塔臺指揮模擬訓練系統智能輔助評估功能探究

吳亞榮， 趙顧顥， 楊國洲， 張滿滿

（空軍工程大學a.國家空管防相撞技術重點實驗室；b.陜西省空管運行實驗教學中心；c.空管領航學院，西安 710077）

0 引 言

塔臺飛行管制員的指揮能力直接影響航空安全和空域資源利用率［1］。塔臺飛行管制員培養周期長［2］，塔臺實訓科目不全面、成本高、安全風險大，塔臺指揮模擬訓練成為快速提升塔臺飛行管制員指揮能力的有效途徑［3-5］。相關院校已逐漸意識到了模擬訓練的重要性，增加了系統研發與配套數量，加大了模擬訓練課比重，并開展了教員精講、學員自主訓練等多樣化組訓模式，訓練課時量有了一定保障［6］。如何確保訓練質量成為院校教員和系統研發者未來應關注的重點。

近年來，塔臺飛行指揮模擬訓練系統建設與塔臺實訓結合愈加緊密。以陜西省空管運行實驗教學中心塔臺飛行指揮模擬訓練中心為例，自2018年啟動系統升級至今，在機場建模、三維實景呈現、訓練科目設置上都更加注重與一線實際運行對接，訓練效果有了明顯提升［7］。但隨之也帶來了新問題：在教員數量未大幅增加，而系統數量大幅提升、科目設置愈加復雜情況下，傳統的教員隨系統、學員同步訓練、考核較難實現。訓練糾錯的時效性變差、考核效率降低，以及學員自主演訓質量監控難成為制約訓練水平提升的瓶頸，急需探尋與學員自主訓練相適應的智能化評估方法，進行系統的評估功能拓展，優化院校實踐教學資源、保障訓練成效、縮短人才培養周期。

1 智能評估需求分析

塔臺指揮模擬訓練系統的智能評估功能設計，要建立在系統的使用時機、評估時效和評估對象等客觀需求基礎上，服務于效果的產出［8］。

在使用時機方面，智能評估既可以立足于學員開展自主訓練時的訓練質量監控與訓練效果自評，也可以在師生配比偏低時輔助教員進行學員單次科目的隨堂測評，或者作為模擬訓練結課考核的有效補充方式［9］。在評估時效方面，既要針對學員單次練習執行情況，體現單次訓練效果，便于進行學員間的訓練效果橫向比對，又要針對學員整個訓練周期的業務能力、水平的綜合素質評估，兼顧評估的連續性，利于學員自身能力提升效果呈現。在評估對象選取方面，以學號或用戶名為訓練效果統計分析依據，擴充后臺數據存儲容量，確保數據的較長存儲周期，盡可能地體現訓練對象在院校學習、資格培訓、復訓等不同階段的訓練水平，實行賬戶的全壽命管理。為教員全面了解學員訓練情況、存在問題與差距、進一步制定與調整后期培養計劃提供智能化分析依據。

2 智能評估指標設計

指標選取是影響評估效果的首要因素［10］。立足于塔臺飛行管制員的實際崗位能力要求，兼顧全面性、規范化和高效性。塔臺指揮能力評估指標［11］應涵蓋以下6方面內容：①指令要素是否齊全；②指揮程序是否規范；③指揮術語是否標準；④下達指令是否及時；⑤告警、沖突和相撞如何評分；⑥綜合評分的權重如何設計。系統通過記錄學員訓練過程的指揮出錯或失誤次數，根據設定的評分規則給出客觀的訓練評分，并具備必要的管理維護功能以便統計、查詢和分析訓練成績。具體評估指標的設定及評分規則，區分訓練層級和科目有所區別，通常可以劃分為基礎起降指揮和常規指揮兩大層級進行設定。

2.1 基礎起降指揮訓練評分規則

適用于在校學員訓練初期基礎操作的規范性、標準性評價。在運行規則層面，基礎起降指揮要求管制員嚴格按飛行計劃實施飛行指揮，主要訓練相關時間推算能力、沖突調配意識［12］。將管制員作為考核主體，從服務保障的角度出發，假設所有地面或在空飛機不主動請求報告，考核管制員根據飛行計劃、起飛與回收間隔等條件自主指揮能力。在評估項設定層面，逐級分類細化評估項。首先將評估項設定為訓練基本情況、放飛／回收時機、指揮基本規則、指揮效率、飛行沖突調配、指揮用語規范性以及注意力分配等7大類，7類評估項依據指揮流程再視情細化。以放飛／回收時機評估項為例，可以依據飛機動態細化成計劃執行嚴格程度和地面等待2項，對于地面等待再區分跑道外等待時長、跑道內等待時長、滑行中沖突［13］次數、滑行錯誤滑回次數及開車到起飛全部等待時長等各項，確定其是加分項還是減分項，綜合其對飛行安全的影響程度賦予相應權重，最終以總分值大小體現指揮能力水平或訓練成效，分值越高指揮能力水平越高或訓練成效越明顯。

2.2 常規指揮訓練評分規則

適用于在校學員訓練中后期或在職復訓學員全局把控能力及場景應變能力的綜合評價。常規指揮訓練評分規則更加強調隨機指揮調配能力、應急情況處置能力等高階任職培訓能力提升。基于飛行員自主飛行理念，從服務保障的角度出發，本規則下地面飛機自動計算時間提前量主動請求開車、空域訓練飛機自動計算時間提前量主動請求返場，管制員根據飛行計劃、起飛與回收間隔等條件確定地面飛機的開車時機以及空域飛機的返場時機。一級評估項設置同基礎起降指揮。所不同的是在評估項的細化方面有所差異，例如，在放飛／回收時機指標下增加批次放飛間隔、回收及時性評估，在指揮效率指標下增加空域利用率的評估，同時，結合訓練對象的基本指揮技能掌握情況，從訓練飛行中調配能力的角度出發，取消基礎起降指揮階段中“放飛／回收時機”評估項中的“計劃執行嚴格程度”下一級指標；取消“指揮基本規則”中的“違反間隔規定”下一級指標，同步對評分規則做適當調整。

3 智能評估平臺設計

智能評估平臺搭建需要整理訓練數據集、確定算法模型、模型生成、提供智能評估接口。訓練數據集有3方面來源：①根據實際評分規則，編寫部分數據集；②從雷達／程序管制模擬訓練系統中收集相關訓練評估數據；③將本系統單次訓練評估信息整理成訓練數據。通過以上3個來源確定一個初始的訓練數據集。算法模型確認方面，通過回歸模型對學員單次訓練和綜合受訓情況進行評分［14-15］，通過RNN-LSTM［16-17］（循環神經網絡以及長短期記憶模型）生成相應的培訓能力鑒定書以及將來培訓計劃等。模型生成包括模型訓練以及模型優化兩部分，當訓練數據集和算法模型確認后，將訓練數據集應用到算法模型進行訓練，經過調整參數、算法優化之后，得到訓練模型數據。智能評估接口需確定接口輸入、輸出信息［18］以及如何通過輸入信息和訓練模型數據得到輸出信息，生成學員單次訓練成績以及綜合受訓情況報告。

3.1 單次訓練效果智能輔助評估

訓練效果智能輔助評估的組織實施建立在訓練前、訓練過程和訓練結束3個環節基礎上，如圖1所示。其中，訓練前的評估規則設置、評估模型編輯和數據采集是基礎，有了上述要素支撐的系統平臺，在訓練過程中通過既定的數據采集、評估指標、算法模型生成相應的培訓能力鑒定書以及將來培訓計劃等，與教員主觀打分結合給出學員最終模擬訓練成績。

3.2 學員綜合素質智能輔助評估

學員綜合素質智能評估用于對學員整個訓練階段進行縱向綜合評價，以便于教員全面了解學員的業務水平及綜合素質成長情況，其基本原理如圖2所示。系統可基于學員參訓以來在模擬訓練過程的歷史成績信息以及原始統計信息，匯總后以圖表的方式顯示，并基于學員綜合素質評估模型對學員的業務能力進行量化評價，生成學員培養過程綜合能力成長曲線，并基于評估結果給出輔助的學員培養計劃，包括是否可進行下一階段訓練、能力薄弱方面及強化訓練建議等。

3.3 注意力分配輔助評估

通過融合注意力［19-20］數據將指揮過程分段化、要素化，基于指揮過程中各個流程的要求，設置注意力評測點，將指揮過程中注意力視點與評測點的匹配關系作為指揮評價的依據。同時在指揮過程中設計出可開閉漂浮窗口，直觀顯示注意力點的分布位置。為了能更好地了解學員在訓練過程中的具體情況，同時對指揮過程進行全過程錄像，建立視頻存儲數據資源庫，提供視頻回放功能。系統組成框圖如圖3所示。

圖3 評價系統組成

4 評估結果界面設計

系統訓練評估界面效果呈現要同時滿足要素齊全和界面友好。具體評估內容包括訓練概要信息、等待時長分布、跑道占用及引導情況、航空器實際引導情況、告警情況、通話情況、航空器相撞情況進行統計和展示。系統提供訓練評估規則調閱，可顯示本次訓練所使用的全部評估指標及輔助評分計算規則。點擊“自動評分”系統將自動對各項評估項評分，在此過程用戶可以根據情況進行評估規則調整，實現對不同科目練習的評估規則差異化設置，并計算得出最終結果。對于學員綜合素質評估，要能隨時調取學員過程性訓練中的任何一次訓練登錄時間和相應科目訓練情況。最終的評估目標是可面向不同受訓人員以及不同培訓目的、培訓周期，實現差異化、定制化的管制能力智能輔助評估。

5 結 語

塔臺指揮模擬訓練系統智能輔助評估功能設計了模擬訓練效果后臺評價系統，建立規則數據庫并預留規則更新接口，制定注意力評測規則，實現對參訓人員在塔臺飛行指揮訓練過程中訓練數據的實時采集與分析，并結合操作流程與要求對最終訓練效果做出評價。通過在陜西省空管運行實驗教學中心塔臺飛行指揮模擬訓練中心訓練系統中加載試用，智能輔助評估與教員跟訓打分結果的擬合度較高，平均偏差不大于20%。在確保教學目標實現的前提下，可以大大降低師生配比，學員自主訓練的動力和效果更明顯。特別是注意力分配功能模塊的增設與回放功能，對于糾正一直以來制約指揮能力的注意力分配不當難題效果顯著。相比傳統的教員主觀評分，對2020～2021學年第1學期的全期在校學員和在職復訓學員訓練效果進行輔助評估證明，該功能可更加省時地輔助學習者熟悉與規范管制指揮流程，養成良好的指揮習慣，合理分配注意力，提高指揮效率與飛行活動安全性，降低管制指揮原因導致的安全隱患。