荊 恒

IETM在導航設備可視化培訓中的應用

荊 恒

（中國民用航空西北地區(qū)空中交通管理局，西安 710000）

IETM技術(shù)對于設備維護保障的信息具有極為重要的意義，尤其是針對空管導航設備信息龐雜、維護要求較高的特點，IETM具有極佳的適用性。為探索IETM在導航設備培訓中應用的可行性，對導航設備可視化系統(tǒng)的國內(nèi)外標準和規(guī)范進行了系統(tǒng)性研究，結(jié)合仿真模擬等目前主流的技術(shù)和成熟的工具，開發(fā)了一套用于導航設備可視化培訓的軟件平臺，并對空管設備相關信息進行了全面的再整理。通過模擬維護平臺提供了全面的技術(shù)支持、設備維修、故障診斷和維護保養(yǎng)等功能，實現(xiàn)了對空管導航類設備可視化管理與培訓的總體目標。

IETM；空管導航設備；可視化培訓；仿真模型

0 引言

作為民用航空業(yè)安全運轉(zhuǎn)的重要保障性設備，空管設備天然具有極高的技術(shù)要求，面對行業(yè)運行過程中不斷累積和更新的操作規(guī)范，傳統(tǒng)紙質(zhì)介質(zhì)逐漸暴露出維護困難、使用效率低，且面臨信息存儲困難、容易破損、更新不便、容易遺失等諸多問題，在我國民航現(xiàn)代化建設的背景下，如何實現(xiàn)民航設備維修保障的集成化、數(shù)字化、自動化和智能化，從而降低維修保障費用，提高空管設備綜合維修保障能力及設備完好率，成為亟待解決的問題。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，紙質(zhì)文件的數(shù)字化技術(shù)也逐漸成熟，20世紀90年代，美國率先推出了用于支持軍用和民用復雜系統(tǒng)診斷、維護和維修的集成信息包，并逐漸形成了現(xiàn)在的交互式電子技術(shù)手冊（Interactive Electronic Technical Manual，IETM）。IETM通過技術(shù)手段將紙質(zhì)技術(shù)手冊數(shù)字化，并進行了重新編制，解決了紙質(zhì)技術(shù)手冊信息傳遞的局限性，克服了紙質(zhì)手冊在發(fā)行、存儲和使用過程中的諸多不便。此外，IETM的交互式查閱方式可以適應更多的應用場景，技術(shù)人員可以通過計算機等多種方式對手冊進行查詢和閱讀。

IETM的誕生最早可以追溯到20世紀80年代美國防部開展的裝備研制、生產(chǎn)、培訓和維護數(shù)字化、信息化建設，并在日后的發(fā)展中成為計算輔助采辦和后勤保障（Computer-Aided Acquisition and Logistic Support，CALS）戰(zhàn)略的關鍵要素[1]。繼美國之后，其它國家和地區(qū)也陸續(xù)開展IETM的研究應用工作，并且不僅適用于軍用設備，在民用設備方面也得到了很好的應用。其中由歐洲航空航天和國防工業(yè)協(xié)會（AeroSpace and Defense Industries Association of Europe，ASD）和美國航空航天工業(yè)協(xié)會（Aerospace Industries Association of America，AIA）共同制定的ASD S1000D規(guī)范，就是一個適用于各類軍用和民用陸、海、空裝備的規(guī)范。

國內(nèi)對于IETM的研究也在20世紀90年代逐漸展開，并由一些單位主導對交互式電子技術(shù)出版物的研究。2000年以后，越來越多的高校和研究所加入了對IETM的研究，并于2009年底發(fā)布了我國首個IETM國家標準GB/T 24463和IETM國軍標GJB6600D[2]。

近年來，越來越多的國內(nèi)研究者加入了對IETM的研究，并基于IETM相應標準和規(guī)范開展了關鍵技術(shù)和應用研究[3,4]，取得了一定的研究成果，尤其是在對操作和維護人員的培訓方面，取得了極佳的應用效果。利用IETM的多媒體特質(zhì)，有效提升設備的維護保養(yǎng)教學的便捷性。通過交互式的培訓，被培訓人員更快地融入課程學習，更高效掌握培訓知識，提升整體培訓效果。

1 理論基礎

1.1 IETM及其技術(shù)特點

IETM綜合應用了計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)以及通信技術(shù)等先進技術(shù)，將內(nèi)容繁雜的操作手冊、維修手冊等信息有機地組織管理起來，以最優(yōu)化的方式顯示在電子屏幕上，并以交互的方式進行查閱，將維修技術(shù)人員或系統(tǒng)操作人員所需的信息，精確地展現(xiàn)在使用者面前，以加速裝備使用和保障活動的實施。

IETM自誕生以來顯著地提高了裝備維護保養(yǎng)人員學習培訓及技術(shù)文檔保管的效益與效率，成功地克服了諸如資料多、質(zhì)量重、查找不方便等傳統(tǒng)的紙質(zhì)技術(shù)資料所存在的很多弊端，因而受到世界各國軍事部門的高度重視和密切關注，并且得到了極其廣泛的應用。

民航設備的操作和維護保障擁有嚴格的規(guī)范和操作要求，對操作和維護人員的自身素質(zhì)也有較高的要求，因此對相關人員的培訓就變得格外重要。傳統(tǒng)的培訓受制于紙質(zhì)教材，很難達到理想的培訓效果，同時培訓周期和成本也難以控制。IETM的技術(shù)特點很好地解決了上述問題，具體如下：

1）手冊資料的數(shù)字化：數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一的更新。數(shù)字化的技術(shù)資料使用電子介質(zhì)進行存儲，有效減少手冊的質(zhì)量與體積，并且當部分信息數(shù)據(jù)改變時，只需改變一處數(shù)據(jù)內(nèi)容，就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致更新。

2）數(shù)據(jù)集成化：能夠結(jié)合不同來源的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，經(jīng)過集成后，可以形成自描述式的數(shù)據(jù)[5]，允許其它的應用程序直接進行訪問和處理。IETM數(shù)據(jù)具有自定義性和擴展性，它可以描述各種類型的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)了各種不同來源數(shù)據(jù)的交換和傳遞，以及數(shù)據(jù)的整合。

3）可移植性強：能夠與神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)、測試程序等有機地結(jié)合，通過各種便攜式維修輔助設備，用戶可以通過多種渠道對所需的信息進行查詢和檢索，并結(jié)合相關的系統(tǒng)模塊，提高維護效率。

4）表現(xiàn)形式多元化：能夠以文字、表格、圖形、圖像、視頻、動畫等多種數(shù)據(jù)形式顯示技術(shù)信息，增強用戶對信息的理解。

5）交互性強：可以根據(jù)用戶的輸入和反饋實時給出操作提示、維修步驟和在線幫助等，還可以為用戶提供信息更新機制。

6）設備兼容性好：可以是多類型大容量的電子媒體，也可以輸出頁式的完整手冊。既能夠在臺式計算機、筆記本電腦、可穿戴計算機、嵌入式計算機甚至掌上電腦中使用，也可通過因特網(wǎng)實現(xiàn)Web發(fā)布形式。

從IETM的技術(shù)特點以及其取得的成效可以看出，它十分適合于空管導航設備維護技術(shù)資料的數(shù)字化，對于提高設備維護效率、降低維護成本能起到有效的作用。

1.2 IETM標準介紹

IETM標準體系涉及的內(nèi)容十分廣泛，包括文件結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式、界面說明、交互規(guī)范、數(shù)據(jù)庫規(guī)范等。在制定標準時，要考慮的問題很多，既要有專用標準也要考慮國際通用標準、國家標準。目前IETM的標準可以分為國際標準和國內(nèi)標準兩類，在各自的發(fā)展中產(chǎn)生了多個標準文件，并進行了多次修訂。

國際標準主要是美國IETM標準和歐洲S1000D國際標準，其中美國IETM標準包含了三個標準文件，具體如下[6]：

1）MIL-DTL-87268C《交互式電子技術(shù)手冊通用內(nèi)容、風格、格式和用戶交互要求》，該標準文件規(guī)范了IETM的外觀顯示內(nèi)容，包括圖文、表、音視頻等內(nèi)容的種類和標準。

2）MIL-DTL-87269C《可修改的交互式電子技術(shù)手冊數(shù)據(jù)庫》，該標準文件規(guī)范了IETM中的技術(shù)信息構(gòu)成和架構(gòu)，并將IETM數(shù)據(jù)模型劃分為頂層通用層、中間層交換層和底層內(nèi)容層三層結(jié)構(gòu)。

3）MIL-HDBK-511《交互式電子技術(shù)手冊互操作性》，該標準文件定義了IETM互操作性技術(shù)架構(gòu)及聯(lián)合IETM體系結(jié)構(gòu)，用來解決不同IETM手冊間的互操作問題。

歐洲采用S1000D標準，致力于將所有軍民品裝備納入其中[7]，更新速度快，對新技術(shù)的支持較為迅速，并通過更新不斷整合相關資源和系統(tǒng)，但這也造成了不同版本間差異較大，依照不同版本的S1000D標準開發(fā)的IETM工具互操作性變差。S1000D標準最突出的特點是數(shù)據(jù)模塊化和通用資源數(shù)據(jù)庫，但標準中并沒有給出任何一種IETM系統(tǒng)實現(xiàn)方案，因此需要開發(fā)者自行研究設計。

我國于2009年發(fā)布了IETM國標文件GB/T 24463[8]，并在2008年～2009年陸續(xù)發(fā)布了國軍標文件GJB 6600[9]。GB/T 24463可以分為互操作性體系結(jié)構(gòu)、用戶界面與功能要求和公告源數(shù)據(jù)庫要求三個部分。GJB 6600參照了S1000D，主要包含《總則》、《數(shù)據(jù)模塊編碼和信息控制編碼》、《模式》和《數(shù)據(jù)詞典》四部分內(nèi)容，規(guī)定了IETM的內(nèi)容、功能、數(shù)據(jù)格式、信息管理、數(shù)據(jù)模塊編碼、信息控制編碼、模式信息要求、各類數(shù)據(jù)元素要求等信息。

總體而言，我國的IETM標準總結(jié)了國際標準存在的問題和局限性，并結(jié)合我國實際情況和使用情況，充分考慮了以后發(fā)展的空間。但不可否認的是，由于發(fā)展較晚，國內(nèi)標準與國際標準相比仍存在一定的差距。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 設計需求

空管設備的操作和維修技術(shù)信息中包含了大量數(shù)據(jù)信息，在空管導航設備的培訓和維護中，首先需要保證IETM包含的技術(shù)信息應滿足空管設備維護的需求，為此IETM應當具有以下信息特征：

1）信息數(shù)據(jù)量大：滿足用戶在使用、維修、調(diào)試過程中每一個組件的參數(shù)說明信息。

2）信息數(shù)據(jù)的多樣性：數(shù)據(jù)的形式和格式必須多樣化，使用戶更容易理解系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)。

3）時效性：手冊資料的內(nèi)容要隨著維修任務周期的增長進行更新，并確保對資料的更改能迅速反映給各個用戶，以保證手冊資料的統(tǒng)一性。

4）信息數(shù)據(jù)的整體性：整個系統(tǒng)在功能上必須是一個不可分割的整體。

基于上述IETM信息特征，導航設備可視化系統(tǒng)引入虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）視景模式和普通計算機視景模式對設備及場景進行介紹的方式，針對目前的外部場站進行基本的展示，包括文字和圖片，并進行基本的三維空間順序瀏覽漫游展示[10]。

為了提升空管導航培訓的便捷性，IETM需要支持多種部署方式，包括內(nèi)網(wǎng)平臺部署、單機部署和移動終端部署等，考慮到不同設備的兼容性問題，在可視化內(nèi)容開發(fā)的過程中，要盡量使用目前主流的技術(shù)和成熟的工具。

內(nèi)容方面，導航設備可視化培訓系統(tǒng)應具有電子手冊制作管理的功能，能夠為管理人員提供管理手冊內(nèi)容與功能的管理平臺，包括儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS）、甚高頻（Very High Frequency，VHF）、多普勒甚高頻全向信標[11]（Doppler VHF Omni Directional Radio Range，DVOR）和航空測距儀（Distance Measurement Equipment，DME）等設備信息的動態(tài)創(chuàng)建、編輯、內(nèi)容管理和發(fā)布等功能。

結(jié)合導航設備培訓的基本需求，IETM系統(tǒng)應具備如圖1所示的五大功能模塊。

圖1 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)設計原則

根據(jù)導航設備可視化培訓的實際需求，遵循并符合國家標準與數(shù)據(jù)規(guī)范，在保障高質(zhì)量數(shù)據(jù)共享訪問的前提下，進行嚴謹周密的設計與實施，確保系統(tǒng)在安全可靠的環(huán)境下順利運行。為此，在系統(tǒng)設計過程中，應遵循系統(tǒng)的易維護性、可拓展性、開放性、安全性和先進性五條基本原則。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)主要分為軟件架構(gòu)和網(wǎng)絡架構(gòu)兩部分，軟件架構(gòu)作為系統(tǒng)的主體，承擔了系統(tǒng)最重要的信息管理任務，而網(wǎng)絡架構(gòu)則負責信息的互聯(lián)互通，保障系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)和信息傳遞的可靠性。

基于系統(tǒng)設計的基本原則，綜合考慮系統(tǒng)所需的硬件資源和用戶的交互體驗，將系統(tǒng)按照功能邏輯分為資源層、接入層、網(wǎng)絡層、服務層和應用層五層來組織，如圖2所示。通過分層可以降低各層之間的耦合性，保持各層之間的相對獨立性，在功能模塊更新時可以極大地減少軟件開發(fā)的工作量，降低開發(fā)失敗的風險。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

基于上述軟件架構(gòu)開發(fā)的IETM系統(tǒng)具有良好的軟件性能，能夠很好地契合導航設備培訓的需求，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）先進的技術(shù)架構(gòu)：系統(tǒng)服務端由主流開發(fā)框架.Net技術(shù)實現(xiàn)，客戶端服務器模式為C/S模式，操作系統(tǒng)采用Windows7以上系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫則采用Oracle 11g主流軟件。

2）模塊化設計：系統(tǒng)平臺支持模塊化、組件化設計模式，以模型驅(qū)動方式構(gòu)建系統(tǒng)，確保業(yè)務模型的可擴展性和可維護性。

3）接口開放：軟件架構(gòu)要求具備開放性，提供完整規(guī)范的開發(fā)接口，能夠滿足主流平臺和跨平臺快速應用開發(fā)的需求。

4）豐富的基礎管理功能：系統(tǒng)具備基礎管理功能，包括但不限于配置管理、日志管理、統(tǒng)計分析、系統(tǒng)監(jiān)控。系統(tǒng)應具備高效的實時接口數(shù)據(jù)處理能力，利用總線技術(shù)實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)。

5）安全恢復能力：系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)及應用軟件的備份功能及恢復功能，數(shù)據(jù)可以按天自動備份，還可以手動指定日期備份。系統(tǒng)在發(fā)生故障或者異常時會進行日志記錄并告警通知用戶。

為滿足導航設備培訓的多元化、多設備應用需求，并保障IETM的安全運行能力和抗風險能力，系統(tǒng)必須具有穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡架構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)的部署情況可將系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)分為三個部分，分別是IETM服務平臺、教學終端和培訓終端，并通過如圖3所示的連接方式互通。

圖3 網(wǎng)絡架構(gòu)圖

IETM平臺是整個系統(tǒng)的信息管理平臺，將多元化的培訓內(nèi)容和數(shù)據(jù)信息輸入到IETM平臺后，平臺通過以太網(wǎng)將內(nèi)容播發(fā)給終端，并根據(jù)教學終端和培訓終端的任務請求提供相應的數(shù)據(jù)反饋。為了保障數(shù)據(jù)安全，避免因不可抗力造成的數(shù)據(jù)損失，系統(tǒng)設置了數(shù)據(jù)庫熱備服務器，確保在一臺服務器維護或出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍可正常運轉(zhuǎn)。

2.4 系統(tǒng)功能分析

為實現(xiàn)導航設備可視化系統(tǒng)要求的設備展示、教學培訓、訓練考核、培訓資料管理、后臺管理五大主要功能模塊，同時具有登錄驗證、系統(tǒng)設置、告警通知等系統(tǒng)性功能，開發(fā)了基于VR技術(shù)的360°設備物理結(jié)構(gòu)和布局展示功能，并利用Web管理軟件實現(xiàn)了內(nèi)容輸入和培訓管理等諸多功能，主要表現(xiàn)在以下五個方面：

1）設備展示功能

利用VR技術(shù)極佳的可視化和交互性體驗，對導航設備的操作和維護任務設置了多種模擬場景，可以很直觀地在虛擬場景下完成各種模擬操作，同時能夠在平臺上模擬各軟件，能夠直接互動操作、實現(xiàn)基本軟件功能，并同步顯示操作結(jié)果，演示界面有操作流程文字提示。此外，還提供了對某些特定設備操作流程的虛擬演示。

2）教學培訓功能

教學培訓功能模塊提供以視頻、Flash動畫和可交互三維動畫等形式進行交互學習，能使學員更快地掌握復雜設備的使用、維修、更換配件等操作流程。此外，教學培訓還將各類導航設備的組成、配套情況等內(nèi)容以結(jié)構(gòu)層次樹的形式展示，便于學員梳理學習。

3）訓練考核功能

訓練考核功能是對受訓人員的學習、培訓、使用情況進行考核，系統(tǒng)提供在線答題功能，根據(jù)試卷答題和平時的操作訓練情況對受訓人員的訓練情況給予綜合考核評分，并在受訓人員答題結(jié)束后實時顯示正確答案。此外，訓練考核模塊還開放了成績查詢功能，學員均可登錄系統(tǒng)來查詢考試成績、考卷信息和考試結(jié)果，方便地了解自己的學習情況。訓練考核模塊還為教員提供了統(tǒng)計分析功能，便于了解相應批次學員的考試通過率情況，這對提升學員培訓質(zhì)量和效率都具有重要意義。

4）培訓資料管理功能

培訓資料管理功能可以對培訓資料進行修改、刪除或下載，支持Word、PDF文檔資料和音視頻資料，并支持對部分文本資料的在線編輯功能。系統(tǒng)將不同類型的培訓資料進行了歸類，用戶可以通過資料名稱和創(chuàng)建日期對目標資料精準查找。對于設備展示模塊中引用的三維仿真資料，系統(tǒng)利用內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化關聯(lián)的設計對這部分數(shù)據(jù)進行了整體管理，無需用戶特殊操作。

5）后臺管理功能

后臺管理功能為用戶提供了綜合搜索功能，用戶可以在所屬權(quán)限范圍內(nèi)對急需內(nèi)容進行檢索，并通過側(cè)邊欄所列內(nèi)容對各種設備信息和培訓考試內(nèi)容進行管理。

3 結(jié)語

本IETM系統(tǒng)基于現(xiàn)行國家標準和數(shù)據(jù)規(guī)范，充分利用現(xiàn)階段先進成熟的技術(shù)和方法，為用戶提供了一套用于導航設備可視化培訓的“一站式”解決方案，具有多元的交互方式。IETM自身的特點可以很好地適應導航設備可視化培訓的需求，能夠有效降低導航設備相關數(shù)據(jù)資料的維護費用，提高導航設備綜合維修保障能力，提升導航設備操作和維護人員的培訓效率和學習熱情，對于全國空管領域?qū)Ш皆O備培訓的推廣具有積極的參考價值，未來的應用前景也十分廣泛。

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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。

荊恒（1983.11—），山西運城人，工程師，主要研究方向為儀表著陸系統(tǒng)。