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虛擬技術(shù)慨述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將現(xiàn)實(shí)世界映射到虛擬世界的技術(shù)，隨著人類對(duì)客觀世界認(rèn)識(shí)的不斷加深和新技術(shù)的不斷產(chǎn)生，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的內(nèi)涵在不斷擴(kuò)展。目前，常用的又包括計(jì)算機(jī)圖形(CG：ComputerGraphicJ技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)在內(nèi)的最新發(fā)展成果。事實(shí)上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的一系列新技術(shù)的集成。

雖然人們對(duì)于什么是虛擬現(xiàn)實(shí)并無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，但是諸多學(xué)者卻公認(rèn)虛擬現(xiàn)實(shí)具有浸沒(méi)感(Immersion)、交互性(Interactivity)和構(gòu)想性(Imagination)的特點(diǎn)，簡(jiǎn)稱為所謂浸沒(méi)感，又稱臨場(chǎng)感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度，理想的模擬環(huán)境能夠使用戶全身心地投入到由計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，如同在現(xiàn)實(shí)世界中的感覺(jué)～樣：交互性指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實(shí)時(shí)性)；而構(gòu)想性則強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想象空間，可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的情境。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)具有的以上特點(diǎn)，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中已知的客觀規(guī)律進(jìn)行模擬，因而在各種領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，最常見(jiàn)的應(yīng)用莫過(guò)于各種場(chǎng)景逼真的游戲，玩家在虛擬的環(huán)境中可以過(guò)著現(xiàn)實(shí)生活中向往卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)的生活，身心得到一種接近現(xiàn)實(shí)又超越現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)。除了用于娛樂(lè)之外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在規(guī)劃、設(shè)計(jì)和人員培訓(xùn)方面也有著突出的表現(xiàn)，在民航安全管理中也有不少應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在民航安全管理中的應(yīng)用

安全是民航運(yùn)輸業(yè)的生命線。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于民航行業(yè)，從航空器設(shè)計(jì)、機(jī)場(chǎng)應(yīng)急救援演練、事故模擬再現(xiàn)、事故征候調(diào)查仿真、到各類行業(yè)運(yùn)行人員(飛行人員、機(jī)務(wù)維修人員及空中交通管制人員)的教育培訓(xùn)與訓(xùn)練，不僅在很大程度上提高技術(shù)水平，而且將節(jié)約資金、大大提高運(yùn)行安全水平。從國(guó)內(nèi)外參考文獻(xiàn)看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在民航行業(yè)的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：

(一)人員培訓(xùn)

空中交通管制人員、飛行人員和機(jī)務(wù)維修人員的培訓(xùn)中廣泛應(yīng)用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。以我國(guó)某軟件股份有限公司開(kāi)發(fā)的CDZS機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)視景模擬機(jī)、DRS航管雷達(dá)模擬機(jī)和DPS程序管制模擬機(jī)為例，這些系統(tǒng)是為訓(xùn){練機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)管制員而設(shè)計(jì)的大型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，能真實(shí)再現(xiàn)塔臺(tái)管制工作環(huán)境，以360。開(kāi)闊的機(jī)場(chǎng)和近空視景，逼真的飛機(jī)滑行、起飛、降落，各種天氣如雨、雪、霧以及夜航等，通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)出的各種繁忙和危險(xiǎn)情況用以對(duì)塔臺(tái)管制員進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練，并可以對(duì)訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)支持多種訓(xùn)練組合方式，是培訓(xùn)空中交通管制人員的主要手段和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用更加真實(shí)地模擬機(jī)場(chǎng)復(fù)雜、大流量的運(yùn)營(yíng)環(huán)境提供高畫質(zhì)、高清晰度視景，具有很好的沉浸感，因而具有較好的訓(xùn)l練效果。

模擬機(jī)是各種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的綜合應(yīng)用，在高性能計(jì)算機(jī)為核心的虛擬環(huán)境處理器的支持下，利用二維或者三維的顯示技術(shù)創(chuàng)造逼真的虛擬環(huán)境，使用各種傳感器感受用戶操縱動(dòng)作或者身體方位作為輸入，計(jì)算出相應(yīng)的響應(yīng)并輸出反饋給用戶。使用模擬機(jī)可以將現(xiàn)實(shí)中較少發(fā)生的危險(xiǎn)狀況模擬出來(lái)，使受訓(xùn)l者短期內(nèi)反復(fù)操作以至熟練掌握卻不面臨任何實(shí)際的危險(xiǎn)，避免了訓(xùn)練事故，提高了訓(xùn)練水平，在飛行員、機(jī)務(wù)維修人員和管制員的訓(xùn)練中占有極其重要的地位。自2006年以來(lái)，隨著具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的飛行訓(xùn)練器的出現(xiàn)，攻克了原來(lái)由空客、波音壟斷的盲點(diǎn)和局面。

對(duì)于機(jī)務(wù)維修人員的培訓(xùn)，亦可應(yīng)用模擬機(jī)。如飛機(jī)試車是項(xiàng)高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)的工作，用飛行模擬機(jī)替代飛機(jī)進(jìn)行試車培訓(xùn)，機(jī)務(wù)人員一方面可以熟悉試車的相關(guān)規(guī)程和工作步驟，另一方面也可以有效地降低飛機(jī)成本，更為重要的是規(guī)避了因誤操作帶來(lái)的一切風(fēng)險(xiǎn)。

(二)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

航空器設(shè)計(jì)耗資巨大而且時(shí)間漫長(zhǎng)。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)變成三維模型，并可與實(shí)物一樣進(jìn)行裝配，使設(shè)計(jì)人員有如身臨其境觀察航空器及其部件的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及布局效果，甚至可以進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)、風(fēng)洞等試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并可以隨時(shí)修改設(shè)計(jì)，避免了生產(chǎn)試件所需的大量時(shí)間和資金浪費(fèi)，提高了安全性。

(三)安全管理

美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局(NASA，NationalAviationSpaceagency)啟動(dòng)了航空安全計(jì)劃(ASP：AviationSafetyProgram)，廣泛使用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。該計(jì)劃通過(guò)對(duì)航空系統(tǒng)建模和監(jiān)控，向管理者提供實(shí)時(shí)詳盡的數(shù)據(jù)以支持決策，進(jìn)行事故預(yù)警，從而達(dá)到避免事故發(fā)生的效果，具體措施包括：通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的訓(xùn)I練設(shè)備，加強(qiáng)訓(xùn)練，避免人為因素造成的事故：通過(guò)探測(cè)惡劣天氣，并向飛行員提供及時(shí)、準(zhǔn)確的天氣信息，增強(qiáng)低能見(jiàn)度下的情境意識(shí)從而避免事故；向飛行員提供合成的視景，顯示地面地形及目標(biāo)、空中交通管制狀態(tài)、著陸進(jìn)近模式以及跑道表面狀況等信息，提高著陸安全性。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，搭建數(shù)字化得的民航運(yùn)行系統(tǒng)

隨著我國(guó)民航行業(yè)的迅速發(fā)展，各種先進(jìn)技術(shù)陸續(xù)被引進(jìn)，上文提到的各種訓(xùn)練設(shè)備在我國(guó)都有應(yīng)用，也有了很好的效果，但是從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看都是單項(xiàng)局部的應(yīng)用，未能體現(xiàn)民航運(yùn)行高度系統(tǒng)性的特點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國(guó)民航運(yùn)行安全管理方面的應(yīng)用還不充分，還有較大的擴(kuò)展空間。從民航運(yùn)行的系統(tǒng)性出發(fā)，本文提出利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建數(shù)字化的民航運(yùn)行系統(tǒng)的觀點(diǎn)。

物質(zhì)世界的發(fā)展變化規(guī)律是可以被認(rèn)識(shí)的，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將現(xiàn)實(shí)世界的物質(zhì)及其演變規(guī)律映射到數(shù)字空間，從而更加有利于人們認(rèn)識(shí)客觀世界。虛擬的“現(xiàn)實(shí)”空間有多大內(nèi)涵有多豐富，取決于人們對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)程度。民航運(yùn)行系統(tǒng)是完全“人造”的系統(tǒng)，理論上說(shuō)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以制造出一個(gè)與實(shí)際完全相同的“數(shù)字化”的運(yùn)行系統(tǒng)，人們可以利用這個(gè)系統(tǒng)對(duì)民航運(yùn)行進(jìn)行更加深入的研究，解決民航運(yùn)行中存在的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題，尤其是由于種種人為原因、組織失效造成的“系統(tǒng)性”問(wèn)題。下面對(duì)當(dāng)前民航運(yùn)行安全管理中存在的幾個(gè)方面問(wèn)題進(jìn)行探討，用以說(shuō)明數(shù)字化民航運(yùn)行系統(tǒng)的應(yīng)用。

(一)機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)安全問(wèn)題

機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全在很大程度上受設(shè)計(jì)水平影響。由于目前我國(guó)在機(jī)場(chǎng)布局規(guī)劃和設(shè)計(jì)中主要還是靠經(jīng)驗(yàn)和參考同等級(jí)別機(jī)場(chǎng)的布局規(guī)劃，許多機(jī)場(chǎng)都存在由于先天缺陷而造成的對(duì)運(yùn)行的困擾，甚至造成各類不安全事件的發(fā)生。例如跑道滑行道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理可能導(dǎo)致跑道侵入事件，停機(jī)坪滑行路線和停機(jī)位設(shè)計(jì)缺陷則可能導(dǎo)致車輛與航空器搶道、車輛刮蹭甚至航空器與航空器刮蹭的事件，而候機(jī)樓通道設(shè)計(jì)缺陷則可能造成樓內(nèi)控制區(qū)邊界上的薄弱點(diǎn)，形成空防安全的隱患與威脅。另一種情況是在更改設(shè)計(jì)時(shí)，由于缺乏科學(xué)的評(píng)估手段，對(duì)更改設(shè)計(jì)的影響估計(jì)不足，破壞了原有設(shè)計(jì)的完整性和系統(tǒng)性，從而引發(fā)運(yùn)行中的問(wèn)題，這種情況更為常見(jiàn)。

機(jī)場(chǎng)運(yùn)行涉及眾多航空器、保障車輛和人員，要在圖紙上預(yù)見(jiàn)并避免未來(lái)運(yùn)行中的問(wèn)題的確不是一件容易的事情。因此，雖然機(jī)場(chǎng)立項(xiàng)、設(shè)計(jì)、施工、竣工驗(yàn)收到最后投入運(yùn)行，中間經(jīng)過(guò)多次專家評(píng)審，但是仍然難以避免有考慮不周而遺留下的問(wèn)題。

如果采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在機(jī)場(chǎng)初始設(shè)計(jì)結(jié)束之后利用圖紙進(jìn)行建模，根據(jù)預(yù)期的吞吐量設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，配置相應(yīng)數(shù)量的運(yùn)行車輛和運(yùn)行人員，使機(jī)場(chǎng)在計(jì)算機(jī)中先行“運(yùn)行”起來(lái)，統(tǒng)計(jì)模擬運(yùn)行中的不安全事件，分析引發(fā)原因中的設(shè)計(jì)因素，修改設(shè)計(jì)以避免“木已成舟”后再發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷，實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)的設(shè)計(jì)安全。

(二)航班延誤的評(píng)估與應(yīng)對(duì)

航班延誤是一個(gè)長(zhǎng)期存在而又令人無(wú)可奈何的情況。造成航班延誤的原因很多，可能是航路上的天氣原因，也可能是流量控制原因，也可能是由于航空公司飛機(jī)調(diào)配造成的，還有一種可能是航空公司為了提高飛機(jī)利用率而安排了實(shí)際上難以準(zhǔn)確執(zhí)行的航班計(jì)劃，造成航班延誤。

航班延誤具有累加效應(yīng)和擴(kuò)散效應(yīng)，一個(gè)航段的延誤極可能導(dǎo)致該飛機(jī)執(zhí)行的后續(xù)航段繼續(xù)延誤，甚至由于打亂原有的時(shí)刻表占用跑道、滑行道和停機(jī)位而使正點(diǎn)到達(dá)的其他飛機(jī)無(wú)法落地或者出發(fā)航班無(wú)法正點(diǎn)起飛，造成更多的航班延誤和機(jī)場(chǎng)保障的混亂，航班密度大的繁忙機(jī)場(chǎng)受到的影響更大。準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)航班延誤的后果，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，可以最大程度地降低航班延誤造成的影響。

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)計(jì)算航班延誤的后果，可以對(duì)延誤的后續(xù)影響和擴(kuò)散影響得到直觀的評(píng)估結(jié)果，航空公司可以根據(jù)評(píng)估結(jié)果靈活調(diào)整飛機(jī)派遣計(jì)劃，機(jī)場(chǎng)也可及時(shí)調(diào)整跑道、滑行道以及機(jī)位和登機(jī)口的分配，而民航主管機(jī)關(guān)也可根據(jù)評(píng)估結(jié)果及時(shí)發(fā)現(xiàn)航空公司虛占航線的情況。

(三)機(jī)場(chǎng)容量評(píng)估和擴(kuò)容

機(jī)場(chǎng)容量同樣是一個(gè)系統(tǒng)性的問(wèn)題。影響機(jī)場(chǎng)容量的因素很多，包括空域容量、跑道滑行道容量、機(jī)位數(shù)、貨運(yùn)能力和候機(jī)樓布局乃至地面交通限制等。一個(gè)機(jī)場(chǎng)的容量符合“木桶效應(yīng)”規(guī)律，即取決于航空器運(yùn)行流程、行李和貨物流程及旅客流程中的“瓶頸”環(huán)節(jié)，對(duì)機(jī)場(chǎng)容量進(jìn)行評(píng)估，或者要采取恰當(dāng)?shù)拇胧?shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)擴(kuò)容，本質(zhì)上是要找到這個(gè)“瓶頸”。實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，由于以上眾多因素相互交織，相互影響，很難準(zhǔn)確找到影響機(jī)場(chǎng)容量的根本原因。

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將這些因素統(tǒng)統(tǒng)視為變量，調(diào)整某一個(gè)變量數(shù)值，而保持其余變量不變并觀察容量的變化，依次類推得到機(jī)場(chǎng)容量對(duì)各個(gè)變量的經(jīng)驗(yàn)公式，從而方便地找到不同運(yùn)行條件下的容量“瓶頸”，使得評(píng)估結(jié)果和擴(kuò)容措施有了科學(xué)的依據(jù)。

以上提到的幾個(gè)方面，僅是數(shù)字化民航運(yùn)行系統(tǒng)的極小一部分應(yīng)用。事實(shí)上虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是模擬客觀世界已知的客觀規(guī)律，并利用這些客觀規(guī)律進(jìn)行現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)運(yùn)行中無(wú)法進(jìn)行的試驗(yàn)，從而獲得更好的運(yùn)行方案，節(jié)約資金和時(shí)間，并規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)民航運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行仿真，能夠使決策更加具有數(shù)據(jù)支持，從而具有更強(qiáng)的科學(xué)性，將對(duì)民航運(yùn)行安全管理起到極大的促進(jìn)作用。

民航企事業(yè)單位及科研院所應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)的角度出發(fā)，充分利用各種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，推進(jìn)民航管理技術(shù)更快的發(fā)展，提高民航行業(yè)整體運(yùn)行效率和安全管理水平。