前面的话本文分享了来自美军行为与社会科学研究院（U.S. Army Research Institute for the Behavioral and Social Sciencess, ARI）旋翼航空研究组（Rotary-Wing Aviation Research Unit, RWARU）海军博士后研究院（Naval Postgraduate School）于2006年发表的一篇技术报告（Technical Report 1176），标题为《军用直升机训练模拟机需要运动平台吗？》，作者是Michael E. McCauley。 这篇报告针对军用直升机、军用运输机、民航飞机、通航飞机等不同领域的模拟机训练，采用多个视角，基于实证文献对模拟机安装运动仿真系统的必要性进行了综述。 训练飞行模拟机是否真的有必要加装运动平台 ( motion base )，这是一个老生常谈的问题。正如文中所说的，飞行模拟机用于飞行员训练有了近百年的历史，而有关运动系统必要性的争议也与之伴随了近百年的时间。时至今日，相关的争论依然喋喋不休，持有不同观点的从业者、决策者和用户秉承不同的立场、凭借各自的经验和理解，在不同的场合各抒己见，相互影响。 该报告采用的研究思路、证据以及相关结论对于我们在立项采购飞行模拟机时决策是否要加装运动平台有着重要的参考意义。正所谓事实胜于雄辩，该报告也对相关没有实证的断言和结论表明了保留态度，这一点值得我们深思。 该报告概述了飞行训练中使用模拟机运动系统的简要背景和历史，回顾了运动系统对训练有效性的经验性证据，也对相关的其他运动装置也做了概述。尽管陆军直升机训练是该研究的直接应用场景，但有关运动系统有效性的证据也在固定翼和直升机以及商用和军用航空中进行更广泛的调研，为陆军直升机飞行员训练使用运动系统有效性的结论提供更为广泛的背景证据。 调研的结果表明，虽然有大量的科学数据支持飞行模拟训练的有效性，即飞行模拟器对安全飞行训练的价值不可否认，但是，几乎没有科学证据支持飞行训练中运动系统的有效性 ( 原文: there is virtually no scientifice vidence to support the effectiveness of motion platforms for training )。运动系统确实可以提高模拟机内训练的性能，特别是对于有经验的飞行员，但对模拟机到真机的技能迁移的作用微乎其微。在某些特定的条件下，例如涉及气流扰动的训练任务，有了运动系统可能会更好，但支撑这一观点的证据也不是很强。另外运动、噪音和振动有助于呈现模拟机的真实感，提高飞行员对模拟机的接受度。最后，没有可靠的证据表明运动系统可以阻止模拟机病的发生。 报告完成后，ARI向美国空军司令部训练条令和模拟局局长以及美国空军司令部航空训练旅指挥官简要介绍了最初的结论。最终报告代表了RWARU目前对这一复杂问题的理解，并将广泛提供给USAAWC的模拟和训练相关部门。 1. 研究背景和方法1.1 研究需求2006年，位于拉克尔堡的美国陆军航空兵作战中心 ( The U.S. Army Aviation War Fighting Center, USAAWC) 已经着手启动了21世纪飞行学校（Flight School XXI，FSXXI ）训练计划，21世纪飞行学校训练计划采用附加模拟机培训来加强基础和高级航空训练。其中，关于基于模拟机的直升机飞行训练是否有必要使用运动仿真的问题引发了关注。 同期，未来作战系统 ( Future Combat Systems ) 存在基于模拟机进行训练的需求，同样也有模拟机运动仿真的必要性问题。 相关问题汇集到了同位于拉克尔堡 ( Fort Rucker ) 的美军行为与社会科学研究院旋翼航空研究组 ( Rotary-Wing Aviation Research Unit, RWARU ), ARI认为有必要对这一问题进行最新的调研。 随即，ARI开展了广泛深入的文献综述。这篇综述主要围绕陆军直升机飞行员模拟机训练对运动仿真的需求，因此，综述的核心任务就是把运动系统的影响作为独立变量来检验模拟机到真机技能迁移的有效性。另外，本综述也考虑了以下主题：在模拟机内的学习 ( In-Simulator learning ) ，飞行员偏好 ( pilot preferences )，力感系统 ( force-cueing systems )，模拟器病 (simulator sickness ) 和知觉控制理论 ( Perceptual Control Theory ) 。 1.2 研究框架和视角飞行模拟机各项功能的价值取决于一个人的视角和使用目的。Schroeder（1999）给飞行模拟机做了如下定义：一种试图在地面安全、合理的复现真实飞机飞行过程中人-机行为的装备，飞行模拟机的两个重要用途是训练和工程研究。“你需要运动系统吗？”这个问题听起来像是一个是非问题，但实际上要复杂的多。对这个问题的一个更好的描述可能是——根据仿真的目的、飞机的机型、飞行员的经验等级、飞行训练的目标、激动和任务、训练指标（技能传递、模拟机内表现和飞行员的接受度）以及模拟机采购和运营的费用，飞行模拟机的运动系统的需求如何定义？ 训练是训练模拟器的使用目的，因此从训练效能的角度来评估训练模拟器的特性是合乎逻辑的选择。从性价比的角度，只要能够为训练提供正面的作用，而且这些功能的采购成本在可接受的范围之内，就完全有理由把这些功能包含在飞行模拟机的采购包里。 而工程研究使用的模拟机是为了产生可靠且有效的数据，从研发的角度来看，模拟机要能够复现高精度的人-机行为。有经验的试飞员同时也是模拟机操纵品质验证试飞的合适人选。因此，使用带运动系统的飞行模拟机开展操作品质的研究是一个非常具体的应用场景，可是，这并不意味着使用运动系统的飞行模拟机一定能够取得更好的训练效果。也有一些其他类型的研发不要特别精确的模拟机，例如座舱仪表布局设计、人员配备和自动化、训练研究和机组协调（驾驶舱资源）等。目前尚不清楚是否有必要为这些研究使用太运动系统的模拟机。 用户接受度（飞行员偏好）是模拟器功能价值的第三个视角。那些飞行员喜欢但对训练效能并无明显作用的模拟机功能到底有多大的价值，这不适合做实证研究，但对采办项目经理或负责培训的军事指挥官很重要。如果把模拟机教员和学员是训练用模拟器的顾客，能不考虑他们的期望吗？ 联邦航空管理局（FAA）从飞行模拟机等级鉴定的角度判断是否选装运动系统（Burki-Cohen、Soja和Longridge，1998）。FAA定义的最高等级飞行模拟机（D级）需要一个6自由度（DoF）运动平台。如果没有运动平台，FAA称之为“训练器”，而不是训练模拟机。联邦航空局的立场是，公共安全需要完全的身体忠诚 ( full physical fidelity )： FAA并没有基于训练有效性的实证研究考量D级模拟机使用运动系统的必要性，而是单纯的假定只要是D级飞行模拟机，就有必要安装运动系统，除非将来有明确的反面证据。FAA这一立场并不严谨，至少有两个可能的问题：（1）运动系统的物理位移限制意味着无法逼真模拟与设备故障和紧急程序相关的任何异常加速度，这可能会导致训练技能到真机飞行的负迁移；（2）D级模拟机的成本超出了小型区域性航空公司的预算，给相关垂直领域构建了经济上的门槛。 2. 飞行模拟机的运动及运动感知2.1 飞行模拟机的用途飞行模拟机的应用已经长达半个多世纪，主要用于帮助飞行学员在不离开地面的情况下获得飞行技能。Huff和Nagel（1975）声称，有人驾驶飞行的飞行模拟几乎和飞行本身的历史一样。飞行模拟器除了在训练中使用外，还被用于研究，例如驾驶员-飞行器接口设计、子系统设计和开发以及操纵品质评估等。美国国家科学院（National Academy of Sciences）的一份经典报告确定了模拟的四个基本用途：（1）训练；（2）系统和设备设计、开发、测试和评估；（3）人的行为研究；（4）许可和认证（Jones、Hennessy和Deutsch，1985）。采用模拟机进行训练具有经济、省时、安全和高效性。 我们常说飞行模拟机的最大价值就是非常真实的复现飞行场景。当然，真实感不等于真的要发生，如：飞行却不耗燃油；撞地却不会受伤也不会真实的损坏机身；不断的重复一个飞行任务或者一个航段而不需要真的飞到那里；模拟白天黑夜、亮暗、不同能见度；对飞行训练可以复盘；可以在空中冻结飞行；无需冒着危险就可以体验故障和其他特情；在一天内可以飞到沙漠，水上，高山之巅，城市区域等任意指定区域；可以在一个小时内完成60次着舰训练。 我们应该认识到，模拟机的真正价值不是模拟的有多真实，而是基于高逼真的飞行模拟设计的地面飞行课程和训练科目 ( Caro, 1973 ) 。 在一份美国国家科学院的仿真分析报告中指出，“在许多应用场景中，过分强调了物理仿真的一致性，特别在飞行员训练领域”（Jones等人，1985年，第92页）。还有，“...对保真度的关注应该从硬件技术可行性转向在行为目标方面实现更大的有效性和效率。 2.2 如何评价逼真：客观评价和感知评价模拟机的客观逼真度是指飞行模拟器与飞机之间的物理对一致性，可以采用工程方法进行测量，并形成一个客观逼真度的评价指标。 感知逼真度是指飞行员对驾驶模拟机和飞机的主观感知之间的一致性，也指在模拟机和飞机中飞行员表现和控制策略的比较集。虚拟环境领域的“临场感”一词类似于飞行模拟器中的感知逼真度的概念。根据Sadowski和Stanney（2002）的研究，临场感并不一定意味着在虚拟环境中有更好的表现。同样，在飞行模拟机中，感知逼真度和飞行员表现之间的关系还没有建立起来。 “逼真度之战”在飞行仿真领域中已经持续了几十年。然而，很少有证据支持这样一种普遍的观点，即越逼真训练效能越好。20年前，美国国家科学院关于仿真的报告中对此问题给出了一个有说服力的总结： 2.3 飞行模拟机运动系统的发展自1918年以来，运动系统就已经用在训练模拟机中了，所提供的运动自由度从1到6，驱动方式各式各样，包括气动、电缆，级联万向架，大振幅梁，离心机，液压活塞和电动机等（Puig，Harris和Ricard，1978年）。 1927年-1929年间，发明Link训练器的Edwin Link受到他父亲管风琴工厂的启发，研制了支持俯仰，横摇和偏航运动的运动系统。1934年，美国陆军航空兵开始购买Link训练器（“蓝盒子”）；1937年，一架Link训练器交付给了美国航空。第2次世界大战期间，大概有10,000个Link训练器用于培训飞行员（Moroney＆Moroney，1999）。 自1970年代以来，计算能力的迅速提升极大的促进了飞行模拟机视景系统、复杂飞机模型以及运动系统的快速发展。 从大约1970年到2000年，基于“ Stewart”平台设计的六足液压系统，是6自由度运动系统的最常见形式。AGARD（1979; 1980）建议采用下面五个特性描述模拟器运动的动态能力：1.位移限制（Excursion limits） 2.描述功能（Describing function） 3.线性度和加速度噪声（Linearity and acceleration noise） 4.磁滞（Hysteresis） 5.动态阈值（Dynamic threshold） 尽管计算能力不断提高，运动平台仍无法实现飞行中的持续加速。要将飞行模拟器约束到建筑物里，运动提示必须具有有限的持续时间和振幅。因此，运动提示系统提供短暂的起始运动，然后洗出。即使是D级商用航空模拟机中使用的相对较大的运动平台，其线性位移范围也很有限，约为1-2米。除了飞行中最温和、微妙和短暂的机动（如大型商业客机的正常运行）外，模拟器中呈现的这些受约束的运动提示有时与飞机的实际运动有很大的偏离。 一种新型的模拟器，离心机的设计，如图2所示，可以维持高水平的加速度。主轴可以根据万向节方向不同的位置而变化。然而，离心机设计的扫描行为存在负迁移的可能性，因为受训者必须保持固定的头部位置，以避免前庭科里奥利（vestibular Coriolis）的定向障碍（Holly，2004）。战斗机飞行员要学会保持头部不动可能会有问题。  运动系统尽可能模拟大型商用飞机的正常运行的运动感。它们最不可能与战斗机和攻击机的高水平、持续加速相匹配。直升机的行动介于这两个极端之间。一些人声称，运动仿真有助于飞行员在不稳定的飞机上训练，如直升机（Kruk，2004；Magee，2004）。这一假设已经在模拟机内的训练性能上得到了证实，但还没有相关的模拟机-真机的技能迁移实证检验。 运动系统的时间特性很重要。传输延迟和提示异步一直是飞行模拟机设计中的主要问题（Puig等人，1978）。由于计算能力的进步，这些问题虽然仍然很重要，但已经减少了。一般认为传输延迟和异步必须限制在150或200毫秒以内。由于计算能力的原因，目前的模拟机能够小于100毫秒的延迟，这被认为低于人类用户的阈值（Tsang&Vidulich，2003）。 目前模拟器运动系统的发展趋势是从液压驱动转向机电驱动。电气系统的有效载荷必须达到18000 kg才能获得FAA D级认证。然而，一些消息来源声称机电系统在负载能力和速度方面存在挑战。目前，液压系统似乎是那些寻求有效载荷超过18000公斤或速度大于1米/秒的人的解决方案。 2.4 运动的分类：扰动与机动Gundry（1976）似乎是第一个对机动运动和扰动运动作出区分的人。机动运动发生在人机控制回路内，由驾驶员通过飞机控制装置引起的飞机运动变化引起。扰动运动发生在控制回路外，由湍流、机械故障或驾驶员意外输入飞机的类似扰动引起。 Gundry（1977）认为，模拟机的运动系统使飞行员能够更快、更准确地对干扰运动作出反应，从而在模拟机中获得更好的操作表现。另一方面，机动动作不提供警报功能，因为它是由飞行员启动的。因此，它可能无助于提高模拟机中的飞行员表现。然而，Gundry提出，对于不稳定的飞机，机动运动可能有助于飞行员的飞行控制。 根据Caro（1979）的研究，所有先前关于模拟器运动ToT（技能迁移）的研究都是在机动运动的情况下进行的，忽略了干扰运动的潜在训练价值。他认为，扰动运动可能在提醒飞行员出现湍流或飞机组件故障时发挥重要作用。Caro进一步区分了相关和不相关的扰动运动。相关的干扰运动是飞行员直接感兴趣的事件的结果，需要他或她立即注意，例如不对称的外挂物抛掷。不相关的干扰运动不会提醒飞行员注意干扰事件，但可能是有规律的，如发动机振动，也可能是不规则的，如湍流。Caro认为，运动可能不利于稳定飞机或机动运动，但运动系统可能有助于训练不稳定飞机（或在不稳定飞行模式下，如接近失速），或当干扰运动线索与训练目标相关的特定事件相关时。这个建议意味着它是一个教学设计决策，而不是一个工程决策，具体干扰线索应包括仿真里。简言之，Caro主张在模拟机运动和训练需求之间建立逻辑关系，并最终通过这些逻辑分析对训练效果进行实证检验。 Hosman和vandervaart（1981）的研究调查了视觉和运动信息对两种滚转控制（扰动任务和补偿跟踪任务）中飞行员性能的影响。三名合格的喷气运输机飞行员在一个带有三自由度运动系统（俯仰、滚转和升沉）和一个带有中央和外围显示器的视觉系统的模拟器中进行了测试。中央显示器模拟了一个人工地平线，外围显示器是由固定在飞行模拟器舱侧窗上的显示器提供的棋盘格图案。将一个准随机信号输入到模拟飞机的横摇姿态。在干扰条件下，滚转输入信号影响所有飞行员输入、两个显示系统和运动系统。在跟踪任务中，滚动输入信号仅影响中央显示器，从而产生滚动角度误差。在这两种跟踪任务中，外围显示和运动都提高了飞行员的控制性能。外围设备和动作提示的结合，导致了最好的表现。这些结果支持模拟机运动有助于提高飞行员在模拟器中的表现性能的结论。运动系统有助于飞行员通过增加飞行员增益来抵消干扰机动，而跟踪机动的好处是增加稳定性（减少相位滞后）。然而，这些结果并不能提供从模拟器到飞机的训练转移的证据。 2.5 人类如何感知运动？人体定向、头部稳定、姿势控制和运动需要有关重力矢量加上身体和头部运动的信息（Previc，2004）。空间定向是人类最基本和最原始的需求，我们已经进化出多种重叠的感觉机制来完成这项工作，即视觉、前庭和本体感觉（proprioceptive senses）（Young，2003）。周围的视觉系统，尤其是周边视网膜的视觉系统，是方向和运动知觉的主要信息来源。提供相干光流的宽视场视觉系统产生强烈的“矢量”感，即自我运动的错觉。Previc认为，环境视觉的三个主要感知影响因素是我们的自我运动感、我们在地球固定空间中的自我位置感以及我们对周围地形的倾斜和距离的感知。 与前庭系统不同，视觉信息在匀速运动中不随时间衰减。Previc认为，没有视觉输入，我们对方向和运动的感知开始崩溃。举个例子：蒙着眼睛走路时的转圈行为，追逐缓慢移动的目标时的速度估计不足，以及相对于目标倾斜时的方向判断错误重力。 模拟器视觉系统诱导错觉。在大视场的视觉系统中，错觉是相当深刻的。错觉还可以应用于大视场娱乐媒体，如IMAX剧院或头戴式VE显示设备。当坐在IMAX剧院或固定基座模拟器中时，前庭系统对大脑的输入是一个响亮而清晰的“静态，无运动”信号。这就产生了一种感官冲突的情况，即来自两个信息源的感官输入不再是一致和互补的。然而，解决方案并不是简单到通过运动系统提供运动线索，因为运动系统在位移上固有地受限，并且在大多数飞行机动中，能够仅提供起始运动提示，从而与视觉输入产生残余冲突。 前庭系统是身体定位和运动在正常的地面环境一个重要的信息来源。半规管和耳石在6个自由度内不断提供关于个体相对于重力、头部加速度和速度的方位信息。半规管相当敏感，感觉阈值约为0.1度/秒2（Young，2003）。同样，耳石可以检测到重力矢量的微小变化或5-10厘米/秒2的持续线性加速度，或大约2度的头部倾斜。前庭系统已经被完整地建模（Borah，Young，&Curry，1979），尽管存在很大的个体差异，前庭功能受到多传感器输入、工作负荷、注意力和其他因素的影响。Cheung（2004）认为，在0.1至5.0 Hz的频率范围内，半规管输入信号的活动与头部速度接近，这与行走、跑步和跳跃等自然运动相对应。 当暴露在不寻常的重力环境（如飞行）中时，定向感觉系统的准确性和可靠性会显著改变。前庭和本体感觉信息不再可靠。因此，获取可靠信息的所有责任都取决于视觉（Cheung，2004年）。 2.6 前庭知觉和运动系统许多研究人员试图基于前庭模型的设计模拟器运动系统（例如，Bussolari、Young和Lee，1988）。关于手动控制和运动提示算法改进的工程分析已经进行了多年，例如Baron（1988）；Guo，Cardullo，Telban、Houch和Kelly（2003年）；Hess（1990年）；Schroeder（1999年）。根据Rolfe和Staples（1986）的研究，商用飞机中的机动提示频率相对较低，通过视觉提供。然而，在临界稳定时，飞行员必须及时注意运动提示，运动平台提供的引导有助于飞行员保持控制的能力（Kaiser&Schroeder，2003）。 毫无疑问，前庭系统参与了飞行过程中的运动感知。然而，所有飞行员都必须学习的一个重要课程是忽略或抑制前庭感觉输入，并“相信你的仪器”。这就引出了一个问题：我们是否需要模拟运动来学习忽略前庭感觉？ 运动平台洗出算法对运动开始线索进行衰减，使平台保持在位移限值内。这样做，它们产生的加速度信号与飞机持续机动时发生的加速度信号相反。通常假设洗出运动低于飞行员的前庭阈值，但这一假设未经检验，对于任何剧烈的机动都可能是错误的。虽然已经有一些尝试来基于前庭模型定义飞行模拟器运动系统的设计，但是从前庭刺激到运动训练效果之间还没有明确的关系。 难怪飞行教员告诉飞行员学员要“相信你的仪表”（而不是你的前庭系统）。所有的军事飞行员都接受过不寻常的姿态训练，并接触过有关定向障碍和“倾斜”的信息。在飞行中，飞行员不可能利用前庭信息准确地了解自己的姿态或动态。 |
|
|
来自： ThinkfunQd > 《待分类》
