基于機(jī)場(chǎng)運(yùn)行專業(yè)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用與研究

朱華西 謝厚亮 李鵬

摘要：中國(guó)民航局、國(guó)家發(fā)改委、交通運(yùn)輸部印發(fā)了 “十四五” 民用航空發(fā)展規(guī)劃，明確提出，加快擴(kuò)大5G、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、北斗系統(tǒng)等技術(shù)民航應(yīng)用，意味著未來(lái)幾年民航領(lǐng)域人才需求大大增加。機(jī)場(chǎng)運(yùn)行專業(yè)抓住時(shí)代潮流，專業(yè)人才培養(yǎng)同虛擬仿真相結(jié)合，利用虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)造國(guó)內(nèi)知名機(jī)場(chǎng)的VR實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地，打破了實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地的限制，降低了成本和風(fēng)險(xiǎn)性，切實(shí)為民航領(lǐng)域人才的培養(yǎng)發(fā)揮了重要作用。隨著5G技術(shù)日漸成熟，航空5G應(yīng)用已經(jīng)拉開了帷幕，虛擬仿真技術(shù)在航空領(lǐng)域應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。

關(guān)鍵詞：機(jī)場(chǎng)運(yùn)行虛擬仿真VR技術(shù)應(yīng)用研究

Application and ?Research of Virtual Simulation Technology Based on Airport Operation Specialty

ZHU Huaxi XIE Houliang LI Peng

（Zhangjiajie Aviation Industry Vocational and Technical College， Zhangjiajie， Hunan Province， 427000China）

Abstract：The Civil Aviation Administration of China， the National Development and Reform Commission and the Ministry of Transport have issued the civil aviation development plan for the 14th five year plan， which clearly puts forward that accelerating the expansion of the application of 5G， big data， blockchain， artificial intelligence， Beidou system and other technologies in civil aviation means that the demand for talents in the field of civil aviation will increase greatly in the next few years. Airport operation specialty seizes the trend of the times， combines professional talent training with virtual simulation， and uses virtual simulation technology to create VR training venues for domestic well-known airports， breaking the restrictions of training venues， reducing costs and risks， and playing an important role in the cultivation of talents in the field of civil aviation. With the maturity of 5G technology， aviation 5G application has begun， and virtual simulation technology will be more and more widely used in aviation field.

Key Words：Airport operation; Virtual simulation; VR technology;Application research

2018年，教育部發(fā)布《關(guān)于開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》，深化信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，以高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)助推高等教育教學(xué)質(zhì)量變軌超車，助力高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)，全國(guó)各高校專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)遍地開花[1]。2019年10月19日，以“VR讓世界更精彩—VR+5G開啟感知新時(shí)代”為主題的VR產(chǎn)業(yè)大會(huì)在南昌召開，5G、VR/AR等新技術(shù)應(yīng)用已成為智慧時(shí)代的核心驅(qū)動(dòng)力，為充分展現(xiàn)VR/AR產(chǎn)品和應(yīng)用。2021年出臺(tái)的《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中，VR/AR產(chǎn)業(yè)被列為未來(lái)五年數(shù)字經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)之一。民航局日前印發(fā)了《航空5G機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用實(shí)施方案》（簡(jiǎn)稱《實(shí)施方案》），這份《實(shí)施方案》的發(fā)布，也標(biāo)志著航空5G應(yīng)用的序幕正式拉開，機(jī)場(chǎng)運(yùn)行專業(yè)緊跟時(shí)代潮流，抓住機(jī)遇將同VR技術(shù)相結(jié)合，使得虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。

1 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真（Virtual Reality），意同虛擬現(xiàn)實(shí)，簡(jiǎn)稱VR或稱靈境技術(shù)，用虛擬的場(chǎng)景對(duì)現(xiàn)實(shí)空間的真實(shí)模擬技術(shù)，虛擬仿真技術(shù)可能通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行創(chuàng)建，讓客戶在虛擬仿真的系統(tǒng)中體驗(yàn)虛擬的世界，可以帶給客戶的感覺(jué)和真實(shí)世界的意境相同，完全可以沉浸在虛擬的場(chǎng)景里，借助于穿戴設(shè)備，可以有聽覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)等人體感知，還可以通過(guò)虛擬的世界進(jìn)行無(wú)限創(chuàng)造，讓思維自由發(fā)揮，達(dá)到現(xiàn)實(shí)世界無(wú)法完成的效果[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)稱VR技術(shù)，與虛擬仿真技術(shù)有很多共同特征，同樣可以在虛擬世界里進(jìn)行交互，依托5G技術(shù)，打破時(shí)空的限制，依托虛擬空間共同完成會(huì)議交流、技術(shù)指導(dǎo)、技能訓(xùn)練等任務(wù)。

2機(jī)場(chǎng)運(yùn)行專業(yè)模擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

機(jī)場(chǎng)運(yùn)行專業(yè)虛擬仿真系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：一是機(jī)場(chǎng)運(yùn)行模擬場(chǎng)景的設(shè)計(jì)，主要包括飛行區(qū)、站坪和候機(jī)樓等虛擬場(chǎng)景的模型制作。二是動(dòng)畫與互設(shè)計(jì)，利用相關(guān)軟件技術(shù)，對(duì)虛擬場(chǎng)景中人和物進(jìn)行動(dòng)畫調(diào)節(jié)，再進(jìn)行交互命令的編輯與測(cè)試，順利實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景中的交互功能。三是虛擬實(shí)訓(xùn)，讓受訓(xùn)學(xué)員在沉浸式環(huán)境中熟悉各個(gè)場(chǎng)景及操作過(guò)程，提高學(xué)生的實(shí)訓(xùn)操作能力;通過(guò)數(shù)據(jù)的改變，掌握學(xué)生實(shí)訓(xùn)情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)專業(yè)方面的知識(shí)講解，提高學(xué)生在機(jī)場(chǎng)運(yùn)行專業(yè)方面的實(shí)踐能力[3]。如圖1所示。

2.1機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與建模

本系統(tǒng)以某國(guó)際機(jī)場(chǎng)為例進(jìn)行模型制作。前期要對(duì)機(jī)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的采集，包括機(jī)場(chǎng)的飛機(jī)區(qū)、站坪、航站樓等場(chǎng)地，對(duì)比機(jī)場(chǎng)平面圖和場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)量，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對(duì)于機(jī)場(chǎng)內(nèi)部環(huán)境，可通過(guò)無(wú)人機(jī)、單反相機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)圖片信息采集，用于后期的燈光調(diào)整和貼圖制作。通過(guò)三維軟件CAD繪制平面圖，結(jié)合3ds max軟件進(jìn)行模型制作。機(jī)場(chǎng)外部和內(nèi)部簡(jiǎn)單的場(chǎng)景，利用軟件自身的一些資源庫(kù)進(jìn)行模型的修改與調(diào)整，人物可以通過(guò)基礎(chǔ)模型進(jìn)行修改。按機(jī)場(chǎng)功能劃分，有動(dòng)畫的場(chǎng)景部分要花大量的時(shí)間進(jìn)行模型細(xì)節(jié)的制作，方便后續(xù)動(dòng)畫的調(diào)節(jié)與交互的實(shí)現(xiàn)。例如，行李安檢等場(chǎng)地模型的制作，涉及一些按鈕部分和交互的添加，建模過(guò)程會(huì)消耗更多的時(shí)間，對(duì)模型的要求更加嚴(yán)格。動(dòng)畫模型制作同時(shí)要考慮點(diǎn)線面的數(shù)量和零部件模型的坐標(biāo)，要保證后面將模型導(dǎo)入到Unity 3D引擎中后運(yùn)行流暢，模型坐標(biāo)不會(huì)出現(xiàn)差異等問(wèn)題。

2.2機(jī)場(chǎng)模型的貼圖與動(dòng)畫

機(jī)場(chǎng)模型貼圖部分制作可以實(shí)現(xiàn)虛擬仿真場(chǎng)景逼真感。3ds Max中自帶大量的材質(zhì)球，可能結(jié)合機(jī)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)應(yīng)材質(zhì)和前期拍攝的照片素材進(jìn)行貼圖。任何模型貼圖前都要進(jìn)行UV展開，由于3ds Max展UV功能不夠強(qiáng)大，復(fù)雜的模型制作比較棘手。制作過(guò)程中，可以將三維模型導(dǎo)入到UV Layout專業(yè)展UV的軟件中進(jìn)行制作，方便快捷，大大地提高了展UV效率。對(duì)于模型UV接縫處，可以通過(guò)繪制貼圖進(jìn)行解決，如ZBrush、Bodypaint3D等三維軟件，都可以實(shí)現(xiàn)在模型上進(jìn)行貼圖的繪制，進(jìn)行材質(zhì)的添加[4]。不管用什么軟件制作貼圖，最終都要將圖片導(dǎo)入到Photoshop軟件中進(jìn)行圖像的處理，再導(dǎo)入到3ds Max中反復(fù)進(jìn)行渲染預(yù)覽，最終實(shí)現(xiàn)完美的貼圖效果。在機(jī)場(chǎng)模型貼圖制作過(guò)程中，一定要將涉及動(dòng)畫相關(guān)模型部分的貼圖效果做到和實(shí)物相同，后期的虛擬交互過(guò)程體驗(yàn)感才會(huì)更強(qiáng)。

機(jī)場(chǎng)虛擬動(dòng)畫制作包括了場(chǎng)景和人物動(dòng)畫兩個(gè)部分，場(chǎng)景動(dòng)畫中主要是設(shè)備的動(dòng)畫，如安檢儀、行李托運(yùn)設(shè)備、地勤運(yùn)貨車等。航空安檢設(shè)備的動(dòng)制作，通過(guò)對(duì)模型按鈕添加引擎，實(shí)現(xiàn)安檢設(shè)備的旋轉(zhuǎn)和停留。人物動(dòng)畫主要包括空姐、客服人員、安保人員等，每個(gè)人物都有幾個(gè)固定的動(dòng)作，可能通過(guò)3ds Max軟件對(duì)人物動(dòng)畫進(jìn)行調(diào)節(jié)，后續(xù)通過(guò)其他引擎軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫觸發(fā)。

2.3 Unity 3D場(chǎng)景搭建

將前面建好的機(jī)場(chǎng)模型導(dǎo)入到Unity 3D引擎工程的Assets文件夾下，打開Unity 3D引擎軟件后，會(huì)自動(dòng)地讀取模型的材質(zhì)、貼圖、動(dòng)畫等內(nèi)容，并自動(dòng)進(jìn)行文件歸類，特別是要重復(fù)使用零部件部分進(jìn)行預(yù)設(shè)體的制作，這樣更加方便調(diào)用，還大大提高了計(jì)算機(jī)的性能。再根據(jù)場(chǎng)景的要求，將Assets文件夾下的模型對(duì)象拖入到Scene視頻圖，完成模型對(duì)象的創(chuàng)建。最后通過(guò)Unity 3D引擎右側(cè)Inspector界面調(diào)節(jié)模型在場(chǎng)景中的坐標(biāo)位置，這里需要注意的是3ds Max軟件用的是右手坐標(biāo)系，而Unity 3D引擎采用的是左手坐標(biāo)系，所以導(dǎo)入的模型X軸坐標(biāo)會(huì)偏轉(zhuǎn)了負(fù)90°，嚴(yán)重影響程序?qū)ξ矬w的控制，所以要進(jìn)行坐標(biāo)的調(diào)整，以確保模型的位置不會(huì)出現(xiàn)偏差[5]。

2.3 虛擬仿真交互的實(shí)現(xiàn)

虛擬仿真交互的實(shí)現(xiàn)，以搭建好的場(chǎng)景為前提。將之前完成的動(dòng)畫模型及動(dòng)作，導(dǎo)入到Unity 3D引擎軟件場(chǎng)景中，結(jié)合軟件動(dòng)畫編輯器，將之前調(diào)節(jié)好的動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)交互。Unity3D也是一款跨平臺(tái)應(yīng)用開發(fā)引擎，本身可以創(chuàng)建實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫，軟件內(nèi)置的物理引擎，可模擬剛體碰撞、彈力等效果。其本身自帶的程序編譯器支持Lua、Visual Studio 、C# 作為外部編譯器對(duì)代碼進(jìn)行調(diào)試，支持各種編譯語(yǔ)言，并且能對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行多平臺(tái)的封裝[6]。完成場(chǎng)景與動(dòng)畫測(cè)試之后，可以通過(guò)虛擬仿真穿戴設(shè)備進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，直到虛擬仿真交互流暢為止，再將完成后的機(jī)場(chǎng)虛擬仿真系統(tǒng)打包導(dǎo)出，用于機(jī)場(chǎng)運(yùn)行專業(yè)實(shí)訓(xùn)。

3結(jié)語(yǔ)

機(jī)場(chǎng)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用推動(dòng)了機(jī)場(chǎng)運(yùn)行專業(yè)人才建設(shè)，成本低、零風(fēng)險(xiǎn)，打破了實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地的限制，培養(yǎng)了具備空中交通管理、機(jī)場(chǎng)運(yùn)行、民航運(yùn)輸法規(guī)等方面的知識(shí)和技術(shù)技能，能夠從事機(jī)場(chǎng)運(yùn)行指揮員、機(jī)場(chǎng)地面服務(wù)保障人員、安全保障人員等工作的復(fù)合型技術(shù)技能人才。近期，國(guó)務(wù)院日前印發(fā)《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，提到要加快推動(dòng)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化，加快虛擬仿真產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)建設(shè)，給出了明確的戰(zhàn)略方向以及布局，未來(lái)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用將助力我國(guó)民航事業(yè)更好、更快地發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 沈叢.VR技術(shù)與職業(yè)教育將開啟融合之路[N].中國(guó)電子報(bào)，2021-11-16（8）.

[2] 王玲玲，富立，王秋生.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（9）：241-245.

[3] 董春橋，王秀萍，梁莎.“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境工程原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（8）：11-14，19.

[4] 熊宏齊.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)助推理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合改革與創(chuàng)新[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2020，37（5）：5.

[5]郝孜奇，張文勝.基于Unity3D的鐵路實(shí)訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2020，37（6）：99-103，241.

[6]李榮強(qiáng)，文愛(ài)兵，花斌，等.航空裝備虛擬維修訓(xùn)練仿真模型快速開發(fā)技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2021，33（5）：1167-1176.