基于虚拟仿真技术的机务培训改革与探索

王 凯，李玄玄

（中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300）

一、引言

飞机制造商提供的原版计算机辅助教学（CBT）系统软件，例如，波音737CBT软件，它可以提供语音文字教学，调节播放速度，添加学习笔记，保存用户使用的信息[1]，软件内将飞机按系统模块划分，每一系统再多级细化。缺点是一套设备成本太高，并且只能在原设计者设计好的逻辑和范围内，不能够根据自己的需求订制，使用时过程复杂，课件程序的调用有限制[2]。航空器维护训练器（SBT）可以提供全操作驾驶舱和三维飞机图像等功能[3]，该系统的显示均利用计算机图形技术仿真，操作则完全利用触摸屏技术[4]，问题是开发周期长，而且作用有限，只能进行机舱内部的虚拟仿真。Prepar3D的开发环境，完全享有模拟飞行下的所有三维仿真效果，使用者可以在场景中自由地走动，自由地进出飞机。其中的二次开发工具SimDirector，通过拖动及图形化编程，可以在无任何计算机语言基础的情况下进行开发。不仅实现提供图像、语音、文字的交互，还可以提供飞机各个角度的视野，搭建一个与现实机场相似度非常高的虚拟场景，可以非常方便地实现场景录制，供后期评估分析或教学。场景可以做得更加开放，并鼓励学生自我探索，并使其有可能选择自己的学习主题[5]。

二、场景设计

1.开发平台简介。SimDirector是Prepar3D的二次开发工具，可以帮助我们在无编程基础的情况下，使用软件提供的不同“功能零件”，搭建流程图得到预想的场景流程，侧重于围绕人物或飞机展开一系列逻辑事件的编辑和预演。流程的编辑主要是利用软件提供的部件实现，虽然种类、数量有限，但绝大多数飞机操作都可以实现，而且可以通过写脚本实现更多的附加需求。功能种类主要有：（1）Actions，行动类，包括计数操作、延时操作、对话操作等。（2）Areas，区域类，进行区域的限定，以实现在一定范围内环境的限制。（3）Entities，实体类，包括多种飞行器、地面交通设备等，可以对其进行简单的动作设定。（4）Goals，目标类，包括目标和组目标两种。一般配合动作类的部件一起使用，用某动作完成与否决定当前目标是否实现，子目标可以将完成情况传给组目标，组目标进行整个任务的完成情况的判定。（5）Group，组部件，这是工具性的部件，对于那些常用的部件流程，可以将它们封装成组部件，便于进行模块层面的复制和修改，并且支持文件级别的导入导出，方便我们在不同的工程下实现代码重用。（6）Scenario，脚本类部件，提供的功能种类很多，有视野、任务、参数设定等。（7）Mobile Scenery/Scenery，景物类部件，用来实现动态和静态的环境效果。（8）Triggers，触发器类部件，通过它来实现动作的触发。

2.设计要求。本文以展示机舱的仪表检查为例，具体场景如下：预定授课的任务大纲，学生在虚拟场景里在跟随视角锁定和光标及文本提示的基础上，完成指定的操作，并且可以根据需求进行考核评价。检查中有一项工卡的具体要求是：检查发动机滑油量和液压油量，发动机滑油量指示不少于16，液压油量指示不少于90%，若不足则按需加油。

3.设计思路。针对设计的要求，本次设计的机舱仪表检查的场景需要设计如下部分：人机交互部分、任务管理部分、目标评价部分、数据管理部分。

4.具体设计方案。（1）人机交互管理。包括语音播报、字幕提示、动画和参与者选择菜单。会在开场时，以语音或字幕的形式对授课内容及形式予以说明，并且可以由参与者选择场景的主题、任务的目标。操作过程中，场景中也会出现必要的提示。除了语音提示、文本提示以外，还可以使用视野切换、光标选中、光标路径等提示，指导完成规定操作。（2）流程管理。由于此次演示是针对驾驶舱进行的，不需要太多的触发条件，后台逻辑相对单一，主要是以时间触发器为激励源的线性流程图。（3）任务管理。任务的发布使用ScenarioMetadata模块，AbbreviatedMissionBrie参数里面找到文件路径，在Windows选项卡下的Kneeboard第一个选项卡Briefing会显示网页效果。它会在场景的keenboard中自动生成一份html格式的任务文件，实现任务的预览。同时，我们可以进行更为详尽的任务设定，每完成一项任务，可以进行语音及字幕提示，方便学生及时关注并解决问题。（4）目标管理。实现某一项单一步骤后，根据操作情况判定这一项任务是否完成。利用平台目标与组目标的概念，可以建立多级的目标管理机制。具体地说，可以通过低级目标的完成情况，经由更高级的组目标会有及格分数部件汇总，对低级的目标完成情况的判定。这一过程主要使用Goal类部件完成，它可以进行目标完成时是否通过的判定，而且可以由完成情况打分，之后经由组目标部件进行分数统计，判定是否完成。（5）数据管理。在任务完成后，一些关键性的数据，如是否操作、完成情况、完成时间等数据，通过脚本模块执行相应的脚本，实现相应的数据结果导出。由于平台没有自带数据导出这一类部件，使用脚本类部件，这一类部件支持lua语言，编辑一段lua脚本，实现文件的写入。

三、预览仿真及实施结果分析

1.部分实现场景展示。由于整个过程不易通过文字展示，选取一部分舱内操作的场景，用图示的方式来演示。图1展示的是学生在场景操作中实现工卡的实时浏览；图2展示的是学生可以在开场时浏览任务大纲，对任务有全局性的认识。

图1 任务实时浏览

图2 任务大纲预览

2.目标评价。可以把每一个完整的检查流程视作一个任务，参与者全程可以查看任务，使得对任务的总体配置，包括任务成功的条件以及难度等级、任务最多提供的时间有基本的了解。如图3，可以查看到相应目标的完成情况以及是否符合要求，图中打勾代表完成，打叉代表失败。第一项为组目标OUTDOOR，由其下一级若干子目标的完成情况判定组目标是否达标。在完成到一定的阶段，屏幕上会给出相应的判定结果。当完成一个阶段的所有项目时，平台会提示你是否合格。

图3 实时预览图

四、结语

使用虚拟仿真技术搭建的实验环境，由于使用了Prepare 3D相同的虚拟仿真平台，可以高度逼真地做出与实际操作相似的场景，总体上可以实现绕机检查的所有预设场景。解决因硬件、场地等不足不能一次性大规模培训的难题。而且可以根据授课或机型的需要，修改、升级场景，在满足授课功能需求的基础上，使用平台做到了任务管理、目标管理、数据管理，将以更开放的形式、更及时地反馈和更全面、数字化的分析更频繁地出现在未来的机务培训领域。