虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）在空中交通運輸中的應(yīng)用

張玉梅

濱州學(xué)院飛行學(xué)院，山東 濱州 256603

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）是利用計算機仿真實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)實環(huán)境融合，搭建和實際環(huán)境貼近的虛擬場景的技術(shù)[1]。通過基于虛擬現(xiàn)實的空中交通交互感知特性，可以幫助人們了解現(xiàn)實中的空中交通運輸情況。將該技術(shù)應(yīng)用于空中交通從業(yè)人員的專業(yè)訓(xùn)練過程，可以有效減少現(xiàn)場演練和培訓(xùn)次數(shù)，進而節(jié)省人力、物力和財力。

空中交通運輸在很大程度上受天氣影響，且惡劣天氣會增加空中交通的延誤率和事故率，加之民航航班量的不斷增加，對空中交通管制員的能力提出了更高的要求。因此，如何提高管制員的運行指揮能力，確保飛行安全是一個亟需解決的問題。

管制員技術(shù)能力的提升需要有足夠的常規(guī)和緊急情況訓(xùn)練做支撐。但是，在空中交通模擬訓(xùn)練中，很難通過真人真機來試驗突發(fā)事件。一方面，涉及人身安全和財產(chǎn)安全；另一方面，真實的災(zāi)害性天氣是不可操作的。VR可以利用計算機仿真技術(shù)，對惡劣天氣、空中交通環(huán)境、航空器運行狀態(tài)等進行虛擬，空中交通從業(yè)人員可以通過模擬練習(xí)提升其特情處置能力，從而制定合理的特情處置流程和應(yīng)急處置措施。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1987年蘭尼爾（J. Lanier）[2]首次提出“虛擬現(xiàn)實”這一概念，并利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)成功研發(fā)了數(shù)據(jù)手套和可視電話頭戴式顯示器等虛擬現(xiàn)實設(shè)備。VR技術(shù)在1990年至2010年期間取得突破性進展，成功應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事、娛樂等領(lǐng)域。1999年羅斯鮑姆（B. O.Rothbaum）等[3]研究人員利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)為越南退伍軍人創(chuàng)建戰(zhàn)區(qū)情景，成功幫助他們進行創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD）暴露治療。2010年后，虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐步應(yīng)用于虛擬消費現(xiàn)實產(chǎn)品之中。2017年中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于促進移動互聯(lián)網(wǎng)健康有序發(fā)展的意見》提出，提升增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實等核心技術(shù)[4]。2018年布羅德里克（J. Broderick）等[5]利用強調(diào)高質(zhì)量音頻改善用戶虛擬體驗。同年，國家發(fā)展改革委、教育部、科技部等19部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟穩(wěn)定并擴大就業(yè)的指導(dǎo)意見》中強調(diào)要將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入教育和文化等領(lǐng)域[6]。2019年馬赫魯斯（A.Mahrous）和施耐德（G. B. Schneider）[7]提出在牙科教育和治療中引入三維建模技術(shù)，不僅可以增強牙科學(xué)生可視化學(xué)習(xí)效果，也可使患者直觀了解治療方法和結(jié)果。2020年受新冠肺炎疫情影響，“非接觸式”的新需求為虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來新機遇。同時，停課不停學(xué)的教育要求，也為虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教育行業(yè)提供了新契機。

2 空中交通管制專業(yè)的特點和基本要求

空中交通管制專業(yè)涉及的理論課門類繁多、知識零散、規(guī)章眾多、操作復(fù)雜、系統(tǒng)性強，是一門理論與實操并重的學(xué)科，要求學(xué)生不僅要掌握空中交通管理基礎(chǔ)理論、飛行原理、航行情報服務(wù)和雷達管制等理論，而且還要擁有航空氣象信息識別決策、航情情報信息獲取識讀、航空器進近排序和沖突調(diào)配、航空器間隔標(biāo)準(zhǔn)判斷以及航空器緊急情況處置等能力。

空中交通管制工作要求嚴(yán)格，需要管制員具備以下能力：①可以完成周密飛行計劃，順利完成飛行的組織和保障工作。②嚴(yán)密監(jiān)控航空器運行動態(tài)，防止沖突和事故發(fā)生。③擁有主動配合和密切協(xié)同意識，可以合理把控空中交通流量。④掌握必要的業(yè)務(wù)技能和安全預(yù)防技巧，為安全飛行提供保障。⑤擁有緊急情況處置能力，保證可以及時掌握反饋緊急情況時航空器所處的位置、高度及故障狀況等信息，并能及時準(zhǔn)確地提供幫助。

為更好地培養(yǎng)符合實際工作需求的空中交通管制人才，節(jié)省培養(yǎng)成本，提升高校的教學(xué)水平，建議健全虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）系統(tǒng)，為學(xué)生提供系統(tǒng)和真實的實驗環(huán)境。

3 虛擬空管實驗室教學(xué)平臺應(yīng)用

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境不僅能為學(xué)習(xí)者提供生動逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，而且能幫助其鞏固和深化專業(yè)知識，比空洞抽象的說教與灌輸更有效[8]。

因此，推進“將航空器運行指揮搬進校園”的教育理念勢在必行。虛擬空管實驗室教學(xué)平臺不僅可以模擬機場跑道、滑行道等運行環(huán)境，而且可以模擬塔臺、進近、區(qū)調(diào)等管制區(qū)域，實現(xiàn)航空器起降和巡航各階段可視化模擬，學(xué)習(xí)者可以在虛擬的運行環(huán)境中，明確管制工作的崗位職責(zé)、工作內(nèi)容、運行流程、航空器進近排序準(zhǔn)則、航空器飛行沖突調(diào)配技巧和緊急情況處置規(guī)則等內(nèi)容，同時結(jié)合教學(xué)目標(biāo)要求，實現(xiàn)學(xué)校教學(xué)與實際需求相融合的教學(xué)模式。

圖1 虛擬空管實驗室教學(xué)平臺

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建的教學(xué)平臺，實現(xiàn)了教學(xué)可視化。相較于傳統(tǒng)教學(xué)模式，教師可以更直觀、更便捷地呈現(xiàn)知識，如航空器沖突調(diào)配技巧、航空器進離場位置分布等。VR教學(xué)時可將學(xué)生兩兩分組，1人模擬機長席位，1人模擬管制員席位，利用不同席位的模擬體驗，增強學(xué)生的職業(yè)互通感和共情意識。通過航空器進離場模擬訓(xùn)練，強化學(xué)生對基礎(chǔ)理論的理解和應(yīng)用。通過航空器緊急情況模擬訓(xùn)練，提高學(xué)生的心理承受能力和緊急情況處置能力，進而啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，實現(xiàn)“教學(xué)+實踐+創(chuàng)新 ”一體化教學(xué)模式。

在虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)平臺上進行管制模擬訓(xùn)練，可以有效地避免人為失誤造成的經(jīng)濟損失，且能反復(fù)推演訓(xùn)練，用最少的成本鍛煉新手管制人員，提升其實踐經(jīng)驗和緊急情況處置能力。

4 VR在空中交通運輸教學(xué)中的意義

4.1 有助于增強學(xué)生對實驗情景的理解和知識點的記憶，提升學(xué)生參與度

空中交通運輸專業(yè)教學(xué)通過VR技術(shù)可以實現(xiàn)機場環(huán)境的三維展示，如氣象條件、機場燈光環(huán)境、航空器飛行事故模擬、正常的航空器運行流程和航空器操作步驟，使學(xué)生更容易沉浸到具體情景之內(nèi)。同時，利用VR技術(shù)不僅可以實現(xiàn)真實場景的模擬，還可以實現(xiàn)整個實驗過程的錄制。錄屏回放功能有助于增強學(xué)生對實驗情景的理解和知識點的記憶，進而增強學(xué)生對航空知識的興趣，有效提高學(xué)生參與度，提升教學(xué)效率。

4.2 有助于鍛煉學(xué)生的觀察力，增強學(xué)習(xí)主動性

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)學(xué)生可以隨時進入VR模擬的實際機場運行場景，利用課上和課下時間反復(fù)操作體驗航空器推出開車、滑行、起飛、巡航、降落等過程，在模擬訓(xùn)練中提高其發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，用游戲體驗的理念提升學(xué)習(xí)主動性。

4.3 有助于鍛煉學(xué)生的應(yīng)變能力，提升職業(yè)責(zé)任感和使命感

VR技術(shù)的應(yīng)用也可以更好地模擬機場運行過程中各類航空器故障，如發(fā)動機失火、座艙釋壓、通信失效等，航空器運行故障模擬訓(xùn)練，可以有效提升學(xué)生應(yīng)對緊急情況的應(yīng)變能力。航空事故帶來的視覺沖擊、聽覺感知等真實體驗，也可以有效提升學(xué)生的職業(yè)責(zé)任感和使命感。

5 VR在空中交通運輸教學(xué)中的應(yīng)用

5.1 在機場運行環(huán)境學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

一名合格的空中交通管制員不僅需要熟悉機場跑道、滑行道和停機坪位置與布局，還要能正確區(qū)分跑道、滑行道和停機坪標(biāo)志標(biāo)識和燈光顏色。VR技術(shù)可以實現(xiàn)學(xué)生不受時間空間限制的“走進機場”，熟悉和記憶機場布局、燈光和標(biāo)識，牢記飛行區(qū)場地日常維護管理程序和目視助航設(shè)施運行保障流程等。

5.2 在氣象信息識讀及放行決策中的應(yīng)用

氣象條件是航空器運行重要影響因素，常見的天氣現(xiàn)象有降水、雷暴、霧和風(fēng)等。利用VR技術(shù)可以模擬設(shè)置機場、航路天氣，空中交通管制員可以更直觀地了解天氣系統(tǒng)帶來的天氣現(xiàn)象以及對飛行帶來的影響，進而更直觀高效地做出飛行決策。

5.3 在航空器沖突調(diào)配過程中的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，航空器數(shù)量成倍增加，空中交通管制員的工作壓力非常大，在運行指揮過程中需要擁有提前預(yù)判和解決航空器沖突的能力，尤其是需要擁有處置航空器故障的能力，如發(fā)生油量告警、一發(fā)失效、起落架卡阻等航空器故障時，需要安全高效地對航空器進離場順序進行調(diào)整。VR技術(shù)可以更加全面高效地模擬航空器事故過程，學(xué)生通過反復(fù)模擬練習(xí)，用最少的成本投入強化其應(yīng)急處理能力。

6 結(jié) 論

虛擬現(xiàn)實技術(shù)使空中交通運輸專業(yè)教學(xué)完成了理論與實踐的完美結(jié)合，不僅降低了實訓(xùn)技能培養(yǎng)成本，而且使教學(xué)更多元化、立體化、可視化及可操作化，更全面、精準(zhǔn)地提升學(xué)生的專業(yè)技能，有助于學(xué)生更迅速地融入社會。