劉永易，西光旭，于瀾，曹小敏

（1.解放軍95840部隊(duì)，北京100195；2.解放軍95995部隊(duì)，北京100195）

某飛行仿真系統(tǒng)虛擬教員軟件研究

劉永易1，西光旭1，于瀾2，曹小敏1

（1.解放軍95840部隊(duì)，北京100195；2.解放軍95995部隊(duì)，北京100195）

針對訓(xùn)練基地飛行模擬改裝訓(xùn)練的特點(diǎn)和需求，提出了一種智能評分和虛擬教員實(shí)時提示方法。根據(jù)訓(xùn)練大綱建立模擬飛行課目專家?guī)欤⒎蛛A段優(yōu)化評估模型，對不同階段的關(guān)鍵評價指標(biāo)進(jìn)行綜合評分，同時依據(jù)專家?guī)旌湍M飛行參數(shù)實(shí)時對飛行學(xué)員的操作提出虛擬建議，以文字和聲音的方式發(fā)送給飛行員，最后給出評分結(jié)果。虛擬教員能對模擬訓(xùn)練進(jìn)行實(shí)時干預(yù)、指導(dǎo)，方便學(xué)員進(jìn)行自主訓(xùn)練，受到訓(xùn)練基地飛行員尤其是新訓(xùn)改裝飛行員的廣泛歡迎。

模擬訓(xùn)練，虛擬教員，評估模型，實(shí)時糾偏

0　引言

在訓(xùn)練基地飛行員新機(jī)改裝訓(xùn)練階段，特別強(qiáng)調(diào)對飛行員進(jìn)行一些基礎(chǔ)課目練習(xí)的訓(xùn)練，隨著模擬訓(xùn)練量的不斷加大，缺乏教員和教員主觀評判模擬訓(xùn)練成績的矛盾逐漸凸顯，尤其在瞬態(tài)運(yùn)行過程中，對操作響應(yīng)的變化很難作出及時評判。由于這些課目練習(xí)的訓(xùn)練具有相對固定和規(guī)范的動作要領(lǐng)，因此，引入計(jì)算機(jī)虛擬教員進(jìn)行輔助教學(xué)成為可能。本文介紹的虛擬教員軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對飛行訓(xùn)練成績的自動評估，更能以虛擬教員的身份對模擬訓(xùn)練進(jìn)行實(shí)時干預(yù)、指導(dǎo)，方便學(xué)員進(jìn)行自主訓(xùn)練，提高了訓(xùn)練效益，受到訓(xùn)練基地飛行員尤其是新訓(xùn)改裝飛行員的廣泛歡迎。

1　虛擬教員軟件功能需求分析

虛擬教員軟件分系統(tǒng)具有部分飛行教員的功能，對飛行員的各種操作進(jìn)行及時的干預(yù)指導(dǎo)并給出最終得分，具體要具備以下功能:根據(jù)訓(xùn)練大綱建立模擬飛行課目專家?guī)?；建立?yōu)化評估模型，對飛行員的操作根據(jù)專家?guī)旌惋w參數(shù)據(jù)提出虛擬建議；建立顯示和發(fā)聲模型，實(shí)時將虛擬建議發(fā)送給飛行員；最后給出評分結(jié)果。

2　軟件模型

2.1軟件系統(tǒng)架構(gòu)

虛擬教員軟件主要包括模擬訓(xùn)練課目設(shè)定、模擬訓(xùn)練課目專家?guī)?、模擬訓(xùn)練分階段評估模型、顯示模塊、聲音模塊5部分。首先由飛行教員和技術(shù)人員設(shè)定好飛行課目，依據(jù)飛行課目程序自動調(diào)取模擬訓(xùn)練課目專家?guī)?；根?jù)每個飛行課目的不同特點(diǎn)，分階段評估模型，依據(jù)飛行參數(shù)劃分一次模擬飛行訓(xùn)練的不同階段，依據(jù)每個階段的關(guān)鍵評價指標(biāo)和專家?guī)?，虛擬教員在線、實(shí)時完成對模擬飛行數(shù)據(jù)的自動分析，實(shí)時通過顯示模塊和聲音模塊給出操作提示和建議，最后給出評分結(jié)果。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示:

2.2模擬訓(xùn)練課目專家?guī)?/p>

模擬訓(xùn)練課目專家?guī)焓怯娠w行專家根據(jù)飛行訓(xùn)練大綱、飛行改裝教材，結(jié)合豐富的飛行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對不同飛行課目作出的總結(jié)，對新訓(xùn)改裝飛行員更有其重要意義。表1為XX機(jī)型起落航線飛行專家?guī)臁?/p>

2.3分階段評估模型

分階段評估模型有兩個關(guān)鍵部分:一是各個飛行階段如何合理劃分才能更準(zhǔn)確地評估一次飛行情況，各個階段的關(guān)鍵評價指標(biāo)有哪些，如何確立評估算法；二是除了根據(jù)專家?guī)煸谙鄳?yīng)時機(jī)給出特定提示信息外，如何根據(jù)飛行實(shí)際參數(shù)給出實(shí)時的糾偏建議，比如注意減速、向左壓坡度等。以下以某訓(xùn)練基地起落航線飛行為例進(jìn)行說明。

圖2　某訓(xùn)練基地XX機(jī)型起落航線飛行線路圖

2.3.1飛行階段劃分

飛機(jī)在完成一次起落航線飛行任務(wù)過程中，根據(jù)飛機(jī)飛行航跡、發(fā)動機(jī)推力狀態(tài)以及飛機(jī)構(gòu)型和狀態(tài)參數(shù)變化特性，特別是飛機(jī)電臺方位角和電臺距離，把整個飛行過程分為起飛爬升、一二轉(zhuǎn)彎、反向平飛、三轉(zhuǎn)彎、四轉(zhuǎn)彎、下滑著陸等6個階段。

表1　XX機(jī)型起落航線飛行專家?guī)?/p>

如圖2所示，起飛爬升階段為A點(diǎn)到B點(diǎn)；一二轉(zhuǎn)彎階段為B點(diǎn)到C點(diǎn)；反向平飛階段為C點(diǎn)到D點(diǎn)；三轉(zhuǎn)彎階段為D點(diǎn)到E點(diǎn)；四轉(zhuǎn)彎階段為E點(diǎn)到F點(diǎn)；下滑著陸階段為F點(diǎn)到A點(diǎn)。

當(dāng)飛機(jī)嚴(yán)重偏離基本起落航線時，提示信息“已經(jīng)嚴(yán)重偏離航線，請重新開始！”。

2.3.2評價指標(biāo)

不同的飛行課目，不同的飛行階段，所需采集的飛行參數(shù)各不相同，根據(jù)飛行訓(xùn)練資料以及一些資深飛行員多年飛行的經(jīng)驗(yàn)，最終確定各個不同飛行階段的評價指標(biāo)，根據(jù)飛行訓(xùn)練大綱、飛行改裝教材給出的評分標(biāo)準(zhǔn)建立不同科目、階段的評估模型，實(shí)現(xiàn)綜合評分。根據(jù)模擬訓(xùn)練課目專家?guī)旖o出虛擬教員的提示信息。下頁表2為XX機(jī)型起落航線飛行時不同飛行階段的關(guān)鍵評價指標(biāo)。

表2　起落航線飛行時不同飛行階段的關(guān)鍵評價指標(biāo)

2.3.3評估模型

設(shè)某一飛行課目可分為I個飛行階段，在第i個階段共有M個評價指標(biāo)，共記錄了N個參數(shù)采集點(diǎn)。σimn為在第i個飛行階段、第m個評價指標(biāo)在第n個采集點(diǎn)記錄的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)航線中相應(yīng)數(shù)據(jù)的誤差值?？梢栽试S或者可忽略的誤差記為σimnmin，最大誤差記為σimnmax。飛行成績按照百分制計(jì)算，則第i個飛行階段、第m個評價指標(biāo)在第n個采集點(diǎn)的成績?yōu)?

綜合各采集點(diǎn)得分值，采取平均值法得出第m個評價指標(biāo)在飛行i階段的成績?yōu)?

綜合各評價指標(biāo)在i階段的得分，采取平均值法得出i階段的成績:

綜合各階段成績，采取平均值法得出本次飛行成績:

2.3.4實(shí)時糾偏模型

實(shí)時糾偏模塊實(shí)時分析有關(guān)飛行參數(shù)，檢查評判飛行偏離標(biāo)準(zhǔn)航線的嚴(yán)重程度，給出虛擬教員的操作建議。對飛行作出準(zhǔn)確的評價建議，其算法非常復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用過程中遵循“寧缺毋濫”的保守原則，寧可少提建議，但提出的建議要正確。采用的算法如下:

①允許5 s誤差修正算法

允許5 s誤差修正算法的含義是指每一評分階段范圍內(nèi)，對評價指標(biāo)在每個采集點(diǎn)進(jìn)行評分，只有該評價指標(biāo)在連續(xù)5 s內(nèi)均得分均低于60 min，才針對該評價指標(biāo)的物理意義發(fā)出實(shí)時糾偏提示。比如反向平飛時高度連續(xù)5 s低于或高于標(biāo)準(zhǔn)高度過多，綜合評分低于60 min，則發(fā)出“注意高度”提示。算法如下:

式中T為采樣周期，n為某起始時刻采樣點(diǎn)，x為5 s內(nèi)的程序采樣點(diǎn)，程序采用10 ms。

②PD控制算法

飛機(jī)是具有較大轉(zhuǎn)動慣量的，飛行仿真模型同樣會反映出這一特性。如果在進(jìn)行虛擬教員提示時只考慮評價指標(biāo)參數(shù)誤差的影響，則發(fā)出的提示信息在開始會引導(dǎo)飛行員正確操作，但隨著飛機(jī)狀態(tài)的改變，這一信息可能引導(dǎo)飛行員向相反的方向錯誤操作，引起超調(diào)震蕩。因此，除了要考慮相應(yīng)評價指標(biāo)誤差的大小，還要考慮評價指標(biāo)誤差的變化率。算法如下:

式中x為某一采樣點(diǎn)。

③四轉(zhuǎn)彎時的糾偏算法

從圖2可以看出，在進(jìn)入四轉(zhuǎn)彎之前飛機(jī)航線具有比較明顯且有規(guī)律的特點(diǎn)，但如何判斷四轉(zhuǎn)彎飛行的好壞需要仔細(xì)分析。四轉(zhuǎn)彎飛行的目的是盡快對正跑道，消除飛機(jī)航向與跑道角偏差的同時消除飛機(jī)到跑道延長線的距離偏差，因此，可以認(rèn)為在距離跑道頭4 km之外時已經(jīng)對正跑道并實(shí)現(xiàn)航向偏差σp與距離偏差σd的等比例減小即為相對標(biāo)準(zhǔn)航線。算法如下:

式中airpPsi為機(jī)場跑道角，planePsi為飛機(jī)航向；

機(jī)場跑道延長線在地坐標(biāo)系下的方程為:

式中（xo，yo）為機(jī)場中心在地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；

則飛機(jī)到跑道延長線的偏航距離σd為:

式中（x，y）為飛機(jī)在地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

根據(jù)σp、σd可以判斷飛機(jī)位于標(biāo)準(zhǔn)航線的左側(cè)、右側(cè)或基本吻合:

式中σpmax為進(jìn)入四轉(zhuǎn)彎之前飛機(jī)與跑道之間的航向偏差，σdmax為進(jìn)入進(jìn)入四轉(zhuǎn)彎之前飛機(jī)到跑道延長線的最大偏航距離，k為程序中選取的偏航誤差與偏航距離的比例閾值。

2.4顯示模塊

虛擬教員軟件實(shí)時發(fā)出的各種評價和提示信息要以對話框的形式顯示在仿真系統(tǒng)主顯示屏上，該屏主要顯示XX型飛機(jī)主儀表板內(nèi)容，為采用GL Studio軟件制作的虛擬儀表。顯示提示信息的對話框既不宜過大，提示時間也不宜過長，以減少對飛行員正常觀察飛行狀態(tài)信息的影響。評價和提示信息在相應(yīng)時機(jī)短暫顯示在儀表板右上方，為長10cm、寬5 cm的長方形，持續(xù)時間3 s。飛行結(jié)束后自動顯示本次飛行的綜合成績。圖3、圖4分別為兩個主屏虛擬儀表顯示截圖。

圖3　提示信息的顯示截圖

圖4　綜合得分截圖

2.5聲音模塊

虛擬教員軟件實(shí)時發(fā)出的各種評價和提示信息除了顯示在屏幕右上角外，同時要以聲音的形式對受訓(xùn)飛行員進(jìn)行提醒，按照約定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，軟件在相應(yīng)時機(jī)將相應(yīng)的標(biāo)志位信息寫入共享內(nèi)存，發(fā)聲軟件讀取控制信息并按照指令輸出相應(yīng)聲音到聲卡和音響設(shè)備。聲音軟件主要采用Direct-Sound3D開發(fā)，DirectSound3D是DirectX中的聲音組件，它以和硬件無關(guān)的編程模式編程，并能自動利用聲音硬件的加速優(yōu)勢提供良好的實(shí)時動態(tài)聲音性能。軟件總體流程如下:

圖5　聲音模塊軟件流程圖

3　結(jié)論

飛行模擬訓(xùn)練作為一種重要的訓(xùn)練手段已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到飛行訓(xùn)練的各個過程之中，但具有較高可信度的成績評定系統(tǒng)模擬器并不多見，具有實(shí)時虛擬教員提示的模擬器則更少。在實(shí)際應(yīng)用過程中由于飛行課目和飛行機(jī)動動作的復(fù)雜性，系統(tǒng)綜合評分有時并不十分切合實(shí)際，進(jìn)行精確的成績評定還需要對評估模型針對不同課目、不同機(jī)動動作不斷完善，尤其是當(dāng)動作偏差較大時程序無法自動修正，只能發(fā)出重新開始指令；虛擬教員的實(shí)時提示功能受到受訓(xùn)飛行員的廣泛好評，在應(yīng)用中實(shí)時糾偏提示由于采用偏保守的算法策略，有時感覺不夠及時，更精確及時的算法也需要考慮更多影響因素，才能更好地起到虛擬教員的作用。

［1］汪成為，高文，王行仁.靈鏡（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)的理論、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1996.

［2］張建業(yè)，李學(xué)仁，倪世宏.飛行成績評定及管理系統(tǒng)［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，2（1）:70-73.

［3］費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［4］羅福元，王行仁，彭曉源.聲音渲染技術(shù)及其在虛擬環(huán)境中的應(yīng)用［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，1999，11（5）:364-367.

［5］邵軍力，張景.人工智能基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［6］傅清祥，王曉動.算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001.

［7］高文琦，張復(fù)春，王立波，等.飛行訓(xùn)練成績評估模型的建立與實(shí)現(xiàn)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011，24（19）:50-52.

［8］范敏毅，楊新明，馬強(qiáng)，等.飛行模擬器訓(xùn)練的計(jì)算機(jī)智能評估［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2013，25（8）:1811-1815.

［9］徐明友，丁松濱.飛行動力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［10］呂杰，俞堅(jiān).飛行訓(xùn)練與評定系統(tǒng)簡介［J］.飛行動力學(xué)，1996，14（3）:56-60.

Research on Virtual Faculty Software of Flying Simulation System

LIU Yong-yi1，XI Guang xu1，YU Lan2，CAO Xiao-min1
（1.Unit 95840 of PLA，Beijing 100195，China；2.Unit 95995 of PLA，Beijing 100195，China）

According to the characteristics of the training base of flight simulation adapted and demand，a kind of intelligent grading and virtual teacher prompt method in real time is putforward. According to the training outline a flight simulation subject expert database，the establishment of evaluation model by stages，for different stages of the key evaluation index synthetically score，at the same time，according to the expert database and real-time flight simulation parameters to the operation of the flying cadets virtual advice，and sent to the pilot，in the form of text and voice score results is given.Virtual faculty can real-time intervention for simulation training，guidance，convenient for independent training，trainees training bases especially XinXun adapted the pilot’s widely welcomed.

simulationtrain，virtualfaculty，evaluationmodel，realtimeerrorcorrection

TP391

A

1002-0640（2016）06-0157-04

2015-05-09

2015-06-06

劉永易（1977-），男，天津人，碩士，高級工程師。研究方向：飛行仿真。