基于AICC课件开发规范的航空CBT系统

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  摘 要:研究美国航空工业计算机辅助训练委员会(Aviation Industry CBT (Computer-Based Training) Committee,AICC)制定的计算机辅助训练(CBT)课件开发规范,在分析现有CBT技术背景和航空培训需求的基础上,结合多媒体技术、视景仿真技术与虚拟交互技术,开发基于虚拟现实技术的交互式计算机辅助训练(Interactive CBT, ICBT)系统. 该系统主要为航空机务人员提供交互的、协同的训练方式,可以为机务人员进入模拟训练舱学习打下扎实的技能基础.
  关键词:交互式计算机辅助训练; 虚拟现实; 协同; 网络组件
  中图分类号:V216.7;TP391.72 文献标志码:A
  
  Computer-based training system for aviation
  based on development norm of AICC
  CHEN Dongfan, ZHOU Lincan, LIU Fosheng
  (CIMS & Robot Center, Shanghai Univ., Shanghai 200072, China)
  Abstract: The courseware development norm of Computer-Based Training (CBT) formulated by AICC (Aviation Industry CBT Committee) is studied. And on the basis of analysis on current technology background and aeronautic training requirements, an Interactive CBT (ICBT) system using virtual reality technology is developed with multimedia technology, scene simulation technology and virtual interactive technology. The system provides an interactive and collaborative training and lays good foundation of skill for aviation aircraft crew before they are trained in simulation carbin.
  Key words: interactive computer-based training; virtual reality; collaboration; groupware
  
  0 引 言
  
  计算机辅助训练(Computer-Based Training,CBT)方式被广泛应用于世界航空业.CBT培训[1]采用声音、图像和文字等多种多媒体手段,为学员营造直观的培训环境,并通过交互操作使学员有身临其境之感.
  国际上对航空CBT的研究和发展相当重视,已成立专业性组织——美国航空工业CBT委员会(Aviation Industry CBT Committee,AICC),为航空业建立基于计算机培训系统相关的开发、发布和评估指南,其最重要的贡献就是定出许多共通性的技术规范[2]——AGRs(AICC Guidelines and Recommendations)系列规范.
  设置在北京的国航飞行训练中心是国内最早的飞行员培训基地,该中心配备有波音747—400,777,757/767转换型和新一代737的全功能飞行模拟器,以及与之配套的FTD(飞行训练装置),其中最有特点的是引进全套CBT,并采用这些技术手段考核飞行员.目前国内业界所使用的任何CBT系统均是单体式的.p CBT系统实际上是将书本里那些枯燥乏味的内容变成生动活泼的,整合二维与三维动画、音视频等表现手段于一体的多媒体课件,从而提高学员的学习效率和效果.但是,仅仅采用此类方法也存在一些无法避免的弱点.
  (1) 价格昂贵.目前大部分飞行模拟器都从国外进口,成本非常高,全任务飞行模拟器的价格最低都要1 300万美元以上,而且与模拟器配套的配件开支也非常大.
  (2) 场地有限.由于模拟训练舱严格按照飞机尺寸制造,训练空间有限,无法使得较多空乘人员同时进行.
  (3) 要求较高.利用模拟训练舱训练空乘人员时要求空乘人员已经具备完整的“应知”知识或实际飞行乘务经验.否则,很难达到预计的训练效果.
  (4) [JP2]不能模拟突发事件.动态模拟训练舱确实可以仿真出许多飞机在飞行过程中的一些情景,用以训练空乘人员对相应情形的处理能力,但对于一些场景却无法真正展现,如机上火灾与恶性劫机事件等.
  
  1 航空CBT系统的研究目标和内容
  
  结合多媒体技术、视景仿真技术与虚拟交互技术,研制出1套基于虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术的交互式计算机辅助训练(Interactive CBT, ICBT)系统,主要应用于航空机务人员的培训.航空CBT[3]可以用于飞机机务人员培训的3个方面是初始训练、复训和改装训练.初始训练也称为养成训练,主要针对那些“零经验”的飞机机务人员;复训主要指经常进行的定期训练;改装训练指接受新机型维护维修的过渡训练.
  VR系统就是要利用各种先进的硬件技术及软件工具,设计出合理的软件及交互手段,使参与者能交互式地观察和操纵系统生成的虚拟世界.
  首先,创建VR环境.此环境应该达到使飞行员能全身心地“沉浸”其中,意义在于可以使受训人员集中注意力.为了达到这个目标,理想的虚拟现实系统应该提供人类所具有的一切感知能力,包括视觉、听觉和触觉.
  标准的VR系统通常由3部分组成:VR引擎、显示部件和交互系统.在现有的全套三维 CAD造型系统、大屏幕投影仪、SGI高速图像处理计算机、专业虚拟现实平台软件和一些交互设备的基础上建立实时三维动态数据库而开发的用于飞行训练的虚拟现实系统,将虚拟现实环境构筑成一个灵活的分布处理集成环境,应用组件可在分布式环境中协同工作.多媒体协同工作,创建共享工作空间,以支持动态的协同工作,打破空间和时间的限制.
  其次,飞机的仿真技术和飞行模拟强调的是人在环境中访问.这就要求航空CBT软件既能满足实时管理又能满足交互的要求.
  ICBT系统能让飞行员对虚拟环境进行实时操纵,从虚拟环境中得到反馈信息,也能使系统了解参与者关键部位的位置、状态、变形等各种需要系统知道的数据.实时性非常重要,如果在交互时存在较大延迟,与人的心理经验不一致,就谈不上自然技能的交互,也很难获得沉浸感,所以高速计算和处理就显得非常重要.
  根据ICBT系统的使用要求而制定的平台互动约定可以让学员自由方便地控制相应对象,通过预制的操作约定进行动作,从而完成教学大纲中的技能训练.1套具有简便、灵活、适用于多种机型等优点的虚拟现实飞行员训练演示课程[4],必须要有1个遵照AICC的规范管理模块来作为整个系统的指挥中心与管理中心,能自由组合符合AICC规范的各种CBT课件.
  
  2 ICBT的平台构架
  
  2.1 ICBT系统的网络平台
  ICBT系统的网络平台是基于SGI ONYX高档工作站、专业显示卡以及MultiGEN软件平台上的大型、高性能虚拟现实网络系统,见图1.
  


  2.2 ICBT系统的管理和交互平台
  整个系统平台由3层结构组成.底层是由操作系统、数据库和开发API组成的支撑环境,中间层是由核心程序与接口组成的系统平台,顶层是由三维场景模型与功能驱动组成的应用程序.系统在多种技术综合开发的基础上建立,关键技术包括OpenGL,3D Max,DirectX,Winsock,Virtools以及Windows底层的API和COM对象.
  系统的管理平台是ICBT系统的灵魂,是整个系统的指挥中心与管理中心.该平台不但能对系统进行各项功能的设定,而且还可以记录学员的整个学习与操作过程,从而对学员的学习情况进行有效跟踪与考核.
  系统的管理平台可应用于局域和广域网的培训,帮助航空公司有效进行培训管理,合理分配有限的培训资源,并统一把关培训效果,从而实现“分散培训、集中管理、统一规划、分布实施”的目标.
  该管理平台遵照AICC的规范制作,为开放式平台,用户可以在此基础上自由组合符合AICC规范的各种CBT课件.
  系统的交互平台是指学员与ICBT系统之间的互动接口与相关操作设备.它可以让学员自由方便地控制相应对象,通过某些操作约定进行动作,从而完成教学大纲中的技能训练.
  通常的交互设备包括数据手套、空间定位设备、三维鼠标、数字操纵杆及数字脚蹬等.也可根据最终用户的要求及技术要求,选择性能价格比最高、操作最方便的相关交互工具.
  在这个平台中还根据具体描述情景配置环绕立体声音响效果系统,用以烘托相应场景下的气氛.
  同时,为了方便教员及其他学员现场观察学员的操作过程,本系统特别设置BarcoGraphics 808s投影仪作为大屏幕显示器,全视景地展现飞机客舱发生的一切情况,并且能够实时地再现各乘务员的应急措施及行为步骤.
  
  3 系统运行环境
  
  根据系统平台结构分析,该系统运行环境见表1,主要有3个组成部分:硬件设备、软件系统及通信网络.硬件设备主要有虚拟外设、PC图形工作站、网络服务器、多媒体设备和大屏幕投影仪或显示器等,其中包括联网设备如网络适配器和交换机等.软件系统主要包括安装在图形工作站上的操作系统、设备驱动程序、图形API(DirectX,OpenGL)、网络通信API(Winsock)、多媒体SDK、三维建模与编程开发工具和应用系统、服务器上的服务器操作系统和数据库软件、后台应用系统以及网络通信软件等.通信网络包括宽带广域网和内部局域网两个部分.
  本训练系统可采用本地局域网LAN或Internet广域网的联网方式,是客户机/服务器结构(主从结构)与点对点结构(对等结构)的组合,见图2.系统数据库仅安装于服务器上,应用系统安装在客户机和服务器上.
  


  系统核心主要由信息窗口与本机仿真功能模块(如场景对象物控制、碰撞检测、特殊效果、运动方程、音效和外设接口等)组成.学员通过操纵杆等外设及信息窗口的提示信息和联络信息控制影响本机仿真模块,仿真模块再将变化反映到作为场景处理的各个子功能模块,最后系统实时地将仿真效果输出至屏幕.
  对于3D互动的网络部分,业界的开发惯例是首先考虑游戏本身并将网络部分与游戏分开.网络部分不应包含在3D引擎、AI系统或物理系统中,而应将其完全独立出来.另一方面,考虑其他部分之前,应首先考虑3D系统的网络支持.特别是数据和同步技术的选型以确保3D仿真的同步,再据此开发整个系统.
  基于网络的3D互动模型[5]最常用的是客户/服务器模型(见图3)和对等(P2P)模型(见图4),两者都有各自鲜明的特点.
  


  对等模型的优点是易于实现,缺点在于难以扩展,一般支持小型局域网(2~4个终端用户);客户/服务器模型的优点是扩展性高,而缺点是难以实现,适用于绝大多数网络(少至2~32个终端用户,多至数千个终端用户).因此,系统采用混合式体系结构(见图5).服务器与用户间使用集中式控制,便于管理,易于实现,所有的数据都存放在服务器上.当用户群的分布式合作建立时,首先统一从服务器更新系统数据;当分布式合作关闭前,将各终端用户的最终数据全部上传服务器,进行一致性维护.用户间采用分布式协作,灵活性好,可靠性高,扩展性强.
  


  分布式系统中没有固定的控制站点,每个用户必须将自己的请求通知每个协作用户,并根据每个用户的返回状态计算系统的当前状态.此外,实时性和数据的一致性是协作的最大问题——每个用户的动作首先在本地站点响应后再广播给其他站点,由于网络传输带来的延迟,在不同的站点可能会出现操作执行顺序上不一致,从而造成操作执行结果的不同.
  
  5 结束语
  
  ICBT系统能够提供交互的、协同的训练手段.该系统可以在学员经过传统CBT训练后,为进一步上模拟训练舱学习打下更扎实的技能基础.该系统具有以下特点:
  (1) 性价比极高,使用方便.本系统是基于计算机网络的培训系统,未采用极其昂贵的特殊设备,投资较小,而且是一次投入重复使用.在基本的硬件系统构成后,只需不断充实内容,系统就能在较长时间内使用.由于在系统中采用极为方便的交互手段,使得学员无须任何计算机专业知识就可以轻易操作.
  (2) 训练方式循序渐进.所有需要受训的人员在传统的CBT系统上接受相关的“应知”培训后,就可以进一步进行同乘务组人员间的协同工作培训,了解相关训练科目团队作业的训练内容、训练目的、操作步骤及应急措施,逐步朝“应会”的培训方向迈进.
  (3) 训练形式生动活泼.此套系统采用三维仿真技术将飞机客舱栩栩如生地展现在学员面前,对于各种突发事件、工作流程均能形象地再现,学员仿佛置身于现实工作环境之中.在学员学习过程中,该系统还能利用仿真技术的特点,渲染出逼真的音效与特技效果,加之系统配置的简单实用的互动外设,能够方便学员进行操作.
  (4) 充分展现“应会”流程.该系统能够根据教学大纲所规定的内容,让学员对各种课程内容进行充分学习.系统可以自动回放,从而教会学员在各种设定的场景下应该具备的专业技能.系统会显示学员在某种场景中应该做出的下一步反应,总结学员在整个流程中的各个知识点.
  (5) 充分训练“应会”能力.该系统能够设定可控制对象的位置,从而在各种假定情形下由该学员对之进行操作,以训练学员的“应会”能力.系统同时会记录学员的操作过程,以便学员自己或教员进行复习与考查.
  (6) 充分训练协同操作能力.除了各学员本身应具备的能力训练外,对于在飞行过程中出现的很多情形需要整个空乘组协同处理的训练,过去都必须在模拟训练舱中进行,这势必加大训练成本、造成较大的浪费.本系统可以设定多名学员进行协同训练,加强学员在各个“应会”环节中的能力培养,为日后在模拟舱中训练进行技能储备.
  
  参考文献:
 [1] 官颂. 波音757飞机维护CBT课件的开发与研制[J]. 中国民航学院学报, 2001, 19(2): 48-51.
 [2] 周忠丽. 符合AICC标准的CMI系统分析与设计[J]. 四川大学学报: 自然科学版, 2003, 40(3): 467-468.
 [3] 兰秀清. CBT在维修培训中的应用[J]. 国际航空, 1998(1): 67.
 [4] 张旭. B737机务CBT系统建设方案的探讨[J]. 上海工程技术大学学报, 2004, 18(4): 375-378.
  [5] DHARASKAR B V. Generalized P2P collaborative technique for multimedia based CBT[J]. IETE Technical Review (Institution of Electronics and Telecommunication Engineers, India), 2005, 22(1): 83-90.
  (编辑 廖粤新)
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