基于虛擬現(xiàn)實模擬器進行飛行訓(xùn)練的可用性分析

引言

隨著近些年計算機視覺技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實（virtualreality，VR）類相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)趨于成熟[1]，VR飛行模擬器作為一種低成本、高度逼真的模擬飛行訓(xùn)練選擇，為飛行學(xué)員的飛行培訓(xùn)計劃提供了另一種可用的方式2。以往的飛行訓(xùn)練分為真機訓(xùn)練和飛行模擬機訓(xùn)練兩種，而普通單發(fā)固定翼飛機的模擬機常用等級較低的飛行模擬器（flighttrainingdevice，F(xiàn)TD）作為主要訓(xùn)練設(shè)備，較低等級的飛行模擬器因其技術(shù)限制[3]，不具備高級別全動飛行模擬機（fullflightsimulator，F(xiàn)FS）的全方位、多感知和多飛行狀況的真實操縱感的訓(xùn)練體驗，使得把VR設(shè)備應(yīng)用于飛行訓(xùn)練有了補充價值。

航空業(yè)自20世紀30年代以來一直利用模擬器進行飛行培訓(xùn)[4，模擬器具有廣泛的沉浸感、真實感和逼真度。模擬器隨著技術(shù)的發(fā)展逐步演變，從幾乎相同的駕駛艙設(shè)計到基于計算機的軟件，配備通用硬件，目的是模仿駕駛艙而不是復(fù)制它[5。許多飛行培訓(xùn)項目采用各種模擬器為學(xué)生提供培訓(xùn)選擇，其中有能夠完全模擬飛機所處動態(tài)環(huán)境和實時反饋的動模，以及只能模擬駕駛艙環(huán)境的固模（fixedbasesimulator，一種沒有運動系統(tǒng)的模擬機，通常不具備動態(tài)模擬功能）。飛機模擬器的作用主要是模擬各種惡劣飛行環(huán)境、特種飛行環(huán)境，以及幫助新飛行員或飛行學(xué)員初步了解飛機各種操作部件。

在對VR進行可用性評估時，研究人員通常使用可用性屬性以及VR程序測試中的其他經(jīng)過驗證的評定標準。值得注意的是，關(guān)于非軍事（如民航）飛行員使用VR進行飛行培訓(xùn)的可用性的研究文獻相對較少，主要是因為以往的虛擬現(xiàn)實硬件效果較差。在為復(fù)雜的培訓(xùn)任務(wù)（如飛行培訓(xùn)）創(chuàng)建新的沉浸式學(xué)習(xí)工具時，以及在大規(guī)模部署之前，進行迭代測試和改進工具是非常有必要的。近年來，隨著視覺效果算法和硬件的更新，使用VR設(shè)備輔助飛行員或飛行學(xué)員學(xué)習(xí)飛行技能變得越來越有價值。

在模擬器中進行飛行培訓(xùn)可以縮短掌握技能所需的時間，提高程序性記憶，并改善在實際任務(wù)環(huán)境中的表現(xiàn)。有團隊證明，VR飛行模擬設(shè)備可以作為有效的工具，用于教授、練習(xí)和保持飛行技能。使用VR飛行模擬設(shè)備進行飛行培訓(xùn)正在經(jīng)過嚴格的測試，以確保培訓(xùn)的效率、效果，以及將培訓(xùn)成果轉(zhuǎn)移到飛機上。設(shè)計具有理論學(xué)習(xí)構(gòu)建基礎(chǔ)的VR環(huán)境培訓(xùn)，可以增強用戶的技能水平和認知[8]。

目前對于VR飛行模擬培訓(xùn)相關(guān)的研究很少，因此，在VR環(huán)境中進行可用性研究是必要的。本研究可以為后期飛行培訓(xùn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供重要的參考價值，并且可以為其他對VR模擬飛行訓(xùn)練有興趣的個人和研究團隊提供基礎(chǔ)參考。

因此，本文進行了一項可行性研究，以嘗試是否能夠在對飛行學(xué)員日常訓(xùn)練中加入基于VR設(shè)備的模擬飛行訓(xùn)練。研究的目標是了解使用VR模擬飛行訓(xùn)練設(shè)備進行飛行訓(xùn)練的可行性，同時借助數(shù)據(jù)分析VR模擬飛行訓(xùn)練設(shè)備對實際飛行訓(xùn)練提供潛在幫助的可能性。

1.虛擬現(xiàn)實模擬飛行訓(xùn)練的優(yōu)勢

VR在飛行訓(xùn)練中的應(yīng)用不僅僅是一個技術(shù)進步，更重要的是大大提升了飛行員的學(xué)習(xí)體驗，能夠增強學(xué)習(xí)的效果和效率，使飛行員更快地掌握飛行技能，并且在實際操作中更加自信和從容。

1.1提供沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境

VR能夠創(chuàng)造一個高度逼真的三維虛擬飛行環(huán)境[，飛行員在這種環(huán)境中仿佛置身于真實的飛機駕駛艙中。VR設(shè)備通過高分辨率的顯示器和寬視角設(shè)計，讓飛行員在虛擬駕駛艙中感受到真實的視野效果。無論是儀表盤、外部景觀，還是機艙內(nèi)部的細節(jié)，VR都能逼真地再現(xiàn)。現(xiàn)代VR設(shè)備可以提供極高的分辨率和刷新率，減少延遲和畫面模糊，讓飛行員的視覺體驗更加流暢和逼真。VR能夠模擬不同的飛行場景，如日夜變化、天氣條件、飛行高度等。這些動態(tài)變化增強了飛行員對環(huán)境的適應(yīng)能力，使他們在現(xiàn)實中能夠更好地應(yīng)對各種復(fù)雜情況。

除了視覺效果，VR還通過三維音效技術(shù)模擬飛行中的各種聲音環(huán)境，如發(fā)動機的轟鳴聲、空中交通管制的指令聲、風(fēng)速的變化聲等。這些聲音與視覺效果相輔相成，為飛行員提供了更為完整的感官體驗。

1.2多人協(xié)同訓(xùn)練和遠程參與

通過網(wǎng)絡(luò)連接，不同地點和更多的飛行學(xué)員可以同時進入同一個虛擬訓(xùn)練環(huán)境進行協(xié)同訓(xùn)練。教練員也可以遠程參與，實時指導(dǎo)和評估飛行員的表現(xiàn)。教練員能夠?qū)崟r監(jiān)測飛行學(xué)員的操作，并立即提供反饋。實時反饋能幫助飛行員在學(xué)習(xí)過程中迅速糾正錯誤，而不是在錯誤的操作方式上反復(fù)練習(xí)，浪費時間。這種遠程協(xié)作特別適用于跨地域的飛行團隊訓(xùn)練和協(xié)調(diào)。這種即時的糾錯機制增強了飛行員的學(xué)習(xí)體驗，使他們能夠更加高效地掌握飛行技能。

1.3模擬多樣化環(huán)境和多型別飛機

VR設(shè)備能夠模擬各種不同的飛行場景和環(huán)境，包括不同的天氣狀況、地形地貌、機場類型等。這種多樣化的場景模擬可以讓飛行員體驗到在不同條件下的飛行操作，從而更好地適應(yīng)不同的飛行環(huán)境。此外，VR設(shè)備還具備多機型支持，飛行軟件可以根據(jù)不同的飛行器類型進行定制，并創(chuàng)建專屬的虛擬駕駛艙，準確再現(xiàn)儀表盤、操控桿、按鈕和開關(guān)的布局。VR設(shè)備會根據(jù)具體的飛機型號生成相應(yīng)的虛擬駕駛艙，使飛行員能夠在訓(xùn)練中體驗到與真實駕駛艙相同的布局和操作感受。每種飛機的儀表盤和顯示器都有其特定的設(shè)計和功能，VR系統(tǒng)可以根據(jù)飛機的實際規(guī)格，精確再現(xiàn)這些儀表和顯示器，使飛行員能夠熟悉各種不同的操作界面。這種多樣化的體驗讓飛行員在學(xué)習(xí)過程中充滿新鮮感和挑戰(zhàn)性，增強了學(xué)習(xí)的興趣。

VR技術(shù)通過創(chuàng)造沉浸式、交互式和個性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，顯著提升了飛行員的學(xué)習(xí)體驗。這種學(xué)習(xí)體驗不僅使學(xué)習(xí)過程變得更有趣，還能幫助飛行員更快地掌握復(fù)雜的飛行技能，增強他們在實際飛行中的自信心和應(yīng)變能力。通過提供多樣化的場景和實時的反饋，VR使飛行訓(xùn)練變得更加直觀和貼近實際，為飛行員的職業(yè)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2.虛擬現(xiàn)實模擬飛行訓(xùn)練環(huán)境

2.1虛擬現(xiàn)實模擬飛行訓(xùn)練硬件設(shè)計

本文所做研究的硬件分為VR頭顯、飛機模擬操縱桿舵和裝配NVDIAGeForce"RTX4070Ti顯卡的臺式計算機，具體配置如表1所示。

上述軟硬件產(chǎn)品為目前市場上較為成熟的產(chǎn)品，總體成本不高，遠低于目前原有模擬機的價格。

終端硬件配置參數(shù)如表2所示。

表中配置為基礎(chǔ)配置，若想在虛擬現(xiàn)實中獲得更高視覺效果，需要搭載更高端顯卡及處理器，目前表中配置可以達到1080P分辨率。

2.2虛擬現(xiàn)實模擬飛行訓(xùn)練軟件組成

Xplane11模擬飛行軟件，在軟件中配置了洛陽北郊機場及周邊地圖模型，并安裝了西銳訓(xùn)練機型。

3.研究方法和結(jié)果

本文為驗證基于VR的模擬飛行訓(xùn)練系統(tǒng)是否符合飛行訓(xùn)練需求，安排了20名具有100小時真機飛行經(jīng)驗的飛行學(xué)員和3年飛行經(jīng)驗以上的飛行教員進行模擬飛行測試，每名飛行人員將在VR模擬飛行訓(xùn)練器上進行兩次目視起落飛行程序，其中飛行學(xué)員15名、飛行教員5名。

測試內(nèi)容為目視起落飛行程序，測試將記錄飛行軌跡和操作程序，在測試結(jié)束后與真機起落飛行軌跡對比，分析基于VR模擬飛行的起落訓(xùn)練程序軌跡和真機飛行目視起落訓(xùn)練程序軌跡的貼合程度，根據(jù)上述結(jié)果對VR模擬飛行訓(xùn)練的可行性進行具體分析。

在獲得原始數(shù)據(jù)之后，做離散統(tǒng)計如圖1所示。

在離散圖中，基于VR的模擬目視起落飛行程序與真機目視起飛飛行程序的貼合程度多集中于 60% 以上，少數(shù)飛行重合程度低于 50% 。在7次低重合程度的飛行中，大多是由于第一次使用VR模擬訓(xùn)練設(shè)備，對設(shè)備環(huán)境不熟悉造成的，在經(jīng)歷過一次模擬飛行訓(xùn)練后，第二次的模擬目視起落飛行訓(xùn)練都具有良好的模擬飛行效果。

為驗證模擬飛行貼合度與真機飛行時間之間是否存在關(guān)系，本文在40組模擬飛行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行了卡方檢測分析，判斷二者之間是否存在關(guān)聯(lián)，如兩者之間存在關(guān)聯(lián)，那么后續(xù)就可以進行更加深入的研究，探索VR模擬飛行訓(xùn)練對于未進行真機訓(xùn)練的飛行學(xué)員能否輔助學(xué)習(xí)飛行訓(xùn)練。

本組數(shù)據(jù)按照飛行學(xué)員和飛行教員分為兩個分組變量（3年以上飛行經(jīng)驗的真機飛行時長顯著大于100小時真機飛行教員的飛行學(xué)員），將貼合度大于等于 80% 的歸為優(yōu)秀，將貼合度小于 80% 的歸為普通，分析模擬飛行貼合程度和真機飛行時間之間的關(guān)系，經(jīng)卡方檢驗，得到如表3所示的結(jié)果。

從以上結(jié)果即可得出， 值11.8681， p 值 lt;0.05 認為教員與貼合程度相關(guān)程度較高，真機飛行時間越長，在模擬飛行訓(xùn)練設(shè)備上的飛行程序越貼近真實飛行程序。

通過對本組數(shù)據(jù)的分析，可以得出基于VR的模擬飛行訓(xùn)練能夠貼合實際飛行訓(xùn)練程序，是一種可行的飛行訓(xùn)練手段，在以后的學(xué)員飛行訓(xùn)練中可以加入VR模擬飛行訓(xùn)練作為補充。在對于真機飛行時長和模擬飛行訓(xùn)練的貼合度上，也出現(xiàn)了顯著的相關(guān)性，在后續(xù)的研究中可以觀察記錄基于VR的模擬飛行訓(xùn)練能在多大程度上幫助新飛行學(xué)員學(xué)習(xí)飛行程序及飛行技術(shù)。

結(jié)語

目前國內(nèi)外關(guān)于VR在飛行培訓(xùn)中的研究正在興起，研究人員必須確保該技術(shù)能夠起到切實的飛行訓(xùn)練效果，保證不會對飛行學(xué)員學(xué)習(xí)過程和在飛機上的實際操作產(chǎn)生負面影響。正如航空器的適航性檢驗一樣，基于VR的模擬飛行訓(xùn)練環(huán)節(jié)在納入正式的飛行訓(xùn)練課程之前，需要更多更徹底的調(diào)查分析來證明VR是一種有效的飛行培訓(xùn)方式。未來的研究應(yīng)該繼續(xù)深入研究分析，使用更大的數(shù)據(jù)樣本，以便使用更有效的參數(shù)進行分析。

總的來說，實驗數(shù)據(jù)分析表明將VR模擬飛行訓(xùn)練設(shè)備作為一種飛行訓(xùn)練手段是可行的，其較低的成本和不錯的訓(xùn)練效果能夠作為飛行學(xué)員熟悉飛行、掌握飛行程序的有效方式，其在功能上有很好的補充效果。

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作者簡介：張一博，碩士研究生，助教，zyb951211@163.com，研究方向：交通運輸。