航空事故應(yīng)急預(yù)案虛擬試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)踐

崔利杰 劉文杰 任博 張賈奎 陳浩然

摘要：針對(duì)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(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)提出具體功能需求的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)所需的總體架構(gòu)、場(chǎng)景建模、多角度協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索分析，并以實(shí)例對(duì)其實(shí)現(xiàn)形式進(jìn)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(shí);應(yīng)急預(yù)案;實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng);多角色

中圖分類號(hào)：X959 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

應(yīng)急預(yù)案又被稱為應(yīng)急計(jì)劃，是針對(duì)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(dòng)，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(jì)劃或方案[1，2]。航空應(yīng)急預(yù)案是為應(yīng)對(duì)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(jì)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(qiáng)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(rèn)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(jìn)其學(xué)習(xí)能力[6]。而新一代認(rèn)知科學(xué)—具身認(rèn)知科學(xué)也認(rèn)為，認(rèn)知具有涉身性、體驗(yàn)性和環(huán)境嵌入性。即認(rèn)知依賴于有機(jī)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生身體狀態(tài)的改變，這種改變會(huì)引發(fā)受益人身體和心理體驗(yàn)，個(gè)體的認(rèn)知和對(duì)世界的觀點(diǎn)即來自這種身心體驗(yàn)[7，8]。環(huán)境/情境是保證認(rèn)知的不可缺少的條件，認(rèn)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(rèn)知同樣應(yīng)指導(dǎo)性計(jì)劃至認(rèn)知者所處的環(huán)境。因此，殷明等認(rèn)為“體驗(yàn)”是獲取知識(shí)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(yàn)，都取決于教學(xué)情境的生動(dòng)性和逼真性，情境越生動(dòng)、越逼真就越能引發(fā)個(gè)體的身體體驗(yàn)。

自1968年Ivan Sutherland制造出了第一個(gè)頭戴式顯示系統(tǒng)[9]后，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)入人們的視線。特別是2015年以來，虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長。在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)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(rèn)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(dòng)機(jī)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)情境學(xué)習(xí)和知識(shí)遷移[10]。從這個(gè)意義上講，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是具身認(rèn)知觀點(diǎn)下教育的必然結(jié)果，具身認(rèn)知理論奠定了虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用的理論基礎(chǔ)[11～13]。因此，開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(yàn);

（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(shí)時(shí)任意活動(dòng)的自由;

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

（4）允許多角色同時(shí)進(jìn)入虛擬環(huán)境，并通過相應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多角色的技術(shù)協(xié)作。

一個(gè)好的虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)虛擬系統(tǒng)時(shí)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(xì)且具壓迫性的信息，又要幫助用戶關(guān)注和了解重點(diǎn)區(qū)域，以及如何獲得信息。

應(yīng)急預(yù)案教學(xué)中的實(shí)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(gè)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(píng)估為核心的完整教學(xué)系統(tǒng)，為實(shí)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(gè)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(chǎng)景修改、預(yù)案設(shè)計(jì)和考核評(píng)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(shí)學(xué)習(xí)、信息查詢、案例分析等功能。總結(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(shí)踐演練”和“系統(tǒng)設(shè)置”等四大類13個(gè)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(shí)技術(shù)的教學(xué)系統(tǒng)所具有的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)和完善虛擬教學(xué)系統(tǒng)，如開展數(shù)據(jù)維護(hù)和場(chǎng)景設(shè)置。目的在于對(duì)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(jìn)行維護(hù)更新，完成課程教學(xué)、講解實(shí)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(duì)信息點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行修改、增加、刪除，對(duì)教學(xué)中需要的虛擬場(chǎng)景及預(yù)案進(jìn)行設(shè)計(jì)重構(gòu)，使系統(tǒng)能夠更加真實(shí)地模擬航空事故發(fā)生情況，并在其中穿插進(jìn)行一系列知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)，能為學(xué)生真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)中的人員動(dòng)作、環(huán)境，與場(chǎng)景搭配形成交互逼真的環(huán)境，以供學(xué)生實(shí)踐演練時(shí)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(jìn)行個(gè)性化在線學(xué)習(xí)，主要包括理論教學(xué)、知識(shí)查詢和考試系統(tǒng)三個(gè)子模塊，分別為學(xué)生開展在線理論學(xué)習(xí)、對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)及參考資料進(jìn)行查詢學(xué)習(xí)、對(duì)課堂內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)考核評(píng)估提供支持。實(shí)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(chǎng)景教學(xué)、流程演繹、實(shí)踐演練、在線評(píng)估和案例分析5個(gè)子模塊。其中場(chǎng)景教學(xué)是方便教師在演練之間對(duì)演練場(chǎng)景進(jìn)行介紹，流程演繹是對(duì)整個(gè)演練流程提供幫助和指南，能模擬實(shí)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(chǎng)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(jìn)行在線評(píng)估，同樣，也可以提取學(xué)生的實(shí)習(xí)成果作為考核依據(jù)，檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的掌握程度，在線評(píng)估為考試或考核、競(jìng)賽提供實(shí)時(shí)評(píng)分，可設(shè)置不同的權(quán)限和要求，進(jìn)行逐項(xiàng)打分，最后，整個(gè)演練過程能夠被實(shí)時(shí)地錄制下來，便于學(xué)生演練后進(jìn)行具體的案例分析，學(xué)生可實(shí)時(shí)錄制和觀看自己的實(shí)訓(xùn)成果。最后，整個(gè)教學(xué)系統(tǒng)有一個(gè)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(shí)技術(shù)對(duì)航空事故應(yīng)急預(yù)案教學(xué)要求的場(chǎng)景實(shí)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(chǎng)景范圍內(nèi)身臨其境般地進(jìn)行鳥瞰、步行、飛行、操作等任意交互漫游和操作。同時(shí)，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(chǎng)景中進(jìn)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(shí)三維視景系統(tǒng)GBviewTM等功能模塊，對(duì)景點(diǎn)進(jìn)行高度仿真和展示。硬件設(shè)備主要包括GTView計(jì)算機(jī)集群產(chǎn)品、投影系統(tǒng)、音響系統(tǒng)及操作臺(tái)、三通道無縫環(huán)投巨幕等共同組成一個(gè)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(duì)的決策準(zhǔn)備、應(yīng)急評(píng)估、減輕損失和恢復(fù)秩序提供教學(xué)訓(xùn)練平臺(tái)。

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(chǎng)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(shí)數(shù)據(jù)庫等，主要提供對(duì)用戶身份認(rèn)證、應(yīng)急預(yù)案生成、場(chǎng)景數(shù)據(jù)抽取、理論知識(shí)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(chǎng)景、不同用戶行為約束，各用戶之間狀態(tài)、演練規(guī)則及對(duì)參與演練人員的演練效果評(píng)價(jià)規(guī)則;模型構(gòu)建層重點(diǎn)對(duì)演練過程提供預(yù)案支持，使演練過程能夠有條不紊地進(jìn)行，并作為演練評(píng)價(jià)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(chǎng)景，并實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景與虛擬演練平臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換，該層可以實(shí)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(chǎng)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(yùn)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(gè)性化用戶界面，接口層則將各用戶與系統(tǒng)按協(xié)議進(jìn)行聯(lián)接。

2.2 系統(tǒng)建模

提供高精度模型，并采用三維動(dòng)畫的表現(xiàn)形式，對(duì)飛行安全中的典型事故進(jìn)行模擬還原，使學(xué)生直觀感知事故發(fā)生的過程、機(jī)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(chǎng)景。

（1）構(gòu)建機(jī)場(chǎng)模型

含機(jī)場(chǎng)（跑道、滑行道、各類標(biāo)識(shí)）、保障設(shè)施（塔臺(tái)、機(jī)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(shí)際機(jī)場(chǎng)構(gòu)建。本系統(tǒng)中構(gòu)建的機(jī)場(chǎng)模型如圖3所示。

（2）構(gòu)建飛機(jī)建模

需要結(jié)合具體機(jī)型構(gòu)建模型，模型應(yīng)盡量貼近型號(hào)，除飛機(jī)整體外觀外，還應(yīng)特別對(duì)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(jìn)氣道、壓氣機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙等）盡可能地進(jìn)行細(xì)化建模，以盡可能地加深學(xué)員的直觀印象。圖4為某型機(jī)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(xì)節(jié)圖。

（3）事故發(fā)生過程建模應(yīng)貼合實(shí)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(chǎng)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(jī)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(jìn)人某些部件的內(nèi)部微觀細(xì)節(jié)，掌握事故發(fā)生的真實(shí)原因與機(jī)理。圖5為飛機(jī)墜毀場(chǎng)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(chǎng)景中設(shè)計(jì)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(duì)于整個(gè)處理流程、實(shí)施方案進(jìn)行學(xué)習(xí)了解，并能夠通過視頻回放、細(xì)節(jié)察看對(duì)整個(gè)應(yīng)急預(yù)案進(jìn)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(chǎng)景系統(tǒng)由各個(gè)獨(dú)立的互不相關(guān)的個(gè)體組成、個(gè)體缺乏主動(dòng)性、個(gè)體之間不能進(jìn)行有效協(xié)同等，尤其是對(duì)動(dòng)態(tài)性、隨機(jī)性很強(qiáng)的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，上述缺點(diǎn)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(shí)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(duì)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(gè)協(xié)作服務(wù)器，通過它對(duì)不同參與者的時(shí)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(shí)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(gè)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(jìn)行功能擴(kuò)展、支持可靠的UDP等諸多優(yōu)點(diǎn)。特別是該引擎能夠與Unity 3D平臺(tái)緊密集成提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，提供角色與角色溝通。實(shí)現(xiàn)時(shí)，幕后網(wǎng)絡(luò)使用多個(gè)服務(wù)器：一些“服務(wù)器”運(yùn)行實(shí)際的位置（匹配），而“主服務(wù)器”跟蹤不同場(chǎng)景與參與角色，圖7為協(xié)作場(chǎng)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(shí)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(tái)，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(shí)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(shí)現(xiàn)航空事故應(yīng)急預(yù)案演練過程生動(dòng)、內(nèi)容豐富多變的目的。

同時(shí)，作為一個(gè)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(bǔ)充以涵蓋課程教學(xué)的諸多要素，能夠?yàn)檫M(jìn)一步實(shí)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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