基于虛擬現實模擬器進行飛行訓練的可用性分析

引言

隨著近些年計算機視覺技術的發展，虛擬現實（virtualreality，VR）類相關產品已經趨于成熟[1]，VR飛行模擬器作為一種低成本、高度逼真的模擬飛行訓練選擇，為飛行學員的飛行培訓計劃提供了另一種可用的方式2。以往的飛行訓練分為真機訓練和飛行模擬機訓練兩種，而普通單發固定翼飛機的模擬機常用等級較低的飛行模擬器（flighttrainingdevice，FTD）作為主要訓練設備，較低等級的飛行模擬器因其技術限制[3]，不具備高級別全動飛行模擬機（fullflightsimulator，FFS）的全方位、多感知和多飛行狀況的真實操縱感的訓練體驗，使得把VR設備應用于飛行訓練有了補充價值。

航空業自20世紀30年代以來一直利用模擬器進行飛行培訓[4，模擬器具有廣泛的沉浸感、真實感和逼真度。模擬器隨著技術的發展逐步演變，從幾乎相同的駕駛艙設計到基于計算機的軟件，配備通用硬件，目的是模仿駕駛艙而不是復制它[5。許多飛行培訓項目采用各種模擬器為學生提供培訓選擇，其中有能夠完全模擬飛機所處動態環境和實時反饋的動模，以及只能模擬駕駛艙環境的固模（fixedbasesimulator，一種沒有運動系統的模擬機，通常不具備動態模擬功能）。飛機模擬器的作用主要是模擬各種惡劣飛行環境、特種飛行環境，以及幫助新飛行員或飛行學員初步了解飛機各種操作部件。

在對VR進行可用性評估時，研究人員通常使用可用性屬性以及VR程序測試中的其他經過驗證的評定標準。值得注意的是，關于非軍事（如民航）飛行員使用VR進行飛行培訓的可用性的研究文獻相對較少，主要是因為以往的虛擬現實硬件效果較差。在為復雜的培訓任務（如飛行培訓）創建新的沉浸式學習工具時，以及在大規模部署之前，進行迭代測試和改進工具是非常有必要的。近年來，隨著視覺效果算法和硬件的更新，使用VR設備輔助飛行員或飛行學員學習飛行技能變得越來越有價值。

在模擬器中進行飛行培訓可以縮短掌握技能所需的時間，提高程序性記憶，并改善在實際任務環境中的表現。有團隊證明，VR飛行模擬設備可以作為有效的工具，用于教授、練習和保持飛行技能。使用VR飛行模擬設備進行飛行培訓正在經過嚴格的測試，以確保培訓的效率、效果，以及將培訓成果轉移到飛機上。設計具有理論學習構建基礎的VR環境培訓，可以增強用戶的技能水平和認知[8]。

目前對于VR飛行模擬培訓相關的研究很少，因此，在VR環境中進行可用性研究是必要的。本研究可以為后期飛行培訓結構的優化提供重要的參考價值，并且可以為其他對VR模擬飛行訓練有興趣的個人和研究團隊提供基礎參考。

因此，本文進行了一項可行性研究，以嘗試是否能夠在對飛行學員日常訓練中加入基于VR設備的模擬飛行訓練。研究的目標是了解使用VR模擬飛行訓練設備進行飛行訓練的可行性，同時借助數據分析VR模擬飛行訓練設備對實際飛行訓練提供潛在幫助的可能性。

1.虛擬現實模擬飛行訓練的優勢

VR在飛行訓練中的應用不僅僅是一個技術進步，更重要的是大大提升了飛行員的學習體驗，能夠增強學習的效果和效率，使飛行員更快地掌握飛行技能，并且在實際操作中更加自信和從容。

1.1提供沉浸式學習環境

VR能夠創造一個高度逼真的三維虛擬飛行環境[，飛行員在這種環境中仿佛置身于真實的飛機駕駛艙中。VR設備通過高分辨率的顯示器和寬視角設計，讓飛行員在虛擬駕駛艙中感受到真實的視野效果。無論是儀表盤、外部景觀，還是機艙內部的細節，VR都能逼真地再現。現代VR設備可以提供極高的分辨率和刷新率，減少延遲和畫面模糊，讓飛行員的視覺體驗更加流暢和逼真。VR能夠模擬不同的飛行場景，如日夜變化、天氣條件、飛行高度等。這些動態變化增強了飛行員對環境的適應能力，使他們在現實中能夠更好地應對各種復雜情況。

除了視覺效果，VR還通過三維音效技術模擬飛行中的各種聲音環境，如發動機的轟鳴聲、空中交通管制的指令聲、風速的變化聲等。這些聲音與視覺效果相輔相成，為飛行員提供了更為完整的感官體驗。

1.2多人協同訓練和遠程參與

通過網絡連接，不同地點和更多的飛行學員可以同時進入同一個虛擬訓練環境進行協同訓練。教練員也可以遠程參與，實時指導和評估飛行員的表現。教練員能夠實時監測飛行學員的操作，并立即提供反饋。實時反饋能幫助飛行員在學習過程中迅速糾正錯誤，而不是在錯誤的操作方式上反復練習，浪費時間。這種遠程協作特別適用于跨地域的飛行團隊訓練和協調。這種即時的糾錯機制增強了飛行員的學習體驗，使他們能夠更加高效地掌握飛行技能。

1.3模擬多樣化環境和多型別飛機

VR設備能夠模擬各種不同的飛行場景和環境，包括不同的天氣狀況、地形地貌、機場類型等。這種多樣化的場景模擬可以讓飛行員體驗到在不同條件下的飛行操作，從而更好地適應不同的飛行環境。此外，VR設備還具備多機型支持，飛行軟件可以根據不同的飛行器類型進行定制，并創建專屬的虛擬駕駛艙，準確再現儀表盤、操控桿、按鈕和開關的布局。VR設備會根據具體的飛機型號生成相應的虛擬駕駛艙，使飛行員能夠在訓練中體驗到與真實駕駛艙相同的布局和操作感受。每種飛機的儀表盤和顯示器都有其特定的設計和功能，VR系統可以根據飛機的實際規格，精確再現這些儀表和顯示器，使飛行員能夠熟悉各種不同的操作界面。這種多樣化的體驗讓飛行員在學習過程中充滿新鮮感和挑戰性，增強了學習的興趣。

VR技術通過創造沉浸式、交互式和個性化的學習環境，顯著提升了飛行員的學習體驗。這種學習體驗不僅使學習過程變得更有趣，還能幫助飛行員更快地掌握復雜的飛行技能，增強他們在實際飛行中的自信心和應變能力。通過提供多樣化的場景和實時的反饋，VR使飛行訓練變得更加直觀和貼近實際，為飛行員的職業發展奠定了堅實的基礎。

2.虛擬現實模擬飛行訓練環境

2.1虛擬現實模擬飛行訓練硬件設計

本文所做研究的硬件分為VR頭顯、飛機模擬操縱桿舵和裝配NVDIAGeForce"RTX4070Ti顯卡的臺式計算機，具體配置如表1所示。

上述軟硬件產品為目前市場上較為成熟的產品，總體成本不高，遠低于目前原有模擬機的價格。

終端硬件配置參數如表2所示。

表中配置為基礎配置，若想在虛擬現實中獲得更高視覺效果，需要搭載更高端顯卡及處理器，目前表中配置可以達到1080P分辨率。

2.2虛擬現實模擬飛行訓練軟件組成

Xplane11模擬飛行軟件，在軟件中配置了洛陽北郊機場及周邊地圖模型，并安裝了西銳訓練機型。

3.研究方法和結果

本文為驗證基于VR的模擬飛行訓練系統是否符合飛行訓練需求，安排了20名具有100小時真機飛行經驗的飛行學員和3年飛行經驗以上的飛行教員進行模擬飛行測試，每名飛行人員將在VR模擬飛行訓練器上進行兩次目視起落飛行程序，其中飛行學員15名、飛行教員5名。

測試內容為目視起落飛行程序，測試將記錄飛行軌跡和操作程序，在測試結束后與真機起落飛行軌跡對比，分析基于VR模擬飛行的起落訓練程序軌跡和真機飛行目視起落訓練程序軌跡的貼合程度，根據上述結果對VR模擬飛行訓練的可行性進行具體分析。

在獲得原始數據之后，做離散統計如圖1所示。

在離散圖中，基于VR的模擬目視起落飛行程序與真機目視起飛飛行程序的貼合程度多集中于 60% 以上，少數飛行重合程度低于 50% 。在7次低重合程度的飛行中，大多是由于第一次使用VR模擬訓練設備，對設備環境不熟悉造成的，在經歷過一次模擬飛行訓練后，第二次的模擬目視起落飛行訓練都具有良好的模擬飛行效果。

為驗證模擬飛行貼合度與真機飛行時間之間是否存在關系，本文在40組模擬飛行數據的基礎上進行了卡方檢測分析，判斷二者之間是否存在關聯，如兩者之間存在關聯，那么后續就可以進行更加深入的研究，探索VR模擬飛行訓練對于未進行真機訓練的飛行學員能否輔助學習飛行訓練。

本組數據按照飛行學員和飛行教員分為兩個分組變量（3年以上飛行經驗的真機飛行時長顯著大于100小時真機飛行教員的飛行學員），將貼合度大于等于 80% 的歸為優秀，將貼合度小于 80% 的歸為普通，分析模擬飛行貼合程度和真機飛行時間之間的關系，經卡方檢驗，得到如表3所示的結果。

從以上結果即可得出， 值11.8681， p 值 lt;0.05 認為教員與貼合程度相關程度較高，真機飛行時間越長，在模擬飛行訓練設備上的飛行程序越貼近真實飛行程序。

通過對本組數據的分析，可以得出基于VR的模擬飛行訓練能夠貼合實際飛行訓練程序，是一種可行的飛行訓練手段，在以后的學員飛行訓練中可以加入VR模擬飛行訓練作為補充。在對于真機飛行時長和模擬飛行訓練的貼合度上，也出現了顯著的相關性，在后續的研究中可以觀察記錄基于VR的模擬飛行訓練能在多大程度上幫助新飛行學員學習飛行程序及飛行技術。

結語

目前國內外關于VR在飛行培訓中的研究正在興起，研究人員必須確保該技術能夠起到切實的飛行訓練效果，保證不會對飛行學員學習過程和在飛機上的實際操作產生負面影響。正如航空器的適航性檢驗一樣，基于VR的模擬飛行訓練環節在納入正式的飛行訓練課程之前，需要更多更徹底的調查分析來證明VR是一種有效的飛行培訓方式。未來的研究應該繼續深入研究分析，使用更大的數據樣本，以便使用更有效的參數進行分析。

總的來說，實驗數據分析表明將VR模擬飛行訓練設備作為一種飛行訓練手段是可行的，其較低的成本和不錯的訓練效果能夠作為飛行學員熟悉飛行、掌握飛行程序的有效方式，其在功能上有很好的補充效果。

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作者簡介：張一博，碩士研究生，助教，zyb951211@163.com，研究方向：交通運輸。