基于動(dòng)畫技術(shù)的浮空器飛行預(yù)警仿真研究

施進(jìn)發(fā)，宗思生，于永玲

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450015)

基于動(dòng)畫技術(shù)的浮空器飛行預(yù)警仿真研究

施進(jìn)發(fā)，宗思生，于永玲

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450015)

隨著民用航空產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，航空資源的調(diào)度、飛行線路的預(yù)警優(yōu)化等一系列問題需要納入統(tǒng)一、集成的規(guī)劃中。借助于動(dòng)畫仿真技術(shù)，研究浮空器空域環(huán)境信息集成及仿真預(yù)警。收集分析航空資源相關(guān)信息，基于動(dòng)畫技術(shù)，構(gòu)建浮空器空域環(huán)境管理集成信息仿真模型，采用空間圖形軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)搭建浮空器、空域環(huán)境信息庫(kù)，并給出支持該模型的方法、手段。在此基礎(chǔ)上，分析仿真接口技術(shù)，探討航空資源的仿真優(yōu)化方法。

浮空器；飛行預(yù)警；仿真；動(dòng)漫技術(shù)

一、引 言

航空產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)十二五規(guī)劃的重要科技、產(chǎn)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域，相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)信息化建設(shè)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要研究?jī)?nèi)容，而動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)作為十二五規(guī)劃的重要文化發(fā)展產(chǎn)業(yè)，多產(chǎn)業(yè)交叉集成的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展是值得深入重點(diǎn)研究的問題。展望十二五規(guī)劃發(fā)展航空產(chǎn)業(yè)和動(dòng)漫文化產(chǎn)業(yè)的前景，及開放通用航空領(lǐng)域的政策，分析航空產(chǎn)業(yè)飛行器及相應(yīng)空域、環(huán)境及預(yù)警管理的現(xiàn)狀及未來需求，探討動(dòng)漫文化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，研究產(chǎn)業(yè)集成具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義[1] [2]。

通用航空器包括直升機(jī)、公務(wù)機(jī)、中小型飛機(jī)、滑翔機(jī)、三角翼、滑翔傘、動(dòng)力傘、熱氣球、飛艇、無人機(jī)、航空模型、空飄氣球、私人飛機(jī)等。這些通用航空器只能在低空飛行。目前,美國(guó)有20多萬架通用航空器,占整體航空器的93%左右。我國(guó)航空產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，在規(guī)劃以區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)分類劃設(shè)空域的同時(shí)，還將考慮低空航線劃設(shè)的需要，開放低空飛行領(lǐng)域，以解決中小城市之間的穿梭飛行。2011年至2015年,在全國(guó)推廣改革試點(diǎn), 2015年至2020年，建成相對(duì)完善的低空管理體制,讓平常百姓能享受通用航空的便利[1] [3]。

隨著民用航空產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，航空資源的調(diào)度、站點(diǎn)的配置、空域領(lǐng)域線路的預(yù)警優(yōu)化等一系列問題需要納入統(tǒng)一、集成的規(guī)劃中，而目前民用航空產(chǎn)業(yè)在規(guī)劃此類問題過程中，存在著多個(gè)相互“孤立”的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)之間無法交互。此類研究主要存在如下具體問題：(1)集成建模多數(shù)是產(chǎn)業(yè)內(nèi)信息化系統(tǒng)集成，很少涉及產(chǎn)業(yè)間信息化技術(shù)集成問題，即使涉及跨產(chǎn)業(yè)間信息化集成，也多為非信息融合性集成；(2)多數(shù)研究以確定性規(guī)劃目標(biāo)為前提，較少考慮隨機(jī)規(guī)劃目標(biāo)下的集成問題；(3)規(guī)劃算法設(shè)計(jì)和求解技術(shù)比較單一，算法設(shè)計(jì)復(fù)雜應(yīng)用難度較大，智能預(yù)警仿真方法的集成應(yīng)用方面研究較少[4] [5] [6]。

本文針對(duì)航空浮空器空域環(huán)境預(yù)警優(yōu)化的復(fù)雜性問題研究，基于動(dòng)漫仿真技術(shù)，研究了浮空器空域環(huán)境的動(dòng)漫信息集成及仿真預(yù)警等相關(guān)內(nèi)容。

二、研究目標(biāo)及內(nèi)容

1.研究目標(biāo)

通過研究的開展達(dá)成以下目標(biāo)：(1)揭示航空產(chǎn)業(yè)、動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)信息集成的體系結(jié)構(gòu)、方法；(2)利用動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)技術(shù)，從航空產(chǎn)業(yè)浮空器、空域資源、環(huán)境的動(dòng)漫信息集成的角度，提出了信息集成模型和預(yù)警仿真模型、方法，促進(jìn)航空管理水平的提升，進(jìn)一步充實(shí)信息化集成理論基礎(chǔ)，普及航空產(chǎn)業(yè)知識(shí)，拓寬動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)題材范疇。

2.研究?jī)?nèi)容

研究包含以下幾方面內(nèi)容，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

(1)航空產(chǎn)業(yè)、動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)發(fā)展、集成研究

該部分對(duì)以下三個(gè)問題展開了探討：1)航空產(chǎn)業(yè)信息化集成的理論及動(dòng)漫技術(shù)的應(yīng)用模式、方法；2)產(chǎn)業(yè)信息化集成的體系結(jié)構(gòu)、方法；3)航空產(chǎn)業(yè)浮空器空域預(yù)警動(dòng)漫信息集成仿真理論框架。

(2)信息集成模型研究

該部分對(duì)以下三個(gè)問題展開了探討：1)浮空器、空域資源環(huán)境數(shù)據(jù)信息原型；2)航空浮空器、空域資源環(huán)境信息庫(kù)；3)信息集成仿真模型。

(3)集成模型的信息服務(wù)方法研究

該部分對(duì)以下三個(gè)問題展開了探討：1)動(dòng)漫信息集成仿真接口模式、方法；2)信息檢索服務(wù)驅(qū)動(dòng)模式；3)動(dòng)態(tài)顯示服務(wù)驅(qū)動(dòng)模式。

圖1 研究?jī)?nèi)容結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖

(4)預(yù)警仿真研究

該部分對(duì)以下兩個(gè)部分展開了探討：1)預(yù)警信息模型；2)預(yù)警仿真動(dòng)漫信息模型、仿真方法。

三、研究方案和技術(shù)路線

1．采取的研究方案

所采用的研究方案說明如下：

(1)關(guān)于航空產(chǎn)業(yè)、動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)發(fā)展、集成研究

首先，對(duì)航空產(chǎn)業(yè)信息化、動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)，跨產(chǎn)業(yè)間信息集成的理論、方法、架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)所開展的研究及成果，進(jìn)行深入調(diào)研；其次，以航空產(chǎn)業(yè)浮空器空域預(yù)警為對(duì)象，基于動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)技術(shù)，分析產(chǎn)業(yè)信息化集成的體系結(jié)構(gòu)，探討信息集成的理論、方法；最后，對(duì)航空產(chǎn)業(yè)浮空器空域預(yù)警動(dòng)漫信息相關(guān)的集成問題進(jìn)行探討，論證集成的方法、架構(gòu)，提出航空產(chǎn)業(yè)浮空器空域預(yù)警動(dòng)漫信息集成仿真理論框架。

(2)關(guān)于信息集成仿真模型研究

首先，通過航空產(chǎn)業(yè)、動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)實(shí)地調(diào)研，收集分析相關(guān)數(shù)據(jù)信息，形成浮空器、空域資源環(huán)境的原始信息模式，構(gòu)建其仿真動(dòng)漫信息原型；其次，抽象規(guī)范統(tǒng)一浮空器和空域資源環(huán)境信息、幾何模型，相應(yīng)設(shè)計(jì)浮空器、空域資源環(huán)境動(dòng)漫仿真信息模型，設(shè)計(jì)模型信息歸檔結(jié)構(gòu)；最后，采用空間圖形軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)構(gòu)建航空浮空器、空域資源環(huán)境信息庫(kù)，構(gòu)造浮空器信息、空域資源環(huán)境信息、動(dòng)漫信息關(guān)聯(lián)信息模型，進(jìn)而構(gòu)建動(dòng)漫信息集成仿真模型。

(3)關(guān)于集成仿真模型的信息服務(wù)方法研究

首先，探討信息集成的關(guān)鍵技術(shù)，動(dòng)漫信息接口技術(shù)，基于原型航空管理系統(tǒng)和動(dòng)漫技術(shù)軟件，探討動(dòng)漫信息集成接口的切入點(diǎn)、模式、方法；其次，針對(duì)集成信息的檢索功能，探討信息檢索開發(fā)方法，規(guī)范信息檢索功能，構(gòu)建信息檢索服務(wù)模式；最后，針對(duì)集成仿真信息的展示功能，設(shè)計(jì)動(dòng)漫仿真信息展示的開發(fā)方法，規(guī)范信息展示功能，構(gòu)建動(dòng)態(tài)顯示服務(wù)模式。

(4)關(guān)于預(yù)警仿真研究

首先，探討浮空器、空域資源環(huán)境之間的關(guān)系，提出了關(guān)聯(lián)約束臨界預(yù)警目標(biāo)，分析預(yù)警約束指標(biāo)、參數(shù)，給出預(yù)警信息模型；其次，在動(dòng)漫信息集成模型基礎(chǔ)上，利用預(yù)警信息模型，分析動(dòng)漫仿真信息參照關(guān)系，給出預(yù)警動(dòng)漫信息仿真模型，利用動(dòng)漫技術(shù)，給出預(yù)警仿真的方法，探討基于預(yù)警仿真的浮空器、空域資源環(huán)境的優(yōu)化方法。

2.技術(shù)路線

所采用的技術(shù)路線見圖2，文字?jǐn)⑹雎浴?/p>

圖2 研究方案、技術(shù)路線示意圖

四、關(guān)鍵問題

研究解決了以下關(guān)鍵問題：

1.浮空器、空域資源環(huán)境動(dòng)漫信息集成仿真建模

解決了構(gòu)建浮空器、空域資源環(huán)境要素幾何、信息模型及動(dòng)漫仿真信息模型，給出了浮空器、空域資源環(huán)境關(guān)聯(lián)信息模型，進(jìn)而構(gòu)建了動(dòng)漫信息集成仿真模型。

2.基于集成模型的信息服務(wù)方法

分析了信息集成、仿真模型功能需求，解決了動(dòng)漫信息集成仿真接口功能和技術(shù)、方法，探討了信息檢索開發(fā)方法，規(guī)范信息檢索功能，構(gòu)建信息檢索服務(wù)模式，設(shè)計(jì)動(dòng)漫展示的開發(fā)方法，構(gòu)建動(dòng)態(tài)顯示服務(wù)模式。

3.預(yù)警仿真技術(shù)、方法

分析了浮空器、空域資源環(huán)境預(yù)警約束指標(biāo)、參數(shù)，基于動(dòng)漫技術(shù)支持，在接口技術(shù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建了預(yù)警仿真模型，提出了問題解決方法。

五、結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)我國(guó)航空產(chǎn)業(yè)浮空器空域預(yù)警決策的實(shí)際狀況建立集成仿真模型，基于真正的需求和客觀存在的問題，融合多種技術(shù)尋求有效的預(yù)警決策仿真方法。研究提出的航空浮空器空域環(huán)境管理與動(dòng)漫技術(shù)集成方法，浮空器仿真模型，及其研究方案、問題解決方法思路等研究成果有利于推進(jìn)航空產(chǎn)業(yè)信息化建設(shè)，提升航空產(chǎn)業(yè)資源的管理水平，推動(dòng)航空技術(shù)的發(fā)展、普及，擴(kuò)展動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)的題材范圍，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，豐富產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域融合、交叉集成的理論、方法，研究成果具有重要的研究意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在航空及動(dòng)漫和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用前景廣闊。

[1] 趙民合.關(guān)于我國(guó)民航運(yùn)輸和機(jī)場(chǎng)建設(shè)的認(rèn)識(shí)與思考[J] .中國(guó)民用航空,2010,(4)：31-33.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要[Z] .人民日?qǐng)?bào),2011-03-07.

[3] 車 彤.美國(guó)私人飛機(jī)飛行安全管理研究[A] .中國(guó)通用航空發(fā)展研討會(huì)論文集[C] .2011.

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[5] ZIPFELPH. Modeling and Simulation of Aero-space Vehicle Dynamic[M] . Virginia:American Institute o f Aeronautics and Astronautics,2007.

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責(zé)任編校：張 靜，羅 紅

2015-05-26

國(guó)家自然科學(xué)基金(71371172)；航空科學(xué)基金(20122655023)；河南省科技創(chuàng)新人才(114200510003)

施進(jìn)發(fā)，男，江蘇啟東人，教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造。

V355.2

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1007-9734(2015)04-0039-03