基于機場運行專業虛擬仿真技術應用與研究

朱華西 謝厚亮 李鵬

摘要：中國民航局、國家發改委、交通運輸部印發了 “十四五” 民用航空發展規劃，明確提出，加快擴大5G、大數據、區塊鏈、人工智能、北斗系統等技術民航應用，意味著未來幾年民航領域人才需求大大增加。機場運行專業抓住時代潮流，專業人才培養同虛擬仿真相結合，利用虛擬仿真技術創造國內知名機場的VR實訓場地，打破了實訓場地的限制，降低了成本和風險性，切實為民航領域人才的培養發揮了重要作用。隨著5G技術日漸成熟，航空5G應用已經拉開了帷幕，虛擬仿真技術在航空領域應用也會越來越廣泛。

關鍵詞：機場運行虛擬仿真VR技術應用研究

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，教育部發布《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》，深化信息技術與教育教學深度融合，以高質量實驗教學助推高等教育教學質量變軌超車，助力高等教育強國建設，全國各高校專業虛擬仿真實驗室建設遍地開花[1]。2019年10月19日，以“VR讓世界更精彩—VR+5G開啟感知新時代”為主題的VR產業大會在南昌召開，5G、VR/AR等新技術應用已成為智慧時代的核心驅動力，為充分展現VR/AR產品和應用。2021年出臺的《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中，VR/AR產業被列為未來五年數字經濟重點產業之一。民航局日前印發了《航空5G機場場面寬帶移動通信系統建設應用實施方案》（簡稱《實施方案》），這份《實施方案》的發布，也標志著航空5G應用的序幕正式拉開，機場運行專業緊跟時代潮流，抓住機遇將同VR技術相結合，使得虛擬仿真技術應用領域越來越廣泛。

1 虛擬仿真技術

虛擬仿真（Virtual Reality），意同虛擬現實，簡稱VR或稱靈境技術，用虛擬的場景對現實空間的真實模擬技術，虛擬仿真技術可能通過計算機進行創建，讓客戶在虛擬仿真的系統中體驗虛擬的世界，可以帶給客戶的感覺和真實世界的意境相同，完全可以沉浸在虛擬的場景里，借助于穿戴設備，可以有聽覺、味覺、觸覺等人體感知，還可以通過虛擬的世界進行無限創造，讓思維自由發揮，達到現實世界無法完成的效果[2]。虛擬現實技術簡稱VR技術，與虛擬仿真技術有很多共同特征，同樣可以在虛擬世界里進行交互，依托5G技術，打破時空的限制，依托虛擬空間共同完成會議交流、技術指導、技能訓練等任務。

2機場運行專業模擬仿真系統的設計與實現

機場運行專業虛擬仿真系統主要包括3個部分：一是機場運行模擬場景的設計，主要包括飛行區、站坪和候機樓等虛擬場景的模型制作。二是動畫與互設計，利用相關軟件技術，對虛擬場景中人和物進行動畫調節，再進行交互命令的編輯與測試，順利實現虛擬場景中的交互功能。三是虛擬實訓，讓受訓學員在沉浸式環境中熟悉各個場景及操作過程，提高學生的實訓操作能力;通過數據的改變，掌握學生實訓情況，實現對專業方面的知識講解，提高學生在機場運行專業方面的實踐能力[3]。如圖1所示。

2.1機場數據采集與建模

本系統以某國際機場為例進行模型制作。前期要對機場的數據進行詳細的采集，包括機場的飛機區、站坪、航站樓等場地，對比機場平面圖和場地進行測量，確保數據的準確性。對于機場內部環境，可通過無人機、單反相機進行現場圖片信息采集，用于后期的燈光調整和貼圖制作。通過三維軟件CAD繪制平面圖，結合3ds max軟件進行模型制作。機場外部和內部簡單的場景，利用軟件自身的一些資源庫進行模型的修改與調整，人物可以通過基礎模型進行修改。按機場功能劃分，有動畫的場景部分要花大量的時間進行模型細節的制作，方便后續動畫的調節與交互的實現。例如，行李安檢等場地模型的制作，涉及一些按鈕部分和交互的添加，建模過程會消耗更多的時間，對模型的要求更加嚴格。動畫模型制作同時要考慮點線面的數量和零部件模型的坐標，要保證后面將模型導入到Unity 3D引擎中后運行流暢，模型坐標不會出現差異等問題。

2.2機場模型的貼圖與動畫

機場模型貼圖部分制作可以實現虛擬仿真場景逼真感。3ds Max中自帶大量的材質球，可能結合機場實際情況，對應材質和前期拍攝的照片素材進行貼圖。任何模型貼圖前都要進行UV展開，由于3ds Max展UV功能不夠強大，復雜的模型制作比較棘手。制作過程中，可以將三維模型導入到UV Layout專業展UV的軟件中進行制作，方便快捷，大大地提高了展UV效率。對于模型UV接縫處，可以通過繪制貼圖進行解決，如ZBrush、Bodypaint3D等三維軟件，都可以實現在模型上進行貼圖的繪制，進行材質的添加[4]。不管用什么軟件制作貼圖，最終都要將圖片導入到Photoshop軟件中進行圖像的處理，再導入到3ds Max中反復進行渲染預覽，最終實現完美的貼圖效果。在機場模型貼圖制作過程中，一定要將涉及動畫相關模型部分的貼圖效果做到和實物相同，后期的虛擬交互過程體驗感才會更強。

機場虛擬動畫制作包括了場景和人物動畫兩個部分，場景動畫中主要是設備的動畫，如安檢儀、行李托運設備、地勤運貨車等。航空安檢設備的動制作，通過對模型按鈕添加引擎，實現安檢設備的旋轉和停留。人物動畫主要包括空姐、客服人員、安保人員等，每個人物都有幾個固定的動作，可能通過3ds Max軟件對人物動畫進行調節，后續通過其他引擎軟件實現動畫觸發。

2.3 Unity 3D場景搭建

將前面建好的機場模型導入到Unity 3D引擎工程的Assets文件夾下，打開Unity 3D引擎軟件后，會自動地讀取模型的材質、貼圖、動畫等內容，并自動進行文件歸類，特別是要重復使用零部件部分進行預設體的制作，這樣更加方便調用，還大大提高了計算機的性能。再根據場景的要求，將Assets文件夾下的模型對象拖入到Scene視頻圖，完成模型對象的創建。最后通過Unity 3D引擎右側Inspector界面調節模型在場景中的坐標位置，這里需要注意的是3ds Max軟件用的是右手坐標系，而Unity 3D引擎采用的是左手坐標系，所以導入的模型X軸坐標會偏轉了負90°，嚴重影響程序對物體的控制，所以要進行坐標的調整，以確保模型的位置不會出現偏差[5]。

2.3 虛擬仿真交互的實現

虛擬仿真交互的實現，以搭建好的場景為前提。將之前完成的動畫模型及動作，導入到Unity 3D引擎軟件場景中，結合軟件動畫編輯器，將之前調節好的動畫實現交互。Unity3D也是一款跨平臺應用開發引擎，本身可以創建實時三維動畫，軟件內置的物理引擎，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# 作為外部編譯器對代碼進行調試，支持各種編譯語言，并且能對驅動程序進行多平臺的封裝[6]。完成場景與動畫測試之后，可以通過虛擬仿真穿戴設備進行反復調試，直到虛擬仿真交互流暢為止，再將完成后的機場虛擬仿真系統打包導出，用于機場運行專業實訓。

3結語

機場虛擬仿真技術應用推動了機場運行專業人才建設，成本低、零風險，打破了實訓場地的限制，培養了具備空中交通管理、機場運行、民航運輸法規等方面的知識和技術技能，能夠從事機場運行指揮員、機場地面服務保障人員、安全保障人員等工作的復合型技術技能人才。近期，國務院日前印發《“十四五”數字經濟發展規劃》，提到要加快推動數字產業化，加快虛擬仿真產業發展，推進網絡強國建設，給出了明確的戰略方向以及布局，未來虛擬仿真技術的應用將助力我國民航事業更好、更快地發展。

參考文獻

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

[2] 王玲玲，富立，王秋生.虛擬仿真實驗教學管理系統設計與應用[J].實驗技術與管理，2021，38（9）：241-245.

[3] 董春橋，王秀萍，梁莎.“互聯網+”環境工程原理虛擬仿真實驗教學項目建設[J].實驗技術與管理，2021，38（8）：11-14，19.

[4] 熊宏齊.虛擬仿真實驗教學助推理論教學與實驗教學的融合改革與創新[J].實驗技術與管理，2020，37（5）：5.

[5]郝孜奇，張文勝.基于Unity3D的鐵路實訓虛擬仿真系統開發[J].計算機仿真，2020，37（6）：99-103，241.

[6]李榮強，文愛兵，花斌，等.航空裝備虛擬維修訓練仿真模型快速開發技術[J].系統仿真學報，2021，33（5）：1167-1176.