從美軍“PTN”項目看前沿技術(shù)在飛行員訓(xùn)練體系中的應(yīng)用前景

徐 超，楊 帆，何夢臨

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，當(dāng)代作戰(zhàn)飛機(jī)的飛行性能、系統(tǒng)復(fù)雜度、傳感器數(shù)量、任務(wù)能力、制造使用成本都有跨越式的提升，飛行員尤其是執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的戰(zhàn)斗機(jī)飛行員的培訓(xùn)任務(wù)更加復(fù)雜艱巨，必須投入大量資源，組織多級、長時間的訓(xùn)練。飛行員培訓(xùn)沒有任何固定的途徑，我們需要考慮的是，哪一條路徑最佳，哪一種方式最經(jīng)濟(jì)且能最快達(dá)到訓(xùn)練效果，使飛行員能掌握目標(biāo)機(jī)型的操縱和運用。

為了保證合理的訓(xùn)練階梯，現(xiàn)代飛行員訓(xùn)練體系一般設(shè)置篩選/初級訓(xùn)練、基礎(chǔ)訓(xùn)練、高級訓(xùn)練、作戰(zhàn)飛機(jī)改裝訓(xùn)練等訓(xùn)練階段，訓(xùn)練方式包括課堂授課、飛行模擬器練習(xí)和教練機(jī)空中飛行訓(xùn)練等不同訓(xùn)練方式。

隨著計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，人工智能、虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)、云計算等前沿技術(shù)不斷涌現(xiàn)，以上技術(shù)作為通用技術(shù)，在各個領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，但其應(yīng)用效果與行業(yè)特性、領(lǐng)域需求密切相關(guān)。目前在飛行員培訓(xùn)領(lǐng)域，各國均開始嘗試將上述技術(shù)手段與飛行員培訓(xùn)體系進(jìn)行結(jié)合，但大部分以課題研究形式開展，尤其是在軍機(jī)飛行員訓(xùn)練系統(tǒng)中實際應(yīng)用較淺，尚有限制待突破。本文從分析美軍PTN（Pilot Training Next）項目入手，結(jié)合近年來教練裝備和飛行員訓(xùn)練體系發(fā)展現(xiàn)狀和新興前沿技術(shù)的發(fā)展方向，分析其應(yīng)用前景。

1 美國空軍“PTN”項目簡介

1.1 項目背景

培養(yǎng)一名承擔(dān)作戰(zhàn)值班任務(wù)的飛行員，一般要經(jīng)歷3～4年的時間，經(jīng)過初級教練機(jī)、中級教練機(jī)、高級教練機(jī)、戰(zhàn)斗入門教練機(jī)、同型教練機(jī)和作戰(zhàn)飛機(jī)超過500飛行小時的實機(jī)飛行訓(xùn)練。培養(yǎng)一名飛行員的費用是驚人的，美國空軍培養(yǎng)一名F-16戰(zhàn)斗機(jī)飛行員，從完成飛行學(xué)員訓(xùn)練到F-16改裝訓(xùn)練，再經(jīng)過一年的作戰(zhàn)飛行訓(xùn)練后擔(dān)負(fù)作戰(zhàn)值班任務(wù)，共需670萬美元，美國海軍航空母艦飛行員人均培訓(xùn)費為800萬美元。

近年來美國飛行員缺口很大。美國政府一項調(diào)查報告顯示，美空軍、海軍和海軍陸戰(zhàn)隊都有飛行員缺口，其中空軍飛行員滿編率僅73%。美空軍參謀長戴維.戈德費恩表示，由于經(jīng)濟(jì)增長乏力，國防預(yù)算縮減，飛行訓(xùn)練任務(wù)被迫減少，甚至大批飛行員轉(zhuǎn)業(yè)到地方民航公司，現(xiàn)在美空軍飛行員缺口在2000人以上。因此，如何有效提高飛行員訓(xùn)練效果、降低訓(xùn)練費用一直是美國空軍重點研究的課題。早在2015年，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐步成熟，美國空軍教育和訓(xùn)練司令部（AETC）就嘗試引入新技術(shù)改進(jìn)訓(xùn)練方法來優(yōu)化飛行員訓(xùn)練體制，與Reel FX VR及GSD＆M兩家公司合作，摸索虛擬現(xiàn)實技術(shù)是否能幫助飛行員學(xué)的更快和更深入。

PTN項目的全稱是Pilot Training Next，即飛行員未來訓(xùn)練項目，由美國空軍教育和訓(xùn)練司令部（AETC）負(fù)責(zé)人史蒂文夸特斯中將直接領(lǐng)導(dǎo)，奧斯丁基地第560和第99飛行中隊參與，是美軍在前期技術(shù)摸索的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，是美國空軍新訓(xùn)練計劃的一部分。目的是要驗證虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實際訓(xùn)練效果，同時通過集成先進(jìn)生理傳感器、人工智能和數(shù)據(jù)分析等技術(shù)對訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行逐步改良，構(gòu)建美國空軍虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)，為后續(xù)融入包括紅鷹T-7A新高教在內(nèi)的美軍新一代飛行員訓(xùn)練體系做準(zhǔn)備。

1.2 實施情況

PTN項目通過單獨配置一個訓(xùn)練教室開展實施，配置20臺虛擬現(xiàn)實飛行模擬器，每個模擬器配置HTC Vive頭顯、駕駛桿、油門桿和高性能PC，模擬器占地面積小，可機(jī)動部署，模擬器按T-6教練機(jī)的座艙環(huán)境編程開發(fā)，并預(yù)留后續(xù)其他機(jī)型座艙環(huán)境整體替換的接口，模擬器之間可以聯(lián)機(jī)訓(xùn)練，同時還布置了心律測試儀、眼動儀等生理監(jiān)測設(shè)備對學(xué)員的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行監(jiān)測。

PTN項目總體思路是將模擬訓(xùn)練與真機(jī)飛行結(jié)合，通過訓(xùn)練效率和效果比對進(jìn)行技術(shù)驗證。項目第一期始于2018年2月，為期6個月。第一批學(xué)員20人，包括15名現(xiàn)役空軍軍官和5名剛剛完成基礎(chǔ)知識培訓(xùn)的新飛行員。2018年8月，24周課程結(jié)束，共完成184個學(xué)時，其中T-6基礎(chǔ)教練機(jī)飛行約70-80小時，模擬器訓(xùn)練約80-90小時（不包括學(xué)員自己進(jìn)行的額外訓(xùn)練）。第一期共有13名學(xué)員在半年時間內(nèi)順利取證畢業(yè)，而常規(guī)飛行訓(xùn)練周期大概需要一年。項目第一期結(jié)束后，美軍開發(fā)了一款名為“VIPER”的AI飛行教員。

項目第二期于2019年1月開展，這一期目標(biāo)主要在于提升AI飛行教員能力和生理傳感器能力。第二批學(xué)員20人，包括10名現(xiàn)役空軍軍官、2名空軍國民警衛(wèi)隊軍官、2名美國海軍軍官，6名英國皇家空軍人員，每個人都有不一樣的學(xué)習(xí)背景和不同領(lǐng)域的空軍服役經(jīng)驗。2019年8月，第二期學(xué)員中14人畢業(yè)，1人延期1個月畢業(yè)，還有5人被淘汰。14名畢業(yè)生分別被分配到美空軍戰(zhàn)斗機(jī)部隊、轟炸機(jī)部隊、海軍T-45教練機(jī)中隊和英國“臺風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)部隊。

項目第三期于2020年1月開始，充分總結(jié)前兩期的經(jīng)驗教訓(xùn)，繼續(xù)優(yōu)化課程設(shè)置，同時加入數(shù)字地圖導(dǎo)航、機(jī)載傳感器使用、戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練任務(wù)，方便學(xué)員未來向正規(guī)部隊過渡。同時計劃在模擬器中引入增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，進(jìn)一步提高沉浸感，提升交互性。

鑒于PTN項目的優(yōu)良成果，AETC決定：2019年5月31日起，正式將PTN項目的創(chuàng)新內(nèi)容、經(jīng)驗及訓(xùn)練數(shù)據(jù)結(jié)合到T-6A、T-1A以及T-38C飛機(jī)的訓(xùn)練課程中，在飛行學(xué)院推廣使用。

美軍PTN基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建低成本、便捷的訓(xùn)練環(huán)境，集成先進(jìn)生理傳感器、人工智能和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，使得訓(xùn)練環(huán)境可以根據(jù)不同學(xué)員的實際情況進(jìn)行調(diào)整和配置，提高飛行員訓(xùn)練的效率和效果。從三期訓(xùn)練試驗結(jié)果來看，在淘汰率基本合理的前提下，使飛行員訓(xùn)練周期縮短近一半，成果顯著。參加項目的美國空軍軍官尤其認(rèn)可虛擬現(xiàn)實模擬器在基本飛行、應(yīng)急處理程序和大迎角機(jī)動等飛行訓(xùn)練科目上發(fā)揮的作用。同時美軍披露了項目研究遇到的棘手難題和認(rèn)定的幾個發(fā)展方向，一個是當(dāng)前的AI教練很不完善，需要研究如何將其替換為一個可以根據(jù)每個學(xué)員具體進(jìn)度和訓(xùn)練情況進(jìn)行個性指導(dǎo)的、更加智能化的AI教練，另一個是生理傳感器使用不穩(wěn)定，還需要繼續(xù)尋求可以監(jiān)測學(xué)員的心律、呼吸、眼動和其他指標(biāo)的高端生物套件。

圖1 美國空軍“PTN”項目訓(xùn)練情況

2 虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)（VR & AR）是融合計算機(jī)圖形技術(shù)、三維仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、顯示技術(shù)、傳感技術(shù)等多項技術(shù)的通用模擬環(huán)境顯示實現(xiàn)技術(shù),可以產(chǎn)生多源信息融合的交互式三維動態(tài)視景，允許人員以自然的方式與模擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而“沉浸”于等同真實環(huán)境的感受和體驗。虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)具有多感知性（Multi-Sensory）、交 互 性 （Interactivity）、浸 沒 感（Immersion）和構(gòu)想性（Imagination）四個重要特征。

使用虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)搭建飛行訓(xùn)練平臺，相比于實裝訓(xùn)練，可以擺脫教練機(jī)裝備規(guī)模、飛行空間、飛行時間的約束，可以隨時隨地重復(fù)開展訓(xùn)練，對薄弱環(huán)節(jié)重點加強(qiáng)，極大降低了成本、提高了效率。相比于傳統(tǒng)模擬器，新的訓(xùn)練平臺沉浸感更好、交互性更強(qiáng)、設(shè)備成本更低、使用更加便捷。VR & AR技術(shù)在飛行訓(xùn)練領(lǐng)域已經(jīng)得到普遍認(rèn)可，在飛行課目進(jìn)入前和飛行中交叉進(jìn)行模擬訓(xùn)練，可以極大地提升飛行訓(xùn)練效益。真機(jī)飛行前，通過模擬訓(xùn)練，學(xué)員可以提前了解飛機(jī)性能特點、提前熟悉裝備情況，初步掌握其作戰(zhàn)方法，對起落、儀表、特技、夜航等飛行程序、機(jī)上儀表設(shè)備功能和操作等進(jìn)行預(yù)習(xí)實習(xí)，而且可以通過實時更新計算機(jī)程序使模擬器與新型號飛機(jī)、新機(jī)載設(shè)備保持一致。從美軍的實踐結(jié)論來看，虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)尤其適用于進(jìn)行復(fù)雜氣象、特技、轟炸和特情處置等危險系數(shù)較大的課目練習(xí)，優(yōu)秀的沉浸感和交互性可以加強(qiáng)學(xué)員在特情發(fā)生環(huán)境下的認(rèn)知體驗、生理適應(yīng)，鍛煉學(xué)員的心理素質(zhì)和操縱處置能力。

目前虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在飛行訓(xùn)練應(yīng)用上前景明確，主要是兩個應(yīng)用方向，一是基礎(chǔ)飛行訓(xùn)練領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)低成本小體積，犧牲一定的模擬顯示和交互效果，利用低成本可機(jī)動的核心優(yōu)勢下載高端模擬器或?qū)嵮b的任務(wù)，打造高性價比的初階訓(xùn)練平臺；二是專項和綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)，配置高成本的模擬系統(tǒng)和傳感器，對特定飛行科目進(jìn)行專項加強(qiáng)或者人人、人機(jī)組網(wǎng)進(jìn)行逼真戰(zhàn)術(shù)對抗訓(xùn)練，取代目前高端綜合訓(xùn)練模擬器。

由于相關(guān)技術(shù)限制，目前虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、運動、力覺等幾種，且視場分辨率低、范圍小，運動空間定位差、精細(xì)捕捉困難，在飛行訓(xùn)練時出現(xiàn)看不清、視野小、操作反應(yīng)遲滯、運動模型變形、桿力輸出與實際飛行差距較大等問題，后續(xù)有待擴(kuò)展觸覺、味覺、嗅覺等感知能力。從可操作程度和從模擬環(huán)境得到反饋的自然程度來看，交互性還無法適配飛行員在座艙連續(xù)操作的要求?；陲w行訓(xùn)練的需求，后續(xù)將重點提升多感知性、交互性和浸沒感。

3 先進(jìn)生理傳感器技術(shù)

美軍PTN項目中，學(xué)員在胸前安裝生理傳感器，測量學(xué)員的心率、體溫、血氧等生理指標(biāo)，將生理指標(biāo)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫的一部分用于后續(xù)訓(xùn)練效果的分析，作為訓(xùn)練失敗原因確定和訓(xùn)練方法改進(jìn)的依據(jù)。但是目前傳感器能夠測量的指標(biāo)項目仍然比較少，不滿足全面生理分析的要求，而且傳感器尺寸普遍偏大，影響飛行員的操縱，佩戴舒適度、佩戴穩(wěn)定性也難以令人滿意。

目前生理指標(biāo)測量主要方法有基于生理信號的檢測方法和基于人體反應(yīng)特征的檢測方法?；谏硇盘柋O(jiān)測主要是借助傳感器對人體的生理信號進(jìn)行實時檢測，例如血壓、心率、脈搏、血氧、體溫、排汗率、腦電波，心電波，眼電波以及表面肌電監(jiān)測，基于人體反應(yīng)特征的監(jiān)測一般采用視覺方法識別判斷人體狀態(tài)，如眼球運動、眼睛開閉、頭部運動特性、臉部肌肉反應(yīng)等。根據(jù)這些生理指標(biāo)，可以分析監(jiān)測學(xué)員特定訓(xùn)練環(huán)節(jié)的生理狀態(tài)，也可以作為心理狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)。微型化不影響訓(xùn)練動作、綜合化可測量多種生理生化指標(biāo)是未來模擬飛行訓(xùn)練中先進(jìn)生理傳感器的發(fā)展方向。

4 基于AI的大數(shù)據(jù)分析及智能教練技術(shù)

訓(xùn)練會產(chǎn)生大量的飛行員訓(xùn)練數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有巨大的潛在開發(fā)價值。訓(xùn)練數(shù)據(jù)中包含學(xué)員在科目訓(xùn)練中的所有操作和反饋，包括生理傳感器獲取的生物特征，憑借先進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能算法技術(shù)對訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實時分析，通過生理傳感器查看學(xué)員對任務(wù)的反應(yīng)程度，通過操作記錄查看學(xué)員的失誤和行為情況，分析制定他們在面臨不同程度困難情況下的訓(xùn)練策略，制定后續(xù)重點訓(xùn)練項目。開發(fā)AI教練將分析結(jié)果應(yīng)用于訓(xùn)練系統(tǒng)，根據(jù)學(xué)員的訓(xùn)練情況和自身特點，篩選出學(xué)生學(xué)習(xí)的更快的領(lǐng)域和學(xué)習(xí)困難的領(lǐng)域，分析其擅長的方面和缺乏技術(shù)的方面，為其量身定制訓(xùn)練課程，自動提高或降低學(xué)員任務(wù)和復(fù)雜性，可以專注解決學(xué)生的不足，節(jié)約時間，也可以由學(xué)員自行設(shè)定訓(xùn)練速度，為持續(xù)改進(jìn)訓(xùn)練過程提供直接和客觀的支撐，進(jìn)而形成個性化訓(xùn)練大綱并優(yōu)化普適性訓(xùn)練大綱。同時在系統(tǒng)中預(yù)置飛行專業(yè)知識判據(jù)，允許計算機(jī)用自動化的方式執(zhí)行一些完全客觀的過程，給出標(biāo)準(zhǔn)化的評估，一方面可以在訓(xùn)練過程中為學(xué)員提供即時評分反饋，降低他們在早期訓(xùn)練階段形成不良習(xí)慣的概率，另一方面可以減少對教員的需求，增加對飛行員篩選的效率。

從美軍PTN項目實施效果來看，分析訓(xùn)練數(shù)據(jù)，開發(fā)智能教練，根據(jù)學(xué)員的特點強(qiáng)調(diào)個性化學(xué)習(xí)的確有助于提高訓(xùn)練效率，但是智能化程度較低，學(xué)員反饋智能教練錯誤判斷較多、個性化培訓(xùn)調(diào)整不明顯。目前基礎(chǔ)飛行訓(xùn)練領(lǐng)域大數(shù)據(jù)分析結(jié)合人工智能的主要難點在于飛行動作精確識別、綜合判決條件設(shè)置。對飛行訓(xùn)練練習(xí)中，飛行動作的模式識別是進(jìn)行飛行訓(xùn)練質(zhì)量評估的前提，為了識別復(fù)雜的飛行訓(xùn)練動作，首先需要把飛行動作精細(xì)分解成一些基本動作，為每個基本動作設(shè)置準(zhǔn)確的匹配條件，根據(jù)模糊識別技術(shù)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進(jìn)行樣本采集、信息的數(shù)字化、數(shù)據(jù)特征的提取、特征空間的壓縮以及提供識別的準(zhǔn)則等自動識別出這些基本動作，然后進(jìn)行合并、細(xì)化，進(jìn)而得到詳細(xì)的飛行動作并將其與預(yù)置動作進(jìn)行對比，判斷其吻合度。綜合判決條件設(shè)置決定了智能教練的輸出效果，系統(tǒng)中海量的數(shù)據(jù)被整合成時間軸線、飛行動作及軌跡、生理狀態(tài)、操縱觸發(fā)點等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)之后，需要設(shè)置一系列綜合判決條件，由自動算法結(jié)合專業(yè)知識系統(tǒng)對訓(xùn)練結(jié)果給出判斷，確定學(xué)員訓(xùn)練評分，尤其是給出學(xué)員操作失誤的原因分析和改進(jìn)建議，經(jīng)學(xué)員確認(rèn)后，自動調(diào)整課程，實現(xiàn)擅長的科目快速練、失誤的科目重復(fù)練的效果。

5 結(jié)語

現(xiàn)代飛機(jī)裝備功能、性能跨越式發(fā)展，飛行員培訓(xùn)成本快速增長，壓縮培訓(xùn)周期、提高訓(xùn)練效果、降低訓(xùn)練費用是牽引當(dāng)代飛行員訓(xùn)練體系發(fā)展的主要動力。虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實、先進(jìn)生理傳感器、人工智能和大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)提供了飛行員培訓(xùn)的新方向，各國均嘗試將新技術(shù)與飛行員訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行整合。美國空軍開展的PTN項目證明了利用虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實、先進(jìn)生理傳感器、人工智能和大數(shù)據(jù)集成開發(fā)的基礎(chǔ)飛行技能訓(xùn)練平臺在提高效率、降低費用方面具有顯著的實用效果，但仍然有模擬環(huán)境沉浸感不足、缺乏先進(jìn)生理傳感器、智能輔助程序開發(fā)困難等技術(shù)限制有待突破。從整個飛行員訓(xùn)練階段分析，以上前沿技術(shù)手段還具備引入到高級訓(xùn)練、戰(zhàn)術(shù)對抗訓(xùn)練的可行性，可以與新型教練機(jī)裝備一同組成更加高效的全周期飛行員綜合訓(xùn)練體系。