◆余紀(jì)毅澤 李廷元
基于VR技術(shù)的民航機(jī)場(chǎng)機(jī)坪可視化管理系統(tǒng)探討
◆余紀(jì)毅澤 李廷元
(中國民用航空飛行學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院 四川 618300)
為了提高機(jī)坪管制移交現(xiàn)狀下機(jī)坪運(yùn)行效率以及管制人員情景意識(shí)訓(xùn)練,提出一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維模型機(jī)坪場(chǎng)面可視化管理系統(tǒng),集運(yùn)行情況動(dòng)態(tài)顯示、仿真和模擬訓(xùn)練一體以適應(yīng)對(duì)機(jī)坪區(qū)管理的需求。本文通過對(duì)機(jī)坪現(xiàn)狀需求分析,提出了相適應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用,并給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法,對(duì)未來機(jī)坪區(qū)運(yùn)行管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有很好的借鑒意義。
機(jī)坪運(yùn)行管理系統(tǒng);虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);可視化
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)模擬環(huán)境操作的要求越來越高,虛擬現(xiàn)實(shí)作為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域新興的一種技術(shù),在全球各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用,在民航業(yè)的發(fā)展中也得到普及和應(yīng)用。在該技術(shù)的應(yīng)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(xué)習(xí)和實(shí)踐一些在現(xiàn)實(shí)中難以完成的特殊情境的操作。
機(jī)坪是機(jī)場(chǎng)中一塊指定的特殊區(qū)域,用于供進(jìn)離場(chǎng)的航空器完成停機(jī)位的進(jìn)出滑行,同時(shí)為飛機(jī)上下旅客與貨物、飛機(jī)的加油與維修保障等作業(yè)的完成提供場(chǎng)地。隨著我國民航運(yùn)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(jìn)航空器機(jī)坪運(yùn)行管理移交機(jī)場(chǎng)管理機(jī)構(gòu)工作的通知》,提出了由于機(jī)場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大,航空器增多,機(jī)坪負(fù)荷過大等問題,需要將機(jī)坪管制權(quán)力由空管移交機(jī)場(chǎng)管理并設(shè)置機(jī)坪管制塔臺(tái)的做法。但相比較歐美國家而言,我國機(jī)坪管制移交實(shí)現(xiàn)較晚,且目前大部分機(jī)場(chǎng)仍然處于試驗(yàn)階段。從當(dāng)前我國機(jī)坪管制情況來看,將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)投入到機(jī)坪區(qū)使用,是一個(gè)前所未有的機(jī)遇。機(jī)坪管制工作中最重要的就是機(jī)坪管制員能熟悉了解并看到整個(gè)機(jī)坪場(chǎng)面的情況,在腦海中建立相應(yīng)的情景意識(shí),判斷機(jī)坪區(qū)內(nèi)航空器動(dòng)態(tài),以及相關(guān)周圍物體的相對(duì)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(jī)坪管制技術(shù)現(xiàn)狀,并提出可視化和智能化是未來機(jī)坪管制技術(shù)提升的重要方向。中國民航大學(xué)蘇志剛等人[2]通過對(duì)機(jī)場(chǎng)模擬視圖軟件的測(cè)試研究,驗(yàn)證了豐富可調(diào)的可視化系統(tǒng)對(duì)于機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面二次開發(fā)和模擬飛行有著重大意義,但以上實(shí)驗(yàn)未將可視化技術(shù)用于機(jī)坪區(qū)以及機(jī)場(chǎng)管制的應(yīng)用中。孟麗娜在[3]中提出,智慧機(jī)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(shí)技術(shù)則是智慧機(jī)坪的一個(gè)新的研究和發(fā)展方向。余青華在[4]中提出我國目前在機(jī)坪管制移交局勢(shì)下,機(jī)坪區(qū)的優(yōu)化運(yùn)行策略,并指出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真可以更好地進(jìn)行機(jī)坪優(yōu)化策略的研究。泉州晉江國際機(jī)場(chǎng)在2020年提出[5]機(jī)坪區(qū)“智慧塔臺(tái)”需要基于全景技術(shù)、云計(jì)算等高端技術(shù)綜合應(yīng)用,尤其是全景視頻系統(tǒng)的發(fā)展可以逐步擺脫人工對(duì)外部環(huán)境的監(jiān)控。2016年,意大利博洛尼亞大學(xué)[6]就向ICAO提出應(yīng)當(dāng)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)一起共同運(yùn)用到機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)管制技術(shù)中。
鑒于此,將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于機(jī)坪區(qū)的全景可視化開發(fā)研究是提高機(jī)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(shí)驗(yàn)階段,實(shí)現(xiàn)機(jī)坪區(qū)全景的系統(tǒng)以及機(jī)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(jī)坪區(qū)現(xiàn)狀建立一個(gè)真實(shí)的沉浸式的可用于機(jī)坪管制以及提高機(jī)坪效率的集運(yùn)行動(dòng)態(tài)顯示、虛擬仿真、模擬訓(xùn)練為一體的可視化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)坪區(qū)的應(yīng)用。
機(jī)坪區(qū)可視化系統(tǒng)是一個(gè)涉及航空器機(jī)坪區(qū)滑行、車輛等運(yùn)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(shí)技術(shù),集成機(jī)坪區(qū)范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),在以根據(jù)機(jī)場(chǎng)實(shí)況建立的3D模型基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示、仿真模擬、優(yōu)化分析、模擬訓(xùn)練等功能。
為了給用戶提供使用體驗(yàn)良好,觀察和模擬學(xué)習(xí)效果逼真的使用效果,根據(jù)設(shè)計(jì)的需要,將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為應(yīng)用層、邏輯層、接口層和數(shù)據(jù)層。
(1)應(yīng)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(shí)現(xiàn)與底層模型的交互操作。系統(tǒng)有三個(gè)功能模塊,運(yùn)行情況動(dòng)態(tài)顯示、運(yùn)行情況仿真和模擬訓(xùn)練。
(2)邏輯層:該層根據(jù)上層應(yīng)用層顯示和操作需要,利用計(jì)算機(jī)編程技術(shù),進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)態(tài)接口。根據(jù)調(diào)用數(shù)據(jù)庫不同分為動(dòng)態(tài)連接運(yùn)行管理系統(tǒng)的接口、動(dòng)態(tài)連接本地?cái)?shù)據(jù)庫的接口和動(dòng)態(tài)場(chǎng)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(jī)場(chǎng)、航空公司、空管運(yùn)行系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫,過去一定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的本地?cái)?shù)據(jù)庫,封裝好場(chǎng)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
系統(tǒng)應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)是通過應(yīng)用層展示給客戶,系統(tǒng)主要功能如下。
(1)航空器、車輛運(yùn)行動(dòng)態(tài)顯示
①航空器停機(jī)位信息等信息源,將機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理,再通過邏輯層進(jìn)行信息整理,最后實(shí)時(shí)地在交互層通過三維模型直觀展示機(jī)坪現(xiàn)狀;
②場(chǎng)面信息回放。通過數(shù)據(jù)庫的信息存儲(chǔ),可以實(shí)現(xiàn)過去一段時(shí)間內(nèi)的機(jī)坪區(qū)航空器以及車輛等運(yùn)行軌跡的回放,便于對(duì)機(jī)坪運(yùn)行效率的評(píng)估學(xué)習(xí)以及后續(xù)事件的調(diào)查處理等。
(2)機(jī)坪運(yùn)行仿真
①機(jī)坪區(qū)場(chǎng)面的仿真。相關(guān)場(chǎng)面仿真主要涉及到航站樓、指廊、廊橋、機(jī)位、滑行道等,各建筑位置和外觀都不同,在仿真的實(shí)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(yùn)動(dòng)仿真。航空器的滑行方式、順序等是提高機(jī)坪區(qū)運(yùn)行效率的關(guān)鍵,通過對(duì)系統(tǒng)導(dǎo)入優(yōu)化算法等進(jìn)行航空器機(jī)坪區(qū)運(yùn)行仿真驗(yàn)證,并通過三維可視化展示仿真結(jié)果,從而對(duì)機(jī)坪運(yùn)行方式進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化,得出最佳方案。
③車輛設(shè)備運(yùn)行仿真。機(jī)坪區(qū)中車輛、廊橋等設(shè)備是保障機(jī)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(duì)其工作進(jìn)行仿真并尋找最優(yōu)工作方案以保證機(jī)坪區(qū)工作效率。
(3)模擬訓(xùn)練
對(duì)于機(jī)坪管制人員,對(duì)機(jī)坪環(huán)境建立情景意識(shí)、大流量和特情下的模擬訓(xùn)練都可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)完成,既節(jié)省成本又可以在不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件限制的情況下僅通過操縱手柄就了解場(chǎng)面的每一個(gè)細(xì)節(jié),完成模擬訓(xùn)練。
系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要通過與場(chǎng)面高度接近的三維模型建立,并通過機(jī)場(chǎng)各運(yùn)行單位運(yùn)行服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接,通過計(jì)算機(jī)編程技術(shù)進(jìn)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(chǎng)景搭建、邏輯處理、虛擬現(xiàn)實(shí)交互實(shí)現(xiàn)。
本系統(tǒng)通過接口與空管ADS-B系統(tǒng)、AODB航班動(dòng)態(tài)信息系統(tǒng)、場(chǎng)面引導(dǎo)活動(dòng)系統(tǒng)等交互,實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,對(duì)機(jī)坪動(dòng)態(tài)以及航空器信息進(jìn)行展示,同時(shí)通過數(shù)據(jù)庫對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。目前,北京大興機(jī)場(chǎng)[7]正在使用一套全新的地面運(yùn)行可視化系統(tǒng),系統(tǒng)通過接口與空管、機(jī)場(chǎng)、航空公司運(yùn)行相關(guān)系統(tǒng)相連接,對(duì)機(jī)場(chǎng)核心運(yùn)行資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)行情況分析,極大地提高了地面安全運(yùn)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(shí)技術(shù)和三維建模技術(shù),取其精華,改其不精。
對(duì)機(jī)場(chǎng)機(jī)坪區(qū)建立基礎(chǔ)的3D模型是整個(gè)機(jī)坪區(qū)VR展示實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),由于機(jī)場(chǎng)機(jī)坪區(qū)的特殊性,在對(duì)整個(gè)機(jī)坪區(qū)乃至機(jī)坪區(qū)的建筑、航空器、車輛等進(jìn)行建模時(shí),需要進(jìn)行相應(yīng)的需求分析以及資源設(shè)計(jì)從而提高模型精度。
羅旭[8]介紹了運(yùn)用3Dmax軟件建模的基本方法并證實(shí)了合理采用3D建??梢蕴岣呶矬w在虛擬場(chǎng)景中的真實(shí)性,使得虛擬場(chǎng)景有更好的可操作性。周智楠[9]中提出了以機(jī)場(chǎng)為背景的多種三維建模方法,并指出三維建模對(duì)于機(jī)場(chǎng)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(jī)場(chǎng)凈空區(qū)域障礙物的特點(diǎn)選取最優(yōu)化方案,研究并驗(yàn)證了三維可視化模型對(duì)于機(jī)場(chǎng)凈空障礙物的評(píng)估的重要性。
三維建模可以很好地向用戶全方位地靜態(tài)展示操作對(duì)象的360度視角,更是搭建整個(gè)機(jī)坪區(qū)虛擬場(chǎng)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(shí)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(duì)成熟,我們可以采用3DMax建模軟件對(duì)機(jī)場(chǎng)機(jī)坪區(qū)的基礎(chǔ)模型進(jìn)行建模,同時(shí)3D Max對(duì)于CAD繪制出來的機(jī)坪區(qū)圖紙也有很好的兼容性,可以直接導(dǎo)入CAD繪制的圖紙,對(duì)機(jī)坪區(qū)場(chǎng)景進(jìn)行填充建模,使得所建立的三維模型比例更加真實(shí)。
通過3DMax建立并渲染呈現(xiàn)出來的模型對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言不過只是有搭建場(chǎng)景的資本,而想要我們所搭建的整個(gè)機(jī)坪區(qū)的場(chǎng)景按照需求動(dòng)起來為其賦予生命,就需要通過Unity3D引擎實(shí)現(xiàn)。Unity3D開發(fā)引擎雖然多用于游戲開發(fā)中,但是用于機(jī)坪虛擬展示開發(fā)場(chǎng)景也可以呈現(xiàn)一個(gè)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(shí)現(xiàn),同時(shí),Unity3D對(duì)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?,幍萚11]利用Unity3D實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)了航空器火災(zāi)場(chǎng)景的模擬實(shí)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(tái)更加真實(shí)。徐敬青等[12]將3Dmax軟件制作好的炮彈模型導(dǎo)入到Unity3D中,進(jìn)行環(huán)境設(shè)置、腳本程序編寫等,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)訓(xùn)練系統(tǒng)的功能。彭俊超[13]利用Unity3D實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)場(chǎng)地理場(chǎng)景搭建,實(shí)現(xiàn)了機(jī)場(chǎng)空域三維場(chǎng)景可視化以及鳥擊風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)可視化等,對(duì)機(jī)場(chǎng)防鳥擊新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了可視化支持。
目前國內(nèi)在用Unity3D進(jìn)行VR場(chǎng)景搭建以及虛擬平臺(tái)開發(fā)研究也相對(duì)成熟,在民航領(lǐng)域也有相應(yīng)運(yùn)用研究,故本文系統(tǒng)便利用Unity3D進(jìn)行最終的場(chǎng)景搭建。同時(shí),基于Unity 3D對(duì)于C#語言的支持,對(duì)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(duì)環(huán)境搭建進(jìn)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(jì)等。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)就是能夠建立一種沉浸式三維環(huán)境,能夠像真實(shí)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(shí)環(huán)境的情景意識(shí),要達(dá)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(shí)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(shí)現(xiàn)交互環(huán)境的配置。王明羽[14]通過UI交互實(shí)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(shí)現(xiàn)了虛擬駕駛系統(tǒng)的用戶測(cè)試。崔張波[15]介紹了多種實(shí)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(yīng)接口相連接實(shí)現(xiàn)VR交互技術(shù)。晏錦[17]介紹分析了目前應(yīng)用成熟廣泛的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備。
在機(jī)場(chǎng)機(jī)坪區(qū)的虛擬現(xiàn)實(shí)交互硬件設(shè)備選擇時(shí),選擇發(fā)展較為成熟,性價(jià)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(jī)坪區(qū)場(chǎng)景搭建使用的Unity 3D引擎,此功能的實(shí)現(xiàn)同時(shí)還需要相應(yīng)的配置環(huán)境,也就是在Unity3D中使用Steam VR插件。
機(jī)坪區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化、運(yùn)行效率仿真擇優(yōu),和對(duì)機(jī)坪管制員進(jìn)行模擬培訓(xùn)都是目前我國機(jī)坪管制的迫切需求。本文基于VR技術(shù),對(duì)上述功能開發(fā)至一個(gè)可視化系統(tǒng)中,相比于傳統(tǒng)的對(duì)于機(jī)坪區(qū)管理系統(tǒng)更加生動(dòng)無死角,同時(shí)對(duì)于目前很多機(jī)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(jī)坪管制權(quán)力移交的重要階段,機(jī)坪管制員對(duì)于整個(gè)機(jī)坪區(qū)的了解關(guān)系著整個(gè)機(jī)坪運(yùn)行的效率與安全,本文所提出的計(jì)劃對(duì)于機(jī)坪管制員建立整個(gè)機(jī)坪區(qū)的情景意識(shí)有著極大的幫助。在未來的研究中,該系統(tǒng)功能會(huì)越來越完善,同時(shí)基于VR的可視化技術(shù)也可以用于民航的方方面面,對(duì)于整個(gè)民航系統(tǒng)的學(xué)習(xí)、實(shí)時(shí)可視化觀測(cè)、仿真、優(yōu)化決策都是很好的技術(shù)支撐。
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