虚拟现实技术（VR）在空中交通运输中的应用

张玉梅

滨州学院飞行学院，山东 滨州 256603

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是利用计算机仿真实现网络与现实环境融合，搭建和实际环境贴近的虚拟场景的技术[1]。通过基于虚拟现实的空中交通交互感知特性，可以帮助人们了解现实中的空中交通运输情况。将该技术应用于空中交通从业人员的专业训练过程，可以有效减少现场演练和培训次数，进而节省人力、物力和财力。

空中交通运输在很大程度上受天气影响，且恶劣天气会增加空中交通的延误率和事故率，加之民航航班量的不断增加，对空中交通管制员的能力提出了更高的要求。因此，如何提高管制员的运行指挥能力，确保飞行安全是一个亟需解决的问题。

管制员技术能力的提升需要有足够的常规和紧急情况训练做支撑。但是，在空中交通模拟训练中，很难通过真人真机来试验突发事件。一方面，涉及人身安全和财产安全；另一方面，真实的灾害性天气是不可操作的。VR可以利用计算机仿真技术，对恶劣天气、空中交通环境、航空器运行状态等进行虚拟，空中交通从业人员可以通过模拟练习提升其特情处置能力，从而制定合理的特情处置流程和应急处置措施。

1 国内外研究现状

1987年兰尼尔（J. Lanier）[2]首次提出“虚拟现实”这一概念，并利用虚拟现实技术成功研发了数据手套和可视电话头戴式显示器等虚拟现实设备。VR技术在1990年至2010年期间取得突破性进展，成功应用于医学、军事、娱乐等领域。1999年罗斯鲍姆（B. O.Rothbaum）等[3]研究人员利用虚拟现实技术为越南退伍军人创建战区情景，成功帮助他们进行创伤后应激障碍（PTSD）暴露治疗。2010年后，虚拟现实技术逐步应用于虚拟消费现实产品之中。2017年中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于促进移动互联网健康有序发展的意见》提出，提升增强现实和虚拟现实等核心技术[4]。2018年布罗德里克（J. Broderick）等[5]利用强调高质量音频改善用户虚拟体验。同年，国家发展改革委、教育部、科技部等19部门联合印发的《关于发展数字经济稳定并扩大就业的指导意见》中强调要将虚拟现实技术融入教育和文化等领域[6]。2019年马赫鲁斯（A.Mahrous）和施耐德（G. B. Schneider）[7]提出在牙科教育和治疗中引入三维建模技术，不仅可以增强牙科学生可视化学习效果，也可使患者直观了解治疗方法和结果。2020年受新冠肺炎疫情影响，“非接触式”的新需求为虚拟现实产业发展带来新机遇。同时，停课不停学的教育要求，也为虚拟现实技术应用于教育行业提供了新契机。

2 空中交通管制专业的特点和基本要求

空中交通管制专业涉及的理论课门类繁多、知识零散、规章众多、操作复杂、系统性强，是一门理论与实操并重的学科，要求学生不仅要掌握空中交通管理基础理论、飞行原理、航行情报服务和雷达管制等理论，而且还要拥有航空气象信息识别决策、航情情报信息获取识读、航空器进近排序和冲突调配、航空器间隔标准判断以及航空器紧急情况处置等能力。

空中交通管制工作要求严格，需要管制员具备以下能力：①可以完成周密飞行计划，顺利完成飞行的组织和保障工作。②严密监控航空器运行动态，防止冲突和事故发生。③拥有主动配合和密切协同意识，可以合理把控空中交通流量。④掌握必要的业务技能和安全预防技巧，为安全飞行提供保障。⑤拥有紧急情况处置能力，保证可以及时掌握反馈紧急情况时航空器所处的位置、高度及故障状况等信息，并能及时准确地提供帮助。

为更好地培养符合实际工作需求的空中交通管制人才，节省培养成本，提升高校的教学水平，建议健全虚拟现实技术（VR）系统，为学生提供系统和真实的实验环境。

3 虚拟空管实验室教学平台应用

虚拟学习环境不仅能为学习者提供生动逼真的学习环境，而且能帮助其巩固和深化专业知识，比空洞抽象的说教与灌输更有效[8]。

因此，推进“将航空器运行指挥搬进校园”的教育理念势在必行。虚拟空管实验室教学平台不仅可以模拟机场跑道、滑行道等运行环境，而且可以模拟塔台、进近、区调等管制区域，实现航空器起降和巡航各阶段可视化模拟，学习者可以在虚拟的运行环境中，明确管制工作的岗位职责、工作内容、运行流程、航空器进近排序准则、航空器飞行冲突调配技巧和紧急情况处置规则等内容，同时结合教学目标要求，实现学校教学与实际需求相融合的教学模式。

图1 虚拟空管实验室教学平台

利用虚拟现实技术搭建的教学平台，实现了教学可视化。相较于传统教学模式，教师可以更直观、更便捷地呈现知识，如航空器冲突调配技巧、航空器进离场位置分布等。VR教学时可将学生两两分组，1人模拟机长席位，1人模拟管制员席位，利用不同席位的模拟体验，增强学生的职业互通感和共情意识。通过航空器进离场模拟训练，强化学生对基础理论的理解和应用。通过航空器紧急情况模拟训练，提高学生的心理承受能力和紧急情况处置能力，进而启发学生的创造性思维，实现“教学+实践+创新 ”一体化教学模式。

在虚拟现实技术教学平台上进行管制模拟训练，可以有效地避免人为失误造成的经济损失，且能反复推演训练，用最少的成本锻炼新手管制人员，提升其实践经验和紧急情况处置能力。

4 VR在空中交通运输教学中的意义

4.1 有助于增强学生对实验情景的理解和知识点的记忆，提升学生参与度

空中交通运输专业教学通过VR技术可以实现机场环境的三维展示，如气象条件、机场灯光环境、航空器飞行事故模拟、正常的航空器运行流程和航空器操作步骤，使学生更容易沉浸到具体情景之内。同时，利用VR技术不仅可以实现真实场景的模拟，还可以实现整个实验过程的录制。录屏回放功能有助于增强学生对实验情景的理解和知识点的记忆，进而增强学生对航空知识的兴趣，有效提高学生参与度，提升教学效率。

4.2 有助于锻炼学生的观察力，增强学习主动性

通过虚拟现实技术学生可以随时进入VR模拟的实际机场运行场景，利用课上和课下时间反复操作体验航空器推出开车、滑行、起飞、巡航、降落等过程，在模拟训练中提高其发现和解决问题的能力，用游戏体验的理念提升学习主动性。

4.3 有助于锻炼学生的应变能力，提升职业责任感和使命感

VR技术的应用也可以更好地模拟机场运行过程中各类航空器故障，如发动机失火、座舱释压、通信失效等，航空器运行故障模拟训练，可以有效提升学生应对紧急情况的应变能力。航空事故带来的视觉冲击、听觉感知等真实体验，也可以有效提升学生的职业责任感和使命感。

5 VR在空中交通运输教学中的应用

5.1 在机场运行环境学习中的应用

一名合格的空中交通管制员不仅需要熟悉机场跑道、滑行道和停机坪位置与布局，还要能正确区分跑道、滑行道和停机坪标志标识和灯光颜色。VR技术可以实现学生不受时间空间限制的“走进机场”，熟悉和记忆机场布局、灯光和标识，牢记飞行区场地日常维护管理程序和目视助航设施运行保障流程等。

5.2 在气象信息识读及放行决策中的应用

气象条件是航空器运行重要影响因素，常见的天气现象有降水、雷暴、雾和风等。利用VR技术可以模拟设置机场、航路天气，空中交通管制员可以更直观地了解天气系统带来的天气现象以及对飞行带来的影响，进而更直观高效地做出飞行决策。

5.3 在航空器冲突调配过程中的应用

随着经济的不断发展，航空器数量成倍增加，空中交通管制员的工作压力非常大，在运行指挥过程中需要拥有提前预判和解决航空器冲突的能力，尤其是需要拥有处置航空器故障的能力，如发生油量告警、一发失效、起落架卡阻等航空器故障时，需要安全高效地对航空器进离场顺序进行调整。VR技术可以更加全面高效地模拟航空器事故过程，学生通过反复模拟练习，用最少的成本投入强化其应急处理能力。

6 结 论

虚拟现实技术使空中交通运输专业教学完成了理论与实践的完美结合，不仅降低了实训技能培养成本，而且使教学更多元化、立体化、可视化及可操作化，更全面、精准地提升学生的专业技能，有助于学生更迅速地融入社会。