徐 超,楊 帆,何夢臨
(航空工業(yè)洪都,江西 南昌,330024)
隨著航空工業(yè)的發(fā)展,當(dāng)代作戰(zhàn)飛機(jī)的飛行性能、系統(tǒng)復(fù)雜度、傳感器數(shù)量、任務(wù)能力、制造使用成本都有跨越式的提升,飛行員尤其是執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的戰(zhàn)斗機(jī)飛行員的培訓(xùn)任務(wù)更加復(fù)雜艱巨,必須投入大量資源,組織多級(jí)、長時(shí)間的訓(xùn)練。飛行員培訓(xùn)沒有任何固定的途徑,我們需要考慮的是,哪一條路徑最佳,哪一種方式最經(jīng)濟(jì)且能最快達(dá)到訓(xùn)練效果,使飛行員能掌握目標(biāo)機(jī)型的操縱和運(yùn)用。
為了保證合理的訓(xùn)練階梯,現(xiàn)代飛行員訓(xùn)練體系一般設(shè)置篩選/初級(jí)訓(xùn)練、基礎(chǔ)訓(xùn)練、高級(jí)訓(xùn)練、作戰(zhàn)飛機(jī)改裝訓(xùn)練等訓(xùn)練階段,訓(xùn)練方式包括課堂授課、飛行模擬器練習(xí)和教練機(jī)空中飛行訓(xùn)練等不同訓(xùn)練方式。
隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展,人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等前沿技術(shù)不斷涌現(xiàn),以上技術(shù)作為通用技術(shù),在各個(gè)領(lǐng)域都得到了應(yīng)用,但其應(yīng)用效果與行業(yè)特性、領(lǐng)域需求密切相關(guān)。目前在飛行員培訓(xùn)領(lǐng)域,各國均開始嘗試將上述技術(shù)手段與飛行員培訓(xùn)體系進(jìn)行結(jié)合,但大部分以課題研究形式開展,尤其是在軍機(jī)飛行員訓(xùn)練系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用較淺,尚有限制待突破。本文從分析美軍PTN(Pilot Training Next)項(xiàng)目入手,結(jié)合近年來教練裝備和飛行員訓(xùn)練體系發(fā)展現(xiàn)狀和新興前沿技術(shù)的發(fā)展方向,分析其應(yīng)用前景。
培養(yǎng)一名承擔(dān)作戰(zhàn)值班任務(wù)的飛行員,一般要經(jīng)歷3~4年的時(shí)間,經(jīng)過初級(jí)教練機(jī)、中級(jí)教練機(jī)、高級(jí)教練機(jī)、戰(zhàn)斗入門教練機(jī)、同型教練機(jī)和作戰(zhàn)飛機(jī)超過500飛行小時(shí)的實(shí)機(jī)飛行訓(xùn)練。培養(yǎng)一名飛行員的費(fèi)用是驚人的,美國空軍培養(yǎng)一名F-16戰(zhàn)斗機(jī)飛行員,從完成飛行學(xué)員訓(xùn)練到F-16改裝訓(xùn)練,再經(jīng)過一年的作戰(zhàn)飛行訓(xùn)練后擔(dān)負(fù)作戰(zhàn)值班任務(wù),共需670萬美元,美國海軍航空母艦飛行員人均培訓(xùn)費(fèi)為800萬美元。
近年來美國飛行員缺口很大。美國政府一項(xiàng)調(diào)查報(bào)告顯示,美空軍、海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)都有飛行員缺口,其中空軍飛行員滿編率僅73%。美空軍參謀長戴維.戈德費(fèi)恩表示,由于經(jīng)濟(jì)增長乏力,國防預(yù)算縮減,飛行訓(xùn)練任務(wù)被迫減少,甚至大批飛行員轉(zhuǎn)業(yè)到地方民航公司,現(xiàn)在美空軍飛行員缺口在2000人以上。因此,如何有效提高飛行員訓(xùn)練效果、降低訓(xùn)練費(fèi)用一直是美國空軍重點(diǎn)研究的課題。早在2015年,隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐步成熟,美國空軍教育和訓(xùn)練司令部(AETC)就嘗試引入新技術(shù)改進(jìn)訓(xùn)練方法來優(yōu)化飛行員訓(xùn)練體制,與Reel FX VR及GSD&M兩家公司合作,摸索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是否能幫助飛行員學(xué)的更快和更深入。
PTN項(xiàng)目的全稱是Pilot Training Next,即飛行員未來訓(xùn)練項(xiàng)目,由美國空軍教育和訓(xùn)練司令部(AETC)負(fù)責(zé)人史蒂文夸特斯中將直接領(lǐng)導(dǎo),奧斯丁基地第560和第99飛行中隊(duì)參與,是美軍在前期技術(shù)摸索的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物,是美國空軍新訓(xùn)練計(jì)劃的一部分。目的是要驗(yàn)證虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)際訓(xùn)練效果,同時(shí)通過集成先進(jìn)生理傳感器、人工智能和數(shù)據(jù)分析等技術(shù)對(duì)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行逐步改良,構(gòu)建美國空軍虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng),為后續(xù)融入包括紅鷹T-7A新高教在內(nèi)的美軍新一代飛行員訓(xùn)練體系做準(zhǔn)備。
PTN項(xiàng)目通過單獨(dú)配置一個(gè)訓(xùn)練教室開展實(shí)施,配置20臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)飛行模擬器,每個(gè)模擬器配置HTC Vive頭顯、駕駛桿、油門桿和高性能PC,模擬器占地面積小,可機(jī)動(dòng)部署,模擬器按T-6教練機(jī)的座艙環(huán)境編程開發(fā),并預(yù)留后續(xù)其他機(jī)型座艙環(huán)境整體替換的接口,模擬器之間可以聯(lián)機(jī)訓(xùn)練,同時(shí)還布置了心律測試儀、眼動(dòng)儀等生理監(jiān)測設(shè)備對(duì)學(xué)員的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行監(jiān)測。
PTN項(xiàng)目總體思路是將模擬訓(xùn)練與真機(jī)飛行結(jié)合,通過訓(xùn)練效率和效果比對(duì)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。項(xiàng)目第一期始于2018年2月,為期6個(gè)月。第一批學(xué)員20人,包括15名現(xiàn)役空軍軍官和5名剛剛完成基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)的新飛行員。2018年8月,24周課程結(jié)束,共完成184個(gè)學(xué)時(shí),其中T-6基礎(chǔ)教練機(jī)飛行約70-80小時(shí),模擬器訓(xùn)練約80-90小時(shí)(不包括學(xué)員自己進(jìn)行的額外訓(xùn)練)。第一期共有13名學(xué)員在半年時(shí)間內(nèi)順利取證畢業(yè),而常規(guī)飛行訓(xùn)練周期大概需要一年。項(xiàng)目第一期結(jié)束后,美軍開發(fā)了一款名為“VIPER”的AI飛行教員。
項(xiàng)目第二期于2019年1月開展,這一期目標(biāo)主要在于提升AI飛行教員能力和生理傳感器能力。第二批學(xué)員20人,包括10名現(xiàn)役空軍軍官、2名空軍國民警衛(wèi)隊(duì)軍官、2名美國海軍軍官,6名英國皇家空軍人員,每個(gè)人都有不一樣的學(xué)習(xí)背景和不同領(lǐng)域的空軍服役經(jīng)驗(yàn)。2019年8月,第二期學(xué)員中14人畢業(yè),1人延期1個(gè)月畢業(yè),還有5人被淘汰。14名畢業(yè)生分別被分配到美空軍戰(zhàn)斗機(jī)部隊(duì)、轟炸機(jī)部隊(duì)、海軍T-45教練機(jī)中隊(duì)和英國“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)部隊(duì)。
項(xiàng)目第三期于2020年1月開始,充分總結(jié)前兩期的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),繼續(xù)優(yōu)化課程設(shè)置,同時(shí)加入數(shù)字地圖導(dǎo)航、機(jī)載傳感器使用、戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練任務(wù),方便學(xué)員未來向正規(guī)部隊(duì)過渡。同時(shí)計(jì)劃在模擬器中引入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),進(jìn)一步提高沉浸感,提升交互性。
鑒于PTN項(xiàng)目的優(yōu)良成果,AETC決定:2019年5月31日起,正式將PTN項(xiàng)目的創(chuàng)新內(nèi)容、經(jīng)驗(yàn)及訓(xùn)練數(shù)據(jù)結(jié)合到T-6A、T-1A以及T-38C飛機(jī)的訓(xùn)練課程中,在飛行學(xué)院推廣使用。
美軍PTN基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建低成本、便捷的訓(xùn)練環(huán)境,集成先進(jìn)生理傳感器、人工智能和數(shù)據(jù)分析技術(shù),使得訓(xùn)練環(huán)境可以根據(jù)不同學(xué)員的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和配置,提高飛行員訓(xùn)練的效率和效果。從三期訓(xùn)練試驗(yàn)結(jié)果來看,在淘汰率基本合理的前提下,使飛行員訓(xùn)練周期縮短近一半,成果顯著。參加項(xiàng)目的美國空軍軍官尤其認(rèn)可虛擬現(xiàn)實(shí)模擬器在基本飛行、應(yīng)急處理程序和大迎角機(jī)動(dòng)等飛行訓(xùn)練科目上發(fā)揮的作用。同時(shí)美軍披露了項(xiàng)目研究遇到的棘手難題和認(rèn)定的幾個(gè)發(fā)展方向,一個(gè)是當(dāng)前的AI教練很不完善,需要研究如何將其替換為一個(gè)可以根據(jù)每個(gè)學(xué)員具體進(jìn)度和訓(xùn)練情況進(jìn)行個(gè)性指導(dǎo)的、更加智能化的AI教練,另一個(gè)是生理傳感器使用不穩(wěn)定,還需要繼續(xù)尋求可以監(jiān)測學(xué)員的心律、呼吸、眼動(dòng)和其他指標(biāo)的高端生物套件。

圖1 美國空軍“PTN”項(xiàng)目訓(xùn)練情況
虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR & AR)是融合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、三維仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、顯示技術(shù)、傳感技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)的通用模擬環(huán)境顯示實(shí)現(xiàn)技術(shù),可以產(chǎn)生多源信息融合的交互式三維動(dòng)態(tài)視景,允許人員以自然的方式與模擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響,從而“沉浸”于等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有多感知性(Multi-Sensory)、交 互 性 (Interactivity)、浸 沒 感(Immersion)和構(gòu)想性(Imagination)四個(gè)重要特征。
使用虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建飛行訓(xùn)練平臺(tái),相比于實(shí)裝訓(xùn)練,可以擺脫教練機(jī)裝備規(guī)模、飛行空間、飛行時(shí)間的約束,可以隨時(shí)隨地重復(fù)開展訓(xùn)練,對(duì)薄弱環(huán)節(jié)重點(diǎn)加強(qiáng),極大降低了成本、提高了效率。相比于傳統(tǒng)模擬器,新的訓(xùn)練平臺(tái)沉浸感更好、交互性更強(qiáng)、設(shè)備成本更低、使用更加便捷。VR & AR技術(shù)在飛行訓(xùn)練領(lǐng)域已經(jīng)得到普遍認(rèn)可,在飛行課目進(jìn)入前和飛行中交叉進(jìn)行模擬訓(xùn)練,可以極大地提升飛行訓(xùn)練效益。真機(jī)飛行前,通過模擬訓(xùn)練,學(xué)員可以提前了解飛機(jī)性能特點(diǎn)、提前熟悉裝備情況,初步掌握其作戰(zhàn)方法,對(duì)起落、儀表、特技、夜航等飛行程序、機(jī)上儀表設(shè)備功能和操作等進(jìn)行預(yù)習(xí)實(shí)習(xí),而且可以通過實(shí)時(shí)更新計(jì)算機(jī)程序使模擬器與新型號(hào)飛機(jī)、新機(jī)載設(shè)備保持一致。從美軍的實(shí)踐結(jié)論來看,虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)尤其適用于進(jìn)行復(fù)雜氣象、特技、轟炸和特情處置等危險(xiǎn)系數(shù)較大的課目練習(xí),優(yōu)秀的沉浸感和交互性可以加強(qiáng)學(xué)員在特情發(fā)生環(huán)境下的認(rèn)知體驗(yàn)、生理適應(yīng),鍛煉學(xué)員的心理素質(zhì)和操縱處置能力。
目前虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在飛行訓(xùn)練應(yīng)用上前景明確,主要是兩個(gè)應(yīng)用方向,一是基礎(chǔ)飛行訓(xùn)練領(lǐng)域,強(qiáng)調(diào)低成本小體積,犧牲一定的模擬顯示和交互效果,利用低成本可機(jī)動(dòng)的核心優(yōu)勢下載高端模擬器或?qū)嵮b的任務(wù),打造高性價(jià)比的初階訓(xùn)練平臺(tái);二是專項(xiàng)和綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng),配置高成本的模擬系統(tǒng)和傳感器,對(duì)特定飛行科目進(jìn)行專項(xiàng)加強(qiáng)或者人人、人機(jī)組網(wǎng)進(jìn)行逼真戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗訓(xùn)練,取代目前高端綜合訓(xùn)練模擬器。
由于相關(guān)技術(shù)限制,目前虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、運(yùn)動(dòng)、力覺等幾種,且視場分辨率低、范圍小,運(yùn)動(dòng)空間定位差、精細(xì)捕捉困難,在飛行訓(xùn)練時(shí)出現(xiàn)看不清、視野小、操作反應(yīng)遲滯、運(yùn)動(dòng)模型變形、桿力輸出與實(shí)際飛行差距較大等問題,后續(xù)有待擴(kuò)展觸覺、味覺、嗅覺等感知能力。從可操作程度和從模擬環(huán)境得到反饋的自然程度來看,交互性還無法適配飛行員在座艙連續(xù)操作的要求。基于飛行訓(xùn)練的需求,后續(xù)將重點(diǎn)提升多感知性、交互性和浸沒感。
美軍PTN項(xiàng)目中,學(xué)員在胸前安裝生理傳感器,測量學(xué)員的心率、體溫、血氧等生理指標(biāo),將生理指標(biāo)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫的一部分用于后續(xù)訓(xùn)練效果的分析,作為訓(xùn)練失敗原因確定和訓(xùn)練方法改進(jìn)的依據(jù)。但是目前傳感器能夠測量的指標(biāo)項(xiàng)目仍然比較少,不滿足全面生理分析的要求,而且傳感器尺寸普遍偏大,影響飛行員的操縱,佩戴舒適度、佩戴穩(wěn)定性也難以令人滿意。
目前生理指標(biāo)測量主要方法有基于生理信號(hào)的檢測方法和基于人體反應(yīng)特征的檢測方法。基于生理信號(hào)監(jiān)測主要是借助傳感器對(duì)人體的生理信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測,例如血壓、心率、脈搏、血氧、體溫、排汗率、腦電波,心電波,眼電波以及表面肌電監(jiān)測,基于人體反應(yīng)特征的監(jiān)測一般采用視覺方法識(shí)別判斷人體狀態(tài),如眼球運(yùn)動(dòng)、眼睛開閉、頭部運(yùn)動(dòng)特性、臉部肌肉反應(yīng)等。根據(jù)這些生理指標(biāo),可以分析監(jiān)測學(xué)員特定訓(xùn)練環(huán)節(jié)的生理狀態(tài),也可以作為心理狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)。微型化不影響訓(xùn)練動(dòng)作、綜合化可測量多種生理生化指標(biāo)是未來模擬飛行訓(xùn)練中先進(jìn)生理傳感器的發(fā)展方向。
訓(xùn)練會(huì)產(chǎn)生大量的飛行員訓(xùn)練數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)有巨大的潛在開發(fā)價(jià)值。訓(xùn)練數(shù)據(jù)中包含學(xué)員在科目訓(xùn)練中的所有操作和反饋,包括生理傳感器獲取的生物特征,憑借先進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能算法技術(shù)對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,通過生理傳感器查看學(xué)員對(duì)任務(wù)的反應(yīng)程度,通過操作記錄查看學(xué)員的失誤和行為情況,分析制定他們?cè)诿媾R不同程度困難情況下的訓(xùn)練策略,制定后續(xù)重點(diǎn)訓(xùn)練項(xiàng)目。開發(fā)AI教練將分析結(jié)果應(yīng)用于訓(xùn)練系統(tǒng),根據(jù)學(xué)員的訓(xùn)練情況和自身特點(diǎn),篩選出學(xué)生學(xué)習(xí)的更快的領(lǐng)域和學(xué)習(xí)困難的領(lǐng)域,分析其擅長的方面和缺乏技術(shù)的方面,為其量身定制訓(xùn)練課程,自動(dòng)提高或降低學(xué)員任務(wù)和復(fù)雜性,可以專注解決學(xué)生的不足,節(jié)約時(shí)間,也可以由學(xué)員自行設(shè)定訓(xùn)練速度,為持續(xù)改進(jìn)訓(xùn)練過程提供直接和客觀的支撐,進(jìn)而形成個(gè)性化訓(xùn)練大綱并優(yōu)化普適性訓(xùn)練大綱。同時(shí)在系統(tǒng)中預(yù)置飛行專業(yè)知識(shí)判據(jù),允許計(jì)算機(jī)用自動(dòng)化的方式執(zhí)行一些完全客觀的過程,給出標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)估,一方面可以在訓(xùn)練過程中為學(xué)員提供即時(shí)評(píng)分反饋,降低他們?cè)谠缙谟?xùn)練階段形成不良習(xí)慣的概率,另一方面可以減少對(duì)教員的需求,增加對(duì)飛行員篩選的效率。
從美軍PTN項(xiàng)目實(shí)施效果來看,分析訓(xùn)練數(shù)據(jù),開發(fā)智能教練,根據(jù)學(xué)員的特點(diǎn)強(qiáng)調(diào)個(gè)性化學(xué)習(xí)的確有助于提高訓(xùn)練效率,但是智能化程度較低,學(xué)員反饋智能教練錯(cuò)誤判斷較多、個(gè)性化培訓(xùn)調(diào)整不明顯。目前基礎(chǔ)飛行訓(xùn)練領(lǐng)域大數(shù)據(jù)分析結(jié)合人工智能的主要難點(diǎn)在于飛行動(dòng)作精確識(shí)別、綜合判決條件設(shè)置。對(duì)飛行訓(xùn)練練習(xí)中,飛行動(dòng)作的模式識(shí)別是進(jìn)行飛行訓(xùn)練質(zhì)量評(píng)估的前提,為了識(shí)別復(fù)雜的飛行訓(xùn)練動(dòng)作,首先需要把飛行動(dòng)作精細(xì)分解成一些基本動(dòng)作,為每個(gè)基本動(dòng)作設(shè)置準(zhǔn)確的匹配條件,根據(jù)模糊識(shí)別技術(shù)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),進(jìn)行樣本采集、信息的數(shù)字化、數(shù)據(jù)特征的提取、特征空間的壓縮以及提供識(shí)別的準(zhǔn)則等自動(dòng)識(shí)別出這些基本動(dòng)作,然后進(jìn)行合并、細(xì)化,進(jìn)而得到詳細(xì)的飛行動(dòng)作并將其與預(yù)置動(dòng)作進(jìn)行對(duì)比,判斷其吻合度。綜合判決條件設(shè)置決定了智能教練的輸出效果,系統(tǒng)中海量的數(shù)據(jù)被整合成時(shí)間軸線、飛行動(dòng)作及軌跡、生理狀態(tài)、操縱觸發(fā)點(diǎn)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)之后,需要設(shè)置一系列綜合判決條件,由自動(dòng)算法結(jié)合專業(yè)知識(shí)系統(tǒng)對(duì)訓(xùn)練結(jié)果給出判斷,確定學(xué)員訓(xùn)練評(píng)分,尤其是給出學(xué)員操作失誤的原因分析和改進(jìn)建議,經(jīng)學(xué)員確認(rèn)后,自動(dòng)調(diào)整課程,實(shí)現(xiàn)擅長的科目快速練、失誤的科目重復(fù)練的效果。
現(xiàn)代飛機(jī)裝備功能、性能跨越式發(fā)展,飛行員培訓(xùn)成本快速增長,壓縮培訓(xùn)周期、提高訓(xùn)練效果、降低訓(xùn)練費(fèi)用是牽引當(dāng)代飛行員訓(xùn)練體系發(fā)展的主要?jiǎng)恿ΑL摂M現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、先進(jìn)生理傳感器、人工智能和大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)提供了飛行員培訓(xùn)的新方向,各國均嘗試將新技術(shù)與飛行員訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行整合。美國空軍開展的PTN項(xiàng)目證明了利用虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、先進(jìn)生理傳感器、人工智能和大數(shù)據(jù)集成開發(fā)的基礎(chǔ)飛行技能訓(xùn)練平臺(tái)在提高效率、降低費(fèi)用方面具有顯著的實(shí)用效果,但仍然有模擬環(huán)境沉浸感不足、缺乏先進(jìn)生理傳感器、智能輔助程序開發(fā)困難等技術(shù)限制有待突破。從整個(gè)飛行員訓(xùn)練階段分析,以上前沿技術(shù)手段還具備引入到高級(jí)訓(xùn)練、戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗訓(xùn)練的可行性,可以與新型教練機(jī)裝備一同組成更加高效的全周期飛行員綜合訓(xùn)練體系。