VR 技术在机场规划与建设中的应用＊

中国民用航空飞行学院基建与机场处 徐佳

VR 技术作为一种新兴的计算机视觉技术，为机场建设提供了有效、准确的解决方案。通过VR 技术可以对机场进行三维建模、仿真设计与仿真测试等，帮助相关研究人员实现机场整体工程规划与建设。且基于虚拟现实的数字化模型和数字孪生模型将大大降低工程风险、提高建设效率并节省大量时间。在虚拟现实中使用仿真工具可以创建3D 数字漫游环境，对所需的资源和相关活动进行可视化管理。通过使用虚拟现实技术可以提高设计效率和质量，减少设计工作量并简化复杂系统结构。基于此。本文通过构建应用场景与系统架构，提出了解决方案，并简要叙述了VR 技术在机场规划中的应用，旨在为相关技术人员提供借鉴。

本文的目的在于探索在机场规划和建设中使用虚拟现实技术的可行性，以帮助用户更好地理解机场的设计和操作流程。本文利用3D 数字孪生模型和技术可以帮助用户更好地规划机场建设工作，包括创建数字模型、虚拟现实环境以及仿真测试等帮助用户了解现场施工情况并确保安全操作。此外，用户可以通过实时检查现场施工情况来确保设计和项目顺利进行。

1 虚拟现实（VR）技术及其在机场规划与建设中的应用

虚拟现实（VR）技术[1]是一种计算机生成的沉浸式三维虚拟环境，通过该环境可以进行沉浸式体验。例如，（1）通过在机场建筑工地创建模型和模拟项目，使用户能够实时看到整个机场和施工过程。（2）在飞机降落之前的最后1min，用户可以从任何角度观察建筑工地，并观察飞机是否在正确路线上停靠。（3）使用虚拟现实技术可以帮助用户高效地管理项目流程并减少出错的机会。由于虚拟现实技术的强大功能，它将使设计、制造和施工等所有过程都更加直观、高效和可持续地进行。（4）通过使用虚拟现实工具与现场施工人员和设备进行交互，用户还可从不同角度观察施工情况并执行复杂任务，以帮助了解工程管理过程中所需资源等方面带来的影响。

1.1 本研究使用的工具

（1）在创建机场模型时，使用数字孪生模型（Digital Twin Model, DG）软件中的设计工具。DG 允许用户直接创建数字和物理的混合体，从而可实现高效且快速地执行工程设计工作；（2）在将机场数字孪生平台应用于工地时，使用了虚拟现实技术和虚拟现实环境（Virtual Reality in Edition, VRML）工具；（3）为设计和建造机场提供可视化指导，包括创建数字模型、模拟运行、仿真测试和虚拟漫游；（4）利用虚拟现实技术为机场工程规划（FEA）提供可视化指导；（5）在机场工作过程中，我们使用了各种虚拟工具来实现高效和可持续发展目标；（6）将仿真测试软件应用于整个项目中。

1.2 研究的内容和意义与创新点

本文将探索如何利用虚拟现实技术来帮助用户更好地理解机场的设计和建造过程，这对于提高机场运营效率，实现高效和可持续发展都具有重要意义。在设计过程中，用户可以在数字模型中查看到与其相关的所有施工内容以及现场情况。这为快速发现问题并解决问题提供了便利。通过使用虚拟现实工具对建筑工地进行三维建模，用户可以在虚拟现实环境中查看施工内容。创建3D 数字孪生模型来帮助用户更好地了解机场设计和建造的内容，并使用仿真测试解决方案来增强设计和建造的能力。通过创建虚拟现实环境来帮助用户更快地完成工作，包括对所有项目内容进行可视化管理和跟踪。

2 应用场景与系统架构

在数字孪生中[2]，需要通过构建实体模型来实现对物理世界的全面理解和控制，这一过程称为数字孪生（Digital Twins）。在虚拟现实中，通过 VR 技术，用户可以实时感受到现实世界的三维环境，并且可以获得与现实中完全一致的真实体验。可以使用3D 打印技术对设计图纸进行数字化表达以形成一个逼真真实的三维模型，并且能够在VR 中对其进行观察和操作。虚拟现实仿真技术为我们提供了一个真实世界可视化体验的环境。在虚拟现实中，用户只需戴上设备即可实现对目标环境进行观测、模拟、操作、漫游等功能。通过VR 仿真软件所提供的多种仿真功能，用户可以直接使用虚拟现实技术来构建机场等工程建设项目和环境。在虚拟现实中通过仿真工具可以完成对各种资源类型和规模以及动态变化的逼真场景进行快速创建与更新，并且其使用方法简单明了。

3 解决方案概述

基于虚拟现实技术的机场规划与建设，主要包括以下几方面内容：（1）三维建模：使用真实建筑结构及基础设施、环境等构建三维模型，对其进行材质贴图、材质喷涂和纹理填充等处理工作，并结合场景灯光与背景元素进行渲染；（2）仿真设计系统：使用仿真工具对机场工程设施及相关系统进行全面的可视化及模型搭建，实现三维虚拟建筑环境；（3）测试验证系统：通过测试分析验证设计方案是否可行，并为后续的优化改进提供指导和参考；（4）虚拟场景：利用虚拟现实技术构建三维场景，通过对场景中关键节点的渲染实现仿真环境建设，如桥梁、管道及建筑设施等；（5）基于场景的漫游设计：对机场设施进行不同规模的仿真漫游，在环境中展示机场设施内部结构及其功能；（6）基于模型的碰撞检测和碰撞校正，减少碰撞风险；避免因撞击而损坏或破坏所需的材料及其他相关设备；（7）模型渲染：将模型渲染至高品质画面。

3.1 三维建模

（1）建立一个建筑物的三维模型；（2）对建筑物的材质贴图、喷涂、纹理填充等处理工作；（3）完成建筑环境建模的基础工作；（4）根据建筑环境模型，使用虚拟现实技术进行建筑物模型渲染；（5）对建筑物上各种设备、管线等设备进行建模工作；（6）完成机场设施的虚拟现实搭建使用三维仿真工具[3]，在虚拟现实环境中漫游、查看模型细节及渲染效果。

3.2 仿真设计

（1）建筑设计仿真：通过建立建筑模型，并在虚拟场景中模拟与分析，可获得与真实的建筑相似的效果；（2）飞机仿真设计：使用仿真工具建立虚拟模型，并可在虚拟环境中展示飞机部件；（3）机场设计综合服务平台：建立机场项目及工程设施三维模型及环境，并在虚拟环境中模拟展示工程设施；（4）仿真设计工具：使用仿真工具构建机场设施模型，利用灯光、颜色、纹理等方式模拟现实效果，便于使用者了解设施内部结构；（5）仿真平台应用：可在虚拟环境中完成飞机模型、管道系统、机械设备的模拟工作；（6）建筑信息展示平台/应用：可在虚拟环境中展示工程设施的三维模型和结构参数等信息。

3.3 测试验证

（1）测试环境建设：在机场规划与建设中，用户需要利用多种场景搭建手段，通过测试工具，对机场总体设计方案及相关设施进行检验与测试；（2）数据分析：在测试环境中分析各种功能、性能及运行状态等数据，以此为基础对用户需求的设计方案进行验证和优化；（3）模型管理：使用模型管理软件对场景中建筑与道路之间的连接关系进行可视化管理，为用户提供可视化数据分析及展示工具；（4）仿真交互：使用人机交互技术，为用户提供真实的交互环境，并将其整合到设计方案中，在此场景中进行交互验证；（5）虚拟漫游：基于场景的漫游功能的实现，并与三维建筑可视化功能相结合。

4 VR 平台应用示例

通过VR技术的有效应用[4]，机场可以通过三维建模、虚拟仿真、数字漫游等技术，建立数字化机场环境，并将数字化建设的工程与建筑信息融入到整体设计方案中，实现机场建设与管理中的信息化和数字化，降低工程风险、提高效率并节省大量时间。例如：用户可以在虚拟平台上快速地创建自己期望的设计方案的三维场景，通过VR 技术将其与实际场景进行比较，并可以在此基础上快速进行修改和优化。用户可以通过VR 平台直观地浏览整个规划设计项目的各个阶段及在虚拟平台上模拟飞机起飞和降落过程。

用户可以快速浏览工程设计方案中涉及的所有主要系统（包括航站楼、机坪、行李提取区和停车楼等），并将其与真实场景相比较，以检查设计方案中各系统之间或系统内部结构之间的相互关系。还能够通过VR 技术模拟机场所处特定环境中的各种要素，如跑道、航管塔台等；并在三维虚拟环境中展示这些设施的真实物理形态。用户还可以在其中使用各种仿真工具进行工程设计测试：通过仿真测试设备对施工方案进行模拟，并根据实际结果调整方案。使用该系统后，用户不仅可以快速获得正确的设计方案和实际效果，还能提高项目质量和进度。在实际应用中，机场VR 系统已经被许多大型机场采用并在运营工程中发挥了重要作用。

4.1 上海浦东机场

上海浦东机场利用虚拟现实（VR）技术，建立了三维数字场景，并将其引入机场规划设计项目中，大大减少了工程风险。此外，上海浦东机场在对浦东机场总体规划的基础上，结合浦东机场的功能定位和功能布局，从旅客服务角度出发设计了“一心两翼”的总体布局。在此基础上采用虚拟现实技术建立了一个立体的三维数字场景，可以让用户从不同角度、不同高度及各种方向进行体验。通过这一系统可以为用户提供全面、逼真的三维动画效果以及场景漫游等功能，以充分展现上海浦东机场的总体规划内容。在该平台上可以通过360°全景地图浏览浦东机场内的交通、航站楼以及停机坪等设施[5]。在浦东机场虚拟现实系统上还提供了基于3D 技术的数字漫游，为公众提供真实、逼真、互动的虚拟现实体验，且在该系统上可以浏览工程设计方案中所涉及的各个主要系统以及这些系统之间或内部结构之间的相互关系。用户还可以使用不同类型和功能的三维动画工具与该平台进行交互操作。

4.2 南京禄口国际机场

南京禄口国际机场是中国重要的国际机场之一，也是中国重要的枢纽机场。为满足旅客快速出行、保障飞行安全和提高机场运营效率，需要构建一个全方位展示该机场设施的三维虚拟环境，并能够在三维场景中进行漫游和查看。其VR 系统组成包括航站楼、停车楼等建筑，以及机坪、跑道、塔台等设施设备。

系统展示方法：将机场各功能建筑按照设计图的形式，通过VR 技术建立三维场景，并在平台上实现漫游。系统特点：该虚拟场景展示了旅客进入航站楼后可以直接通过各个通道到达航站楼中任意位置。应用效果：客户可以进入不同的功能区域，在不同区域之间自由行走，以查看各种设施设备（如值机柜台、安检通道、行李转盘等）以及旅客所处的位置。用户操作：在场景中移动手指就能完成相应功能和检查，用户将可获得一种身临其境的感觉，并能以真实的方式对整个项目进行观察。系统特点：该系统可以通过不同手段向用户提供全面信息。系统价值：该系统的设计充分考虑了南京禄口国际机场建设与管理中所需要的技术和经验等特点。采用虚拟现实技术和移动互联网技术来实现机场虚拟现实环境建设。该项目成功完成后获得了国内外客户的高度认可，并荣获2015 年中国航空运输协会科学技术奖二等奖；2016 年3 月被江苏省信息产业厅列为全省十大示范工程之一；2016 年6 月被民航局列为全国十大创新项目之一；2017 年2 月被江苏省政府列为2017 年江苏省科技厅重大专项试点工程；2016、2017 年分别获得南京市和江苏省信息产业厅创新贡献奖。

4.3 深圳宝安机场

深圳宝安机场通过VR 技术可轻松实现机场各业务环节的信息化，以更好地满足旅客对航空服务的需求。其在航管楼建设中使用VR 仿真工具，利用先进的仿真软件，对航管楼工程进行全面模拟，实现对各类设施、设备及人员资源的优化配置和高效管理。此外，其在飞行区工程建设中通过VR 技术实现了多项重大创新：通过虚拟现实设备进行了跑道滑行道区域划分，完成了新老跑道交接处的模拟仿真和施工模拟[6]；利用Maya 技术在飞行区工程进行了多个场景的搭建和模拟；通过Real Time 进行航路优化，节省工程成本30%以上。

5 结语

随着人们对机场建设的要求越来越高，如何高效、安全地进行工程建设成为一个亟待解决的问题。随着虚拟现实（VR）和仿真技术的发展，人们对机场建设越来越感兴趣，且在航空领域中，虚拟现实技术有助于更好地进行工作环境设计和模拟仿真。由于虚拟现实技术拥有三维可视化的优势，可以为机场运营管理提供更好的服务支持。通过使用VR，用户能更真实地感受到场景中的各种情况，包括交通、工作环境和设施等。有助于提高设计质量和效率、降低安全风险、节约资金支出等，这项应用可以减少在人力物力上的投资，并且使得规划的方案以可视化的形式表现出来，便于规划设计人员对于机场规划建设方案的修正，设计出最优方案，从而也为“智慧机场”的建设无疑创造更大的价值。