基于VR技術(shù)的民航機場機坪可視化管理系統(tǒng)探討

◆余紀毅澤 李廷元

基于VR技術(shù)的民航機場機坪可視化管理系統(tǒng)探討

◆余紀毅澤 李廷元

（中國民用航空飛行學院計算機學院 四川 618300）

為了提高機坪管制移交現(xiàn)狀下機坪運行效率以及管制人員情景意識訓練，提出一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維模型機坪場面可視化管理系統(tǒng)，集運行情況動態(tài)顯示、仿真和模擬訓練一體以適應對機坪區(qū)管理的需求。本文通過對機坪現(xiàn)狀需求分析，提出了相適應的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及應用，并給出了系統(tǒng)設(shè)計的實現(xiàn)方法，對未來機坪區(qū)運行管理系統(tǒng)的實現(xiàn)有很好的借鑒意義。

機坪運行管理系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；可視化

1 引言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及人們對模擬環(huán)境操作的要求越來越高，虛擬現(xiàn)實作為計算機領(lǐng)域新興的一種技術(shù)，在全球各個行業(yè)都得到了廣泛的發(fā)展和應用，在民航業(yè)的發(fā)展中也得到普及和應用。在該技術(shù)的應用過程中，操作者可以做到身臨其境地去了解工作情境并可以模擬地學習和實踐一些在現(xiàn)實中難以完成的特殊情境的操作。

機坪是機場中一塊指定的特殊區(qū)域，用于供進離場的航空器完成停機位的進出滑行，同時為飛機上下旅客與貨物、飛機的加油與維修保障等作業(yè)的完成提供場地。隨著我國民航運輸業(yè)的飛速發(fā)展，早在2013年民航局就下發(fā)了《關(guān)于推進航空器機坪運行管理移交機場管理機構(gòu)工作的通知》，提出了由于機場規(guī)模擴大，航空器增多，機坪負荷過大等問題，需要將機坪管制權(quán)力由空管移交機場管理并設(shè)置機坪管制塔臺的做法。但相比較歐美國家而言，我國機坪管制移交實現(xiàn)較晚，且目前大部分機場仍然處于試驗階段。從當前我國機坪管制情況來看，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)投入到機坪區(qū)使用，是一個前所未有的機遇。機坪管制工作中最重要的就是機坪管制員能熟悉了解并看到整個機坪場面的情況，在腦海中建立相應的情景意識，判斷機坪區(qū)內(nèi)航空器動態(tài)，以及相關(guān)周圍物體的相對情況。

南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司[1]分析了目前我國機坪管制技術(shù)現(xiàn)狀，并提出可視化和智能化是未來機坪管制技術(shù)提升的重要方向。中國民航大學蘇志剛等人[2]通過對機場模擬視圖軟件的測試研究，驗證了豐富可調(diào)的可視化系統(tǒng)對于機場場面二次開發(fā)和模擬飛行有著重大意義，但以上實驗未將可視化技術(shù)用于機坪區(qū)以及機場管制的應用中。孟麗娜在[3]中提出，智慧機坪管制技術(shù)的提升離不開新興技術(shù)的支持，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)則是智慧機坪的一個新的研究和發(fā)展方向。余青華在[4]中提出我國目前在機坪管制移交局勢下，機坪區(qū)的優(yōu)化運行策略，并指出基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的仿真可以更好地進行機坪優(yōu)化策略的研究。泉州晉江國際機場在2020年提出[5]機坪區(qū)“智慧塔臺”需要基于全景技術(shù)、云計算等高端技術(shù)綜合應用，尤其是全景視頻系統(tǒng)的發(fā)展可以逐步擺脫人工對外部環(huán)境的監(jiān)控。2016年，意大利博洛尼亞大學[6]就向ICAO提出應當將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)一起共同運用到機場塔臺管制技術(shù)中。

鑒于此，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于機坪區(qū)的全景可視化開發(fā)研究是提高機坪管制效率的重要技術(shù)方向之一，但目前國內(nèi)外大部分研究仍然處于理論研究和實驗階段，實現(xiàn)機坪區(qū)全景的系統(tǒng)以及機坪數(shù)據(jù)可視化的系統(tǒng)寥寥無幾，文章利用VR技術(shù)結(jié)合機坪區(qū)現(xiàn)狀建立一個真實的沉浸式的可用于機坪管制以及提高機坪效率的集運行動態(tài)顯示、虛擬仿真、模擬訓練為一體的可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機坪區(qū)的應用。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應用

機坪區(qū)可視化系統(tǒng)是一個涉及航空器機坪區(qū)滑行、車輛等運行還有數(shù)據(jù)處理的三維沉浸式可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，集成機坪區(qū)范圍內(nèi)的動態(tài)實時數(shù)據(jù)，在以根據(jù)機場實況建立的3D模型基礎(chǔ)上，實現(xiàn)動態(tài)顯示、仿真模擬、優(yōu)化分析、模擬訓練等功能。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了給用戶提供使用體驗良好，觀察和模擬學習效果逼真的使用效果，根據(jù)設(shè)計的需要，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計為應用層、邏輯層、接口層和數(shù)據(jù)層。

（1）應用層：該層為用戶提供直觀靈活的使用界面，用戶可以直接通過該層提供界面獲取和處理底層數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與底層模型的交互操作。系統(tǒng)有三個功能模塊，運行情況動態(tài)顯示、運行情況仿真和模擬訓練。

（2）邏輯層：該層根據(jù)上層應用層顯示和操作需要，利用計算機編程技術(shù)，進行系統(tǒng)運行邏輯的處理，起到承上啟下的作用。

（3）接口層：為邏輯層調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)編寫程序提供動態(tài)接口。根據(jù)調(diào)用數(shù)據(jù)庫不同分為動態(tài)連接運行管理系統(tǒng)的接口、動態(tài)連接本地數(shù)據(jù)庫的接口和動態(tài)場景模型數(shù)據(jù)庫的接口。

（4）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層根據(jù)系統(tǒng)的需求分別封裝成三類數(shù)據(jù)庫，機場、航空公司、空管運行系統(tǒng)提供的實時數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)庫，過去一定時間內(nèi)數(shù)據(jù)存儲的本地數(shù)據(jù)庫，封裝好場景模型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。三大類數(shù)據(jù)庫用于供系統(tǒng)不同需求的調(diào)用。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)主要應用功能

系統(tǒng)應用功能的實現(xiàn)是通過應用層展示給客戶，系統(tǒng)主要功能如下。

（1）航空器、車輛運行動態(tài)顯示

①航空器停機位信息等信息源，將機坪數(shù)據(jù)信息整合至系統(tǒng)，通過底層數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，再通過邏輯層進行信息整理，最后實時地在交互層通過三維模型直觀展示機坪現(xiàn)狀；

②場面信息回放。通過數(shù)據(jù)庫的信息存儲，可以實現(xiàn)過去一段時間內(nèi)的機坪區(qū)航空器以及車輛等運行軌跡的回放，便于對機坪運行效率的評估學習以及后續(xù)事件的調(diào)查處理等。

（2）機坪運行仿真

①機坪區(qū)場面的仿真。相關(guān)場面仿真主要涉及到航站樓、指廊、廊橋、機位、滑行道等，各建筑位置和外觀都不同，在仿真的實現(xiàn)中需要從不同的角度方位展示，更高精度的模型更有利于產(chǎn)生良好的視覺效果和沉浸式效果。

②航空器運動仿真。航空器的滑行方式、順序等是提高機坪區(qū)運行效率的關(guān)鍵，通過對系統(tǒng)導入優(yōu)化算法等進行航空器機坪區(qū)運行仿真驗證，并通過三維可視化展示仿真結(jié)果，從而對機坪運行方式進行驗證優(yōu)化，得出最佳方案。

③車輛設(shè)備運行仿真。機坪區(qū)中車輛、廊橋等設(shè)備是保障機坪工作的關(guān)鍵，其調(diào)度也遵循一定規(guī)章，需要與航空器很好地配合，可以通過系統(tǒng)對其工作進行仿真并尋找最優(yōu)工作方案以保證機坪區(qū)工作效率。

（3）模擬訓練

對于機坪管制人員，對機坪環(huán)境建立情景意識、大流量和特情下的模擬訓練都可以通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)完成，既節(jié)省成本又可以在不受現(xiàn)場環(huán)境條件限制的情況下僅通過操縱手柄就了解場面的每一個細節(jié)，完成模擬訓練。

3 系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

系統(tǒng)的實現(xiàn)主要通過與場面高度接近的三維模型建立，并通過機場各運行單位運行服務(wù)系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)連接，通過計算機編程技術(shù)進行邏輯處理，最后以虛擬三維形式展示。主要技術(shù)涉及數(shù)據(jù)管理、三維建模、系統(tǒng)場景搭建、邏輯處理、虛擬現(xiàn)實交互實現(xiàn)。

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理

本系統(tǒng)通過接口與空管ADS-B系統(tǒng)、AODB航班動態(tài)信息系統(tǒng)、場面引導活動系統(tǒng)等交互，實時進行數(shù)據(jù)交換，對機坪動態(tài)以及航空器信息進行展示，同時通過數(shù)據(jù)庫對相關(guān)數(shù)據(jù)進行存儲。目前，北京大興機場[7]正在使用一套全新的地面運行可視化系統(tǒng)，系統(tǒng)通過接口與空管、機場、航空公司運行相關(guān)系統(tǒng)相連接，對機場核心運行資源進行實時監(jiān)控、運行情況分析，極大地提高了地面安全運行效率，但其仍然是基于二維平面展示數(shù)據(jù)，缺乏沉浸式交互和立體視覺，本系統(tǒng)借鑒采用相同接口并基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)和三維建模技術(shù)，取其精華，改其不精。

3.2 系統(tǒng)模型建立

對機場機坪區(qū)建立基礎(chǔ)的3D模型是整個機坪區(qū)VR展示實現(xiàn)的基礎(chǔ)，由于機場機坪區(qū)的特殊性，在對整個機坪區(qū)乃至機坪區(qū)的建筑、航空器、車輛等進行建模時，需要進行相應的需求分析以及資源設(shè)計從而提高模型精度。

羅旭[8]介紹了運用3Dmax軟件建模的基本方法并證實了合理采用3D建?？梢蕴岣呶矬w在虛擬場景中的真實性，使得虛擬場景有更好的可操作性。周智楠[9]中提出了以機場為背景的多種三維建模方法，并指出三維建模對于機場發(fā)展的重要意義。李靜在[10]中提出了基于多種3D建模開發(fā)軟件的三維模型搭建方法，并根據(jù)機場凈空區(qū)域障礙物的特點選取最優(yōu)化方案，研究并驗證了三維可視化模型對于機場凈空障礙物的評估的重要性。

三維建?？梢院芎玫叵蛴脩羧轿坏仂o態(tài)展示操作對象的360度視角，更是搭建整個機坪區(qū)虛擬場景的基本元素。高精度的三維模型建立是為管制員提供情景意識的第一步。3D建模技術(shù)也是民航新興技術(shù)中值得發(fā)展探究的新方向，目前在各領(lǐng)域也發(fā)展得相對成熟，我們可以采用3DMax建模軟件對機場機坪區(qū)的基礎(chǔ)模型進行建模，同時3D Max對于CAD繪制出來的機坪區(qū)圖紙也有很好的兼容性，可以直接導入CAD繪制的圖紙，對機坪區(qū)場景進行填充建模，使得所建立的三維模型比例更加真實。

3.3 系統(tǒng)場景規(guī)劃搭建

通過3DMax建立并渲染呈現(xiàn)出來的模型對于整個系統(tǒng)而言不過只是有搭建場景的資本，而想要我們所搭建的整個機坪區(qū)的場景按照需求動起來為其賦予生命，就需要通過Unity3D引擎實現(xiàn)。Unity3D開發(fā)引擎雖然多用于游戲開發(fā)中，但是用于機坪虛擬展示開發(fā)場景也可以呈現(xiàn)一個很好的仿真模擬效果。其基于C#的腳本開發(fā)方式也相比其他開發(fā)引擎更容易實現(xiàn)，同時，Unity3D對于我們之前提到的使用3D Max所建立的模型兼容性好。

潘衛(wèi)軍、徐海瑤等[11]利用Unity3D實現(xiàn)系統(tǒng)了航空器火災場景的模擬實現(xiàn)，并設(shè)置了很多特效處理，使得所建立的虛擬演練平臺更加真實。徐敬青等[12]將3Dmax軟件制作好的炮彈模型導入到Unity3D中，進行環(huán)境設(shè)置、腳本程序編寫等，實現(xiàn)了整個訓練系統(tǒng)的功能。彭俊超[13]利用Unity3D實現(xiàn)了虛擬機場地理場景搭建，實現(xiàn)了機場空域三維場景可視化以及鳥擊風險場可視化等，對機場防鳥擊新技術(shù)的實現(xiàn)提供了可視化支持。

目前國內(nèi)在用Unity3D進行VR場景搭建以及虛擬平臺開發(fā)研究也相對成熟，在民航領(lǐng)域也有相應運用研究，故本文系統(tǒng)便利用Unity3D進行最終的場景搭建。同時，基于Unity 3D對于C#語言的支持，對于開發(fā)環(huán)境中所封裝的算法可能不足以滿足我們的可視化系統(tǒng)開發(fā)，我們可以自行編寫算法對環(huán)境搭建進行優(yōu)化，例如航空器滑行和推出的優(yōu)化路徑算法設(shè)計等。

3.4 虛擬現(xiàn)實交互環(huán)境

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的突出優(yōu)勢就是能夠建立一種沉浸式三維環(huán)境，能夠像真實世界一樣讓人通過感覺器官把所處環(huán)境信息傳遞給大腦，呈現(xiàn)出一種接近真實環(huán)境的情景意識，要達到如此效果，不僅需要上述3D模型和虛擬環(huán)境搭建的支持，更需要硬件的支撐，才能讓使用者在視覺、聽覺、觸覺、力覺四大感官上有身臨其境的感覺，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，支持VR的硬件設(shè)備也越來越多樣化。

李帆采用了HTC Vive設(shè)備，連接接入電腦端口模塊，將頭盔、手柄等接入開發(fā)引擎，從而實現(xiàn)交互環(huán)境的配置。王明羽[14]通過UI交互實現(xiàn)，采用鍵鼠和控制器兩種輸入設(shè)備，結(jié)合三星MR+頭顯，實現(xiàn)了虛擬駕駛系統(tǒng)的用戶測試。崔張波[15]介紹了多種實現(xiàn)VR交互的方式。宋大同[16]將HTC Vive與系統(tǒng)交互界面通過相應接口相連接實現(xiàn)VR交互技術(shù)。晏錦[17]介紹分析了目前應用成熟廣泛的虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備。

在機場機坪區(qū)的虛擬現(xiàn)實交互硬件設(shè)備選擇時，選擇發(fā)展較為成熟，性價比較高的HTC Vive設(shè)備。正確連接設(shè)備線路并接入端口模塊極其重要，也就是將HTC Vive接入我們提前設(shè)置好的機坪區(qū)場景搭建使用的Unity 3D引擎，此功能的實現(xiàn)同時還需要相應的配置環(huán)境，也就是在Unity3D中使用Steam VR插件。

4 結(jié)束語與展望

機坪區(qū)的實時數(shù)據(jù)可視化、運行效率仿真擇優(yōu)，和對機坪管制員進行模擬培訓都是目前我國機坪管制的迫切需求。本文基于VR技術(shù)，對上述功能開發(fā)至一個可視化系統(tǒng)中，相比于傳統(tǒng)的對于機坪區(qū)管理系統(tǒng)更加生動無死角，同時對于目前很多機坪區(qū)效率、安全、容量的仿真研究都提供了比原先傳統(tǒng)的、二維形式的抽象研究更好的可視化技術(shù)。目前我國正處于機坪管制權(quán)力移交的重要階段，機坪管制員對于整個機坪區(qū)的了解關(guān)系著整個機坪運行的效率與安全，本文所提出的計劃對于機坪管制員建立整個機坪區(qū)的情景意識有著極大的幫助。在未來的研究中，該系統(tǒng)功能會越來越完善，同時基于VR的可視化技術(shù)也可以用于民航的方方面面，對于整個民航系統(tǒng)的學習、實時可視化觀測、仿真、優(yōu)化決策都是很好的技術(shù)支撐。

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