王 凱，李玄玄

（中國(guó)民航大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

一、引言

飛機(jī)制造商提供的原版計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CBT）系統(tǒng)軟件，例如，波音737CBT軟件，它可以提供語音文字教學(xué)，調(diào)節(jié)播放速度，添加學(xué)習(xí)筆記，保存用戶使用的信息[1]，軟件內(nèi)將飛機(jī)按系統(tǒng)模塊劃分，每一系統(tǒng)再多級(jí)細(xì)化。缺點(diǎn)是一套設(shè)備成本太高，并且只能在原設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)好的邏輯和范圍內(nèi)，不能夠根據(jù)自己的需求訂制，使用時(shí)過程復(fù)雜，課件程序的調(diào)用有限制[2]。航空器維護(hù)訓(xùn)練器（SBT）可以提供全操作駕駛艙和三維飛機(jī)圖像等功能[3]，該系統(tǒng)的顯示均利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)仿真，操作則完全利用觸摸屏技術(shù)[4]，問題是開發(fā)周期長(zhǎng)，而且作用有限，只能進(jìn)行機(jī)艙內(nèi)部的虛擬仿真。Prepar3D的開發(fā)環(huán)境，完全享有模擬飛行下的所有三維仿真效果，使用者可以在場(chǎng)景中自由地走動(dòng)，自由地進(jìn)出飛機(jī)。其中的二次開發(fā)工具SimDirector，通過拖動(dòng)及圖形化編程，可以在無任何計(jì)算機(jī)語言基礎(chǔ)的情況下進(jìn)行開發(fā)。不僅實(shí)現(xiàn)提供圖像、語音、文字的交互，還可以提供飛機(jī)各個(gè)角度的視野，搭建一個(gè)與現(xiàn)實(shí)機(jī)場(chǎng)相似度非常高的虛擬場(chǎng)景，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景錄制，供后期評(píng)估分析或教學(xué)。場(chǎng)景可以做得更加開放，并鼓勵(lì)學(xué)生自我探索，并使其有可能選擇自己的學(xué)習(xí)主題[5]。

二、場(chǎng)景設(shè)計(jì)

1.開發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介。SimDirector是Prepar3D的二次開發(fā)工具，可以幫助我們?cè)跓o編程基礎(chǔ)的情況下，使用軟件提供的不同“功能零件”，搭建流程圖得到預(yù)想的場(chǎng)景流程，側(cè)重于圍繞人物或飛機(jī)展開一系列邏輯事件的編輯和預(yù)演。流程的編輯主要是利用軟件提供的部件實(shí)現(xiàn)，雖然種類、數(shù)量有限，但絕大多數(shù)飛機(jī)操作都可以實(shí)現(xiàn)，而且可以通過寫腳本實(shí)現(xiàn)更多的附加需求。功能種類主要有：（1）Actions，行動(dòng)類，包括計(jì)數(shù)操作、延時(shí)操作、對(duì)話操作等。（2）Areas，區(qū)域類，進(jìn)行區(qū)域的限定，以實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)環(huán)境的限制。（3）Entities，實(shí)體類，包括多種飛行器、地面交通設(shè)備等，可以對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的動(dòng)作設(shè)定。（4）Goals，目標(biāo)類，包括目標(biāo)和組目標(biāo)兩種。一般配合動(dòng)作類的部件一起使用，用某動(dòng)作完成與否決定當(dāng)前目標(biāo)是否實(shí)現(xiàn)，子目標(biāo)可以將完成情況傳給組目標(biāo)，組目標(biāo)進(jìn)行整個(gè)任務(wù)的完成情況的判定。（5）Group，組部件，這是工具性的部件，對(duì)于那些常用的部件流程，可以將它們封裝成組部件，便于進(jìn)行模塊層面的復(fù)制和修改，并且支持文件級(jí)別的導(dǎo)入導(dǎo)出，方便我們?cè)诓煌墓こ滔聦?shí)現(xiàn)代碼重用。（6）Scenario，腳本類部件，提供的功能種類很多，有視野、任務(wù)、參數(shù)設(shè)定等。（7）Mobile Scenery/Scenery，景物類部件，用來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的環(huán)境效果。（8）Triggers，觸發(fā)器類部件，通過它來實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的觸發(fā)。

2.設(shè)計(jì)要求。本文以展示機(jī)艙的儀表檢查為例，具體場(chǎng)景如下：預(yù)定授課的任務(wù)大綱，學(xué)生在虛擬場(chǎng)景里在跟隨視角鎖定和光標(biāo)及文本提示的基礎(chǔ)上，完成指定的操作，并且可以根據(jù)需求進(jìn)行考核評(píng)價(jià)。檢查中有一項(xiàng)工卡的具體要求是：檢查發(fā)動(dòng)機(jī)滑油量和液壓油量，發(fā)動(dòng)機(jī)滑油量指示不少于16，液壓油量指示不少于90%，若不足則按需加油。

3.設(shè)計(jì)思路。針對(duì)設(shè)計(jì)的要求，本次設(shè)計(jì)的機(jī)艙儀表檢查的場(chǎng)景需要設(shè)計(jì)如下部分：人機(jī)交互部分、任務(wù)管理部分、目標(biāo)評(píng)價(jià)部分、數(shù)據(jù)管理部分。

4.具體設(shè)計(jì)方案。（1）人機(jī)交互管理。包括語音播報(bào)、字幕提示、動(dòng)畫和參與者選擇菜單。會(huì)在開場(chǎng)時(shí)，以語音或字幕的形式對(duì)授課內(nèi)容及形式予以說明，并且可以由參與者選擇場(chǎng)景的主題、任務(wù)的目標(biāo)。操作過程中，場(chǎng)景中也會(huì)出現(xiàn)必要的提示。除了語音提示、文本提示以外，還可以使用視野切換、光標(biāo)選中、光標(biāo)路徑等提示，指導(dǎo)完成規(guī)定操作。（2）流程管理。由于此次演示是針對(duì)駕駛艙進(jìn)行的，不需要太多的觸發(fā)條件，后臺(tái)邏輯相對(duì)單一，主要是以時(shí)間觸發(fā)器為激勵(lì)源的線性流程圖。（3）任務(wù)管理。任務(wù)的發(fā)布使用ScenarioMetadata模塊，AbbreviatedMissionBrie參數(shù)里面找到文件路徑，在Windows選項(xiàng)卡下的Kneeboard第一個(gè)選項(xiàng)卡Briefing會(huì)顯示網(wǎng)頁效果。它會(huì)在場(chǎng)景的keenboard中自動(dòng)生成一份html格式的任務(wù)文件，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的預(yù)覽。同時(shí)，我們可以進(jìn)行更為詳盡的任務(wù)設(shè)定，每完成一項(xiàng)任務(wù)，可以進(jìn)行語音及字幕提示，方便學(xué)生及時(shí)關(guān)注并解決問題。（4）目標(biāo)管理。實(shí)現(xiàn)某一項(xiàng)單一步驟后，根據(jù)操作情況判定這一項(xiàng)任務(wù)是否完成。利用平臺(tái)目標(biāo)與組目標(biāo)的概念，可以建立多級(jí)的目標(biāo)管理機(jī)制。具體地說，可以通過低級(jí)目標(biāo)的完成情況，經(jīng)由更高級(jí)的組目標(biāo)會(huì)有及格分?jǐn)?shù)部件匯總，對(duì)低級(jí)的目標(biāo)完成情況的判定。這一過程主要使用Goal類部件完成，它可以進(jìn)行目標(biāo)完成時(shí)是否通過的判定，而且可以由完成情況打分，之后經(jīng)由組目標(biāo)部件進(jìn)行分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)，判定是否完成。（5）數(shù)據(jù)管理。在任務(wù)完成后，一些關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)，如是否操作、完成情況、完成時(shí)間等數(shù)據(jù)，通過腳本模塊執(zhí)行相應(yīng)的腳本，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)出。由于平臺(tái)沒有自帶數(shù)據(jù)導(dǎo)出這一類部件，使用腳本類部件，這一類部件支持lua語言，編輯一段lua腳本，實(shí)現(xiàn)文件的寫入。

三、預(yù)覽仿真及實(shí)施結(jié)果分析

1.部分實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景展示。由于整個(gè)過程不易通過文字展示，選取一部分艙內(nèi)操作的場(chǎng)景，用圖示的方式來演示。圖1展示的是學(xué)生在場(chǎng)景操作中實(shí)現(xiàn)工卡的實(shí)時(shí)瀏覽；圖2展示的是學(xué)生可以在開場(chǎng)時(shí)瀏覽任務(wù)大綱，對(duì)任務(wù)有全局性的認(rèn)識(shí)。

圖1 任務(wù)實(shí)時(shí)瀏覽

圖2 任務(wù)大綱預(yù)覽

2.目標(biāo)評(píng)價(jià)?？梢园衙恳粋€(gè)完整的檢查流程視作一個(gè)任務(wù)，參與者全程可以查看任務(wù)，使得對(duì)任務(wù)的總體配置，包括任務(wù)成功的條件以及難度等級(jí)、任務(wù)最多提供的時(shí)間有基本的了解。如圖3，可以查看到相應(yīng)目標(biāo)的完成情況以及是否符合要求，圖中打勾代表完成，打叉代表失敗。第一項(xiàng)為組目標(biāo)OUTDOOR，由其下一級(jí)若干子目標(biāo)的完成情況判定組目標(biāo)是否達(dá)標(biāo)。在完成到一定的階段，屏幕上會(huì)給出相應(yīng)的判定結(jié)果。當(dāng)完成一個(gè)階段的所有項(xiàng)目時(shí)，平臺(tái)會(huì)提示你是否合格。

圖3 實(shí)時(shí)預(yù)覽圖

四、結(jié)語

使用虛擬仿真技術(shù)搭建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，由于使用了Prepare 3D相同的虛擬仿真平臺(tái)，可以高度逼真地做出與實(shí)際操作相似的場(chǎng)景，總體上可以實(shí)現(xiàn)繞機(jī)檢查的所有預(yù)設(shè)場(chǎng)景。解決因硬件、場(chǎng)地等不足不能一次性大規(guī)模培訓(xùn)的難題。而且可以根據(jù)授課或機(jī)型的需要，修改、升級(jí)場(chǎng)景，在滿足授課功能需求的基礎(chǔ)上，使用平臺(tái)做到了任務(wù)管理、目標(biāo)管理、數(shù)據(jù)管理，將以更開放的形式、更及時(shí)地反饋和更全面、數(shù)字化的分析更頻繁地出現(xiàn)在未來的機(jī)務(wù)培訓(xùn)領(lǐng)域。