引言

隨著近些年計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（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(jì)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(jī)訓(xùn)練和飛行模擬機(jī)訓(xùn)練兩種，而普通單發(fā)固定翼飛機(jī)的模擬機(jī)常用等級(jí)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(jí)的飛行模擬器因其技術(shù)限制[3]，不具備高級(jí)別全動(dòng)飛行模擬機(jī)（fullflightsimulator，F(xiàn)FS）的全方位、多感知和多飛行狀況的真實(shí)操縱感的訓(xùn)練體驗(yàn)，使得把VR設(shè)備應(yīng)用于飛行訓(xùn)練有了補(bǔ)充價(jià)值。

航空業(yè)自20世紀(jì)30年代以來一直利用模擬器進(jìn)行飛行培訓(xùn)[4，模擬器具有廣泛的沉浸感、真實(shí)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(jì)到基于計(jì)算機(jī)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(xiàng)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(jī)所處動(dòng)態(tài)環(huán)境和實(shí)時(shí)反饋的動(dòng)模，以及只能模擬駕駛艙環(huán)境的固模（fixedbasesimulator，一種沒有運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的模擬機(jī)，通常不具備動(dòng)態(tài)模擬功能）。飛機(jī)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(jī)各種操作部件。

在對(duì)VR進(jìn)行可用性評(píng)估時(shí)，研究人員通常使用可用性屬性以及VR程序測(cè)試中的其他經(jīng)過驗(yàn)證的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是，關(guān)于非軍事（如民航）飛行員使用VR進(jìn)行飛行培訓(xùn)的可用性的研究文獻(xiàn)相對(duì)較少，主要是因?yàn)橐酝奶摂M現(xiàn)實(shí)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(shí)，以及在大規(guī)模部署之前，進(jìn)行迭代測(cè)試和改進(jìn)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(jià)值。

在模擬器中進(jìn)行飛行培訓(xùn)可以縮短掌握技能所需的時(shí)間，提高程序性記憶，并改善在實(shí)際任務(wù)環(huán)境中的表現(xiàn)。有團(tuán)隊(duì)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(jìn)行飛行培訓(xùn)正在經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)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(jī)上。設(shè)計(jì)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(qiáng)用戶的技能水平和認(rèn)知[8]。

目前對(duì)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(jìn)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(jià)值，并且可以為其他對(duì)VR模擬飛行訓(xùn)練有興趣的個(gè)人和研究團(tuán)隊(duì)提供基礎(chǔ)參考。

因此，本文進(jìn)行了一項(xiàng)可行性研究，以嘗試是否能夠在對(duì)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(biāo)是了解使用VR模擬飛行訓(xùn)練設(shè)備進(jìn)行飛行訓(xùn)練的可行性，同時(shí)借助數(shù)據(jù)分析VR模擬飛行訓(xùn)練設(shè)備對(duì)實(shí)際飛行訓(xùn)練提供潛在幫助的可能性。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)模擬飛行訓(xùn)練的優(yōu)勢(shì)

VR在飛行訓(xùn)練中的應(yīng)用不僅僅是一個(gè)技術(shù)進(jìn)步，更重要的是大大提升了飛行員的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，能夠增強(qiáng)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(shí)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(gè)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(shí)的飛機(jī)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(jì)，讓飛行員在虛擬駕駛艙中感受到真實(shí)的視野效果。無論是儀表盤、外部景觀，還是機(jī)艙內(nèi)部的細(xì)節(jié)，VR都能逼真地再現(xiàn)?，F(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(yàn)更加流暢和逼真。VR能夠模擬不同的飛行場(chǎng)景，如日夜變化、天氣條件、飛行高度等。這些動(dòng)態(tài)變化增強(qiáng)了飛行員對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，使他們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中能夠更好地應(yīng)對(duì)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(dòng)機(jī)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(yàn)。

1.2多人協(xié)同訓(xùn)練和遠(yuǎn)程參與

通過網(wǎng)絡(luò)連接，不同地點(diǎn)和更多的飛行學(xué)員可以同時(shí)進(jìn)入同一個(gè)虛擬訓(xùn)練環(huán)境進(jìn)行協(xié)同訓(xùn)練。教練員也可以遠(yuǎn)程參與，實(shí)時(shí)指導(dǎo)和評(píng)估飛行員的表現(xiàn)。教練員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)飛行學(xué)員的操作，并立即提供反饋。實(shí)時(shí)反饋能幫助飛行員在學(xué)習(xí)過程中迅速糾正錯(cuò)誤，而不是在錯(cuò)誤的操作方式上反復(fù)練習(xí)，浪費(fèi)時(shí)間。這種遠(yuǎn)程協(xié)作特別適用于跨地域的飛行團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練和協(xié)調(diào)。這種即時(shí)的糾錯(cuò)機(jī)制增強(qiáng)了飛行員的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，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(jī)

VR設(shè)備能夠模擬各種不同的飛行場(chǎng)景和環(huán)境，包括不同的天氣狀況、地形地貌、機(jī)場(chǎng)類型等。這種多樣化的場(chǎng)景模擬可以讓飛行員體驗(yàn)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(jī)型支持，飛行軟件可以根據(jù)不同的飛行器類型進(jìn)行定制，并創(chuàng)建專屬的虛擬駕駛艙，準(zhǔn)確再現(xiàn)儀表盤、操控桿、按鈕和開關(guān)的布局。VR設(shè)備會(huì)根據(jù)具體的飛機(jī)型號(hào)生成相應(yīng)的虛擬駕駛艙，使飛行員能夠在訓(xùn)練中體驗(yàn)到與真實(shí)駕駛艙相同的布局和操作感受。每種飛機(jī)的儀表盤和顯示器都有其特定的設(shè)計(jì)和功能，VR系統(tǒng)可以根據(jù)飛機(jī)的實(shí)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(yàn)讓飛行員在學(xué)習(xí)過程中充滿新鮮感和挑戰(zhàn)性，增強(qiáng)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(gè)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(yàn)。這種學(xué)習(xí)體驗(yàn)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(qiáng)他們?cè)趯?shí)際飛行中的自信心和應(yīng)變能力。通過提供多樣化的場(chǎng)景和實(shí)時(shí)的反饋，VR使飛行訓(xùn)練變得更加直觀和貼近實(shí)際，為飛行員的職業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)模擬飛行訓(xùn)練環(huán)境

2.1虛擬現(xiàn)實(shí)模擬飛行訓(xùn)練硬件設(shè)計(jì)

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

上述軟硬件產(chǎn)品為目前市場(chǎng)上較為成熟的產(chǎn)品，總體成本不高，遠(yuǎn)低于目前原有模擬機(jī)的價(jià)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(shí)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(dá)到1080P分辨率。

2.2虛擬現(xiàn)實(shí)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(jī)場(chǎng)及周邊地圖模型，并安裝了西銳訓(xùn)練機(jī)型。

3.研究方法和結(jié)果

本文為驗(yàn)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(shí)真機(jī)飛行經(jīng)驗(yàn)的飛行學(xué)員和3年飛行經(jīng)驗(yàn)以上的飛行教員進(jìn)行模擬飛行測(cè)試，每名飛行人員將在VR模擬飛行訓(xùn)練器上進(jìn)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(cè)試內(nèi)容為目視起落飛行程序，測(cè)試將記錄飛行軌跡和操作程序，在測(cè)試結(jié)束后與真機(jī)起落飛行軌跡對(duì)比，分析基于VR模擬飛行的起落訓(xùn)練程序軌跡和真機(jī)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(duì)VR模擬飛行訓(xùn)練的可行性進(jìn)行具體分析。

在獲得原始數(shù)據(jù)之后，做離散統(tǒng)計(jì)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(jī)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(duì)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(yàn)證模擬飛行貼合度與真機(jī)飛行時(shí)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(jìn)行了卡方檢測(cè)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(jìn)行更加深入的研究，探索VR模擬飛行訓(xùn)練對(duì)于未進(jìn)行真機(jī)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(gè)分組變量（3年以上飛行經(jīng)驗(yàn)的真機(jī)飛行時(shí)長(zhǎng)顯著大于100小時(shí)真機(jī)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(jī)飛行時(shí)間之間的關(guān)系，經(jīng)卡方檢驗(yàn)，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(rèn)為教員與貼合程度相關(guān)程度較高，真機(jī)飛行時(shí)間越長(zhǎng)，在模擬飛行訓(xùn)練設(shè)備上的飛行程序越貼近真實(shí)飛行程序。

通過對(duì)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(shí)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(bǔ)充。在對(duì)于真機(jī)飛行時(shí)長(zhǎng)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(shí)的飛行訓(xùn)練效果，保證不會(huì)對(duì)飛行學(xué)員學(xué)習(xí)過程和在飛機(jī)上的實(shí)際操作產(chǎn)生負(fù)面影響。正如航空器的適航性檢驗(yàn)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(jìn)行分析。

總的來說，實(shí)驗(yàn)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(cuò)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(bǔ)充效果。

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作者簡(jiǎn)介：張一博，碩士研究生，助教，zyb951211@163.com，研究方向：交通運(yùn)輸。