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虛擬技術(shù)慨述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是將現(xiàn)實世界映射到虛擬世界的技術(shù)，隨著人類對客觀世界認識的不斷加深和新技術(shù)的不斷產(chǎn)生，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的內(nèi)涵在不斷擴展。目前，常用的又包括計算機圖形(CG：ComputerGraphicJ技術(shù)、計算機仿真技術(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。事實上，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是以計算機技術(shù)為核心的一系列新技術(shù)的集成。

雖然人們對于什么是虛擬現(xiàn)實并無統(tǒng)一的認識，但是諸多學(xué)者卻公認虛擬現(xiàn)實具有浸沒感(Immersion)、交互性(Interactivity)和構(gòu)想性(Imagination)的特點，簡稱為所謂浸沒感，又稱臨場感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度，理想的模擬環(huán)境能夠使用戶全身心地投入到由計算機所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，如同在現(xiàn)實世界中的感覺～樣：交互性指用戶對模擬環(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(包括實時性)；而構(gòu)想性則強調(diào)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想象空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可再現(xiàn)真實存在的環(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)實具有的以上特點，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用計算機技術(shù)對現(xiàn)實世界中已知的客觀規(guī)律進行模擬，因而在各種領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，最常見的應(yīng)用莫過于各種場景逼真的游戲，玩家在虛擬的環(huán)境中可以過著現(xiàn)實生活中向往卻無法實現(xiàn)的生活，身心得到一種接近現(xiàn)實又超越現(xiàn)實的體驗。除了用于娛樂之外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在規(guī)劃、設(shè)計和人員培訓(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)實技術(shù)在民航安全管理中的應(yīng)用

安全是民航運輸業(yè)的生命線。虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于民航行業(yè)，從航空器設(shè)計、機場應(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)運行人員(飛行人員、機務(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、大大提高運行安全水平。從國內(nèi)外參考文獻看，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在民航行業(yè)的應(yīng)用主要包括以下幾個方面：

(一)人員培訓(xùn)

空中交通管制人員、飛行人員和機務(wù)維修人員的培訓(xùn)中廣泛應(yīng)用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)。以我國某軟件股份有限公司開發(fā)的CDZS機場塔臺視景模擬機、DRS航管雷達模擬機和DPS程序管制模擬機為例，這些系統(tǒng)是為訓(xùn){練機場塔臺管制員而設(shè)計的大型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，能真實再現(xiàn)塔臺管制工作環(huán)境，以360。開闊的機場和近空視景，逼真的飛機滑行、起飛、降落，各種天氣如雨、雪、霧以及夜航等，通過預(yù)先設(shè)計出的各種繁忙和危險情況用以對塔臺管制員進行系統(tǒng)訓(xùn)練，并可以對訓(xùn)練結(jié)果進行評估，同時支持多種訓(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準設(shè)備。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用更加真實地模擬機場復(fù)雜、大流量的運營環(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。

模擬機是各種虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合應(yīng)用，在高性能計算機為核心的虛擬環(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作或者身體方位作為輸入，計算出相應(yīng)的響應(yīng)并輸出反饋給用戶。使用模擬機可以將現(xiàn)實中較少發(fā)生的危險狀況模擬出來，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際的危險，避免了訓(xùn)練事故，提高了訓(xùn)練水平，在飛行員、機務(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，隨著具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的飛行訓(xùn)練器的出現(xiàn)，攻克了原來由空客、波音壟斷的盲點和局面。

對于機務(wù)維修人員的培訓(xùn)，亦可應(yīng)用模擬機。如飛機試車是項高技術(shù)、高風險的工作，用飛行模擬機替代飛機進行試車培訓(xùn)，機務(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成本，更為重要的是規(guī)避了因誤操作帶來的一切風險。

(二)計算機輔助設(shè)計

航空器設(shè)計耗資巨大而且時間漫長。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將設(shè)計圖紙轉(zhuǎn)變成三維模型，并可與實物一樣進行裝配，使設(shè)計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，甚至可以進行計算機模擬的強度、剛度、振動、風洞等試驗，及時發(fā)現(xiàn)問題并可以隨時修改設(shè)計，避免了生產(chǎn)試件所需的大量時間和資金浪費，提高了安全性。

(三)安全管理

美國國家航空和宇宙航行局(NASA，NationalAviationSpaceagency)啟動了航空安全計劃(ASP：AviationSafetyProgram)，廣泛使用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)。該計劃通過對航空系統(tǒng)建模和監(jiān)控，向管理者提供實時詳盡的數(shù)據(jù)以支持決策，進行事故預(yù)警，從而達到避免事故發(fā)生的效果，具體措施包括：通過虛擬現(xiàn)實的訓(xùn)I練設(shè)備，加強訓(xùn)練，避免人為因素造成的事故：通過探測惡劣天氣，并向飛行員提供及時、準確的天氣信息，增強低能見度下的情境意識從而避免事故；向飛行員提供合成的視景，顯示地面地形及目標、空中交通管制狀態(tài)、著陸進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)實技術(shù)，搭建數(shù)字化得的民航運行系統(tǒng)

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

物質(zhì)世界的發(fā)展變化規(guī)律是可以被認識的，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是將現(xiàn)實世界的物質(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識客觀世界。虛擬的“現(xiàn)實”空間有多大內(nèi)涵有多豐富，取決于人們對客觀世界的認識程度。民航運行系統(tǒng)是完全“人造”的系統(tǒng)，理論上說，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以制造出一個與實際完全相同的“數(shù)字化”的運行系統(tǒng)，人們可以利用這個系統(tǒng)對民航運行進行更加深入的研究，解決民航運行中存在的難點和熱點問題，尤其是由于種種人為原因、組織失效造成的“系統(tǒng)性”問題。下面對當前民航運行安全管理中存在的幾個方面問題進行探討，用以說明數(shù)字化民航運行系統(tǒng)的應(yīng)用。

(一)機場設(shè)計安全問題

機場運行安全在很大程度上受設(shè)計水平影響。由于目前我國在機場布局規(guī)劃和設(shè)計中主要還是靠經(jīng)驗和參考同等級別機場的布局規(guī)劃，許多機場都存在由于先天缺陷而造成的對運行的困擾，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)計的不合理可能導(dǎo)致跑道侵入事件，停機坪滑行路線和停機位設(shè)計缺陷則可能導(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，而候機樓通道設(shè)計缺陷則可能造成樓內(nèi)控制區(qū)邊界上的薄弱點，形成空防安全的隱患與威脅。另一種情況是在更改設(shè)計時，由于缺乏科學(xué)的評估手段，對更改設(shè)計的影響估計不足，破壞了原有設(shè)計的完整性和系統(tǒng)性，從而引發(fā)運行中的問題，這種情況更為常見。

機場運行涉及眾多航空器、保障車輛和人員，要在圖紙上預(yù)見并避免未來運行中的問題的確不是一件容易的事情。因此，雖然機場立項、設(shè)計、施工、竣工驗收到最后投入運行，中間經(jīng)過多次專家評審，但是仍然難以避免有考慮不周而遺留下的問題。

如果采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在機場初始設(shè)計結(jié)束之后利用圖紙進行建模，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)量的運行車輛和運行人員，使機場在計算機中先行“運行”起來，統(tǒng)計模擬運行中的不安全事件，分析引發(fā)原因中的設(shè)計因素，修改設(shè)計以避免“木已成舟”后再發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的缺陷，實現(xiàn)機場的設(shè)計安全。

(二)航班延誤的評估與應(yīng)對

航班延誤是一個長期存在而又令人無可奈何的情況。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調(diào)配造成的，還有一種可能是航空公司為了提高飛機利用率而安排了實際上難以準確執(zhí)行的航班計劃，造成航班延誤。

航班延誤具有累加效應(yīng)和擴散效應(yīng)，一個航段的延誤極可能導(dǎo)致該飛機執(zhí)行的后續(xù)航段繼續(xù)延誤，甚至由于打亂原有的時刻表占用跑道、滑行道和停機位而使正點到達的其他飛機無法落地或者出發(fā)航班無法正點起飛，造成更多的航班延誤和機場保障的混亂，航班密度大的繁忙機場受到的影響更大。準確的預(yù)測航班延誤的后果，及時采取應(yīng)對措施，可以最大程度地降低航班延誤造成的影響。

采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)計算航班延誤的后果，可以對延誤的后續(xù)影響和擴散影響得到直觀的評估結(jié)果，航空公司可以根據(jù)評估結(jié)果靈活調(diào)整飛機派遣計劃，機場也可及時調(diào)整跑道、滑行道以及機位和登機口的分配，而民航主管機關(guān)也可根據(jù)評估結(jié)果及時發(fā)現(xiàn)航空公司虛占航線的情況。

(三)機場容量評估和擴容

機場容量同樣是一個系統(tǒng)性的問題。影響機場容量的因素很多，包括空域容量、跑道滑行道容量、機位數(shù)、貨運能力和候機樓布局乃至地面交通限制等。一個機場的容量符合“木桶效應(yīng)”規(guī)律，即取決于航空器運行流程、行李和貨物流程及旅客流程中的“瓶頸”環(huán)節(jié)，對機場容量進行評估，或者要采取恰當?shù)拇胧崿F(xiàn)機場擴容，本質(zhì)上是要找到這個“瓶頸”。實際生產(chǎn)運行中，由于以上眾多因素相互交織，相互影響，很難準確找到影響機場容量的根本原因。

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

以上提到的幾個方面，僅是數(shù)字化民航運行系統(tǒng)的極小一部分應(yīng)用。事實上虛擬現(xiàn)實技術(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)律進行現(xiàn)實生產(chǎn)運行中無法進行的試驗，從而獲得更好的運行方案，節(jié)約資金和時間，并規(guī)避風險。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對民航運行系統(tǒng)進行仿真，能夠使決策更加具有數(shù)據(jù)支持，從而具有更強的科學(xué)性，將對民航運行安全管理起到極大的促進作用。

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