基于虚拟现实模拟器进行飞行训练的可用性分析

　　文/张一博 中国民用航空飞行学院洛阳分院

　　摘要：中国民用航空飞行学院洛阳分院开展了基于虚拟现实设备进行模拟飞行训练的可用性试点研究，比较了原有的初教机模拟机和基于VR设备进行模拟飞行训练的培训效果。结果显示，配备了VR设备的飞行模拟器的视角自由度和飞行状态感知能力有明显提高，并且具有成本优势。原有的飞行训练器和加装VR设备的飞行训练器都能够实施大部分的飞行程序和状况训练，大多数参与使用VR设备进行模拟飞行训练的学员表示其更能提供身临其境的感觉，能够更有效地帮助学员学习飞行动作。总体而言，在可控的成本范围之内，增加VR设备进行模拟飞行训练可以提高训练效率，帮助初始阶段的飞行学员快速熟悉驾驶舱环境和飞行环境，使其打好牢固基础并掌握基本的驾驶技巧。

　　关键词：虚拟现实；飞行培训；低成本模拟飞行；辅助训练

　　引言

　　随着近些年计算机视觉技术的发展，虚拟现实（virtual reality，VR）类相关产品已经趋于成熟[1]，VR飞行模拟器作为一种低成本、高度逼真的模拟飞行训练选择，为飞行学员的飞行培训计划提供了另一种可用的方式[2]。以往的飞行训练分为真机训练和飞行模拟机训练两种，而普通单发固定翼飞机的模拟机常用等级较低的飞行模拟器（flight training device，FTD）作为主要训练设备，较低等级的飞行模拟器因其技术限制[3]，不具备高级别全动飞行模拟机（full flight simulator，FFS）的全方位、多感知和多飞行状况的真实操纵感的训练体验，使得把VR设备应用于飞行训练有了补充价值。

　　航空业自20世纪30年代以来一直利用模拟器进行飞行培训[4]，模拟器具有广泛的沉浸感、真实感和逼真度。模拟器随着技术的发展逐步演变，从几乎相同的驾驶舱设计到基于计算机的软件，配备通用硬件，目的是模仿驾驶舱而不是复制它[5]。许多飞行培训项目采用各种模拟器为学生提供培训选择，其中有能够完全模拟飞机所处动态环境和实时反馈的动模，以及只能模拟驾驶舱环境的固模（fixed base simulator，一种没有运动系统的模拟机，通常不具备动态模拟功能）。飞机模拟器的作用主要是模拟各种恶劣飞行环境、特种飞行环境，以及帮助新飞行员或飞行学员初步了解飞机各种操作部件。

　　在对VR进行可用性评估时，研究人员通常使用可用性属性以及VR程序测试中的其他经过验证的评定标准[6]。值得注意的是，关于非军事（如民航）飞行员使用VR进行飞行培训的可用性的研究文献相对较少，主要是因为以往的虚拟现实硬件效果较差。在为复杂的培训任务（如飞行培训）创建新的沉浸式学习工具时，以及在大规模部署之前，进行迭代测试和改进工具是非常有必要的。近年来，随着视觉效果算法和硬件的更新，使用VR设备辅助飞行员或飞行学员学习飞行技能变得越来越有价值。

　　在模拟器中进行飞行培训可以缩短掌握技能所需的时间，提高程序性记忆，并改善在实际任务环境中的表现。有团队证明，VR飞行模拟设备可以作为有效的工具，用于教授、练习和保持飞行技能[7]。使用VR飞行模拟设备进行飞行培训正在经过严格的测试，以确保培训的效率、效果，以及将培训成果转移到飞机上。设计具有理论学习构建基础的VR环境培训，可以增强用户的技能水平和认知[8]。

　　目前对于VR飞行模拟培训相关的研究很少，因此，在VR环境中进行可用性研究是必要的。本研究可以为后期飞行培训结构的优化提供重要的参考价值，并且可以为其他对VR模拟飞行训练有兴趣的个人和研究团队提供基础参考。

　　因此，本文进行了一项可行性研究，以尝试是否能够在对飞行学员日常训练中加入基于VR设备的模拟飞行训练。研究的目标是了解使用VR模拟飞行训练设备进行飞行训练的可行性，同时借助数据分析VR模拟飞行训练设备对实际飞行训练提供潜在帮助的可能性。

　　1. 虚拟现实模拟飞行训练的优势

　　VR在飞行训练中的应用不仅仅是一个技术进步，更重要的是大大提升了飞行员的学习体验，能够增强学习的效果和效率[9]，使飞行员更快地掌握飞行技能，并且在实际操作中更加自信和从容。

　　1.1 提供沉浸式学习环境

　　VR能够创造一个高度逼真的三维虚拟飞行环境[10]，飞行员在这种环境中仿佛置身于真实的飞机驾驶舱中。VR设备通过高分辨率的显示器和宽视角设计，让飞行员在虚拟驾驶舱中感受到真实的视野效果。无论是仪表盘、外部景观，还是机舱内部的细节，VR都能逼真地再现。现代VR设备可以提供极高的分辨率和刷新率，减少延迟和画面模糊，让飞行员的视觉体验更加流畅和逼真。VR能够模拟不同的飞行场景，如日夜变化、天气条件、飞行高度等。这些动态变化增强了飞行员对环境的适应能力，使他们在现实中能够更好地应对各种复杂情况。

　　除了视觉效果，VR还通过三维音效技术模拟飞行中的各种声音环境，如发动机的轰鸣声、空中交通管制的指令声、风速的变化声等。这些声音与视觉效果相辅相成，为飞行员提供了更为完整的感官体验。

　　1.2 多人协同训练和远程参与

　　通过网络连接，不同地点和更多的飞行学员可以同时进入同一个虚拟训练环境进行协同训练。教练员也可以远程参与，实时指导和评估飞行员的表现。教练员能够实时监测飞行学员的操作，并立即提供反馈。实时反馈能帮助飞行员在学习过程中迅速纠正错误，而不是在错误的操作方式上反复练习，浪费时间。这种远程协作特别适用于跨地域的飞行团队训练和协调。这种即时的纠错机制增强了飞行员的学习体验，使他们能够更加高效地掌握飞行技能。

　　1.3 模拟多样化环境和多型别飞机

　　VR设备能够模拟各种不同的飞行场景和环境，包括不同的天气状况、地形地貌、机场类型等。这种多样化的场景模拟可以让飞行员体验到在不同条件下的飞行操作，从而更好地适应不同的飞行环境。此外，VR设备还具备多机型支持，飞行软件可以根据不同的飞行器类型进行定制，并创建专属的虚拟驾驶舱，准确再现仪表盘、操控杆、按钮和开关的布局。VR设备会根据具体的飞机型号生成相应的虚拟驾驶舱，使飞行员能够在训练中体验到与真实驾驶舱相同的布局和操作感受。每种飞机的仪表盘和显示器都有其特定的设计和功能，VR系统可以根据飞机的实际规格，精确再现这些仪表和显示器，使飞行员能够熟悉各种不同的操作界面。这种多样化的体验让飞行员在学习过程中充满新鲜感和挑战性，增强了学习的兴趣。

　　VR技术通过创造沉浸式、交互式和个性化的学习环境，显著提升了飞行员的学习体验。这种学习体验不仅使学习过程变得更有趣，还能帮助飞行员更快地掌握复杂的飞行技能，增强他们在实际飞行中的自信心和应变能力。通过提供多样化的场景和实时的反馈，VR使飞行训练变得更加直观和贴近实际，为飞行员的职业发展奠定了坚实的基础。

　　2. 虚拟现实模拟飞行训练环境

　　2.1 虚拟现实模拟飞行训练硬件设计

　　本文所做研究的硬件分为VR头显、飞机模拟操纵杆舵和装配NVDIA GeForce RTX 4070 Ti显卡的台式计算机，具体配置如表1所示。

　　上述软硬件产品为目前市场上较为成熟的产品，总体成本不高，远低于目前中国民用航空飞行学院洛阳分院原有模拟机的价格。

　　终端硬件配置参数如表2所示。

　　表中配置为基础配置，若想在虚拟现实中获得更高视觉效果，需要搭载更高端显卡及处理器，目前表中配置可以达到1080P分辨率。

　　2.2 虚拟现实模拟飞行训练软件组成

　　Xplane11模拟飞行软件，在软件中配置了洛阳北郊机场及周边地图模型，并安装了西锐训练机型。

　　3. 研究方法和结果

　　本文为验证基于VR的模拟飞行训练系统是否符合飞行训练需求，安排了20名具有100小时真机飞行经验的飞行学员和3年飞行经验以上的飞行教员进行模拟飞行测试，每名飞行人员将在VR模拟飞行训练器上进行两次目视起落飞行程序，其中飞行学员15名、飞行教员5名。测试内容为目视起落飞行程序，测试将记录飞行轨迹和操作程序，在测试结束后与真机起落飞行轨迹对比，分析基于VR模拟飞行的起落训练程序轨迹和真机飞行目视起落训练程序轨迹的贴合程度，根据上述结果对VR模拟飞行训练的可行性进行具体分析。

　　在获得原始数据之后，做离散统计如图1所示。

　　在离散图中，基于VR的模拟目视起落飞行程序与真机目视起飞飞行程序的贴合程度多集中于60%以上，少数飞行重合程度低于50%。在7次低重合程度的飞行中，大多是由于第一次使用VR模拟训练设备，对设备环境不熟悉造成的，在经历过一次模拟飞行训练后，第二次的模拟目视起落飞行训练都具有良好的模拟飞行效果。

　　为验证模拟飞行贴合度与真机飞行时间之间是否存在关系，本文在40组模拟飞行数据的基础上进行了卡方检测分析，判断二者之间是否存在关联，如两者之间存在关联，那么后续就可以进行更加深入的研究，探索VR模拟飞行训练对于未进行真机训练的飞行学员能否辅助学习飞行训练。

　　本组数据按照飞行学员和飞行教员分为两个分组变量（3年以上飞行经验的真机飞行时长显著大于100小时真机飞行教员的飞行学员），将贴合度大于等于80%的归为优秀，将贴合度小于80%的归为普通，分析模拟飞行贴合程度和真机飞行时间之间的关系，经卡方检验，得到如表3所示的结果。

　　从以上结果即可得出，x2值11.8681，p值<0.05。认为教员与贴合程度相关程度较高，真机飞行时间越长，在模拟飞行训练设备上的飞行程序越贴近真实飞行程序。

　　通过对本组数据的分析，可以得出基于VR的模拟飞行训练能够贴合实际飞行训练程序，是一种可行的飞行训练手段，在以后的学员飞行训练中可以加入VR模拟飞行训练作为补充。在对于真机飞行时长和模拟飞行训练的贴合度上，也出现了显著的相关性，在后续的研究中可以观察记录基于VR的模拟飞行训练能在多大程度上帮助新飞行学员学习飞行程序及飞行技术。

　　结语

　　目前国内外关于VR在飞行培训中的研究正在兴起，研究人员必须确保该技术能够起到切实的飞行训练效果，保证不会对飞行学员学习过程和在飞机上的实际操作产生负面影响。正如航空器的适航性检验一样，基于VR的模拟飞行训练环节在纳入正式的飞行训练课程之前，需要更多更彻底的调查分析来证明VR是一种有效的飞行培训方式。未来的研究应该继续深入研究分析，使用更大的数据样本，以便使用更有效的参数进行分析。

　　总的来说，实验数据分析表明将VR模拟飞行训练设备作为一种飞行训练手段是可行的，其较低的成本和不错的训练效果能够作为飞行学员熟悉飞行、掌握飞行程序的有效方式，其在功能上有很好的补充效果。

　　参考文献：

　　[1]钟竹韵.VR、AR、MR技术的应用前景分析[J].数字通信世界,2024(2):147-149.

　　[2]徐鉴民,刘双童,姜春华,等.基于VR技术的无人机飞行仿真系统在教学中的应用研究[J]. 电脑知识与技术,2021,17(15):155-157.

　　[3]何明耘,张素,戴冠中,等.基于微机平台VR飞行模拟训练器实现的研究[J].小型微型计算机系统,2001,22(6):751-755.

　　[4]闫克明,田磊,刘宝.基于VR的航空飞行适航保障模拟训练系统设计[J].现代电子技术,2019,42(1):134-138.

　　[5]王海勃.一种VR飞行仿真系统设计[J].科学技术创新,2020(29):96-97.

　　[6]邓贵斌,郑雪薇,陈云红,等.学习者在两种VR环境中的接受度[J].数字教育,2024,10(1):48-55.

　　[7]张鹏博.基于深度学习的VR模拟飞行关注度训练研究[D].西安:西安电子科技大学,2022.

　　[8]高建国,王强.“飞行事故调查与分析”虚拟实验教学系统开发及应用[J].高等教育研究学报,2022,45(3):109-114.

　　[9]罗文田,邓位.虚拟现实技术在民航模拟飞行训练中的应用[J].软件导刊,2018,17(2):161-163,167.

　　[10]王斌,王娟,陈嘉.超高清沉浸式VR技术在互动视频领域的应用[J].广播与电视技术,2024,51(8):55-58.

　　作者简介：张一博，硕士研究生，助教，zyb951211@163.com，研究方向：交通运输。