基于虛擬仿真技術的機務培訓改革與探索

王 凱，李玄玄

（中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300）

一、引言

飛機制造商提供的原版計算機輔助教學（CBT）系統軟件，例如，波音737CBT軟件，它可以提供語音文字教學，調節播放速度，添加學習筆記，保存用戶使用的信息[1]，軟件內將飛機按系統模塊劃分，每一系統再多級細化。缺點是一套設備成本太高，并且只能在原設計者設計好的邏輯和范圍內，不能夠根據自己的需求訂制，使用時過程復雜，課件程序的調用有限制[2]。航空器維護訓練器（SBT）可以提供全操作駕駛艙和三維飛機圖像等功能[3]，該系統的顯示均利用計算機圖形技術仿真，操作則完全利用觸摸屏技術[4]，問題是開發周期長，而且作用有限，只能進行機艙內部的虛擬仿真。Prepar3D的開發環境，完全享有模擬飛行下的所有三維仿真效果，使用者可以在場景中自由地走動，自由地進出飛機。其中的二次開發工具SimDirector，通過拖動及圖形化編程，可以在無任何計算機語言基礎的情況下進行開發。不僅實現提供圖像、語音、文字的交互，還可以提供飛機各個角度的視野，搭建一個與現實機場相似度非常高的虛擬場景，可以非常方便地實現場景錄制，供后期評估分析或教學。場景可以做得更加開放，并鼓勵學生自我探索，并使其有可能選擇自己的學習主題[5]。

二、場景設計

1.開發平臺簡介。SimDirector是Prepar3D的二次開發工具，可以幫助我們在無編程基礎的情況下，使用軟件提供的不同“功能零件”，搭建流程圖得到預想的場景流程，側重于圍繞人物或飛機展開一系列邏輯事件的編輯和預演。流程的編輯主要是利用軟件提供的部件實現，雖然種類、數量有限，但絕大多數飛機操作都可以實現，而且可以通過寫腳本實現更多的附加需求。功能種類主要有：（1）Actions，行動類，包括計數操作、延時操作、對話操作等。（2）Areas，區域類，進行區域的限定，以實現在一定范圍內環境的限制。（3）Entities，實體類，包括多種飛行器、地面交通設備等，可以對其進行簡單的動作設定。（4）Goals，目標類，包括目標和組目標兩種。一般配合動作類的部件一起使用，用某動作完成與否決定當前目標是否實現，子目標可以將完成情況傳給組目標，組目標進行整個任務的完成情況的判定。（5）Group，組部件，這是工具性的部件，對于那些常用的部件流程，可以將它們封裝成組部件，便于進行模塊層面的復制和修改，并且支持文件級別的導入導出，方便我們在不同的工程下實現代碼重用。（6）Scenario，腳本類部件，提供的功能種類很多，有視野、任務、參數設定等。（7）Mobile Scenery/Scenery，景物類部件，用來實現動態和靜態的環境效果。（8）Triggers，觸發器類部件，通過它來實現動作的觸發。

2.設計要求。本文以展示機艙的儀表檢查為例，具體場景如下：預定授課的任務大綱，學生在虛擬場景里在跟隨視角鎖定和光標及文本提示的基礎上，完成指定的操作，并且可以根據需求進行考核評價。檢查中有一項工卡的具體要求是：檢查發動機滑油量和液壓油量，發動機滑油量指示不少于16，液壓油量指示不少于90%，若不足則按需加油。

3.設計思路。針對設計的要求，本次設計的機艙儀表檢查的場景需要設計如下部分：人機交互部分、任務管理部分、目標評價部分、數據管理部分。

4.具體設計方案。（1）人機交互管理。包括語音播報、字幕提示、動畫和參與者選擇菜單。會在開場時，以語音或字幕的形式對授課內容及形式予以說明，并且可以由參與者選擇場景的主題、任務的目標。操作過程中，場景中也會出現必要的提示。除了語音提示、文本提示以外，還可以使用視野切換、光標選中、光標路徑等提示，指導完成規定操作。（2）流程管理。由于此次演示是針對駕駛艙進行的，不需要太多的觸發條件，后臺邏輯相對單一，主要是以時間觸發器為激勵源的線性流程圖。（3）任務管理。任務的發布使用ScenarioMetadata模塊，AbbreviatedMissionBrie參數里面找到文件路徑，在Windows選項卡下的Kneeboard第一個選項卡Briefing會顯示網頁效果。它會在場景的keenboard中自動生成一份html格式的任務文件，實現任務的預覽。同時，我們可以進行更為詳盡的任務設定，每完成一項任務，可以進行語音及字幕提示，方便學生及時關注并解決問題。（4）目標管理。實現某一項單一步驟后，根據操作情況判定這一項任務是否完成。利用平臺目標與組目標的概念，可以建立多級的目標管理機制。具體地說，可以通過低級目標的完成情況，經由更高級的組目標會有及格分數部件匯總，對低級的目標完成情況的判定。這一過程主要使用Goal類部件完成，它可以進行目標完成時是否通過的判定，而且可以由完成情況打分，之后經由組目標部件進行分數統計，判定是否完成。（5）數據管理。在任務完成后，一些關鍵性的數據，如是否操作、完成情況、完成時間等數據，通過腳本模塊執行相應的腳本，實現相應的數據結果導出。由于平臺沒有自帶數據導出這一類部件，使用腳本類部件，這一類部件支持lua語言，編輯一段lua腳本，實現文件的寫入。

三、預覽仿真及實施結果分析

1.部分實現場景展示。由于整個過程不易通過文字展示，選取一部分艙內操作的場景，用圖示的方式來演示。圖1展示的是學生在場景操作中實現工卡的實時瀏覽；圖2展示的是學生可以在開場時瀏覽任務大綱，對任務有全局性的認識。

圖1 任務實時瀏覽

圖2 任務大綱預覽

2.目標評價。可以把每一個完整的檢查流程視作一個任務，參與者全程可以查看任務，使得對任務的總體配置，包括任務成功的條件以及難度等級、任務最多提供的時間有基本的了解。如圖3，可以查看到相應目標的完成情況以及是否符合要求，圖中打勾代表完成，打叉代表失敗。第一項為組目標OUTDOOR，由其下一級若干子目標的完成情況判定組目標是否達標。在完成到一定的階段，屏幕上會給出相應的判定結果。當完成一個階段的所有項目時，平臺會提示你是否合格。

圖3 實時預覽圖

四、結語

使用虛擬仿真技術搭建的實驗環境，由于使用了Prepare 3D相同的虛擬仿真平臺，可以高度逼真地做出與實際操作相似的場景，總體上可以實現繞機檢查的所有預設場景。解決因硬件、場地等不足不能一次性大規模培訓的難題。而且可以根據授課或機型的需要，修改、升級場景，在滿足授課功能需求的基礎上，使用平臺做到了任務管理、目標管理、數據管理，將以更開放的形式、更及時地反饋和更全面、數字化的分析更頻繁地出現在未來的機務培訓領域。