper analyzes the existing problems in the teaching of Aircraft and Engine Fault Diagnosis Technology， and carries out the teaching re-form， so as to further enhance the teaching efficiency and im-prove the quality of education.

Key words? big data; aircraft and engine fault diagnosis tech-nology; MOOC; teaching reform; correlation; blended tea-ching; data visualization technology; fault diagnosis software

0? 引言

飛機與發(fā)動機故障診斷技術(shù)（以下簡稱為故障診斷技術(shù)）是一門闡述飛機和發(fā)動機故障診斷理論的任職崗位課程，是航空機務(wù)維修機械專業(yè)學(xué)員任職教育的必修課程。通過故障診斷基本知識、故障分析方法、故障診斷方法等知識的學(xué)習(xí)，能夠提升學(xué)員故障分析和診斷能力，對學(xué)員未來長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要作用。

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出規(guī)模大、種類多、處理速度快、價值密度低的特性，即所謂的4V特性[1]。我國在近幾年公布了很多相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略，大數(shù)據(jù)、人工智能等相關(guān)技術(shù)已經(jīng)開始在各個領(lǐng)域發(fā)揮作用。大數(shù)據(jù)時代，信息技術(shù)與教育的深度融合將對師生關(guān)系、教學(xué)材料、學(xué)習(xí)環(huán)境以及教學(xué)測試和評估等產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[2-3]。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用對故障診斷技術(shù)課程的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段都提出更高要求。為了順應(yīng)大數(shù)據(jù)發(fā)展的趨勢，故障診斷技術(shù)課程的教學(xué)應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)改革。

1? 目前故障診斷技術(shù)課程教學(xué)中存在的問題和不足

飛機的故障一般分為硬故障和軟故障兩種類型：硬故障是指飛機突然發(fā)生某部分的損壞或者完全停止工作，這種飛機故障是容易識別的;軟故障是指某些緩慢變化，如控制系統(tǒng)參數(shù)變化或電路偏置變化、漂移等，這些故障是比較難以解決的[4]。故障診斷技術(shù)是一門綜合課程，涉及知識面廣，包含概率論、數(shù)理統(tǒng)計、線性代數(shù)、故障學(xué)、人工智能、自動測試、信號分析、飛機構(gòu)造、發(fā)動機構(gòu)造、發(fā)動機原理、飛機發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度等諸多知識。由于教學(xué)理念陳舊、教學(xué)手段單一等問題，再加上知識的交叉造成課程學(xué)習(xí)難度大，學(xué)習(xí)知識難以落地，影響了學(xué)員學(xué)習(xí)的信心和積極性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1? 教學(xué)理念略顯陳舊

當(dāng)下的教員和學(xué)員對知識的傳授和學(xué)習(xí)大都是基于因果關(guān)系的，這種理念易于理解，便于接受，但是在很多問題的處理上會存在不足，即：考慮造成結(jié)果的因素太少或者太多嚴(yán)苛的前提假設(shè)，以致很多方法在故障診斷中準(zhǔn)確性較差，適用性較弱。

1.2? 教學(xué)手段有待增強

首先，現(xiàn)在的教學(xué)主要依托課堂授課，缺乏與之配套的線上課程資源，造成學(xué)員在課前預(yù)習(xí)和課后消化環(huán)節(jié)缺乏針對性;其次，故障診斷的問題一般比較復(fù)雜，從問題條件輸入到過程的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到最終結(jié)果展示，缺乏一種比較完美的形式，影響了學(xué)員對問題理解的速度和質(zhì)量，達(dá)不到令人滿意的教學(xué)效果。

1.3? 教學(xué)內(nèi)容亟待完善

課程現(xiàn)有的方法主要集中在統(tǒng)計分析方法和基于結(jié)構(gòu)或原理的診斷方法，這些方法在解決某些簡單問題或者常見問題時可能還綽綽有余，但是在面對多因素輸入或者大量數(shù)據(jù)輸入等復(fù)雜問題時顯得捉襟見肘。

1.4? 學(xué)員對課程不夠重視

由于課程理論性太強，學(xué)員對故障診斷理解不深，不能很好地掌握診斷的思想和方法，缺乏將診斷理論運用于故障分析的能力，因此在不想學(xué)、學(xué)不好的心理下，達(dá)不到課程的教學(xué)目標(biāo)。

2? 教學(xué)改革的內(nèi)容

本教學(xué)改革的目標(biāo)是將大數(shù)據(jù)和人工智能等帶來的新理念、新手段、新方法用于故障診斷技術(shù)課程教學(xué)過程中，在大數(shù)據(jù)背景下改革傳統(tǒng)故障診斷技術(shù)教學(xué)模式，建設(shè)依托網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)教學(xué)環(huán)境，體現(xiàn)線上線下教學(xué)的交互性和大數(shù)據(jù)媒體的多元性，不僅讓學(xué)員掌握故障診斷的理論和方法，還要提高學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)員的研究能力，實現(xiàn)對現(xiàn)有問題的突破。

2.1? 逐步改變學(xué)習(xí)的觀念，給學(xué)員開拓更廣的學(xué)習(xí)理念，使學(xué)員能主動用相關(guān)關(guān)系解決問題

目前故障診斷的方法是基于因果關(guān)系進(jìn)行的，例如：邏輯推斷法就是根據(jù)客觀事物之間存在一種必然的規(guī)律性的聯(lián)系——因果聯(lián)系的理論，運用邏輯思維的共變性原理（即飛機系統(tǒng)、機件某一現(xiàn)象發(fā)生一定的變化之后必然引起另一現(xiàn)象隨之發(fā)生一定變化），應(yīng)用邏輯推理，最后作故障原因的判斷。這種方法符合人們認(rèn)識事物的思維習(xí)慣，所以容易掌握，應(yīng)用方便。但是，在大數(shù)據(jù)背景下，面對海量的數(shù)據(jù)，這種因果關(guān)系分析的方法就捉襟見肘，由于不能完全找出數(shù)據(jù)之間的因果關(guān)系，也就不能全面推斷出故障原因。

因此，在大數(shù)據(jù)背景下，把人工智能、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)融入教學(xué)，開拓思維，更新理念，學(xué)習(xí)掌握相關(guān)關(guān)系來解決問題。相關(guān)關(guān)系是客觀現(xiàn)象存在的一種非確定性的相互依賴關(guān)系，即自變量的每一個取值，因變量由于受隨機因素影響，與其所對應(yīng)的數(shù)值是非確定性的。相關(guān)分析中的自變量和因變量沒有嚴(yán)格的區(qū)別，可以互換[5]。可以認(rèn)為相關(guān)關(guān)系是因果關(guān)系的拓展，因果關(guān)系是相關(guān)關(guān)系的特例，在大數(shù)據(jù)分析中一般應(yīng)用變量間的相關(guān)關(guān)系。相關(guān)關(guān)系打開了學(xué)員學(xué)習(xí)知識的另一個渠道，可拓展學(xué)員思維，而且可以依據(jù)相關(guān)關(guān)系建立變量間的黑盒模型，進(jìn)行故障診斷或者預(yù)測。通過計算和分析故障與其影響因素在各種情況下的相關(guān)性，可以對維修保障決策和故障分析診斷起到輔助支持作用[6]。

2.2? 提升數(shù)據(jù)的處理能力，打通收集、更新、挖掘環(huán)節(jié)，使學(xué)員切實體會到如何從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)

目前，飛機故障數(shù)據(jù)是從一線機務(wù)部隊收集到的，但是由于種種原因，這些數(shù)據(jù)已經(jīng)被機務(wù)人員進(jìn)行處理，不能全面地反映故障的真實情況。為了能夠使得到的數(shù)據(jù)真實準(zhǔn)確，可以通過傳感器、飛參等手段獲得第一手原始數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)打好基礎(chǔ)。例如：為了判斷發(fā)動機工作是否正常，需要進(jìn)行發(fā)動機的試車檢查，試車過程中需要記錄各階段的參數(shù)。某型發(fā)動機試車時記錄的參數(shù)見表1。在獲得很多組無故障發(fā)動機的試車參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立發(fā)動機試車診斷模型。在對某臺發(fā)動機進(jìn)行診斷時，將新的試車參數(shù)輸入模型，即可判別發(fā)動機是否故障，甚至可以具體判斷出某個部附件出現(xiàn)故障。

2.3? 實現(xiàn)線上線下混合式教學(xué)，給學(xué)員打造更好的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)員真正做到時時可學(xué)、處處能學(xué)

利用互聯(lián)網(wǎng)上的慕課資源，如哈爾濱工程大學(xué)夏虹教授的慕課《設(shè)備故障診斷技術(shù)》等，并建設(shè)符合本課程特點的慕課、微課，配備適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)環(huán)境，給學(xué)員營造混合式教學(xué)的條件，通過全過程考核、成果展示等手段，不斷激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性和成就感。

2.4? 實現(xiàn)復(fù)雜問題可視化，給學(xué)員提供更佳的學(xué)習(xí)體驗，使學(xué)員能對問題理解更迅速、更透徹

數(shù)據(jù)的采集、提取和理解是人類感知和認(rèn)識世界的基本途徑之一，數(shù)據(jù)可視化為人類洞察數(shù)據(jù)的內(nèi)涵、理解數(shù)據(jù)蘊含的規(guī)律提供了重要的手段?，F(xiàn)代的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)綜合運用計算機圖形學(xué)、圖像處理、人機交互等技術(shù)，將采集或模擬的數(shù)據(jù)變換為可識別的圖形符號、圖像、視頻或動畫，并以此呈現(xiàn)對用戶有價值的信息。用戶通過對可視化的感知，使用可視化交互工具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、獲取知識，并進(jìn)一步提升智慧[7]。在進(jìn)行飛機與發(fā)動機故障診斷時，通常獲取的故障特征維度較大，數(shù)量也大，學(xué)員很難對一大堆數(shù)據(jù)形成感性的認(rèn)識，而利用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，可以將故障特征數(shù)據(jù)全方位展示，便于學(xué)員對問題的理解。

2.5? 教學(xué)內(nèi)容補充新方法，給教員的科研工作提供方向，設(shè)計出準(zhǔn)確易用的故障診斷軟件

近年來，故障診斷的理論和方法有較大變化，如大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)可視化、相關(guān)關(guān)系前沿知識與故障診斷的結(jié)合，教學(xué)內(nèi)容中增加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等基于數(shù)據(jù)驅(qū)動及訓(xùn)練的故障診斷方法，并結(jié)合故障診斷案例說明方法的應(yīng)用。為了實現(xiàn)新技術(shù)的應(yīng)用，課程組設(shè)計故障診斷軟件用于課程教學(xué)，并提高故障診斷能力。

3? 改革成果

通過近兩年的實踐，課程教學(xué)在以下幾個方面取得積極成效。

3.1? 提升了教員的教學(xué)能力

教員是教學(xué)活動的主導(dǎo)者，是改革成敗的重中之重。在教學(xué)改革中，教員學(xué)習(xí)并運用大數(shù)據(jù)等前沿知識，并承擔(dān)大量的信息資源建設(shè)、課件修改、教材完善、試卷更新等任務(wù)，實踐多種教學(xué)模式，不僅增強了學(xué)員的學(xué)習(xí)效果，而且提升了自身的教學(xué)能力。

3.2? 配套了相關(guān)教學(xué)資源

完善信息資源，自制一些資源，結(jié)合在線教學(xué)平臺的資源，做到線上資源能用、適用、好用;增加教學(xué)內(nèi)容，增加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等基于數(shù)據(jù)驅(qū)動及訓(xùn)練的故障診斷方法，并結(jié)合故障診斷案例說明方法的應(yīng)用;更新課件，將復(fù)雜問題可視化并展示在課件上，將課程中涉及的難點用數(shù)據(jù)可視化方法進(jìn)行展現(xiàn)，并替換之前的文字說明和圖表，有效地提高了學(xué)員的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

3.3? 提高了故障診斷能力

利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)建立之前常規(guī)故障診斷技術(shù)難以實現(xiàn)的復(fù)雜診斷模型，便于操作，提高了學(xué)員的故障診斷能力;建立的數(shù)據(jù)模型也能夠指導(dǎo)機務(wù)人員進(jìn)行排故實踐;研究中的數(shù)據(jù)可視化可以推廣到其他復(fù)雜問題的展示;研究中的人工智能故障診斷方法也能輕松推廣到飛機發(fā)動機之外的復(fù)雜系統(tǒng)。

3.4? 改變了課程考核方式

采用過程性考核手段，將學(xué)員的考核分為平時考核和終結(jié)性考核。平時考核主要考核學(xué)員的出勤情況、課堂回答問題情況、作業(yè)完成情況等，占總成績的50%。學(xué)員如果沒有通過平時考核，則不能參加課程結(jié)束的終結(jié)性考核。終結(jié)性考核主要考核學(xué)員對課程的總體掌握情況，占總成績的50%。這樣，評價的主體由單一的教員轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)員共同參與，重視對學(xué)員學(xué)習(xí)過程的評價，更能反映學(xué)員獲得的知識和綜合素質(zhì)[8]。

4? 小結(jié)

飛機與發(fā)動機故障診斷技術(shù)是一門理論性很強的專業(yè)課程，在如今的大數(shù)據(jù)時代，教員在教學(xué)過程中需要不斷探索，注重新理論和新技術(shù)的應(yīng)用，幫助學(xué)員建立大數(shù)據(jù)故障診斷的思維，并能夠在這種思維方法的指導(dǎo)下選用適當(dāng)?shù)墓收显\斷方法，高效地解決飛機和發(fā)動機遇到的故障?！?/p>

參考文獻(xiàn)

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[8] 李合，鄒剛，于潔.翻轉(zhuǎn)課堂在航空裝備實踐教學(xué)中的探索[J].教育教學(xué)論壇，2019（47）：155-156.

作者：李合，海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，講師，主要從事海軍航空裝備保障教學(xué)與科研工作;于光輝，海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，博士研究生，講師，研究方向為航空裝備故障診斷;鄒剛，海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，講師，主要研究方向為海軍航空裝備保障（266041）。