数字化李生技术赋能飞行安全教学模式创新研究

引言

飞行安全教学长期受制于成本与风险的双重矛盾，真实环境中的特情训练囿于安全边界，学生难以充分经历极端场景；地面课堂消除了安全隐患，却无法再现座舱内信息交织的真实压力。传统模拟器部分缓解了困境，其场景僵化与交互受限依然制约教学深度。数字孪生技术在航空领域的成熟应用为破解难题开辟了新径。该技术建立的物理-数字双向映射关系，契合高保真、零风险、可重复演练环境的构建需求，为飞行安全教学模式革新奠定了技术基础。

1.数字化孪生技术以及飞行安全教学内容概述

数字孪生技术作为现代信息技术与实体世界深度融合的产物，在飞行安全教学领域展现出独特价值。该技术本质上构建了物理飞行环境与数字 映射关系 ，实现对真实飞行器、飞行环境及飞行过程的精确数字化复制与实时交互。其核心在于 结构特性 飞行动力学模型、 气象环境因素等物理参数数字化，形成可视化、可操作、可预测的虚拟教 安全教学借助此技术得以突破传统教学局限，从静态知识传授向动态情境体验转变，使飞行员在安全环 体验各类高风险场景，包括极端气象条件应对、设备故障处置、应急决策演练等，从而构建起更为立体、全面的飞行安全知识体系。

飞行安全教育和培训的内容和方法模拟训 用模拟机进行飞行训练模拟各种紧急情况和天气条件下的飞行操作，提高飞行员应对复杂情况的 新飞行技术和安全知识，提高飞行员的综合素质和应变能力论教育案例分析包括飞行 知识、航空法规等方面的教育，使飞行员全面了解飞行相关的理论知识。

2. 数字孪生技术应用于飞行安全教学的现实意

2.1 提升飞行安全教学的沉浸性与实效性

数字孪生技术将驾驶舱、仪表系统、外部环境精确映射至虚拟空间，学生在高仿真座舱中操纵飞行器，感受发动机震动、气流扰动、仪表变化的真实反馈。当模拟系统呈现发动机失火、液压故障等危急情况时，驾驶舱内警报声响起，仪表指针异动，学生需在压力下完成应急检查单操作，多感官刺激构建的临场感远超传统教学媒介。虚拟环境允许学生反复体验低空风切变、结冰等高危场景，在安全边界内探索操作极限，将抽象飞行理论转化为具身化操作记忆，显著提升应急能力的内化程度。

2.2 降低飞行培训成本与安全风险

传统飞行训练依托真实航空器展开，单架教练机每小时运行费用动辄数千元，燃油消耗、设备折旧、机场使用等环节持续产生巨额支出。数字孪生系统将一次性建设投入转化为可持续使用的虚拟资产，多批次学生共享同一平台，边际成本趋近于零。学生在掌握基础技能之前无需占用昂贵的实机资源，大量重复性训练在虚拟环境中完成，实机训练压缩至技能验证阶段，资源配置效率实现跃升。安全层面的改善更具实质意义，真实训练中的操作偏差可能导致设备受损乃至人员伤亡，特情处置科目本身携带高风险属性[1]。

3. 数字孪生技术赋能飞行安全教学模式的创新路径

3.1 构建虚实融合的教学场景与内容体系

教学场景的构建需以真实飞行数据为基底，将航空器气动特性、系统运行逻辑、环境变化规律转译为可交互的数字模型。这一过程要求将飞行手册中的理论参数、历史事故的黑匣子数据、气象部门的实测样本整合进虚拟环境，使模拟座舱中的仪表响应速率、操纵舵面的力反馈曲线、发动机推力衰减特征皆与实机运行特性保持一致。教学内容的设计应当遵循能力培养的递进规律，从基础操作的肌肉记忆训练到复杂情境下的决策判断演练，逐层提升学生对系统故障征兆的识别敏感度与应急预案的执行熟练度。虚实结合的关键在于确保模拟训练积累的操作经验能够迁移至真实飞行场景，这需要教学团队持续修正虚拟模型的物理参数，用实际飞行中采集的传感器数据校验数字孪生系统的输出准确性。

例如，在教学中可以聚焦双发失效应急处置这一极端场景的训练设计。数字孪生系统基于某型客机的实际飞行包线，设定巡航高度8000 米时双发同时停车的初始状态。座舱内主警告灯亮起的瞬间，学生面对的是快速下降的高度表、不断衰减的空速指示、液压系统压力归零后操纵杆变沉的触觉反馈。虚拟环境此时同步呈现窗外的云层变化、地形接近警告系统的语音提示、应答机失效后管制员的无线电呼叫。学生需在有限时间内完成发动机重启检查单，选择最近备降机场，计算滑翔距离内的可达范围，决策是否放油以减轻着陆重量。数字孪生平台将这一过程分解为决策节点，记录学生在每个关键时刻的操作选择、视线分配模式、生理应激指标。当学生因慌乱遗漏襟翼配置程序时，系统触发接地速度超限的后果演示，着陆瞬间起落架承载超限导致结构损坏的画面呈现于屏幕。教师根据训练数据库中的典型差错案例，设置风切变、跑道积水等叠加干扰因素，观察学生在压力升级情境下的判断稳定性。

3.2 创新交互式、个性化教学方法

交互界面的设计则需打破传统单向信息输出模式，虚拟教练席功能允许教师在学生操作过程中实时介入，暂停飞行进程并标注关键决策节点，将抽象的操作规范转化为情境化的指导话语。学生可在暂停状态下调整操作选择，观察不同决策路径带来的系统响应差异，这种即时反馈缩短了从错误认知到正确理解的转化路径。

例如，在实际教学中可以针对进近阶段的能量管理能力培养设计个性化训练方案。数字孪生系统记录学生在标准五边进近中的速度控制曲线、下滑道偏离量、推力调整时机等关键参数，将数据转化为可视化的能量管理图谱。教师发现某位学生习惯性地过早收减油门，导致三转四阶段频繁出现低能量状态，需要推力补偿才能维持航迹。系统随即为该学生定制专项训练场景：在正常气象条件下设置不同风速、风向组合，要求学生将最后进近定点的速度保持在目标值正负5 节范围内，同时限制推力调整次数不得超过三次。虚拟座舱的多维度提示系统在此过程中发挥辅助作用，平视显示器上叠加显示当前能量状态与理想曲线的偏差值，偏差超过阈值时边框颜色由绿转黄示警。学生在多次训练后逐渐内化油门预判技巧，系统提示逐步退出，最终学生需在无辅助状态下完成精确的能量控制。每轮训练结束后，平台生成个人能力雷达图，标注速度控制、航迹保持、构型管理等维度的得分变化趋势。教师根据雷达图中持续偏低的能力项，调取该学生历史训练中的典型失误片段，在复盘环节播放其操作时的视角画面与仪表变化同步录像。画面中暴露的扫视遗漏、操纵滞后等具体问题转化为下一阶段的训练重点，教学内容的调整依据不再是主观判断，而是来自学生操作行为的客观映射[2]。

3.3 建立数据驱动的智能化评估体系

数字孪生平台在学生操作全程中持续采集多源异构数据，将传统教学中难以量化的操作细节转化为可分析的数字样本。飞行模拟过程中，系统同步记录操纵杆位移轨迹、油门杆调整频次、方向舵踏板施力曲线等物理操作参数，同时追踪学生视线在仪表板各区域的停留时长、扫视路径的转换节奏、告警信息出现时的注意力反应延迟。这些底层数据流入分析引擎后，算法依据飞行标准操作程序建立的基准模型进行对比验证，识别出操作序列中的程序遗漏、时机延误、动作幅度偏差等具体问题[3]。

例如，针对复杂气象条件下的决策能力评估，数字孪生系统设计了积冰威胁情境下的判断测试场景。学生驾驶某型涡桨飞机在云层中巡航，虚拟座舱外的挡风玻璃边缘开始出现半透明冰层聚集，静温指示逐渐逼近零度。此时埋入的多个决策触发点依次显现：外界空气温度表读数降至- ⋅2^∘C 、机翼前缘探测器发出轻微结冰警告、升降舵操纵力回馈出现变化。平台捕捉学生对各类信息源的关注优先级，记录其从首次冰层视觉观测到启动除冰系统之间的时间间隔，追踪是否执行脱离结冰区域的高度层调整决策。算法将学生的响应时序与专家操作数据库中的标准反应模式进行匹配度计算，量化其对积冰威胁演化进程的判断敏锐性。当学生因经验不足而忽视初期征兆，直至严重结冰导致失速警告触发才采取措施时，评估系统记录处置延迟的具体秒数，同时回溯分析学生在关键信息出现时刻的视线位置——数据显示其注意力集中在导航显示器的航路规划界面，未能察觉机翼观察窗外的冰层增厚。基于这类精细化的行为解析，系统生成的评估报告指明学生在信息源监控层级分配上存在的认知偏差，建议增设多重威胁并发场景的专项训练，强化其在复杂信息环境中提取关键安全线索的能力。评估结果转化为教学调整的直接依据，教师依据报告中标注的能力短板设计后续课程，将抽象的“提升态势感知能力”转化为“优化仪表扫视路径”“建立环境参数阈值警觉”等可操作的训练目标。

4.结语

虚拟演练转化为实际飞行安全裕度的过程，映射出数字孪生技术对教学范式的深层改造。危险场景训练的边界消失后，教师工作的核心转向学生应急状态下心理素质与决策品质的塑造。这一模式的深化发展仍需实践检验，模型精度的持续优化、评估维度的纵深拓展、人机协同机制的成熟，均有赖于教学场域中数据的积累与经验的沉淀。

参考文献

[1] 郭高鑫.基于数字孪生技术的老年大学虚拟校园建设探析[J].继续教育研究，2025，（11）：44-49.

[2] [1] 顾彬， 张云翔， 王义成， 等. 改进数字孪生技术的电力通信缺陷检测仿真[J]. 电子设计工程，2025，33（19）：69-73.

[3] “信息通信数字孪生与智能化”专题团队[J].电讯技术，2025，65（09）：1545.

作者简介：孙承，1971 年5 月，男，汉族，辽宁本溪，本科，一级飞行员，研究方向：飞行技术和教学。通讯作者简介：邬雷，1987 年7 月，男，汉族本科，一级飞行员，研究方向：飞行技术和教学。

项目来源：中国民用航空飞行学院主办项目“中央高校基本科研业务费专项资金”编号：25CAFUC03096