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谈虚拟现实技术的应用

作者:代写论文  来源:星论文网  发布时间:2010-02-07 22:19:46

 虚拟技术慨述

  虚拟现实技术是将现实世界映射到虚拟世界的技术,随着人类对客观世界认识的不断加深和新技术的不断产生,虚拟现实技术的内涵在不断扩展。目前,常用的又包括计算机图形(CG:Computer Graphic J技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术在内的最新发展成果。事实上,虚拟现实技术是以计算机技术为核心的一系列新技术的集成。

  虽然人们对于什么是虚拟现实并无统一的认识,但是诸多学者却公认虚拟现实具有浸没感 (Immersion)、交互性(Interactivity)和构想性(Imagination)的特点,简称为所谓浸没感,又称临场感 ,指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度,理想的模拟环境能够使用户全身心地投入到由计算机所创建的三维虚拟环境中,如同在现实世界中的感觉~样:交互性指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性 );而构想性则强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间,可拓宽人类认知范围,不仅可再现真实存在的环境,也可以构想客观不存在的甚至是不可能发生的情境。

  由于虚拟现实具有的以上特点,而虚拟现实技术是利用计算机技术对现实世界中已知的客观规律进行模拟,因而在各种领域中得到了广泛的应用,最常见的应用莫过于各种场景逼真的游戏,玩家在虚拟的环境中可以过着现实生活中向往却无法实现的生活,身心得到一种接近现实又超越现实的体验。除了用于娱乐之外,虚拟现实技术在规划、设计和人员培训方面也有着突出的表现,在民航安全管理中也有不少应用。

  虚拟现实技术在民航安全管理中的应用

  安全是民航运输业的生命线。虚拟现实技术应用于民航行业,从航空器设计、机场应急救援演练、事故模拟再现、事故征候调查仿真、到各类行业运行人员(飞行人员、机务维修人员及空中交通管制人员 )的教育培训与训练,不仅在很大程度上提高技术水平,而且将节约资金、大大提高运行安全水平。从国内外参考文献看,虚拟现实技术在民航行业的应用主要包括以下几个方面:

  (一)人员培训

  空中交通管制人员、飞行人员和机务维修人员的培训中广泛应用了虚拟现实技术。以我国某软件股份有限公司开发的CDZS机场塔台视景模拟机、DRS航管雷达模拟机和 DPS程序管制模拟机为例,这些系统是为训{练机场塔台管制员而设计的大型虚拟现实系统,能真实再现塔台管制工作环境,以 360。开阔的机场和近空视景 ,逼真的飞机滑行、起飞、降落 ,各种天气如雨、雪、雾以及夜航等,通过预先设计出的各种繁忙和危险情况用以对塔台管制员进行系统训练,并可以对训练结果进行评估,同时支持多种训练组合方式,是培训空中交通管制人员的主要手段和标准设备。虚拟现实技术的应用更加真实地模拟机场复杂、大流量的运营环境提供高画质、高清晰度视景,具有很好的沉浸感,因而具有较好的训l练效果。

  模拟机是各种虚拟现实技术的综合应用,在高性能计算机为核心的虚拟环境处理器的支持下,利用二维或者三维的显示技术创造逼真的虚拟环境,使用各种传感器感受用户操纵动作或者身体方位作为输入,计算出相应的响应并输出反馈给用户。使用模拟机可以将现实中较少发生的危险状况模拟出来,使受训l者短期内反复操作以至熟练掌握却不面临任何实际的危险,避免了训练事故,提高了训练水平,在飞行员、机务维修人员和管制员的训练中占有极其重要的地位。自2006年以来,随着具有我国自主知识产权的飞行训练器的出现,攻克了原来由空客、波音垄断的盲点和局面。

  对于机务维修人员的培训,亦可应用模拟机。如飞机试车是项高技术、高风险的工作,用飞行模拟机替代飞机进行试车培训,机务人员一方面可以熟悉试车的相关规程和工作步骤 ,另一方面也可以有效地降低飞机成本,更为重要的是规避了因误操作带来的一切风险。
 (二)计算机辅助设计

  航空器设计耗资巨大而且时间漫长。采用虚拟现实技术,将设计图纸转变成三维模型,并可与实物一样进行装配 ,使设计人员有如身临其境观察航空器及其部件的外形、内部结构及布局效果,甚至可以进行计算机模拟的强度、刚度、振动、风洞等试验,及时发现问题并可以随时修改设计,避免了生产试件所需的大量时间和资金浪费,提高了安全性。

  (三)安全管理

  美国国家航空和宇宙航行局 (NASA,National AviationSpace agency)启 动 了航 空 安全计 划(ASP:Aviation SafetyProgram),广泛使用了虚拟现实技术。该计划通过对航空系统建模和监控,向管理者提供实时详尽的数据以支持决策,进行事故预警,从而达到避免事故发生的效果,具体措施包括:通过虚拟现实的训I练设备,加强训练 ,避免人为因素造成的事故 :通过探测恶劣天气,并向飞行员提供及时、准确的天气信息 ,增强低能见度下的情境意识从而避免事故;向飞行员提供合成的视景,显示地面地形及目标、空中交通管制状态、着陆进近模式以及跑道表面状况等信息,提高着陆安全性。

  利用虚拟现实技术,搭建数字化得的民航运行系统

  随着我国民航行业的迅速发展,各种先进技术陆续被引进,上文提到的各种训练设备在我国都有应用,也有了很好的效果,但是从应用领域来看都是单项局部的应用,未能体现民航运行高度系统性的特点。虚拟现实技术在我国民航运行安全管理方面的应用还不充分,还有较大的扩展空间。从民航运行的系统性出发,本文提出利用虚拟现实技术搭建数字化的民航运行系统的观点。


  物质世界的发展变化规律是可以被认识的,虚拟现实技术是将现实世界的物质及其演变规律映射到数字空间,从而更加有利于人们认识客观世界。虚拟的“现实”空间有多大内涵有多丰富,取决于人们对客观世界的认识程度。民航运行系统是完全“人造”的系统,理论上说,利用虚拟现实技术可以制造出一个与实际完全相同的“数字化”的运行系统,人们可以利用这个系统对民航运行进行更加深入的研究,解决民航运行中存在的难点和热点问题,尤其是由于种种人为原因、组织失效造成的“系统性”问题。下面对当前民航运行安全管理中存在的几个方面问题进行探讨,用以说明数字化民航运行系统的应用。

  (一)机场设计安全问题

  机场运行安全在很大程度上受设计水平影响。由于目前我国在机场布局规划和设计中主要还是靠经验和参考同等级别机场的布局规划,许多机场都存在由于先天缺陷而造成的对运行的困扰,甚至造成各类不安全事件的发生。例如跑道滑行道系统设计的不合理可能导致跑道侵入事件,停机坪滑行路线和停机位设计缺陷则可能导致车辆与航空器抢道、车辆刮蹭甚至航空器与航空器刮蹭的事件,而候机楼通道设计缺陷则可能造成楼内控制区边界上的薄弱点,形成空防安全的隐患与威胁。另一种情况是在更改设计时,由于缺乏科学的评估手段,对更改设计的影响估计不足,破坏了原有设计的完整性和系统性,从而引发运行中的问题,这种情况更为常见。

  机场运行涉及众多航空器、保障车辆和人员,要在图纸上预见并避免未来运行中的问题的确不是一件容易的事情。因此,虽然机场立项、设计、施工、竣工验收到最后投入运行,中间经过多次专家评审,但是仍然难以避免有考虑不周而遗留下的问题。
  如果采用虚拟现实技术,在机场初始设计结束之后利用图纸进行建模,根据预期的吞吐量设置相应的参数,配置相应数量的运行车辆和运行人员,使机场在计算机中先行“运行”起来,统计模拟运行中的不安全事件,分析引发原因中的设计因素,修改设计以避免“木已成舟”后再发现设计中的缺陷,实现机场的设计安全。

  (二)航班延误的评估与应对

  航班延误是一个长期存在而又令人无可奈何的情况。造成航班延误的原因很多,可能是航路上的天气原因,也可能是流量控制原因,也可能是由于航空公司飞机调配造成的,还有一种可能是航空公司为了提高飞机利用率而安排了实际上难以准确执行的航班计划,造成航班延误。

  航班延误具有累加效应和扩散效应,一个航段的延误极可能导致该飞机执行的后续航段继续延误,甚至由于打乱原有的时刻表占用跑道、滑行道和停机位而使正点到达的其他飞机无法落地或者出发航班无法正点起飞,造成更多的航班延误和机场保障的混乱,航班密度大的繁忙机场受到的影响更大。准确的预测航班延误 的后果 ,及 时采取 应对措施 ,可以最大程度地降低航班延误造成的影响。

  采用虚拟现实技术计算航班延误的后果,可以对延误的后续影响和扩散影响得到直观的评估结果,航空公司可以根据评估结果灵活调整飞机派遣计划,机场也可及时调整跑道、滑行道以及机位和登机 口的分配 ,而 民航主管机关也可根据评估结果及时发现航空公司虚占航线的情况。

  (三)机场容量评估和扩容

  机场容量同样是一个系统性的问题。影响机场容量的因素很多,包括空域容量、跑道滑行道容量、机位数、货运能力和候机楼布局乃至地面交通限制等。一个机场的容量符合“木桶效应”规律,即取决于航空器运行流程、行李和货物流程及旅客流程中的“瓶颈”环节,对机场容量进行评估,或者要采取恰当的措施实现机场扩容,本质上是要找到这个“瓶颈”。实际生产运行中,由于以上众多因素相互交织,相互影响,很难准确找到影响机场容量的根本原因。

  采用虚拟现实技术,可以将这些因素统统视为变量,调整某一个变量数值,而保持其余变量不变并观察容量的变化,依次类推得到机场容量对各个变量的经验公式,从而方便地找到不同运行条件下的容量“瓶颈”,使得评估结果和扩容措施有了科学的依据。

  以上提到的几个方面,仅是数字化民航运行系统的极小一部分应用。事实上虚拟现实技术是模拟客观世界已知的客观规律,并利用这些客观规律进行现实生产运行中无法进行的试验,从而获得更好的运行方案,节约资金和时间,并规避风险。利用虚拟现实技术对民航运行系统进行仿真,能够使决策更加具有数据支持,从而具有更强的科学性,将对民航运行安全管理起到极大的促进作用。

  民航企事业单位及科研院所应当从系统的角度出发,充分利用各种虚拟现实技术,推进民航管理技术更快的发展,提高民航行业整体运行效率和安全管理水平。



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