基于规则的飞行训练评分系统的研究和实现

刘厚坤 吴志红 谭诗瀚

（1、四川大学视觉合成图形图像技术重点学科实验室，四川 成都610064 2、四川川大智胜软件股份有限公司，四川 成都610064）

我国的航空事业正处在高速发展时期，目前来看，制约我国航空事业发展的重要因素之一就是飞行员的短缺[1]。但是，国内飞行员和相关从业者培训的容量远远不能满足市场的需求。按照国际惯例，飞行员的培训包含理论学习、飞行模拟训练器（Flight Training Device, FTD）的练习、全任务飞行模拟机（Full Flight Simulator, FFS）的练习、实际飞机飞行练习，特别是模拟机的练习，是保障飞行员使用真实飞机训练前的关键步骤[2]。全动模拟机价格昂贵，采购量较少，排队使用的情况比较严重。所以常采用飞行模拟训练器对飞行员进行初级训练、航空管制人员的飞行知识训练以及相关人员的复飞训练、转机型训练等[3]。

本文把已有的飞行训练器作为实验平台，参考飞行训练大纲和飞行学院专家提出的飞行规则，使用vs+Qt 的开发方式在已有软件上进行了扩展，分别在教员台和仿真服务器上部署了相关程序。经过测试，系统表现稳定，飞行阶段划分良好，基本满足实时性，能够给带飞教员不错的评分参考。

1 系统流程介绍

飞行模拟机根据真实飞机的情况，在地面上模拟了大量真实飞机的环境信息，力求在视觉、听觉、触觉甚至运动感上进行信息提供。一台飞行模拟机通常含有座舱模拟子系统、视景仿真子系统、航电仿真子系统、教员台控制系统、六自由度运动子系统等；本文使用的实验平台为飞行训练器，除运动平台子系统，其余系统均完善。

图1 系统流程图

基于易用性的考虑，机场选择模块直接与已有教员台程序的机场选择、跑道及跑道头选择同步。如图1，教员在训练开始时使用本系统，仅需点击开始按钮，结束点击结束按钮即可。结束以后即可看见学员在一次飞行训练过程中，各个阶段的成绩以及在各个阶段的规则偏差；

2 评价标准的设计

基于对培训时长的考虑，在使用飞行模拟机培训时常进行距离较近的两个机场进行一次训练，如上海虹桥国际机场至上海浦东国际机场（ZSSS/ZSPD），成都双流国际机场至九寨黄龙机场（ZUUU/ZUJZ）等，或者直接进行五边飞行，进行快速的综合性训练。

五边飞行是飞行员训练的重要课程，学员驾驶飞机绕机场飞行一周后降落，主要经过滑行、起飞爬升、转向、三边巡航、进近、着陆这几个过程[4]。本文在五边飞行的基础上参考飞行训练大纲和飞行专家建议，将一次飞行分为七个阶段：起飞、爬升、三边转弯、三边飞行、进近、着陆、着陆滑行。其中各个部分按照需要考察的操作知识点、安全性等，给分10 分到20 分不等，最终总分为100 分。

本文测试机型为空客A320，考虑以后使用其他机型的可能性和飞行阶段评价标准偏差问题，将所有阶段的评价标准设计成清晰的配置文件，可以根据使用的需求，针对性的进行更改。如针对飞行员的训练标准较管制人员的训练标准就严格很多，如果有航空科普的需求，配置的标准可以更加宽松。配置文件的格式如下：

[SECTION1_TAKEOFF]

SCORE_TOTAL=10.0

SPEED_AIR=160

SPEED_AIR_OFFSET=10

SPEED_OFFSET_VALUE_UNIT=0.3

RUNWAY_OFFSET=50

…

配置文件中包含阶段总分、详细阶段考察点和该考察点动作不到位时的扣分标准；在配置文件的注释部分会对各个考察点做出相应解释。

3 系统的主要功能模块

对系统进行需求分析和总体设计，在已有相关系统的基础上进行扩展，主要包含飞机位置信息相关数据包的请求和转发处理模块、数据库处理模块、后台评分算法模块和界面交互显示模块，如图2：

图2 系统的主要模块

3.1 飞行数据获取模块

美国洛克希德. 马丁公司的飞行模拟软件P3D（Prepar3D），同样使用了微软的FSX（Microsoft Flight Simulator X）开发的软件平台ESP,为私人飞行员、商业组织、学术界共和军队提供了沉浸式的体验式学习。Fsuipc 即飞行模拟器通用进程间通信，是第三方插件，在FSX 时期即可获取仿真内部数据并且与之交互。P3D 在效果上和性能上较FSX 进行了优化，对Fsuipc 插件同样支持[5]。

Fsuipc 保留了65535 个字节的内存块，在对数据进行请求的时候，根据使用版本提供的开发文档，查找到相应的变量偏移地址，并且根据文档记录的计算公式，就可以得到需要的飞行数据。此外，P3D 自身提供了相应的SDK, 使用当前版本的simconnect 静态库，查看相关文档进行开发即可直接获取数据，但经过测试这种方法严重影响了系统帧率，无法保证实时性需求。针对系统的功能需求，获取数据种类为：纬度、经度、空速、朝向、俯仰角、滚转角、雷达高度、垂直速度。

如图2，数据使用UPD 在局域网发送和处理，考虑系统帧率为60，在局域网内丢包率忽略不计，数据包的可靠性在应用层保证，使用统一小端、字节紧凑、统一包头的方式进行处理。

3.2 数据库模块

Sql Server，是由微软公司研发的关系型数据库管理系统，具有伸缩性好、集成度高的优点。历史上，Sql Server 最初不是微软自己研发的产品，是为了和IBM竞争，微软和Sybase 合作研发，自6.0 版本后才是微软自行研发的。最初的几个版本适用于中小企业的数据库管理，但是近些年的发展，已经可以涉及到大型、跨国企业的数据库管理；

本文所涉及的数据存储是十几分钟到几十分钟不等的帧率为60 的飞行数据，并且不考虑并发的情况，数据量总体不是特别大，考虑针对数据规模不大的数据库即可，采用的数据库版本为Sql Server 2005。对数据库的连接需要配置ODBC，采用Qt提供的数据库接口，对数据库进行连接和操作。数据库主要维护两个表：学员历史成绩表和学员一次训练的详细飞行数据表（图3）。

图3 某学员一次成训练数据分截图

3.3 飞行评价算法模块

飞行评价标准需要在导入所有的飞行数据后能够根据给定的飞行规则将飞行数据所表示的飞行过程正确划分飞行阶段，然后根据所配置的评价标准进行评价。一份参考的部分规则表格如表1。

表1 评分标准示例

算法过程根据实际飞行训练产生的数据，考察飞行训练时学员驾驶模拟飞机飞行的轨迹是否符合预期。在本文中，实际获得的数据是飞机的位置信息和自身的姿态等信息，需要考察的相对位置信息需要算法自行计算。需要自行计算的包括在第三边直飞的平稳度，飞机进近时候实际下滑道的角度，需要根据实际机场的模型获得当前跑道另一头导航台的位置信息，飞机过跑到头时的高度根据飞机的位置转换成地球坐标系，计算投影的高度。

3.4 界面交互模块

Qt 是Digia 公司开发的跨平台c++应用程序开发框架，广泛用于GUI 的程序开发，也可以用在非GUI 开发的程序中。Qt使用使用标准的c++语言和特殊的代码生成扩展，及元对象编译器（Meta Object Compiler,moc），以及宏，在正式代码预处理前处理程序，来实现Qt 的相关特性。Qt 是自由开源代码的软件，支持广泛的编译器。本文的开发环境为Qt4.8+visual studio 2008,后台网络传输和对数据库的操控均采用了Qt 的接口。

基于Qt 提供的强大GUI 处理功能，可以方便的设计交互界面。本文涉及的界面交互模块的设计和实现均是使用了Qt 设计器方便的拖拽相关的控件，控件的相关特殊特性可以的在后台指定。教员在使用本系统的时候，可以不修改以前使用系统的习惯，即选择机场、机场跑道、跑道头后，本系统对以前的数据进行同步。教员在训练开始的时候只需要点击开始，训练结束的时候点击结束，即可获得一次完整训练的成绩。一次训练的记录截图（图4）。

4 结论

本文在结合民航飞行训练大纲和相关专家意见的基础上，实现了基于飞行规则的飞行训练自动评分系统。能够在培训飞行员或者管制员等有飞行原理，航空器、动力装置与系统的操作原理与功能等知识体系职业需求的时候，使用飞行训练器训练，收集训练数据并且自动计算出参考分数，一定程度上解决了传统训练模式下教员纯主观带来的评估偏差。经过测试，系统工作良好，简单易用，可以较好的辅助教员训练。学员训练的历史数据不仅可以评估学员的当前相关知识水平，还能用于预测后面可能的水平情况，可针对性的安排训练。此外，记录的大量数据还可以使用数据挖掘等方式分析出需要的特别信息，具有不菲的研究价值。

图4 一次飞行训练评估结果记录的界面