崔利杰 劉文杰 任博 張賈奎 陳浩然

摘要：針對傳統(tǒng)航空事故應(yīng)急預(yù)案課程教學(xué)中存在的內(nèi)容枯燥、操作性差、學(xué)生興趣不高、效果不理想等問題，提出開發(fā)基于多角色協(xié)同的航空事故應(yīng)急預(yù)案虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)。在對整個系統(tǒng)提出具體功能需求的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)所需的總體架構(gòu)、場景建模、多角度協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)進行了探索分析，并以實例對其實現(xiàn)形式進行了深入解讀。該系統(tǒng)的開發(fā)，既能有效提升航空事故應(yīng)急預(yù)案教學(xué)效果，也為其他類似課程的教學(xué)改革提供思路和借鑒。

關(guān)鍵詞：航空事故;虛擬現(xiàn)實;應(yīng)急預(yù)案;實驗教學(xué)系統(tǒng);多角色

中圖分類號：X959 文獻標(biāo)識碼：A

應(yīng)急預(yù)案又被稱為應(yīng)急計劃，是針對可能發(fā)生的災(zāi)害或重大事故（件），為保證事故發(fā)生后能夠迅速、有序、有效地開展應(yīng)急救援行動，把人員傷亡和事故損失降低到最低程度而預(yù)先制訂的有關(guān)計劃或方案[1，2]。航空應(yīng)急預(yù)案是為應(yīng)對航空器突發(fā)事件以及各種非航空器突發(fā)事件所采取的指揮、救援與恢復(fù)工作而預(yù)先制訂的有關(guān)計劃或方案。作為航空安全管理體系的重要組成部分，開展航空應(yīng)急預(yù)案教學(xué)是航空安全工程專業(yè)教學(xué)的重要內(nèi)容。但由于航空應(yīng)急預(yù)案自身存在很強的事件模擬性、應(yīng)急性、程序性、規(guī)范性，利用傳統(tǒng)教學(xué)方法開展此類課程的教學(xué)存在著內(nèi)容枯燥、操作性差、學(xué)生興趣不高、效果不理想等問題，這也是當(dāng)前困擾同類課程的普遍問題[3～5]。

1 需求分析

建構(gòu)主義教育理論認為，老師在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中應(yīng)從一名講演者變?yōu)閰⑴c者，其工作重心應(yīng)從傳遞信息變?yōu)榇_定創(chuàng)造教學(xué)方法，從而提升并促進其學(xué)習(xí)能力[6]。而新一代認知科學(xué)—具身認知科學(xué)也認為，認知具有涉身性、體驗性和環(huán)境嵌入性。即認知依賴于有機體的物理和生理過程，人體在與外界環(huán)境中的事物相互作用時，會產(chǎn)生身體狀態(tài)的改變，這種改變會引發(fā)受益人身體和心理體驗，個體的認知和對世界的觀點即來自這種身心體驗[7，8]。環(huán)境/情境是保證認知的不可缺少的條件，認知的內(nèi)容、過程和方式與身體緊密相關(guān)，身體是處于環(huán)境中的身體，因此認知同樣應(yīng)指導(dǎo)性計劃至認知者所處的環(huán)境。因此，殷明等認為“體驗”是獲取知識不可缺少的途徑，“情境”是左右學(xué)生學(xué)習(xí)過程并且影響教學(xué)效果的重要因素。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中是否產(chǎn)生量身體驗，都取決于教學(xué)情境的生動性和逼真性，情境越生動、越逼真就越能引發(fā)個體的身體體驗。

自1968年Ivan Sutherland制造出了第一個頭戴式顯示系統(tǒng)[9]后，虛擬現(xiàn)實技術(shù)進入人們的視線。特別是2015年以來，虛擬現(xiàn)實行業(yè)呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長。在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠提供“沉浸性、交互性、想象性”（3I）重要特征的情境認知模型[9]，極大地克服了傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境的限制，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機，增強學(xué)習(xí)體驗，實現(xiàn)情境學(xué)習(xí)和知識遷移[10]。從這個意義上講，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是具身認知觀點下教育的必然結(jié)果，具身認知理論奠定了虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用的理論基礎(chǔ)[11～13]。因此，開發(fā)虛擬現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)是解決當(dāng)前航空事故應(yīng)急預(yù)案教學(xué)中存在問題的有效途徑。同時，由于航空事故應(yīng)急預(yù)案涉及人員眾多、角色定位各有不同，所開發(fā)的虛擬現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)還需要借助多角色仿真技術(shù)開發(fā)仿真環(huán)境。具體地說，所開發(fā)的航空事故應(yīng)急預(yù)案虛擬現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)至少具備以下要素：

（1）能夠帶給學(xué)生三維立體虛擬環(huán)境，使參與教學(xué)訓(xùn)練的學(xué)員能夠有身臨其境的身心體驗;

（2）應(yīng)當(dāng)給分配角色的學(xué)員第一人稱的感覺，并允許其在環(huán)境中有實時任意活動的自由;

（3）學(xué)員能夠通過一些控制裝置實時操縱和改變用戶所進入的虛擬環(huán)境;

（4）允許多角色同時進入虛擬環(huán)境，并通過相應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)多角色的技術(shù)協(xié)作。

一個好的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)展示，還應(yīng)該從用戶的需求出發(fā)，讓用戶控制系統(tǒng)的順序、速度，包括圖像、文字等關(guān)鍵性的信息。為此，在設(shè)計虛擬系統(tǒng)時應(yīng)遵循以下兩條方向性和引導(dǎo)性原則[14]，既要告訴使用者如何去做、去看，給使用者提供足夠的信息，但無須呈現(xiàn)大量詳細且具壓迫性的信息，又要幫助用戶關(guān)注和了解重點區(qū)域，以及如何獲得信息。

應(yīng)急預(yù)案教學(xué)中的實踐演練環(huán)節(jié)是培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生航空事故應(yīng)急處置能力的重要內(nèi)容，因此應(yīng)急演練環(huán)節(jié)是整個教學(xué)系統(tǒng)的核心所在。虛擬教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)構(gòu)建圍繞應(yīng)急演練及其評估為核心的完整教學(xué)系統(tǒng)，為實現(xiàn)該課程的教學(xué)目標(biāo)提供全新的信息化模式和教學(xué)流程，為類似專業(yè)課程改革提供新的途徑。但作為一個虛擬教學(xué)系統(tǒng)，其用戶應(yīng)不僅僅局限于學(xué)生，還應(yīng)為教師準(zhǔn)備課程、場景修改、預(yù)案設(shè)計和考核評估提供條件。同樣地，教學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)功能也不僅僅局限于單純的應(yīng)急預(yù)案虛擬演練，還應(yīng)包含一些知識學(xué)習(xí)、信息查詢、案例分析等功能?？偨Y(jié)起來，該虛擬教學(xué)系統(tǒng)的功能應(yīng)包含“教學(xué)準(zhǔn)備”“在線課堂”“實踐演練”和“系統(tǒng)設(shè)置”等四大類13個功能模塊，如圖1所示。

在教學(xué)準(zhǔn)備模塊中，教師能夠基于使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)系統(tǒng)所具有的優(yōu)點，設(shè)計和完善虛擬教學(xué)系統(tǒng)，如開展數(shù)據(jù)維護和場景設(shè)置。目的在于對系統(tǒng)中包含的教學(xué)課件、學(xué)習(xí)資料、練習(xí)題等數(shù)據(jù)進行維護更新，完成課程教學(xué)、講解實訓(xùn)以及課程考核等環(huán)節(jié)。主要功能包括：課前在系統(tǒng)的相應(yīng)模塊中對信息點內(nèi)容進行修改、增加、刪除，對教學(xué)中需要的虛擬場景及預(yù)案進行設(shè)計重構(gòu)，使系統(tǒng)能夠更加真實地模擬航空事故發(fā)生情況，并在其中穿插進行一系列知識點的教學(xué)，能為學(xué)生真實模擬現(xiàn)實中的人員動作、環(huán)境，與場景搭配形成交互逼真的環(huán)境，以供學(xué)生實踐演練時使用。在線課堂模塊主要是提供學(xué)生登錄系統(tǒng)后能夠根據(jù)自身情況進行個性化在線學(xué)習(xí)，主要包括理論教學(xué)、知識查詢和考試系統(tǒng)三個子模塊，分別為學(xué)生開展在線理論學(xué)習(xí)、對關(guān)鍵知識點及參考資料進行查詢學(xué)習(xí)、對課堂內(nèi)容進行實時考核評估提供支持。實踐演練模塊是虛擬教學(xué)系統(tǒng)的核心模塊，按照功能次序可以分為場景教學(xué)、流程演繹、實踐演練、在線評估和案例分析5個子模塊。其中場景教學(xué)是方便教師在演練之間對演練場景進行介紹，流程演繹是對整個演練流程提供幫助和指南，能模擬實際工作過程，以第三人稱的視角為主視角，完整演繹工作全過程，并加以解說;在場景設(shè)置和預(yù)案生成之后學(xué)生即可開展應(yīng)急預(yù)案的虛擬演練，虛擬演練過程中，作為教師或其他觀看學(xué)生可進行在線評估，同樣，也可以提取學(xué)生的實習(xí)成果作為考核依據(jù)，檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)知識的掌握程度，在線評估為考試或考核、競賽提供實時評分，可設(shè)置不同的權(quán)限和要求，進行逐項打分，最后，整個演練過程能夠被實時地錄制下來，便于學(xué)生演練后進行具體的案例分析，學(xué)生可實時錄制和觀看自己的實訓(xùn)成果。最后，整個教學(xué)系統(tǒng)有一個常規(guī)的系統(tǒng)設(shè)置模塊，由系統(tǒng)登錄、系統(tǒng)設(shè)置和系統(tǒng)幫助等子模塊組成。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)對航空事故應(yīng)急預(yù)案教學(xué)要求的場景實現(xiàn)整體仿真，并通過多通道弧幕系統(tǒng)投影出來。并可通過定位器、操作手柄在場景范圍內(nèi)身臨其境般地進行鳥瞰、步行、飛行、操作等任意交互漫游和操作。同時，系統(tǒng)配以解說詞和背景音樂使教師在高度逼真的模擬場景中進行技能培訓(xùn)、授課和考核。該虛擬教學(xué)系統(tǒng)由硬件設(shè)備及其配套軟件組成。軟件部分采用虛擬現(xiàn)實三維視景系統(tǒng)GBviewTM等功能模塊，對景點進行高度仿真和展示。硬件設(shè)備主要包括GTView計算機集群產(chǎn)品、投影系統(tǒng)、音響系統(tǒng)及操作臺、三通道無縫環(huán)投巨幕等共同組成一個多通道仿真系統(tǒng)的硬件環(huán)境。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 總體架構(gòu)

虛擬教學(xué)系統(tǒng)整合不同的用戶需求，集成不同的教學(xué)仿真模塊，最終為各類用戶提供應(yīng)急預(yù)案教學(xué)的學(xué)習(xí)培訓(xùn)和虛擬演練系統(tǒng)，以提高學(xué)生在航空事故中的應(yīng)急處理水平，降低航空事故的危害性;為航空事故應(yīng)對的決策準(zhǔn)備、應(yīng)急評估、減輕損失和恢復(fù)秩序提供教學(xué)訓(xùn)練平臺。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，以底層數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，具體包括教學(xué)課件數(shù)據(jù)庫、虛擬場景數(shù)據(jù)庫、應(yīng)急預(yù)案數(shù)據(jù)庫、考試題目數(shù)據(jù)庫、理論知識數(shù)據(jù)庫等，主要提供對用戶身份認證、應(yīng)急預(yù)案生成、場景數(shù)據(jù)抽取、理論知識學(xué)習(xí)等提供數(shù)據(jù)支持;模型構(gòu)建層為不同用戶提供在線學(xué)習(xí)和生成應(yīng)急預(yù)案。具體地需要根據(jù)教學(xué)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)規(guī)則定義分布式三維場景、不同用戶行為約束，各用戶之間狀態(tài)、演練規(guī)則及對參與演練人員的演練效果評價規(guī)則;模型構(gòu)建層重點對演練過程提供預(yù)案支持，使演練過程能夠有條不紊地進行，并作為演練評價的主要依據(jù);環(huán)境支撐層由Web Sever提供客戶端的三維演練場景，并實現(xiàn)場景與虛擬演練平臺數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換，該層可以實現(xiàn)客戶端和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器的分工協(xié)作，使大量的信息處理都分布在服務(wù)器端完成，客戶端場景瀏覽器只需處理一些與用戶直接相關(guān)的信息及三維圖形顯示工作，從而加快客戶端程序數(shù)據(jù)訪問速度，提高系統(tǒng)運行效率。另外，在系統(tǒng)集成的框架下，用戶層提供可定制的個性化用戶界面，接口層則將各用戶與系統(tǒng)按協(xié)議進行聯(lián)接。

2.2 系統(tǒng)建模

提供高精度模型，并采用三維動畫的表現(xiàn)形式，對飛行安全中的典型事故進行模擬還原，使學(xué)生直觀感知事故發(fā)生的過程、機理等是所開發(fā)的航空事故應(yīng)急預(yù)案虛擬教學(xué)系統(tǒng)的重中之重。按照航空事故應(yīng)急預(yù)案所包含的要素，需要構(gòu)建以下幾類模型和場景。

（1）構(gòu)建機場模型

含機場（跑道、滑行道、各類標(biāo)識）、保障設(shè)施（塔臺、機棚）、自然環(huán)境（樹木、建筑、河山）等，如有可能，應(yīng)盡量結(jié)合實際機場構(gòu)建。本系統(tǒng)中構(gòu)建的機場模型如圖3所示。

（2）構(gòu)建飛機建模

需要結(jié)合具體機型構(gòu)建模型，模型應(yīng)盡量貼近型號，除飛機整體外觀外，還應(yīng)特別對應(yīng)急預(yù)案涉及的關(guān)鍵系統(tǒng)（如前起落架艙、主起落駕艙、液壓設(shè)備艙、進氣道、壓氣機、發(fā)動機艙等）盡可能地進行細化建模，以盡可能地加深學(xué)員的直觀印象。圖4為某型機的整體建模結(jié)果和引發(fā)此次事故的起落架收人鋼索細節(jié)圖。

（3）事故發(fā)生過程建模應(yīng)貼合實際，模擬整體事故發(fā)生的過程，并增加部分特效，如火情、爆炸、飛行員彈射等場景，使學(xué)員更有震撼感、逼真感，增加其學(xué)習(xí)興趣。如系統(tǒng)模擬模塊，由于部件突然損壞或惡劣氣象條件下，導(dǎo)致的飛機迫降墜毀的過程，以震撼、逼真的視覺特效讓學(xué)生了解事故發(fā)生的完整過程，甚至進人某些部件的內(nèi)部微觀細節(jié)，掌握事故發(fā)生的真實原因與機理。圖5為飛機墜毀場景及瞬間的火情。

（4）處理流程建模

為滿足方向性和引導(dǎo)性，場景中設(shè)計了明確的應(yīng)急預(yù)案處理流程指示板（如圖6所示），便于學(xué)員對于整個處理流程、實施方案進行學(xué)習(xí)了解，并能夠通過視頻回放、細節(jié)察看對整個應(yīng)急預(yù)案進行復(fù)盤。

2.3 多角色協(xié)同技術(shù)

航空事故應(yīng)急預(yù)案演練需要多人配合，注重協(xié)同，而傳統(tǒng)的三維場景系統(tǒng)由各個獨立的互不相關(guān)的個體組成、個體缺乏主動性、個體之間不能進行有效協(xié)同等，尤其是對動態(tài)性、隨機性很強的復(fù)雜系統(tǒng)進行仿真時，上述缺點表現(xiàn)的更為明顯。隨著人工智能領(lǐng)域的發(fā)展，多角色技術(shù)的引入為系統(tǒng)仿真提供了新的方法和思路，多角色技術(shù)具有自主性、智能性以及通信和協(xié)作能力。將多角色技術(shù)應(yīng)用于虛擬仿真領(lǐng)域，可以充分而有效地利用知識的表示方法，以及各種學(xué)習(xí)算法、推理方法等在人工智能領(lǐng)域的研究成果。

對于多角色協(xié)同交互技術(shù)，最核心和最關(guān)鍵的就是搭建一個協(xié)作服務(wù)器，通過它對不同參與者的時間同步和事件狀態(tài)的同步，最根本的還是在于系統(tǒng)用戶和服務(wù)器的長連接上。該系統(tǒng)提供多角色協(xié)同仿真教學(xué)，通過服務(wù)器引擎實現(xiàn)多用戶的數(shù)據(jù)傳輸與同步處理，無論學(xué)員是否處于同一空間內(nèi)，均可同步協(xié)同處理一個應(yīng)急預(yù)案。目前本系統(tǒng)采用的是Photon服務(wù)器引擎，該引擎具有高性能C/C++內(nèi)核、使用C#語言進行功能擴展、支持可靠的UDP等諸多優(yōu)點。特別是該引擎能夠與Unity 3D平臺緊密集成提供強大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，提供角色與角色溝通。實現(xiàn)時，幕后網(wǎng)絡(luò)使用多個服務(wù)器：一些“服務(wù)器”運行實際的位置（匹配），而“主服務(wù)器”跟蹤不同場景與參與角色，圖7為協(xié)作場景的搭建與設(shè)置。

3 結(jié)束語

作為航空事故類突發(fā)災(zāi)難應(yīng)急培訓(xùn)的實際需求，應(yīng)急演練教學(xué)系統(tǒng)為各種類型的人群提供航空事故應(yīng)急響應(yīng)的學(xué)習(xí)、培訓(xùn)和虛擬演習(xí)平臺，能夠有效降低突發(fā)事件的危害性、減輕災(zāi)難損失和恢復(fù)秩序。通過實際應(yīng)用表明，本文所開發(fā)的教學(xué)系統(tǒng)能夠有效解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的內(nèi)容枯燥、手段單一等突出問題，實現(xiàn)航空事故應(yīng)急預(yù)案演練過程生動、內(nèi)容豐富多變的目的。

同時，作為一個開放的系統(tǒng)架構(gòu)，所開發(fā)的虛擬教學(xué)系統(tǒng)能夠集成教學(xué)過程中的一系列其他輔助性功能，借助信息化手段，可以不斷增加、補充以涵蓋課程教學(xué)的諸多要素，能夠為進一步實施以虛擬演練教學(xué)為核心的航空安全管理類MOOC課程、翻轉(zhuǎn)課堂等奠定基礎(chǔ)。

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