【毕业设计】模拟机飞行训练自动评估系统设计与实现.pdf

中图分类号：TP274 学科分类号：080902论文编号：1028704 14-S009硕士学位论文模拟机飞行训练自动评估系统设计与实现 学科、专业 研究方向 电路与系统数字系统设计与计算机应用 万方数据万方数据承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：_H 期：_万方数据万方数据南京航空航天大学硕士学位论文摘要民航飞行员模拟机训练以其可控、无破坏、经济和可靠等优点，成为航空公司训练飞行员 的最佳途径甚至是唯一途径。传统的模拟机训练评估方式主要依赖于教员现场对飞行员操纵行 为的观测，存在着主观性强、工作量大以及训练标准建立困难等问题。因此，研究与设计模拟 机飞行训练自动评估系统，对训练合格的飞行员以适应我国快速发展的民航系统具有重要的现 实意义。论文首先分析了模拟机飞行训练自动评估系统的功能需求和性能指标，结合数据库、网络 通信以及数据挖掘等技术，给出了模拟机飞行训练自动评估系统的整体结构及软件设计方案。针对人为获取飞行规则难度大和周期长等问题，重点研究了一种基于参数约简和免疫算法的规 则提取方法，实现了从大量飞行数据中自动提取飞行规则并构建评分标准库的功能，为系统实 现自动评分提供了依据。通过评分标准库中的四元式来解析飞行规则，并与模拟飞行训练数据 相比对，实现了对飞行员训练科目的识别和自动评分。基于训练课程成绩是以阶段、科目和任 务分层评价的过程，论文采用了层次分析法构建成绩评价模型，通过综合评估一次训练的所有 科目得分，实现对训练课程成绩的客观评定。最后，通过分析飞行员的历史成绩以及影响其成 绩的主要因素，论文研究了一种基于C4.5的决策树挖掘算法，实现了对飞行员成绩趋势的预测，以方便训练中心为飞行员科学地制定飞行训练计划。基于系统总体方案及各功能模块的详细设计，论文实现了模拟机飞行训练自动评估系统，该系统完成4个小时飞行数据的评分用时约为4分钟，剖面图显示时间约为7秒，飞行员成绩 预测的正确率达到87.5%,满足了系统性能要求。关键词：飞机模拟机，免疫算法，规则自动提取，自动评分，层次分析法，决策树，成绩预测万方数据模拟机飞行训练自动评估系统设计与实现ABSTRACTSimula tor tra ining is the be st e ve n the only wa y f or a irline pilot tra ining,due to its a dva nta g e s of controlla ble,no da ma g e,e conomic a nd re lia ble.Tra ditiona lly,simula tor tra ining e va lua tion ma inly re lie s on the f ie ld obse rva tions of pilot ma nipula tion by coa ch,which ha s strong subje ctivity,he a vy workloa d a nd dif f iculty in e sta blishing tra ining sta nda rds.The re f ore,it ha s importa nt pra ctica l sig nif ica nce to re se a rch a nd de sig n a utoma tic e va lua tion syste m f or pilot tra ining on f lig ht simula tor to tra in qua lif ie d pilots in orde r to a da pt to the ra pid de ve lopme nt of China civil a via tion syste m.Firstly,the the sis discusse s the f unctiona l re quire me nts a nd pe rf orma nce crite ria of the a utoma tic e va lua tion syste m f or pilot tra ining on f lig ht simula tor.And combine d with da ta ba se,ne twork communica tions a nd da ta mining te chnique s,it provide s the ove ra ll de sig n a nd sof twa re de sig n.Aiming a t the proble m of dif f iculty in obta ining f lig ht rule s a nd long time spe nt by huma ns,the the sis ma inly studie s a rule e xtra ction a pproa ch ba se d on pa ra me te r re duction a nd immune a lg orithm.Ba se d on this,it re a lize s the f unctions of a utoma tic e xtra ction of f lig ht rule s f rom the la rg e numbe r of f lig ht da ta a nd construction of scoring sta nda rd libra ry,which provide s the ba sis f or the re a liza tion of a utoma tic scoring.The n the the sis a na lyze s f lig ht rule s a ccording to the qua te rnion type in scoring sta nda rd libra ry a nd compa re s the m with f lig ht da ta to re a lize ide ntif ica tion a nd a utoma tic scoring of pilot tra ining.I n vie w of tha t tra ining course pe rf orma nce is e va lua te d on the ba sis of pha se,subje ct a nd ta sk hie ra rchy,the the sis a dopts AHP to construct pe rf orma nce e va lua tion mode l a nd a chie ve s obje ctive e va lua tion of the tra ining course by compre he nsive e va lua tion of a ll subje cts in a tra ining.Fina lly,a ccording to a na lysis of pilots history pe rf orma nce a nd the ma in f a ctors,the the sis studie s a de cision tre e a lg orithm ba se d on C4.5 to re a lize the pre diction of pilot pe rf orma nce tre nd,in orde r to f a cilita te the scie ntif ic f orma tion of tra ining pla ns f or pilots.Ba se d on the de ta ile d de sig n of ove ra ll sche me a nd e a ch f unctiona l module of the syste m,the the sis re a lize s the a utoma tic e va lua tion syste m f or pilot tra ining on f lig ht simula tor.The syste m re quire s a bout 4 minute s to e va lua te 4 hours f lig ht da ta,a bout 7 se conds to displa y prof ile a nd the corre ct ra te of pilot pe rf orma nce pre dicte d re a ching 87.5%,which me e t the pe rf orma nce crite ria of the syste m.Keywords:Flig ht Simula tor,I mmune Alg orithm,Automa tic Extra ction of Rule s,Automa tic Scoring,Ana lytic Hie ra rchy Proce ss,De cision Tre e,Pe rf orma nce Pre diction万方数据南京航空航天大学硕士学位论文目录第一章绪论.11.1 课题研究背景.11.2 国内外研究现状.11.3 课题研究内容与章节安排.3第二章自动评估系统结构与软件总体设计.52.1 自动评估系统结构.52.2 飞行训练大纲介绍.62.3 自动评估系统工作流程.72.4 自动评估系统软件需求分析.92.4.1 系统功能需求.92.4.2 系统性能需求.122.4.3 软件安全性需求.122.5 自动评估系统软件总体设计.122.5.1 软件功能结构.132.5.2 系统开发与运行环境.142.5.3 软件框架结构.142.6 本章小结.18第三章评分标准库的建立.193.1 评分标准库介绍.193.2 基于参数约简和免疫算法的飞行规则自动提取.203.2.1 免疫算法介绍.203.2.2 飞行规则自动提取问题分析.223.2.3 应用在飞行规则自动提取中的求解算法.233.2.4 算法实现与结果分析.253.3 评分标准库数据结构设计.283.4 评分标准库功能实现.303.5 本章小结.30第四章自动评分系统的设计与实现.314.1 模拟机训练评估原理.31ill万方数据模拟机飞行训练自动评估系统设计与实现4.1.1 评估科目分类.314.1.2 科目评分方式.324.2 自动评分系统软件设计.334.2.1 自动评分系统软件总体设计.334.2.2 数据预处理模块设计.344.2.3 评分模块设计.364.2.4 成绩综合评估模块设计.374.3 自动评分数据结构设计.434.4 自动评分功能实现.464.5 本章小结.47第五章基于决策树的飞行员成绩预测.485.1 概述.485.2 飞行员成绩预测模块设计.495.2.1 成绩预测模块总体设计.495.2.2 数据预处理.495.2.3 决策树的建立.525.2.4 决策树模型评估.565.3 成绩预测数据结构设计.575.4 成绩预测功能实现.585.5 本章小结.59第六章自动评估系统功能验证.606.1 验证环境和验证任务.606.2 验证结果.60第七章总结与展望.73参考文献.75致谢.78在学期间的研究成果及发表的学术论文.79万方数据南京航空航天大学硕士学位论文图表清单图2.1模拟机飞行训练自动评估系统的网络结构.5图2.2模拟机训练自动评估系统的工作流程.8图2.3系统用例图.11图2.4模拟机飞行训练自动评估系统功能结构.13图2.5模拟机飞行训练自动评估系统软件基本架构.15图2.6讲评客户端与评分服务器的通信模型.16图3.1抗体的表示方法.21图3.2飞行规则自动提取流程图.24图3.3正常起飞科目规则表示形式.27图3.4评分标准库管理界面.30图4.1模拟机评分系统结构框图.34图4.2数据预处理工作流程.35图4.3 评分流程.37图4.4成绩综合评估模型.38图4.5飞行阶段层权重设置界面.40图4.6 科目层权重设置界面.40图4.7信息配置运行界面.46图4.8评分软件运行界面.47图5.1飞行员成绩预测模块结构框图.49图5.2函数实现流程.54图5.3飞行成绩预测决策树模型.55图5.4解析决策树流程.56图5.5评估决策树流程.57图5.6成绩预测模块运行界面.59图5.7决策树评估运行界面.59图6.1 登录界面.61图6.2 系统主界面.61图6.3 系统配置运行界面.62图6.4用户信息管理运行界面.63图6.5角色信息管理运行界面.64v万方数据模拟机飞行训练自动评估系统设计与实现图6.6公司信息管理运行界面.65图6.7模拟机机型管理运行界面.66图6.8课程类型管理运行界面.67图6.9课程内容管理运行界面.68图6.10评分版本管理运行界面.69图6.11数据认领运行界面.70图6.12 重新评分运行界面.70图6.13 成绩回放运行界面.71图6.14 剖面图显示运行界面.71VI万方数据南京航空航天大学硕士学位论文表2.1波音737机型训练大纲部分内容.7表2.2客户端发送评分信息数据包格式.17表2.3服务器发送评分结果数据包格式.17表3.1未采用参数约简提取的规则与专家库3分规则比较.26表3.2参数约简后提取规则与专家库3分规则比较.27表3.3 评分标准库信息表(ta b_ite ms).28表 3.4 飞行数据表(ta b_f ltda ta).28表 3.5 飞行数据属性表(ta b_f ltda ta _a ttribute).29表 3.6 约简后参数表(ta b_rule pa ra m).29表3.7模拟量参数属性值表(ta b_a na log pa ra m).29表3.8 数字量参数属性值表(ta b_dig ita lpa ra m).29表4.1波音737系列飞机部分通用类科目和对应的评估参数.31表4.2波音737系列飞机部分故障类科目和对应的评估参数.32表4.3正常起飞评估参数在各个分数上的取值范围.33表44模拟机采集文件格式.34表4.5 权重比值明的含义.39表4.6飞行阶段层的判断矩阵A.40表 4.7 RI 值.42表 4.8 评分版本信息表(ta b_ve rsions).43表 4.9 标准项目 信息表(ta b_ve rite ms).44表 4.10 课程信息表(ta b_course inf o).44表 4.11 课程内容数据表(ta b_course subje ct).44表 4.12 相对权重信息表(ta b_we ig ht).44表 4.13 评分科目 细则表(ta b_f rde ta il_suMe ct).45表 4.14 评分结果表(ta b_re sult).45表 4.15 飞行记录信息表(ta b_simuse).45表 4.16 路径信息表(ta b_re cordroa d).46表5.1原始飞行员信息表.50表5.2数据清理后飞行员信息表.51表5.3预处理后最终飞行员信息表.52VII万方数据模拟机飞行训练自动评估系统设计与实现表 5.4 用户信息表(ta b_use rs).58表6.1系统验证环境说明表.60表 6.2 角色信息表(ta b_purid).63表 6.3 公司信息表(ta b_f irms).65表 6.4 模拟机机型信息表(ta b_simtype s).66表 6.5 课程类型信息表(ta b_outline).67VIII万方数据南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1.1 课题研究背景随着我国民航运输规模的不断扩大，航空安全问题更加引人关注。从2000年至今，我国民 航共发生5起重大事故，死亡人数约为380人。经分析，这5起飞行事故主要是由机组原因导致。2013年7月6日，韩亚航空214号班机，在美国旧金山国际机场降落过程中发生事故，经调查，该 事故主要也是由机组原因造成。而机组原因主要包括以下几个方面：机组操作不当，主要表 现为基本驾驶技术不高，偏差修正能力较弱；决断意识不高或者对需要决断的相关标准不是很 清楚，从而导致决断失误；紧急情况下不能保持冷静和清醒，缺乏变通能力；没有准备第二计 划等。因此，培养出合格的飞行员成为飞行训练中心的一个重要任务。目前，国际航空业对新飞行员培训以及老飞行员的复训都是在飞机模拟机上进行的。飞机 模拟机是根据实际飞行驾驶舱按照1:1规格设计的具有模拟真实飞行操纵感观的系统，模拟机 训练可以模拟雨、雪、冰雹等恶劣天气及发动机失效、大坡度盘旋等各种故障，并可反复使用 和操作，从而提高实际飞行中所必备的快速反应能力和安全操作的能力。因此，利用模拟机对 飞行员进行培训是训练中心普遍采用的一种既能保证安全，又可降低成本的有效手段。国际民 航组织和我国民航都对飞行员模拟机训练作出了明确的规定：国际民航组织规定，飞行员每年 必须到民航局认可的有关飞行训练机构参加模拟机复训I,检查合格后方可继续参加第二年飞行,不同岗位的飞行员还要参加不同类型的提高训练；中国民航局要求，在有条件的航空公司，每 年要对飞行员进行上、下半年的二次复训。针对不同的模拟机机型和岗位要求，各航空公司需 要根据民航局规定结合自身需求，制定相应的飞行训练大纲。在此基础上，合理安排飞行员训 练计划并依据训练大纲中的评估标准对飞行员的训练进行评估。而如何准确、高效地评估飞行 员在模拟机上的训练操作品质，成为各飞行训练中心亟待解决的问题。传统评估模拟机训练的方法主要是由评估人员（教员或者检查员）根据现场对飞行员操纵 行为的观测，对比训练大纲中的评估标准进行主观评估。这种方法易受评估人员主观意识左右，例如，可能会出现不同评估人员对同一飞行员评估的差异。因而，靠评估人员的主观评估很难 真正做到合理和公平，考虑到评估人员的主观因素和能力的差别，评估成绩的差异则会显得更 大。同时，在飞行训练过程中，评估人员还需要对飞行员应对恶劣天气的能力、故障处理能力、故障反应时间以及飞行动作完成情况等大量数据进行汇总，整个过程不能有丝毫松懈。可见，传统的评估模拟机训练过程中，评估人员需要承担高强度的工作。因此，建立一套飞行训练自 动评估系统4刀在评估飞行员训练操作品质上无疑是很有意义的。1.2 国内外研究现状万方数据模拟机飞行训练自动评估系统设计与实现在模拟机上训练与在真实飞机上进行飞行试验相比，具有可控性、无破坏性、经济性以及 可靠性等优点，从而成为飞行训练最佳途径甚至是唯一途径。随之产生的模拟机训练自动评估 问题也成为世界飞行训练行业的热点，在训练支持技术领域受到越来越多的关注。为此，国外 有很多航空公司和模拟机制造公司开发研制了相应的自动评估系统，来解决评估人员人为评估 飞行员训练品质所带来的的弊端。阿拉斯加航空公司采用了一种针对麦道系列模拟机的计算机评估系统，该系统可以对模拟 机训练过程中有量化评分标准的飞行科目进行评估和打分，同时生成飞行科目成绩报表。英国 FDC 公司出品的 CADS 系统(Compute r Aide d De brie f ing Syste m)SimAuthor 公司的 Flig htViz系统以及加拿大CAE公司旗下的Flig htsca pe公司的SOQA(Simula tor Ope ra tions Qua lity Assura nce)系统侧重于通过录制模拟机驾驶舱中飞行员操作的全过程，并对模拟机采集下来的相 关飞行数据进行仿真，实现整个训练过程的录像播放和仿真结果回放的目的。在国内，主要的航空公司包括国航、南航和东航，他们大多都有自己的飞行员训练中心，但是训练中心的模拟机设备都是靠国外引进。据了解，引进一台波音737的模拟机大约需要3000 万美元。由此可见，训练中心培养飞行员的代价是昂贵的，尽管引进国外模拟机的同时可以购 买配套的自动评估系统软件，然而，这些软件价格也都比较高。因此，现在国内许多飞行训练 中心开始与高校合作，研究自己的飞行训练自动评估系统软件。但是，目前这些研究主要针对 军用飞机。空军工程大学开发了飞行训练成绩评定系统。该系统由领域专家来确定各个飞行科目相关 的飞行参数以及参数的标准范围，通过对比飞行数据中飞行参数值与标准值的差距完成科目成 绩的评定。该系统还具有飞行成绩管理、成绩查询、结果打印以及成绩统计等功能，是一个比 较完整的系统四。中国人民解放军空军航空大学提出了一种飞行训练成绩评估模型，该模型针对飞行过程中 的起飞、爬升以及着陆等阶段分别设置了相应的飞行参数以及参数值合理范围来评估飞行员对 各个飞行参数操作的成绩。采用序关系分析法确定阶段下各个飞行参数的权重，通过对飞行参 数成绩的加权，评定阶段得分口，总之，现阶段的一些研究可以在一定程度上实现飞行训练操作品质的自动评估，避免了人 工评估的缺陷。然而，国内对民用飞机上自动评估系统的研究还处在一个摸索阶段。应用在军 用飞机上的自动评估系统也存在一定的不足，如，人工获取飞行科目相关的飞行参数以及参数 的标准范围，具有一定的主观性且周期比较长，选取的参数量也不能完全反应飞行员在飞行过 程中所体现的安全性操作以及非正常应急处理等品质；缺少飞行员成绩预测功能，训练中心无 法全面认识飞行员的发展趋势。因此，建立一个科学的、全面的评估模型，研究一种切实可行 的客观评价方法是本课题的主要目的。2万方数据南京航空航天大学硕士学位论文13课题研究内容与章节安排本课题依托南方航空公司下珠海翔翼飞行训练中心提出的需求，设计和实现适用于波音737 机型的模拟机飞行训练自动评估系统软件。该软件要求具有基本信息管理、评分标准库管理、训练课程的设置、自动评分、评分成绩管理以及评分成绩挖掘等功能，主要研究内容如下。（1）系统结构与软件总体设计通过分析飞行训练自动评估系统的工作流程以及需求，研究系统的整体结构及软件设计方 案。模拟机飞行训练主要是由教员带领飞行员在模拟机上进行，训练结束后本系统需要对此次 训练自动评分，当教员到讲评室中对本次训练讲评时，系统应该提供飞行成绩查询和驾驶舱录 像及模拟机飞行轨迹回放功能，以辅助教员完成此次训练的讲评。因此，模拟机飞行训练自动 评估系统应该包括一个负责记录飞行数据与飞行录像并承担自动评分任务的评分服务器，一个 负责管理用户所有诸如基本信息、评分标准库、训练课程以及飞行成绩等信息的讲评客户端，以及一个用于存储训练课程以及飞行员成绩等信息的数据库服务器。（2）评分标准库建立评分标准库是客观评估飞行员操作品质的重要依据，它能体现飞行员在训练过程中操作不 合理的部分，具有引导飞行员向何处努力的作用。目前，训练中心的评分标准库主要由专家根 据训练大纲的要求人为制定。为了解决专家人工量化大纲中飞行规则难度大，标准库建立周期 长等问题，需要研究一种飞行规则自动提取方法，旨在创建一个适用于模拟机自动评分模块的 量化的评分标准库。（3）自动评分系统的设计与实现自动评分系统依赖于评分标准库与飞行数据，要求能够客观评估飞行员在模拟机训练中的 操作品质。因此，需要建立一个自动评分模型，通过对比飞行数据与评分标准，识别一次训练 中的所有科目并获得科目得分；设计合理的成绩综合模型，通过综合一次训练中所有科目得分,实现训练课程成绩的客观评定。由于从模拟机到讲评室大约有5分钟的路程，而教员到讲评室 的时候，需要看到本次训练的成绩。因此，系统从获得模拟机飞行数据到完成自动评分要求在 5分钟以内。（4）评分成绩挖掘统计飞行员某段时间内的飞行成绩数据，通过研究影响飞行员成绩的因素，建立合适的成 绩预测模型，对飞行员未来成绩做出预测，以便训练中心对飞行员制定科学的训练计划，成绩 预测正确率要求在75%以上。依据课题所涉及的主要研究工作，论文各章节内容安排如下。第一章介绍课题的研究背景，总结模拟机训练自动评估系统的国内外发展现状以及在模拟 万方数据模拟机飞行训练自动评估系统设计与实现机训练中的应用，阐述论文的主要研究内容和章节安排。第二章介绍模拟机飞行训练自动评估系统的硬件组成和系统需求，通过综合分析系统的功 能需求、性能要求以及安全性需求，给出软件的总体设计方案。第三章主要研究模拟机评分标准库的建立。介绍评分标准库的组成，通过分析飞行规则获 取的现状，研究一种基于参数约简和免疫算法的飞行规则自动提取方法，并以此为依据构建评 分标准库，给出该模块相关的数据库设计和运行结果。第四章主要研究模拟机自动评分系统的设计与实现。介绍评估科目的分类和科目的评分方 式，详细阐述评分系统中各个模块的设计和实现过程。第五章主要研究飞行员成绩的预测。介绍几种典型的数据挖掘算法，通过分析决策树算法,建立基于决策树的飞行员成绩预测模型，根据该模型实现飞行员成绩预测。第六章自动评估系统功能验证。基于Windows系统对软件功能进行验证，给出验证结果。第七章总结和展望。4万方数据南京航空航天大学硕士学位论文第二章自动评估系统结构与软件总体设计模拟机飞行训练自动评估系统是一套集数据库、网络通信、多线程以及数据挖掘等技术为 一体的客观评估飞行员在模拟机上操作品质的系统。该系统具有信息管理、评分标准库建立、训练课程设置、品质评估、评分成绩管理以及评分成绩挖掘等功能。本章主要介绍模拟机飞行 训自动评估系统的系统结构，阐述飞行训练大纲的组成以及飞行员在模拟机上训练的过程，根 据系统需求给出软件的总体设计方案。2.1 自动评估系统结构飞行员在模拟机上进行训练时，需要根据本次训练安排，操作模拟机飞行并能够对教员设 置的故障及恶劣天气做出应对措施。训练结束后，通过在讲评客户端上查看此次训练成绩、驾 驶舱录像及模拟机飞行轨迹，完成对此次训练操作品质的评估。模拟机飞行训练自动评估系统 依赖于飞行员的模拟飞行数据与评分标准库，主要由模拟机端、仿真工作站、评分服务器、数 据库服务器以及讲评客户端构成，其网络结构如图2.1所示。模拟机端讲评客户端 讲评客户端 讲评客户端 讲评客户端图2.1模拟机飞行训练自动评估系统的网络结构模拟机端由教员操纵平台和模拟机构成。模拟机是根据实际飞行驾驶舱按照1：1规格设计 的具有模拟真实飞行操纵感观的系统，是飞行员操作驾驶的主体，主要由模拟座舱、运动系统、视景系统以及数据采集系统组成。其中，模拟座舱内部包括模拟真实飞机的各种操纵装置、仪5 万方数据模拟机飞行训练自动评估系统设计与实现表和信号显示设备等，它们的工作、指示情况也与真实飞机几乎相同；运动系统主要模拟飞机 的姿态及速度变化，以使飞行员具有真实飞机上的运动感；视景系统用来模拟飞行员所看到的 座舱外部的景象，从而使飞行员判断出飞机的姿态、位置、高度、速度以及天气等情况；数据 采集系统主要采集飞行参数数据、驾驶舱中的音频和视频；教员操纵台为模拟机中教员可以控 制模拟机飞行状态的设备，教员可以通过操纵台控制训练的开始和结束，期间可以根据训练课 程安排施加多种故障让飞行员排除，以提高飞行员排除故障的能力，也可以在操纵台上改变天 气状况，从而训练飞行员在恶劣的天气状况下安全的操作飞行。仿真工作站通过三维仿真模型（包括飞行模型、机场模型和仪表模型等）、模拟机飞行数 据以及仿真驱动程序再现飞机位置、飞行姿态、仪表数值和各种操纵杆的状态等三维图形且可 以实现与驾驶舱中音频和视频的同步。评分服务器上运行自动评分软件，主要负责记录模拟机上采集的飞行数据与驾驶舱中的录 像，并承担自动评分任务。数据库服务器为模拟机飞行训练自动评估系统的数据中心，用来存储飞行员基本信息、评分标准库信息、训练课程信息、飞行数据以及评分结果等。讲评客户端为教员讲评用机，主要完成基本信息管理、评分标准库的建立、训练课程的设 置、向评分服务器发送评分请求完成重新评分、评分成绩查询、视频回放、飞行过程三维图形 再现以及飞行成绩统计与预测等。2.2 飞行训练大纲介绍飞行训练大纲是检查飞行训练效果并确定飞行员操作品质的基本标准，大纲的制定主要依 照民航局的训练管理规定以及航空公司自己的操作训练标准，一般包括飞行员需要完成的飞行 阶段（如滑出、起飞、初始爬升、爬升、巡航、下降、进近和着陆等），在各阶段中需要完成的 具体飞行训练科目以及评判该科目的飞行规则等。由于训练中心评分采用5分制，科目得分可 能为5分、4分、3分和2分（2分为不及格分，得分最低为2分）。因此，对应的科目飞行规 则分为5分、4分和3分规则。在自动评分时，若满足其中一个规则，科目得分即为该规则下 的分数，当所有规则都不满足时，科目得分为不及格分2分。飞行训练大纲是训练中心为飞行 员拟定训练计划，设置训练课程的重要依据，以波音737机型的训练大纲为例，其内容如表2.1 所示，由于此部分涉及保密问题，因此，只列出了起飞阶段下的正常起飞科目及其飞行规则。6万方数据南京航空航天大学硕士学位论文表2.1波音737机型训练大纲部分内容阶段名称科目名称科目飞行规则起飞正常起飞5分规则；-8.2偏离跑道中心线的距离8.2,左油门杆位置31,右油门杆位置31,真航向与跑道真航向夹角1.5,左起落架空地开关=1,TOGA（起飞/复飞）电门=1,0左、右发动机N1参数差的绝对值14分规则：-24.6偏离跑道中心线的距离24.6,左油门杆位置31,右油门杆位置31,真航向与跑道真航向夹角2,左起落架空地开关=1,TOGA（起飞/复飞）电门=1,1左、右发动机N1参数差的绝对值23分规则：-32.8偏离跑道中心线的距离32.8,左油门杆位置31,右油门杆位置31,真航向与跑道真航向夹角3,左起落架空地开关=1,TOGA（起飞/复飞）电门=1,左、右发动机N1参数差的绝对值2侧风起飞5分规则：4分规则：3分规则；2.3 自动评估系统工作流程模拟机训练的参与人员一般包括教员和参训的飞行员。参训的飞行员通常为两名，分为主 飞和次飞。主飞飞行员位于主驾驶座，是飞行过程中的主要操作者与决策者；次飞飞行员位于 副驾驶座，在飞行过程中辅助主飞飞行员完成各个操作。主飞飞行员和次飞飞行员构成一个机 组。机组人员在模拟机上的训练按照教员安排的课程进行，课程内容主要根据训练中心对他们 的训练安排，从训练大纲中选取相应的飞行科目组成。模拟机飞行训练自动评估系统的工作流程如图2.2所示。机组人员在模拟飞行驾驶之前，需要在准备室中根据教员的指导进行理论和操作知识的关 键点复习，准备完毕后，教员带领机组人员进入模拟机开始训练。7万方数据模拟机飞行训练自动评估系统设计与实现图2.2模拟机训练自动评估系统的工作流程机组人员准备就绪后，教员在教员操作台上输入自己的口令和密码以及机组人员的身份编号,当启动“开始”按钮时，模拟机训练开始且日志文件开始记录模拟机的工作状态。机组人员 8万方数据南京航空航天大学硕士学位论文根据教员安排的训练课程，完成该场训练中相应的科目操作，并能够对教员通过操纵台设定的 在实际飞行过程中可能出现的故障及雨、雪、雾、冰雹等恶劣天气做出应对措施。同时，模拟 机开始采集机组人员操作的飞行数据以及模拟机驾驶舱中的音频和视频信号，并以计算机可识 别的文件方式保存在评分服务器上。另一方面，评分服务器上的评分软件在模拟机启动采集时 开始监测日志文件中是否出现模拟机工作结束状态。教员通过教员操纵台启动“结束”按钮，结束本次训练，同时，模拟机停止采集数据并向日 志文件中写入“Stoppe d”结束标志。此时，评分软件监测到日志文件中的“Stoppe d”结束标志，开 始处理服务器上的飞行数据文件，对比飞行数据与标准库中的飞行标准，识别飞行员本次训练 的科目并对其进行评估打分，通过综合评估本次训练中的所有科目获得此次训练课程的客观成 绩，并将评分结果以及对应的飞行数据文件路径、驾驶舱中的录像文件路径保存到数据库中。而在模拟机停止采集后，仿真工作站也可以根据飞行数据对模拟机飞行轨迹进行仿真。训练结束后，教员带领机组人员到讲评室对此次训练进行讲评。在讲评过程中，教员可以 通过讲评客户端软件的回放功能查询机组人员在本次训练中各个操作科目的得分并且可以打印 评分结果。驾驶舱中的录像以及仿真工作站上产生的飞行仿真图形可以再现整个飞行训练过程,结合评分结果，教员可以有针对性的对飞行训练过程中出现的问题进行讲解。当需要更换评分规则对本次训练重新评分时，教员通过讲评客户端软件向评分服务器发送 评分请求，从而实现对该次训练成绩的重新评定，讲评客户端与评分服务器的通信过程将在2.5 节详细介绍。在经过一段时间的训练后，教员可以通过讲评客户端软件的成绩挖掘功能，统计该段时间 中飞行员的飞行成绩，并且能够通过历史成绩对群体的未来发展趋势做出预测。2.4 自动评估系统软件需求分析本课题设计的模拟机飞行训练自动评估系统软件，能够为飞行员训练中心提供信息管理及 评估飞行员操纵品质的功能，具体来说，它包括以下功能需求、性能需求以及安全性需求。2.4.1 系统功能需求(1)基本信息管理模拟机飞行训练自动评估系统需要管理大量的信息，如用户、客户公司、角色以及机型等 信息，这些信息对于系统的其它功能是不可或缺的，是整个系统赖以运行的基础。该部分主要 包括以下几个子功能：用户信息管理、角色信息管理、公司信息管理以及模拟机机型管埋。用 户信息管理主要提供具有特定权限的人员维护用户的基本信息，如设置用户权限、用户姓名、性别、生日、所属公司、用户登录口令等；本系统定义的用户主要扮演如下角色：管理员、教 员以及学员等，不同角色的用户使用本系统时应呈现相应的界面内容并且对界面上菜单的操作 万方数据模拟机飞行训练自动评估系统设计与实现也应受到控制；公司信息管理主要管理和维护训练中心的客户公司基本信息；模拟机机型管理 主要管理训练中心现有的模拟机机型信息。(2)训练课程设置训练课程设置主要包括课程类型管理和课程内容管理。课程类型管理主要功能是管理和维 护模拟机训练过程中所有的训练类型，例如，教员升检查员、技术排查和普通学员训练等；课 程内容管理即根据评分标准库中的训练大纲，为飞行员制定训练计划，安排每次训练内容。(3)评分标准库管理该部分主要包括评分标准库建立和评分版本管理。根据飞行训练中心的训练大纲，研究一 种飞行规则自动提取方法，用于构建评分标准库，以解决专家人工量化大纲中飞行规则难度大、标准库建立周期长等问题；评分版本管理即对某航空公司基于某机型设定的评分标准库生成规 则版本，其实质就是将评分标准库中已形成完整体系的最新规则备份并标注版本号，再存入数 据库中。(4)品质评估建立一个自动评分的模型，将一次训练的飞行数据和评分标准库中的飞行科目作为自动评 分模块的输入信息，识别出本次训练所操作的科目并评定科目得分；设计合理的成绩综合模型，通过综合一次训练中所有科目评分结果，得出训练课程的客观成绩。若教员想更换评分标准，可以向评分模块发送评分请求，完成重新评分。(5)评分成绩回放成绩回放主要包括产生成绩报表及飞行剖面图，回放飞行过程中飞行员在驾驶舱中的操作 视频以及模拟机飞行轨迹的三维仿真图，以便教员全面了解飞行员的操作品质，对飞行员今后 的训练更有针对性。(6)评分成绩挖掘统计飞行员的历史成绩并可以打印和导出。通过研究影响飞行员成绩的因素，建立合适的 成绩预测模型，根据飞行员的历史成绩对其未来成绩做出预测。通过对上述功能需求的分析，可以得到系统用例图如图2.3所示，该图描述了软件应具备 的功能模块以及这些模块之间的调用关系，以帮助软件开发者以一种可视化的方式理解