塔台指挥模拟训练系统智能辅助评估功能探究

吴亚荣， 赵顾颢， 杨国洲， 张满满

（空军工程大学a.国家空管防相撞技术重点实验室；b.陕西省空管运行实验教学中心；c.空管领航学院，西安 710077）

0 引 言

塔台飞行管制员的指挥能力直接影响航空安全和空域资源利用率［1］。塔台飞行管制员培养周期长［2］，塔台实训科目不全面、成本高、安全风险大，塔台指挥模拟训练成为快速提升塔台飞行管制员指挥能力的有效途径［3-5］。相关院校已逐渐意识到了模拟训练的重要性，增加了系统研发与配套数量，加大了模拟训练课比重，并开展了教员精讲、学员自主训练等多样化组训模式，训练课时量有了一定保障［6］。如何确保训练质量成为院校教员和系统研发者未来应关注的重点。

近年来，塔台飞行指挥模拟训练系统建设与塔台实训结合愈加紧密。以陕西省空管运行实验教学中心塔台飞行指挥模拟训练中心为例，自2018年启动系统升级至今，在机场建模、三维实景呈现、训练科目设置上都更加注重与一线实际运行对接，训练效果有了明显提升［7］。但随之也带来了新问题：在教员数量未大幅增加，而系统数量大幅提升、科目设置愈加复杂情况下，传统的教员随系统、学员同步训练、考核较难实现。训练纠错的时效性变差、考核效率降低，以及学员自主演训质量监控难成为制约训练水平提升的瓶颈，急需探寻与学员自主训练相适应的智能化评估方法，进行系统的评估功能拓展，优化院校实践教学资源、保障训练成效、缩短人才培养周期。

1 智能评估需求分析

塔台指挥模拟训练系统的智能评估功能设计，要建立在系统的使用时机、评估时效和评估对象等客观需求基础上，服务于效果的产出［8］。

在使用时机方面，智能评估既可以立足于学员开展自主训练时的训练质量监控与训练效果自评，也可以在师生配比偏低时辅助教员进行学员单次科目的随堂测评，或者作为模拟训练结课考核的有效补充方式［9］。在评估时效方面，既要针对学员单次练习执行情况，体现单次训练效果，便于进行学员间的训练效果横向比对，又要针对学员整个训练周期的业务能力、水平的综合素质评估，兼顾评估的连续性，利于学员自身能力提升效果呈现。在评估对象选取方面，以学号或用户名为训练效果统计分析依据，扩充后台数据存储容量，确保数据的较长存储周期，尽可能地体现训练对象在院校学习、资格培训、复训等不同阶段的训练水平，实行账户的全寿命管理。为教员全面了解学员训练情况、存在问题与差距、进一步制定与调整后期培养计划提供智能化分析依据。

2 智能评估指标设计

指标选取是影响评估效果的首要因素［10］。立足于塔台飞行管制员的实际岗位能力要求，兼顾全面性、规范化和高效性。塔台指挥能力评估指标［11］应涵盖以下6方面内容：①指令要素是否齐全；②指挥程序是否规范；③指挥术语是否标准；④下达指令是否及时；⑤告警、冲突和相撞如何评分；⑥综合评分的权重如何设计。系统通过记录学员训练过程的指挥出错或失误次数，根据设定的评分规则给出客观的训练评分，并具备必要的管理维护功能以便统计、查询和分析训练成绩。具体评估指标的设定及评分规则，区分训练层级和科目有所区别，通常可以划分为基础起降指挥和常规指挥两大层级进行设定。

2.1 基础起降指挥训练评分规则

适用于在校学员训练初期基础操作的规范性、标准性评价。在运行规则层面，基础起降指挥要求管制员严格按飞行计划实施飞行指挥，主要训练相关时间推算能力、冲突调配意识［12］。将管制员作为考核主体，从服务保障的角度出发，假设所有地面或在空飞机不主动请求报告，考核管制员根据飞行计划、起飞与回收间隔等条件自主指挥能力。在评估项设定层面，逐级分类细化评估项。首先将评估项设定为训练基本情况、放飞／回收时机、指挥基本规则、指挥效率、飞行冲突调配、指挥用语规范性以及注意力分配等7大类，7类评估项依据指挥流程再视情细化。以放飞／回收时机评估项为例，可以依据飞机动态细化成计划执行严格程度和地面等待2项，对于地面等待再区分跑道外等待时长、跑道内等待时长、滑行中冲突［13］次数、滑行错误滑回次数及开车到起飞全部等待时长等各项，确定其是加分项还是减分项，综合其对飞行安全的影响程度赋予相应权重，最终以总分值大小体现指挥能力水平或训练成效，分值越高指挥能力水平越高或训练成效越明显。

2.2 常规指挥训练评分规则

适用于在校学员训练中后期或在职复训学员全局把控能力及场景应变能力的综合评价。常规指挥训练评分规则更加强调随机指挥调配能力、应急情况处置能力等高阶任职培训能力提升。基于飞行员自主飞行理念，从服务保障的角度出发，本规则下地面飞机自动计算时间提前量主动请求开车、空域训练飞机自动计算时间提前量主动请求返场，管制员根据飞行计划、起飞与回收间隔等条件确定地面飞机的开车时机以及空域飞机的返场时机。一级评估项设置同基础起降指挥。所不同的是在评估项的细化方面有所差异，例如，在放飞／回收时机指标下增加批次放飞间隔、回收及时性评估，在指挥效率指标下增加空域利用率的评估，同时，结合训练对象的基本指挥技能掌握情况，从训练飞行中调配能力的角度出发，取消基础起降指挥阶段中“放飞／回收时机”评估项中的“计划执行严格程度”下一级指标；取消“指挥基本规则”中的“违反间隔规定”下一级指标，同步对评分规则做适当调整。

3 智能评估平台设计

智能评估平台搭建需要整理训练数据集、确定算法模型、模型生成、提供智能评估接口。训练数据集有3方面来源：①根据实际评分规则，编写部分数据集；②从雷达／程序管制模拟训练系统中收集相关训练评估数据；③将本系统单次训练评估信息整理成训练数据。通过以上3个来源确定一个初始的训练数据集。算法模型确认方面，通过回归模型对学员单次训练和综合受训情况进行评分［14-15］，通过RNN-LSTM［16-17］（循环神经网络以及长短期记忆模型）生成相应的培训能力鉴定书以及将来培训计划等。模型生成包括模型训练以及模型优化两部分，当训练数据集和算法模型确认后，将训练数据集应用到算法模型进行训练，经过调整参数、算法优化之后，得到训练模型数据。智能评估接口需确定接口输入、输出信息［18］以及如何通过输入信息和训练模型数据得到输出信息，生成学员单次训练成绩以及综合受训情况报告。

3.1 单次训练效果智能辅助评估

训练效果智能辅助评估的组织实施建立在训练前、训练过程和训练结束3个环节基础上，如图1所示。其中，训练前的评估规则设置、评估模型编辑和数据采集是基础，有了上述要素支撑的系统平台，在训练过程中通过既定的数据采集、评估指标、算法模型生成相应的培训能力鉴定书以及将来培训计划等，与教员主观打分结合给出学员最终模拟训练成绩。

3.2 学员综合素质智能辅助评估

学员综合素质智能评估用于对学员整个训练阶段进行纵向综合评价，以便于教员全面了解学员的业务水平及综合素质成长情况，其基本原理如图2所示。系统可基于学员参训以来在模拟训练过程的历史成绩信息以及原始统计信息，汇总后以图表的方式显示，并基于学员综合素质评估模型对学员的业务能力进行量化评价，生成学员培养过程综合能力成长曲线，并基于评估结果给出辅助的学员培养计划，包括是否可进行下一阶段训练、能力薄弱方面及强化训练建议等。

3.3 注意力分配辅助评估

通过融合注意力［19-20］数据将指挥过程分段化、要素化，基于指挥过程中各个流程的要求，设置注意力评测点，将指挥过程中注意力视点与评测点的匹配关系作为指挥评价的依据。同时在指挥过程中设计出可开闭漂浮窗口，直观显示注意力点的分布位置。为了能更好地了解学员在训练过程中的具体情况，同时对指挥过程进行全过程录像，建立视频存储数据资源库，提供视频回放功能。系统组成框图如图3所示。

图3 评价系统组成

4 评估结果界面设计

系统训练评估界面效果呈现要同时满足要素齐全和界面友好。具体评估内容包括训练概要信息、等待时长分布、跑道占用及引导情况、航空器实际引导情况、告警情况、通话情况、航空器相撞情况进行统计和展示。系统提供训练评估规则调阅，可显示本次训练所使用的全部评估指标及辅助评分计算规则。点击“自动评分”系统将自动对各项评估项评分，在此过程用户可以根据情况进行评估规则调整，实现对不同科目练习的评估规则差异化设置，并计算得出最终结果。对于学员综合素质评估，要能随时调取学员过程性训练中的任何一次训练登录时间和相应科目训练情况。最终的评估目标是可面向不同受训人员以及不同培训目的、培训周期，实现差异化、定制化的管制能力智能辅助评估。

5 结 语

塔台指挥模拟训练系统智能辅助评估功能设计了模拟训练效果后台评价系统，建立规则数据库并预留规则更新接口，制定注意力评测规则，实现对参训人员在塔台飞行指挥训练过程中训练数据的实时采集与分析，并结合操作流程与要求对最终训练效果做出评价。通过在陕西省空管运行实验教学中心塔台飞行指挥模拟训练中心训练系统中加载试用，智能辅助评估与教员跟训打分结果的拟合度较高，平均偏差不大于20%。在确保教学目标实现的前提下，可以大大降低师生配比，学员自主训练的动力和效果更明显。特别是注意力分配功能模块的增设与回放功能，对于纠正一直以来制约指挥能力的注意力分配不当难题效果显著。相比传统的教员主观评分，对2020～2021学年第1学期的全期在校学员和在职复训学员训练效果进行辅助评估证明，该功能可更加省时地辅助学习者熟悉与规范管制指挥流程，养成良好的指挥习惯，合理分配注意力，提高指挥效率与飞行活动安全性，降低管制指挥原因导致的安全隐患。