基于飞行视景仿真技术和BIM技术的机场设计优化应用技术路线研究

刘莹颖 云 朋

(中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120)

引言

近年来，随着国家民用航空运输事业飞速发展，我国民航机场新建及改扩建项目与日俱增[1]。一方面，根据预测的航空需求，机场规模及功能单元相应增加，子系统的布局及构型也复杂化和多样化，这给机场的规划设计和管理带来了挑战； 另一方面，作为以飞机为对象的场所，机场设施需适应不同机型的运营要求，满足机场系统的交通特性、合理的飞行程序也是保证机场稳定运行的前提。计算机仿真技术的出现无疑为展示机场规划设计方案的实际性能提供了最佳解决方案[2]。当前应用较多的机场系统仿真通常针对机场仿真模型开展微观、动态的机场仿真，虽可定量进行分析，但模型的精度直接影响仿真的效果，且直观性不强，BIM设计模型也难以融合，很难开展更深层次、更宽领域、更大范围的技术研究和应用。

伴随飞行模拟器发展而来的飞行视景仿真技术近年来被广泛应用于军队和民航飞行人员的训练使用中，飞行视景仿真技术直接给受训者提供了一个身临其境的仿真环境，实现了与环境的深度交互[3]。因此，本文基于飞行视景仿真技术的开放性和模拟性以及BIM技术的协调性和优化性，实践验证了一条可以融合各种机场设计数据(BIM或CAD)、GIS地形数据、各种机型及飞行数据、飞行程序等不同格式信息，并在此基础上开展设计优化、地面仿真、飞行程序验证、虚拟现实等多种应用的技术路线，为辅助和优化机场设计提供强有力的支持。

1 关键技术

1.1 视景仿真技术

视景仿真技术是计算机仿真技术的一个重要分支，涉及计算机技术、计算机图像处理技术、多媒体技术、信息合成技术、信号显示技术等诸多高新技术[4]。视景仿真主要包括仿真环境制作和仿真驱动两大内容，通过基于模型、纹理、特效、场景等设计构造近乎真实的仿真环境，开展场景驱动、模型调动处理、分布交互、地形处理等一系列仿真驱动事件，实现与真实环境一致的实时交互响应[5]。

图1 本文研究思路概图

飞行视景仿真作为飞行模拟器不可或缺的组成部分[6]，可为飞行人员提供实际飞行过程中(地面及空中)真实的座舱外景象，包括地形地貌、地表物(建筑、设备设施、植被)、空中飞行物、天气、光线及其它特殊效果等。在接近真实环境的场景中，开展模拟训练、飞行参数对比分析、培训指导等，不仅训练不受限制且可控性强，而且安全效益和经济效益明显[7]。因此，对于以飞机为主角的机场设计而言，利用飞行视景仿真技术对复杂大场景的实时仿真能力，可开展面向不同机型的空间冲突检测、地面仿真，验证飞行程序等。

1.2 BIM技术

BIM作为一个多维信息模型，能够充分集成全生命周期中各个阶段的工程信息、过程和资源，为整个工程的质效提升奠定基础。对于那些级别较高且子系统复杂的机场设计而言，其包含的信息多且数据格式不一致，一般的BIM平台难以实现对多种数据信息的融合，设计优化效果仅能局限在管线综合、漫游等价值点，因此，我们需要更开放、支持大场景交互的平台，促进BIM价值的延伸应用，并从多个角度对机场设计进行更直接的交互和验证优化。

2 研究思路

本文提出的基于飞行视景仿真技术和BIM技术的机场设计优化应用技术路线，通过将各类机场设计数据以数据处理和模型转换的方式导入飞行视景仿真平台，并利用平台提供的SDK建立起飞行设计程序或各种型号飞机，实现多种数据的融合，同时以不同型号飞机视角开展对设计成果的真实运营仿真，并在此基础上进行飞行程序验证、导航设施规划验证等一系列可视化交互，进一步优化各类设计参数。

3 实施案例

某运输机场为4F级国际机场，占地面积100万m2，四条跑道，需满足A380等大型飞机的起降要求及多条国内外运输航线。基于该项目对大场景演示验证及多种数据格式融合的需求，本文选择Prepar 3D作为飞行视景仿真平台来对设计成果进行可视化验证。

Prepar 3D是2010年美国Lockheed martin(洛克希德马丁)公司基于微软模拟飞行系统开发的飞行模拟软件，它可以实现用户在虚拟世界中任何地方的飞行、训练以及完成各种指定任务[8]。由于它的设计和架构偏向于专业教学及评估使用，所以主要使用对象是一些有规模的商业组织、军方及科研机构[9]。但Prepar 3D开放性较强，且提供了丰富的SDK开发工具包，包括核心模块、飞机模型开发模块、任务创建模块和环境开发模块，这也是选择此平台的原因之一。以下是开展该技术路线的关键步骤。

3.1 地形处理

图2 Prepar3D地形数据

Prepar 3D飞行视景仿真平台自带有全球地形数据文件[10]，将全球分成96(12*8)个大方格(QMID level 4，LOD 2)，每个大方格由64(8*8)个小方格(QMID level 7，对应LOD5)组成，默认情况下地形分辨率最大为QMID Level 7，对应LOD 5，如图2所示。但该自带地形精度较低，且部分地区由软件自动复制生成，拼接效果明显，与真实环境存在较大差别[11]，难以满足以飞机视角查看机场设计的高精度模拟。因此，本文对平台中的地形进行了重新编译和替换。

通过抓取同像素块大小的Google卫星地图进行纠偏，然后通过地理配准生成GeoTiff格式的带地理定位的图像； 最后使用ReSampe工具进行同区域的地形采样，生成飞行视景仿真平台可识别的bgl格式真实地形，如图3所示，以此替换原始地形信息，大大提高整个场景的真实性。此外，若通过Civil 3D开展机场规划设计，其周边地形可通过数字高程的格式生成shp格式地形文件，再通过格式转换导入飞行视景仿真平台中使用。

图3 地形数据转换

3.2 基于BIM的机场建模

机场建模主要包括机场数据建模及建筑设施建模，其中机场数据模型包括机场及其周围地景逻辑物体，例如：飞行区设计参数模型、天气触发、时区位置等； 建筑/设施模型包括航站楼、机库等实体BIM设计模型。对于这两类模型，一般按两种方法来处理，机场数据模型通过Airport Design Editor进行设计，生成XML格式的地景设计文件通过BGL编译器进行格式转换； 建筑设施模型通过REVIT等BIM设计软件建立，而后导入Mode ConverterX中进行格式转换，进而在飞行视景仿真平台中使用，如图4所示。

图4 基于BIM的机场建模方法

(1)机场数据建模

在Airport Design Editor中以BIM数据为基础建立机场及其附属设施的数据模型，包括跑道、滑行道、机坪、导航设施、灯光、塔台等，在此基础上可导入Civil 3D飞行区模型进行精确化边界矫正，提升整个机场的真实感、沉浸感及可交互性，所有数据模型最终以bgl格式导出。主要步骤如下，创建后效果图如图5所示。

图5 机场数据建模效果

1)导入Google高清卫片及二维设计图，输入地理位置，新建机场平面；

2)新建跑道，赋予跑道编号、材质、宽度、长度等属性信息，设定朝向、磁偏角等，生成跑道，且根据实际尺寸修改比例并对齐；

3)将Civil 3D飞行区模型导入Airport Design Editor中，精确化场道模型；

4)建立起降区、跑道中心线、跑道边线、跑道标号、短距标识、跑道关闭标识等标识信息，同时添加跑道灯光等属性;

5)添加跑道中心和滑行道，并进行交叉关联;

6)参考机场平面图及航图，添加等待点，停机坪、草坪等;

7)添加机场标志牌等设施。

(2)建筑设施建模

在Revit中建立机库、塔台、导航台等设施的三维几何模型，使用Model Converter X软件开展WGS-84坐标系经纬度定位、椭球投影纠偏、碰撞条件设置、性能优化、材质调整等一系列优化措施，进而输出bgl格式建筑设施地景几何文件。

图6 建筑设施建模

3.3 飞行程序设计输入

民航局最新颁布的CCAR97《民用机场飞行程序和运行最低标准管理规定》将飞行程序设计和运行最低标准的拟定分为四个步骤：飞行程序预先研究、飞行程序方案研究、飞行程序初步设计和飞行程序正式设计[12]。而机场工程建设还是按选址到正式设计六个阶段进行和报批，因此，飞行程序设计目前还是按六个阶段来开展工作、上报及评审。虽然每个阶段飞行程序设计的核心工作内容都是设计进离场飞行程序方案和确定运行最低标准，但每个阶段需要重点关注的内容却不尽相同。因此，对飞行程序的设计验证也是基于本路线开展设计优化的重点之一。

图7 在Airport Design Editor中建立导航定位点 及起落航线飞行程序

基于飞行视景仿真技术开展对飞行程序设计方案的输入主要分为两类：第一类是对于没有飞行管理计算机系统(简称FMC)的机型，可以使用飞行视景仿真平台内置导航程序来实现[13]，即在Airport Design Editor中建立定位点和进离场程序，使用原生GPS进行导航或目视飞行，如图7所示。另一种对于带有FMC的第三方机型，可以通过按照ARINC 424规则建立机载导航数据库，然后用FMC进行导航飞行。机载导航数据库是FMC的重要信息源，通常核心需要更新的数据表包括Airports机场数据表、Runways跑道数据表、ILSes仪表着陆系统数据表、Navaids导航台数据表、Waypoints航路点数据表、Terminals终端区数据表和TerminalsLegs终端区航段数据表； 然后按照ARINC 424规则将飞行程序信息转换成导航数据库能够识别的编码格式，即可完成飞行程序的制作； 最后在飞行管理系统中选择建立的飞行程序便可进行导航飞行。

3.4 整合及优化

通过以上过程，最终可实现各类机场、建筑设施的BIM数据、GIS信息以及飞行程序、机型数据在飞行仿真平台的数据整合，通过设置天气、时间，建立飞行计划，选择机型和机场，便可实现对设计机场的三维飞行体验，从飞机的各个角度与设计机场进行直观交互，进而对设计验证及优化。

图8 基于Prepar 3D的BIM机场设计优化

一方面，为了使飞行程序可读性更高，便于局方、空管、军方、航空运营人、机场机构、地方政府以及程序设计人员等各参与方体验不同机型驾驶时对空间的感知和冲突检测，通过Prepar 3D 3.4发布的Simdirector可视化编程软件[9]建立起落航线的可视化引导航迹线和定位点的定位标识，并通过程序实时检测定位点距离、目标点偏离情况，以及不同位置的文字和音频提示，如图9所示，增加飞行程序的可视化交互程度[14]。在项目过程中，通过每次飞行数据和影像记录，项目组开展了对比分析，充分体验并验证了多条仪表进离场程序及运行最低标准的合理性。

图9 Simdirector可视化编程效果展示

另一方面，通过地面仿真开发，对导航设备和目视助航设备位置、点数进行实时计量计价统计，设计师可进行设备数量和位置参数的动态调优。此外，项目组通过飞机驾驶检验了飞行区的道面情况、标志牌的设置、滑行路线和停机位情况，极高的沉浸感和真实感促进了各参与方的交流和针对性评价。

3.5 实施效果

相较传统设计方式数据分散、兼容性较差、可视化程度低、逻辑仿真重复建模等问题，本文提出的技术路线给各参与方提供了一个更广阔、更开放、更直观的平台，在设计阶段即可开展对整体机场设计的体验，并以飞机视角模拟机场在各种状况下(如：极端天气、盲降等)的实际运行效果，为设计优化提供新的手段，这是传统方式所不能及的。同时，BIM技术在其中的应用，使得BIM价值得以延伸应用，为后期运营提供更多支持和接口。

4 总结

本文将飞行视景仿真技术应用到机场规划设计方案中，不仅可以导入BIM设计模型，搭建起实景仿真环境，对规划设计成果进行真实模拟和体验，还可对飞行程序进行验证，并结合逻辑仿真结果实时模拟机场的真实运转情况，为设计成果的展示和评估提供强有力的支撑。

在数字化的时代，技术工具、软件层出不穷，技术之于设计带来更多的不是替代，而是更好地优化设计成果，更快捷地提升效率。拥抱技术带来的便利，将BIM价值应用延伸，为数字化设计插上丰满的羽翼或许才是这个跨界融合时代最好的解决之道。