飞行员陆空通话仿真训练平台研制与教学应用

郭小宁，袁长生

（1.中国民航大学 飞行分校；2.天津和力开拓科技有限公司，天津 300300）

0 引言

陆空通话对于航空安全至关重要。国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）事故调查中发现大量事故及事故征候都与飞行员和管制员之间的语音障碍有关［1］。美国航空安全报告系统（Aviation Safety Reporting System，ASRS）数据显示，70%以上的报告中涉及信息交流不畅的问题。可以看出，无线电陆空通话错误是空难中常见的人为因素［2］。

飞行学员肩负着“未来的安全”。标准严谨的通话流程、准确流利的通话语言是飞行程序顺利实施的保障，因此对飞行学员的专业英语应用能力要求比其他专业高，其从入学到进入国外航校学习的过程要经历从“学航空英语”到“用航空英语学习”的转变，而成功的转变需要在专业指导下通过反复、丰富的语言实践操练才能达到。目前国内飞行员陆空通话课程教学环境基本为普通教室，教学过程以教师讲授为主，辅以教学内容配套练习，教学进展按飞行阶段进行划分。虽然近年来国内航空英语课程体系、教学模式及飞行训练模式均有长足进展［3-6］，但学生对陆空通话学习内容的认知往往与飞行实际脱节，知识掌握片面化、机械化。国外飞行员陆空通话课程讲授设置虚拟飞行实景，模拟驾驶舱环境，使学生有身临其境之感，对于飞行学员陆空通话能力的提升有重要作用，值得借鉴［7］。

虚拟仿真平台作为信息技术与学科专业融合的产物，为教学信息化改革提供了全新动能［8-11］。目前国内院校陆空通话课程教学亟需一套陆空通话仿真训练平台，该平台的研发与应用将对教学模式的创新与教学质量的提高起到扎实的促进作用。

1 仿真训练平台设计思路

本文设计的仿真训练系统架构见图1，在设计时主要考虑了以下几个方面的问题。

Fig.1 Simulating training system framework图1 仿真训练系统架构

1.1 教学环境优化与创新

对国内外机场飞行运行环境进行分析研究，从机场设计、地面运行、航路运行等方面进行拓展，结合实际飞行路径和飞行计划设计并完善提供模拟飞行环境的半实物仿真系统操作平台。

1.2 教学内容梳理与精进

在现有教学内容的基础上突出飞行环境下的陆空通话训练与拓展，实现陆空通话基础教学与实际接轨，环环相扣，教学内容跟进实践运行环境的改变，如对于“滑行Taxi”一节的讲解和训练，其中的滑行道名称、滑行路线、滑行中各式各样的管制指令均需随着实际运行环境设计。

1.3 场景规划与设置

为使场景设置逼真，模拟实际飞行效果设置进离场空域、航路空域以及两个地面运行区域（离场机场地面区域和目的地机场地面区域）。飞行训练必须遵从时空一致性原则，国内机场地面运行的跑道滑行道停机坪布局参照北京首都机场，国外参照希腊雅典机场。实践教学中，教师起到管制员和指挥员的作用。为提高课堂效率，减少学员寻找机场停机位滑行道等占用时间，实践平台设置了地面图索引，学员可通过机场图图标直接定位到指定位置航路设置。为防止偏离预设路径，设置路线锁定环，使飞机可以沿着预订路线飞行。

1.4 考核和练习模式设置

建立考核和练习两种工作模式。设计好人机界面的交互功能，注意不同单元内容的设置和训练参数的选择，以满足知识点考查、测试等要求。基于虚拟仿真教学资源，学生可以进行在线学习和训练操作，教师可在观察、讲解及互动时考核学生，以随时评估学生对相关知识掌握的程度，如学员进行复诵指令练习时，平台能自动转存给教师查阅。练习模式则是在不同环境条件下进行各种训练操作。

2 虚拟仿真平台研发与测试

2.1 平台研发

基于3D 模拟飞行的半实物陆空通话训练仿真平台系统结构如图2所示。

Fig.2 Structure of simulating platform system图2 仿真平台系统结构

该系统采用3DMAX 软件对机场和飞行器进行三维建模，使用UNITY 软件进行交互及语音识别开发，通过数据库管理系统完成所有数据信息的输入与输出。系统采用多场景建模方法，以大化小、分而治之，避免使用过大的场景，缩短了系统在线响应时间。编程时注重合理划分各单元节段，避免各节段画面流程过长、模块文件字节过大而影响实验模块网络加载速度。该系统需具有界面友善、功能齐全、可操作性强、能进行二次开发等特点，其功能模块严格遵循实际飞行训练各项功能要求设计。在线交互设计使构建的虚拟系统功能更丰富、使用更顺畅。

图3 为半实物仿真系统组成图。半实物仿真是一种将实物设备连接到系统仿真中的组合仿真方法，在系统性能测试、验证和技术评估等方面起到重要作用。课题组利用实验室原有资源，同时购入飞行摇杆、油门、方向舵踏板等零部件，通过综合设计提升了仿真平台的实用功能。训练时学员在完成教师的指令复诵后，还可进行指令对应的下一步实际操作。对于学员而言，这是对其是否真正理解指令的实际检验。这个训练过程包含学员对实际场景中飞机飞行过程各环节的操作，从教师发出指令→学员接收复诵→确认执行，若学员尚未完全理解指令而导致实践操作出错，与实际飞行操作程序一样，教师可纠正并要求再次复诵，平台教学可以验证学员是否能真正听懂教师指令并能正确执行。

Fig.3 Composition of semi-physical simulating system图3 半实物仿真系统组成

该实训平台初步具备了“教、学、练、考、评”5 个基本功能，学员可以选择不同的训练和学习模式，并完成相应的在线考核。平台中的实验及训练内容见表1。

Table 1 Radiotelephony experiment and training content表1 陆空通话实验及训练内容

2.2 平台测试

项目验收时，相关专业的3 位老师和23 名学生共同对该系统各功能模块进行了测试，主要测试指标包括系统功能模块的完整性、软件画面的流畅性，以及系统的易用性、可维修性、交互性和稳定性［12-15］。系统具体测试结果见表2，可以看出该系统功能模块完整，进行教学和训练时没有停顿感，画面比较流畅，具有较强的交互性能。系统整体稳定性较高，逼真度和流畅性得到了测试老师和学生的一致认可。

Table 2 System test result表2 系统测试结果 （%)

平台验收时，课题组还邀请了行业专家指导和访谈，专家对平台充分肯定的同时也提出了宝贵意见和建议，主要归纳为以下3 个方面：①系统的画面流畅性和可维修性指标稍差，基本满足教学与训练要求，后期需不断改进完善；②在课程内容上，专家认为平台偏重虚拟仿真技术本身，相关理论与实践内容应有所取舍，更注重虚拟仿真技术与实践的融合，有些理论部分的学习可作为课外补充，提倡“做中学”；③专家建议适当平台中增加教师培养内容，我国虚拟仿真技术人才数量短缺严重。

2.3 相关思考

语言环境缺失一直是我国外语教学质量提高的瓶颈。虚拟现实技术使教育从“二维平面”走向“三维立体”，具有更强的互动性、情境性和沉浸性，是未来教育技术发展的必然趋势。沉浸式虚拟现实技术应用于陆空通话教学会引发一定的教育变革与创新，但创新的核心动力依然是教师群体，而不是平台类技术产品。教学设计的合理性、技术平台的稳定性、评价功能的智能性、学生对环境的适应性是虚拟现实技术应用于语言教学需重点关注的方面［16-18］。例如课堂上教师要给学生一定时间交流问题，并记录学生回答的次数和水平，用于评判其是否积极参与课堂活动，是否有独立思考。在平台上建立教学与训练多元化考核表，记录教学过程中师生互动、生生互动的方方面面，摒弃以往过程性评价方案中只含有课堂出勤情况以及课后作业的方式。

3 平台在教学训练中的应用

虚拟仿真平台已在相关专业展开应用，改善了学员们的上课体验。在逼真的情景下边学边用，学生有如同亲临其境之感，参与积极性和学习自信心提升。基于虚拟仿真平台可实现情景式、互动体验式、案例式、探究式、讨论式等多种教学模式，增加了师生、生生间的互动交流，提高了学生的表达能力、思维能力、纠错能力和分析解决问题的能力，从方方面面提高了教学效率和教学质量.。

采用平台进行教学改革后，其提供的多样化考核方式，如教师即时的动态点评、讨论互动时的互评加强了对学生学习的成长性评价，细微体察学生在学习中的阶段性进步，给教学活动注入了活力。新型考评体系的搭建与实施使得教学相长的新格局得以创建。

4 结语

美国飞行安全学院有一句名言：“保证安全的最佳工具，就是驾驶舱里训练有素的飞行员。”传统陆空通话课程教学模式相对陈旧，不能满足新时代背景下的飞行员培养要求。虚拟仿真技术为传统教学模式改革提供了新思路，将虚拟仿真技术与传统教学模式相结合对于学生理论知识的掌握和实践能力的提高均具有积极作用。后续应重点关注平台的性能指标，如可恢复性、可扩展性、稳定性和可维护性等，不断改进完善才能切实提高陆空通话课程教学质量。