IETM在导航设备可视化培训中的应用

荆 恒

IETM在导航设备可视化培训中的应用

荆 恒

（中国民用航空西北地区空中交通管理局，西安 710000）

IETM技术对于设备维护保障的信息具有极为重要的意义，尤其是针对空管导航设备信息庞杂、维护要求较高的特点，IETM具有极佳的适用性。为探索IETM在导航设备培训中应用的可行性，对导航设备可视化系统的国内外标准和规范进行了系统性研究，结合仿真模拟等目前主流的技术和成熟的工具，开发了一套用于导航设备可视化培训的软件平台，并对空管设备相关信息进行了全面的再整理。通过模拟维护平台提供了全面的技术支持、设备维修、故障诊断和维护保养等功能，实现了对空管导航类设备可视化管理与培训的总体目标。

IETM；空管导航设备；可视化培训；仿真模型

0 引言

作为民用航空业安全运转的重要保障性设备，空管设备天然具有极高的技术要求，面对行业运行过程中不断累积和更新的操作规范，传统纸质介质逐渐暴露出维护困难、使用效率低，且面临信息存储困难、容易破损、更新不便、容易遗失等诸多问题，在我国民航现代化建设的背景下，如何实现民航设备维修保障的集成化、数字化、自动化和智能化，从而降低维修保障费用，提高空管设备综合维修保障能力及设备完好率，成为亟待解决的问题。

随着信息技术的不断发展，纸质文件的数字化技术也逐渐成熟，20世纪90年代，美国率先推出了用于支持军用和民用复杂系统诊断、维护和维修的集成信息包，并逐渐形成了现在的交互式电子技术手册（Interactive Electronic Technical Manual，IETM）。IETM通过技术手段将纸质技术手册数字化，并进行了重新编制，解决了纸质技术手册信息传递的局限性，克服了纸质手册在发行、存储和使用过程中的诸多不便。此外，IETM的交互式查阅方式可以适应更多的应用场景，技术人员可以通过计算机等多种方式对手册进行查询和阅读。

IETM的诞生最早可以追溯到20世纪80年代美国防部开展的装备研制、生产、培训和维护数字化、信息化建设，并在日后的发展中成为计算辅助采办和后勤保障（Computer-Aided Acquisition and Logistic Support，CALS）战略的关键要素[1]。继美国之后，其它国家和地区也陆续开展IETM的研究应用工作，并且不仅适用于军用设备，在民用设备方面也得到了很好的应用。其中由欧洲航空航天和国防工业协会（AeroSpace and Defense Industries Association of Europe，ASD）和美国航空航天工业协会（Aerospace Industries Association of America，AIA）共同制定的ASD S1000D规范，就是一个适用于各类军用和民用陆、海、空装备的规范。

国内对于IETM的研究也在20世纪90年代逐渐展开，并由一些单位主导对交互式电子技术出版物的研究。2000年以后，越来越多的高校和研究所加入了对IETM的研究，并于2009年底发布了我国首个IETM国家标准GB/T 24463和IETM国军标GJB6600D[2]。

近年来，越来越多的国内研究者加入了对IETM的研究，并基于IETM相应标准和规范开展了关键技术和应用研究[3,4]，取得了一定的研究成果，尤其是在对操作和维护人员的培训方面，取得了极佳的应用效果。利用IETM的多媒体特质，有效提升设备的维护保养教学的便捷性。通过交互式的培训，被培训人员更快地融入课程学习，更高效掌握培训知识，提升整体培训效果。

1 理论基础

1.1 IETM及其技术特点

IETM综合应用了计算机技术、网络技术以及通信技术等先进技术，将内容繁杂的操作手册、维修手册等信息有机地组织管理起来，以最优化的方式显示在电子屏幕上，并以交互的方式进行查阅，将维修技术人员或系统操作人员所需的信息，精确地展现在使用者面前，以加速装备使用和保障活动的实施。

IETM自诞生以来显著地提高了装备维护保养人员学习培训及技术文档保管的效益与效率，成功地克服了诸如资料多、质量重、查找不方便等传统的纸质技术资料所存在的很多弊端，因而受到世界各国军事部门的高度重视和密切关注，并且得到了极其广泛的应用。

民航设备的操作和维护保障拥有严格的规范和操作要求，对操作和维护人员的自身素质也有较高的要求，因此对相关人员的培训就变得格外重要。传统的培训受制于纸质教材，很难达到理想的培训效果，同时培训周期和成本也难以控制。IETM的技术特点很好地解决了上述问题，具体如下：

1）手册资料的数字化：数据能够实现统一的更新。数字化的技术资料使用电子介质进行存储，有效减少手册的质量与体积，并且当部分信息数据改变时，只需改变一处数据内容，就可实现数据的一致更新。

2）数据集成化：能够结合不同来源的结构化数据，经过集成后，可以形成自描述式的数据[5]，允许其它的应用程序直接进行访问和处理。IETM数据具有自定义性和扩展性，它可以描述各种类型的数据，并实现了各种不同来源数据的交换和传递，以及数据的整合。

3）可移植性强：能够与神经网络、专家系统、测试程序等有机地结合，通过各种便携式维修辅助设备，用户可以通过多种渠道对所需的信息进行查询和检索，并结合相关的系统模块，提高维护效率。

4）表现形式多元化：能够以文字、表格、图形、图像、视频、动画等多种数据形式显示技术信息，增强用户对信息的理解。

5）交互性强：可以根据用户的输入和反馈实时给出操作提示、维修步骤和在线帮助等，还可以为用户提供信息更新机制。

6）设备兼容性好：可以是多类型大容量的电子媒体，也可以输出页式的完整手册。既能够在台式计算机、笔记本电脑、可穿戴计算机、嵌入式计算机甚至掌上电脑中使用，也可通过因特网实现Web发布形式。

从IETM的技术特点以及其取得的成效可以看出，它十分适合于空管导航设备维护技术资料的数字化，对于提高设备维护效率、降低维护成本能起到有效的作用。

1.2 IETM标准介绍

IETM标准体系涉及的内容十分广泛，包括文件结构、数据格式、界面说明、交互规范、数据库规范等。在制定标准时，要考虑的问题很多，既要有专用标准也要考虑国际通用标准、国家标准。目前IETM的标准可以分为国际标准和国内标准两类，在各自的发展中产生了多个标准文件，并进行了多次修订。

国际标准主要是美国IETM标准和欧洲S1000D国际标准，其中美国IETM标准包含了三个标准文件，具体如下[6]：

1）MIL-DTL-87268C《交互式电子技术手册通用内容、风格、格式和用户交互要求》，该标准文件规范了IETM的外观显示内容，包括图文、表、音视频等内容的种类和标准。

2）MIL-DTL-87269C《可修改的交互式电子技术手册数据库》，该标准文件规范了IETM中的技术信息构成和架构，并将IETM数据模型划分为顶层通用层、中间层交换层和底层内容层三层结构。

3）MIL-HDBK-511《交互式电子技术手册互操作性》，该标准文件定义了IETM互操作性技术架构及联合IETM体系结构，用来解决不同IETM手册间的互操作问题。

欧洲采用S1000D标准，致力于将所有军民品装备纳入其中[7]，更新速度快，对新技术的支持较为迅速，并通过更新不断整合相关资源和系统，但这也造成了不同版本间差异较大，依照不同版本的S1000D标准开发的IETM工具互操作性变差。S1000D标准最突出的特点是数据模块化和通用资源数据库，但标准中并没有给出任何一种IETM系统实现方案，因此需要开发者自行研究设计。

我国于2009年发布了IETM国标文件GB/T 24463[8]，并在2008年～2009年陆续发布了国军标文件GJB 6600[9]。GB/T 24463可以分为互操作性体系结构、用户界面与功能要求和公告源数据库要求三个部分。GJB 6600参照了S1000D，主要包含《总则》、《数据模块编码和信息控制编码》、《模式》和《数据词典》四部分内容，规定了IETM的内容、功能、数据格式、信息管理、数据模块编码、信息控制编码、模式信息要求、各类数据元素要求等信息。

总体而言，我国的IETM标准总结了国际标准存在的问题和局限性，并结合我国实际情况和使用情况，充分考虑了以后发展的空间。但不可否认的是，由于发展较晚，国内标准与国际标准相比仍存在一定的差距。

2 系统实现

2.1 设计需求

空管设备的操作和维修技术信息中包含了大量数据信息，在空管导航设备的培训和维护中，首先需要保证IETM包含的技术信息应满足空管设备维护的需求，为此IETM应当具有以下信息特征：

1）信息数据量大：满足用户在使用、维修、调试过程中每一个组件的参数说明信息。

2）信息数据的多样性：数据的形式和格式必须多样化，使用户更容易理解系统的信息数据。

3）时效性：手册资料的内容要随着维修任务周期的增长进行更新，并确保对资料的更改能迅速反映给各个用户，以保证手册资料的统一性。

4）信息数据的整体性：整个系统在功能上必须是一个不可分割的整体。

基于上述IETM信息特征，导航设备可视化系统引入虚拟现实（Virtual Reality，VR）视景模式和普通计算机视景模式对设备及场景进行介绍的方式，针对目前的外部场站进行基本的展示，包括文字和图片，并进行基本的三维空间顺序浏览漫游展示[10]。

为了提升空管导航培训的便捷性，IETM需要支持多种部署方式，包括内网平台部署、单机部署和移动终端部署等，考虑到不同设备的兼容性问题，在可视化内容开发的过程中，要尽量使用目前主流的技术和成熟的工具。

内容方面，导航设备可视化培训系统应具有电子手册制作管理的功能，能够为管理人员提供管理手册内容与功能的管理平台，包括仪表着陆系统（Instrument Landing System，ILS）、甚高频（Very High Frequency，VHF）、多普勒甚高频全向信标[11]（Doppler VHF Omni Directional Radio Range，DVOR）和航空测距仪（Distance Measurement Equipment，DME）等设备信息的动态创建、编辑、内容管理和发布等功能。

结合导航设备培训的基本需求，IETM系统应具备如图1所示的五大功能模块。

图1 系统功能模块结构图

2.2 系统设计原则

根据导航设备可视化培训的实际需求，遵循并符合国家标准与数据规范，在保障高质量数据共享访问的前提下，进行严谨周密的设计与实施，确保系统在安全可靠的环境下顺利运行。为此，在系统设计过程中，应遵循系统的易维护性、可拓展性、开放性、安全性和先进性五条基本原则。

2.3 系统架构

系统架构主要分为软件架构和网络架构两部分，软件架构作为系统的主体，承担了系统最重要的信息管理任务，而网络架构则负责信息的互联互通，保障系统的正常运转和信息传递的可靠性。

基于系统设计的基本原则，综合考虑系统所需的硬件资源和用户的交互体验，将系统按照功能逻辑分为资源层、接入层、网络层、服务层和应用层五层来组织，如图2所示。通过分层可以降低各层之间的耦合性，保持各层之间的相对独立性，在功能模块更新时可以极大地减少软件开发的工作量，降低开发失败的风险。

图2 系统软件架构图

基于上述软件架构开发的IETM系统具有良好的软件性能，能够很好地契合导航设备培训的需求，具体表现在以下几个方面：

1）先进的技术架构：系统服务端由主流开发框架.Net技术实现，客户端服务器模式为C/S模式，操作系统采用Windows7以上系统，数据库则采用Oracle 11g主流软件。

2）模块化设计：系统平台支持模块化、组件化设计模式，以模型驱动方式构建系统，确保业务模型的可扩展性和可维护性。

3）接口开放：软件架构要求具备开放性，提供完整规范的开发接口，能够满足主流平台和跨平台快速应用开发的需求。

4）丰富的基础管理功能：系统具备基础管理功能，包括但不限于配置管理、日志管理、统计分析、系统监控。系统应具备高效的实时接口数据处理能力，利用总线技术实现业务数据的流转。

5）安全恢复能力：系统具备数据及应用软件的备份功能及恢复功能，数据可以按天自动备份，还可以手动指定日期备份。系统在发生故障或者异常时会进行日志记录并告警通知用户。

为满足导航设备培训的多元化、多设备应用需求，并保障IETM的安全运行能力和抗风险能力，系统必须具有稳定可靠的网络架构。根据系统的部署情况可将系统的网络架构分为三个部分，分别是IETM服务平台、教学终端和培训终端，并通过如图3所示的连接方式互通。

图3 网络架构图

IETM平台是整个系统的信息管理平台，将多元化的培训内容和数据信息输入到IETM平台后，平台通过以太网将内容播发给终端，并根据教学终端和培训终端的任务请求提供相应的数据反馈。为了保障数据安全，避免因不可抗力造成的数据损失，系统设置了数据库热备服务器，确保在一台服务器维护或出现故障时，系统仍可正常运转。

2.4 系统功能分析

为实现导航设备可视化系统要求的设备展示、教学培训、训练考核、培训资料管理、后台管理五大主要功能模块，同时具有登录验证、系统设置、告警通知等系统性功能，开发了基于VR技术的360°设备物理结构和布局展示功能，并利用Web管理软件实现了内容输入和培训管理等诸多功能，主要表现在以下五个方面：

1）设备展示功能

利用VR技术极佳的可视化和交互性体验，对导航设备的操作和维护任务设置了多种模拟场景，可以很直观地在虚拟场景下完成各种模拟操作，同时能够在平台上模拟各软件，能够直接互动操作、实现基本软件功能，并同步显示操作结果，演示界面有操作流程文字提示。此外，还提供了对某些特定设备操作流程的虚拟演示。

2）教学培训功能

教学培训功能模块提供以视频、Flash动画和可交互三维动画等形式进行交互学习，能使学员更快地掌握复杂设备的使用、维修、更换配件等操作流程。此外，教学培训还将各类导航设备的组成、配套情况等内容以结构层次树的形式展示，便于学员梳理学习。

3）训练考核功能

训练考核功能是对受训人员的学习、培训、使用情况进行考核，系统提供在线答题功能，根据试卷答题和平时的操作训练情况对受训人员的训练情况给予综合考核评分，并在受训人员答题结束后实时显示正确答案。此外，训练考核模块还开放了成绩查询功能，学员均可登录系统来查询考试成绩、考卷信息和考试结果，方便地了解自己的学习情况。训练考核模块还为教员提供了统计分析功能，便于了解相应批次学员的考试通过率情况，这对提升学员培训质量和效率都具有重要意义。

4）培训资料管理功能

培训资料管理功能可以对培训资料进行修改、删除或下载，支持Word、PDF文档资料和音视频资料，并支持对部分文本资料的在线编辑功能。系统将不同类型的培训资料进行了归类，用户可以通过资料名称和创建日期对目标资料精准查找。对于设备展示模块中引用的三维仿真资料，系统利用内部数据结构化关联的设计对这部分数据进行了整体管理，无需用户特殊操作。

5）后台管理功能

后台管理功能为用户提供了综合搜索功能，用户可以在所属权限范围内对急需内容进行检索，并通过侧边栏所列内容对各种设备信息和培训考试内容进行管理。

3 结语

本IETM系统基于现行国家标准和数据规范，充分利用现阶段先进成熟的技术和方法，为用户提供了一套用于导航设备可视化培训的“一站式”解决方案，具有多元的交互方式。IETM自身的特点可以很好地适应导航设备可视化培训的需求，能够有效降低导航设备相关数据资料的维护费用，提高导航设备综合维修保障能力，提升导航设备操作和维护人员的培训效率和学习热情，对于全国空管领域导航设备培训的推广具有积极的参考价值，未来的应用前景也十分广泛。

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Application of IETM in Visual Training of Navigation Equipment

JING Heng

The interactive electronic technical manual (IETM) technology is very important for the information of equipment maintenance, especially for the characteristics of air traffic control navigation equipment information complex, high maintenance requirements, IETM has excellent applicability. For exploring the IETM in training the feasibility of the application of navigation equipment, domestic and foreign standards and specifications of the visualization system of navigation equipment has carried on the systematic study, combined with the current mainstream technology such as simulation and mature tools, developed a visual training software platform for navigation equipment, and the equipment related information comprehensive arrangement again. The simulation maintenance platform provides comprehensive technical support, equipment repair, fault diagnosis and maintenance functions, and realizes the overall goal of visual management and training of air traffic control navigation equipment.

IETM; Air Traffic Control Navigation Equipment; Visual Training; Simulation

V355.1

A

1674-7976-(2022)-06-461-05

2022-08-16。

荆恒（1983.11—），山西运城人，工程师，主要研究方向为仪表着陆系统。