基于VR技术的民航机场机坪可视化管理系统探讨

◆余纪毅泽 李廷元

基于VR技术的民航机场机坪可视化管理系统探讨

◆余纪毅泽 李廷元

（中国民用航空飞行学院计算机学院 四川 618300）

为了提高机坪管制移交现状下机坪运行效率以及管制人员情景意识训练，提出一种基于虚拟现实技术的三维模型机坪场面可视化管理系统，集运行情况动态显示、仿真和模拟训练一体以适应对机坪区管理的需求。本文通过对机坪现状需求分析，提出了相适应的系统结构设计及应用，并给出了系统设计的实现方法，对未来机坪区运行管理系统的实现有很好的借鉴意义。

机坪运行管理系统；虚拟现实技术；可视化

1 引言

随着计算机技术的发展以及人们对模拟环境操作的要求越来越高，虚拟现实作为计算机领域新兴的一种技术，在全球各个行业都得到了广泛的发展和应用，在民航业的发展中也得到普及和应用。在该技术的应用过程中，操作者可以做到身临其境地去了解工作情境并可以模拟地学习和实践一些在现实中难以完成的特殊情境的操作。

机坪是机场中一块指定的特殊区域，用于供进离场的航空器完成停机位的进出滑行，同时为飞机上下旅客与货物、飞机的加油与维修保障等作业的完成提供场地。随着我国民航运输业的飞速发展，早在2013年民航局就下发了《关于推进航空器机坪运行管理移交机场管理机构工作的通知》，提出了由于机场规模扩大，航空器增多，机坪负荷过大等问题，需要将机坪管制权力由空管移交机场管理并设置机坪管制塔台的做法。但相比较欧美国家而言，我国机坪管制移交实现较晚，且目前大部分机场仍然处于试验阶段。从当前我国机坪管制情况来看，将虚拟现实技术投入到机坪区使用，是一个前所未有的机遇。机坪管制工作中最重要的就是机坪管制员能熟悉了解并看到整个机坪场面的情况，在脑海中建立相应的情景意识，判断机坪区内航空器动态，以及相关周围物体的相对情况。

南京莱斯信息技术股份有限公司[1]分析了目前我国机坪管制技术现状，并提出可视化和智能化是未来机坪管制技术提升的重要方向。中国民航大学苏志刚等人[2]通过对机场模拟视图软件的测试研究，验证了丰富可调的可视化系统对于机场场面二次开发和模拟飞行有着重大意义，但以上实验未将可视化技术用于机坪区以及机场管制的应用中。孟丽娜在[3]中提出，智慧机坪管制技术的提升离不开新兴技术的支持，而虚拟现实技术则是智慧机坪的一个新的研究和发展方向。余青华在[4]中提出我国目前在机坪管制移交局势下，机坪区的优化运行策略，并指出基于虚拟现实技术的仿真可以更好地进行机坪优化策略的研究。泉州晋江国际机场在2020年提出[5]机坪区“智慧塔台”需要基于全景技术、云计算等高端技术综合应用，尤其是全景视频系统的发展可以逐步摆脱人工对外部环境的监控。2016年，意大利博洛尼亚大学[6]就向ICAO提出应当将虚拟现实技术和增强现实技术一起共同运用到机场塔台管制技术中。

鉴于此，将虚拟现实技术用于机坪区的全景可视化开发研究是提高机坪管制效率的重要技术方向之一，但目前国内外大部分研究仍然处于理论研究和实验阶段，实现机坪区全景的系统以及机坪数据可视化的系统寥寥无几，文章利用VR技术结合机坪区现状建立一个真实的沉浸式的可用于机坪管制以及提高机坪效率的集运行动态显示、虚拟仿真、模拟训练为一体的可视化系统，实现了虚拟现实技术在机坪区的应用。

2 系统结构及应用

机坪区可视化系统是一个涉及航空器机坪区滑行、车辆等运行还有数据处理的三维沉浸式可视化系统。系统基于虚拟现实技术，集成机坪区范围内的动态实时数据，在以根据机场实况建立的3D模型基础上，实现动态显示、仿真模拟、优化分析、模拟训练等功能。

2.1 结构设计

为了给用户提供使用体验良好，观察和模拟学习效果逼真的使用效果，根据设计的需要，将系统结构设计为应用层、逻辑层、接口层和数据层。

（1）应用层：该层为用户提供直观灵活的使用界面，用户可以直接通过该层提供界面获取和处理底层数据，实现与底层模型的交互操作。系统有三个功能模块，运行情况动态显示、运行情况仿真和模拟训练。

（2）逻辑层：该层根据上层应用层显示和操作需要，利用计算机编程技术，进行系统运行逻辑的处理，起到承上启下的作用。

（3）接口层：为逻辑层调用数据库数据编写程序提供动态接口。根据调用数据库不同分为动态连接运行管理系统的接口、动态连接本地数据库的接口和动态场景模型数据库的接口。

（4）数据层：数据层根据系统的需求分别封装成三类数据库，机场、航空公司、空管运行系统提供的实时数据存储的数据库，过去一定时间内数据存储的本地数据库，封装好场景模型数据的数据库。三大类数据库用于供系统不同需求的调用。

系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

2.2 系统主要应用功能

系统应用功能的实现是通过应用层展示给客户，系统主要功能如下。

（1）航空器、车辆运行动态显示

①航空器停机位信息等信息源，将机坪数据信息整合至系统，通过底层数据处理系统进行数据处理，再通过逻辑层进行信息整理，最后实时地在交互层通过三维模型直观展示机坪现状；

②场面信息回放。通过数据库的信息存储，可以实现过去一段时间内的机坪区航空器以及车辆等运行轨迹的回放，便于对机坪运行效率的评估学习以及后续事件的调查处理等。

（2）机坪运行仿真

①机坪区场面的仿真。相关场面仿真主要涉及到航站楼、指廊、廊桥、机位、滑行道等，各建筑位置和外观都不同，在仿真的实现中需要从不同的角度方位展示，更高精度的模型更有利于产生良好的视觉效果和沉浸式效果。

②航空器运动仿真。航空器的滑行方式、顺序等是提高机坪区运行效率的关键，通过对系统导入优化算法等进行航空器机坪区运行仿真验证，并通过三维可视化展示仿真结果，从而对机坪运行方式进行验证优化，得出最佳方案。

③车辆设备运行仿真。机坪区中车辆、廊桥等设备是保障机坪工作的关键，其调度也遵循一定规章，需要与航空器很好地配合，可以通过系统对其工作进行仿真并寻找最优工作方案以保证机坪区工作效率。

（3）模拟训练

对于机坪管制人员，对机坪环境建立情景意识、大流量和特情下的模拟训练都可以通过虚拟现实系统完成，既节省成本又可以在不受现场环境条件限制的情况下仅通过操纵手柄就了解场面的每一个细节，完成模拟训练。

3 系统设计实现

系统的实现主要通过与场面高度接近的三维模型建立，并通过机场各运行单位运行服务系统进行实时数据连接，通过计算机编程技术进行逻辑处理，最后以虚拟三维形式展示。主要技术涉及数据管理、三维建模、系统场景搭建、逻辑处理、虚拟现实交互实现。

3.1 系统数据管理

本系统通过接口与空管ADS-B系统、AODB航班动态信息系统、场面引导活动系统等交互，实时进行数据交换，对机坪动态以及航空器信息进行展示，同时通过数据库对相关数据进行存储。目前，北京大兴机场[7]正在使用一套全新的地面运行可视化系统，系统通过接口与空管、机场、航空公司运行相关系统相连接，对机场核心运行资源进行实时监控、运行情况分析，极大地提高了地面安全运行效率，但其仍然是基于二维平面展示数据，缺乏沉浸式交互和立体视觉，本系统借鉴采用相同接口并基于虚拟现实技术和三维建模技术，取其精华，改其不精。

3.2 系统模型建立

对机场机坪区建立基础的3D模型是整个机坪区VR展示实现的基础，由于机场机坪区的特殊性，在对整个机坪区乃至机坪区的建筑、航空器、车辆等进行建模时，需要进行相应的需求分析以及资源设计从而提高模型精度。

罗旭[8]介绍了运用3Dmax软件建模的基本方法并证实了合理采用3D建模可以提高物体在虚拟场景中的真实性，使得虚拟场景有更好的可操作性。周智楠[9]中提出了以机场为背景的多种三维建模方法，并指出三维建模对于机场发展的重要意义。李静在[10]中提出了基于多种3D建模开发软件的三维模型搭建方法，并根据机场净空区域障碍物的特点选取最优化方案，研究并验证了三维可视化模型对于机场净空障碍物的评估的重要性。

三维建模可以很好地向用户全方位地静态展示操作对象的360度视角，更是搭建整个机坪区虚拟场景的基本元素。高精度的三维模型建立是为管制员提供情景意识的第一步。3D建模技术也是民航新兴技术中值得发展探究的新方向，目前在各领域也发展得相对成熟，我们可以采用3DMax建模软件对机场机坪区的基础模型进行建模，同时3D Max对于CAD绘制出来的机坪区图纸也有很好的兼容性，可以直接导入CAD绘制的图纸，对机坪区场景进行填充建模，使得所建立的三维模型比例更加真实。

3.3 系统场景规划搭建

通过3DMax建立并渲染呈现出来的模型对于整个系统而言不过只是有搭建场景的资本，而想要我们所搭建的整个机坪区的场景按照需求动起来为其赋予生命，就需要通过Unity3D引擎实现。Unity3D开发引擎虽然多用于游戏开发中，但是用于机坪虚拟展示开发场景也可以呈现一个很好的仿真模拟效果。其基于C#的脚本开发方式也相比其他开发引擎更容易实现，同时，Unity3D对于我们之前提到的使用3D Max所建立的模型兼容性好。

潘卫军、徐海瑶等[11]利用Unity3D实现系统了航空器火灾场景的模拟实现，并设置了很多特效处理，使得所建立的虚拟演练平台更加真实。徐敬青等[12]将3Dmax软件制作好的炮弹模型导入到Unity3D中，进行环境设置、脚本程序编写等，实现了整个训练系统的功能。彭俊超[13]利用Unity3D实现了虚拟机场地理场景搭建，实现了机场空域三维场景可视化以及鸟击风险场可视化等，对机场防鸟击新技术的实现提供了可视化支持。

目前国内在用Unity3D进行VR场景搭建以及虚拟平台开发研究也相对成熟，在民航领域也有相应运用研究，故本文系统便利用Unity3D进行最终的场景搭建。同时，基于Unity 3D对于C#语言的支持，对于开发环境中所封装的算法可能不足以满足我们的可视化系统开发，我们可以自行编写算法对环境搭建进行优化，例如航空器滑行和推出的优化路径算法设计等。

3.4 虚拟现实交互环境

虚拟现实技术的突出优势就是能够建立一种沉浸式三维环境，能够像真实世界一样让人通过感觉器官把所处环境信息传递给大脑，呈现出一种接近真实环境的情景意识，要达到如此效果，不仅需要上述3D模型和虚拟环境搭建的支持，更需要硬件的支撑，才能让使用者在视觉、听觉、触觉、力觉四大感官上有身临其境的感觉，随着虚拟现实技术的发展，支持VR的硬件设备也越来越多样化。

李帆采用了HTC Vive设备，连接接入电脑端口模块，将头盔、手柄等接入开发引擎，从而实现交互环境的配置。王明羽[14]通过UI交互实现，采用键鼠和控制器两种输入设备，结合三星MR+头显，实现了虚拟驾驶系统的用户测试。崔张波[15]介绍了多种实现VR交互的方式。宋大同[16]将HTC Vive与系统交互界面通过相应接口相连接实现VR交互技术。晏锦[17]介绍分析了目前应用成熟广泛的虚拟现实硬件设备。

在机场机坪区的虚拟现实交互硬件设备选择时，选择发展较为成熟，性价比较高的HTC Vive设备。正确连接设备线路并接入端口模块极其重要，也就是将HTC Vive接入我们提前设置好的机坪区场景搭建使用的Unity 3D引擎，此功能的实现同时还需要相应的配置环境，也就是在Unity3D中使用Steam VR插件。

4 结束语与展望

机坪区的实时数据可视化、运行效率仿真择优，和对机坪管制员进行模拟培训都是目前我国机坪管制的迫切需求。本文基于VR技术，对上述功能开发至一个可视化系统中，相比于传统的对于机坪区管理系统更加生动无死角，同时对于目前很多机坪区效率、安全、容量的仿真研究都提供了比原先传统的、二维形式的抽象研究更好的可视化技术。目前我国正处于机坪管制权力移交的重要阶段，机坪管制员对于整个机坪区的了解关系着整个机坪运行的效率与安全，本文所提出的计划对于机坪管制员建立整个机坪区的情景意识有着极大的帮助。在未来的研究中，该系统功能会越来越完善，同时基于VR的可视化技术也可以用于民航的方方面面，对于整个民航系统的学习、实时可视化观测、仿真、优化决策都是很好的技术支撑。

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