基于机场运行专业虚拟仿真技术应用与研究

朱华西 谢厚亮 李鹏

摘要：中国民航局、国家发改委、交通运输部印发了 “十四五” 民用航空发展规划，明确提出，加快扩大5G、大数据、区块链、人工智能、北斗系统等技术民航应用，意味着未来几年民航领域人才需求大大增加。机场运行专业抓住时代潮流，专业人才培养同虚拟仿真相结合，利用虚拟仿真技术创造国内知名机场的VR实训场地，打破了实训场地的限制，降低了成本和风险性，切实为民航领域人才的培养发挥了重要作用。随着5G技术日渐成熟，航空5G应用已经拉开了帷幕，虚拟仿真技术在航空领域应用也会越来越广泛。

关键词：机场运行虚拟仿真VR技术应用研究

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《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》，深化信息技术与教育教学深度融合，以高质量实验教学助推高等教育教学质量变轨超车，助力高等教育强国建设，全国各高校专业虚拟仿真实验室建设遍地开花[1]。2019年10月19日，以“VR让世界更精彩—VR+5G开启感知新时代”为主题的VR产业大会在南昌召开，5G、VR/AR等新技术应用已成为智慧时代的核心驱动力，为充分展现VR/AR产品和应用。2021年出台的《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中，VR/AR产业被列为未来五年数字经济重点产业之一。民航局日前印发了《航空5G机场场面宽带移动通信系统建设应用实施方案》（简称《实施方案》），这份《实施方案》的发布，也标志着航空5G应用的序幕正式拉开，机场运行专业紧跟时代潮流，抓住机遇将同VR技术相结合，使得虚拟仿真技术应用领域越来越广泛。

1 虚拟仿真技术

虚拟仿真（Virtual Reality），意同虚拟现实，简称VR或称灵境技术，用虚拟的场景对现实空间的真实模拟技术，虚拟仿真技术可能通过计算机进行创建，让客户在虚拟仿真的系统中体验虚拟的世界，可以带给客户的感觉和真实世界的意境相同，完全可以沉浸在虚拟的场景里，借助于穿戴设备，可以有听觉、味觉、触觉等人体感知，还可以通过虚拟的世界进行无限创造，让思维自由发挥，达到现实世界无法完成的效果[2]。虚拟现实技术简称VR技术，与虚拟仿真技术有很多共同特征，同样可以在虚拟世界里进行交互，依托5G技术，打破时空的限制，依托虚拟空间共同完成会议交流、技术指导、技能训练等任务。

2机场运行专业模拟仿真系统的设计与实现

机场运行专业虚拟仿真系统主要包括3个部分：一是机场运行模拟场景的设计，主要包括飞行区、站坪和候机楼等虚拟场景的模型制作。二是动画与互设计，利用相关软件技术，对虚拟场景中人和物进行动画调节，再进行交互命令的编辑与测试，顺利实现虚拟场景中的交互功能。三是虚拟实训，让受训学员在沉浸式环境中熟悉各个场景及操作过程，提高学生的实训操作能力;通过数据的改变，掌握学生实训情况，实现对专业方面的知识讲解，提高学生在机场运行专业方面的实践能力[3]。如图1所示。

2.1机场数据采集与建模

本系统以某国际机场为例进行模型制作。前期要对机场的数据进行详细的采集，包括机场的飞机区、站坪、航站楼等场地，对比机场平面图和场地进行测量，确保数据的准确性。对于机场内部环境，可通过无人机、单反相机进行现场图片信息采集，用于后期的灯光调整和贴图制作。通过三维软件CAD绘制平面图，结合3ds max软件进行模型制作。机场外部和内部简单的场景，利用软件自身的一些资源库进行模型的修改与调整，人物可以通过基础模型进行修改。按机场功能划分，有动画的场景部分要花大量的时间进行模型细节的制作，方便后续动画的调节与交互的实现。例如，行李安检等场地模型的制作，涉及一些按钮部分和交互的添加，建模过程会消耗更多的时间，对模型的要求更加严格。动画模型制作同时要考虑点线面的数量和零部件模型的坐标，要保证后面将模型导入到Unity 3D引擎中后运行流畅，模型坐标不会出现差异等问题。

2.2机场模型的贴图与动画

机场模型贴图部分制作可以实现虚拟仿真场景逼真感。3ds Max中自带大量的材质球，可能结合机场实际情况，对应材质和前期拍摄的照片素材进行贴图。任何模型贴图前都要进行UV展开，由于3ds Max展UV功能不够强大，复杂的模型制作比较棘手。制作过程中，可以将三维模型导入到UV Layout专业展UV的软件中进行制作，方便快捷，大大地提高了展UV效率。对于模型UV接缝处，可以通过绘制贴图进行解决，如ZBrush、Bodypaint3D等三维软件，都可以实现在模型上进行贴图的绘制，进行材质的添加[4]。不管用什么软件制作贴图，最终都要将图片导入到Photoshop软件中进行图像的处理，再导入到3ds Max中反复进行渲染预览，最终实现完美的贴图效果。在机场模型贴图制作过程中，一定要将涉及动画相关模型部分的贴图效果做到和实物相同，后期的虚拟交互过程体验感才会更强。

机场虚拟动画制作包括了场景和人物动画两个部分，场景动画中主要是设备的动画，如安检仪、行李托运设备、地勤运货车等。航空安检设备的动制作，通过对模型按钮添加引擎，实现安检设备的旋转和停留。人物动画主要包括空姐、客服人员、安保人员等，每个人物都有几个固定的动作，可能通过3ds Max软件对人物动画进行调节，后续通过其他引擎软件实现动画触发。

2.3 Unity 3D场景搭建

将前面建好的机场模型导入到Unity 3D引擎工程的Assets文件夹下，打开Unity 3D引擎软件后，会自动地读取模型的材质、贴图、动画等内容，并自动进行文件归类，特别是要重复使用零部件部分进行预设体的制作，这样更加方便调用，还大大提高了计算机的性能。再根据场景的要求，将Assets文件夹下的模型对象拖入到Scene视频图，完成模型对象的创建。最后通过Unity 3D引擎右侧Inspector界面调节模型在场景中的坐标位置，这里需要注意的是3ds Max软件用的是右手坐标系，而Unity 3D引擎采用的是左手坐标系，所以导入的模型X轴坐标会偏转了负90°，严重影响程序对物体的控制，所以要进行坐标的调整，以确保模型的位置不会出现偏差[5]。

2.3 虚拟仿真交互的实现

虚拟仿真交互的实现，以搭建好的场景为前提。将之前完成的动画模型及动作，导入到Unity 3D引擎软件场景中，结合软件动画编辑器，将之前调节好的动画实现交互。Unity3D也是一款跨平台应用开发引擎，本身可以创建实时三维动画，软件内置的物理引擎，可模拟刚体碰撞、弹力等效果。其本身自带的程序编译器支持Lua、Visual Studio 、C# 作为外部编译器对代码进行调试，支持各种编译语言，并且能对驱动程序进行多平台的封装[6]。完成场景与动画测试之后，可以通过虚拟仿真穿戴设备进行反复调试，直到虚拟仿真交互流畅为止，再将完成后的机场虚拟仿真系统打包导出，用于机场运行专业实训。

3结语

机场虚拟仿真技术应用推动了机场运行专业人才建设，成本低、零风险，打破了实训场地的限制，培养了具备空中交通管理、机场运行、民航运输法规等方面的知识和技术技能，能够从事机场运行指挥员、机场地面服务保障人员、安全保障人员等工作的复合型技术技能人才。近期，国务院日前印发《“十四五”数字经济发展规划》，提到要加快推动数字产业化，加快虚拟仿真产业发展，推进网络强国建设，给出了明确的战略方向以及布局，未来虚拟仿真技术的应用将助力我国民航事业更好、更快地发展。

参考文献

[1] 沈丛.VR技术与职业教育将开启融合之路[N].中国电子报，2021-11-16（8）.

[2] 王玲玲，富立，王秋生.虚拟仿真实验教学管理系统设计与应用[J].实验技术与管理，2021，38（9）：241-245.

[3] 董春桥，王秀萍，梁莎.“互联网+”环境工程原理虚拟仿真实验教学项目建设[J].实验技术与管理，2021，38（8）：11-14，19.

[4] 熊宏齐.虚拟仿真实验教学助推理论教学与实验教学的融合改革与创新[J].实验技术与管理，2020，37（5）：5.

[5]郝孜奇，张文胜.基于Unity3D的鐵路实训虚拟仿真系统开发[J].计算机仿真，2020，37（6）：99-103，241.

[6]李荣强，文爱兵，花斌，等.航空装备虚拟维修训练仿真模型快速开发技术[J].系统仿真学报，2021，33（5）：1167-1176.