基于飛行視景仿真技術和BIM技術的機場設計優化應用技術路線研究

劉瑩穎 云 朋

(中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100120)

引言

近年來，隨著國家民用航空運輸事業飛速發展，我國民航機場新建及改擴建項目與日俱增[1]。一方面，根據預測的航空需求，機場規模及功能單元相應增加，子系統的布局及構型也復雜化和多樣化，這給機場的規劃設計和管理帶來了挑戰； 另一方面，作為以飛機為對象的場所，機場設施需適應不同機型的運營要求，滿足機場系統的交通特性、合理的飛行程序也是保證機場穩定運行的前提。計算機仿真技術的出現無疑為展示機場規劃設計方案的實際性能提供了最佳解決方案[2]。當前應用較多的機場系統仿真通常針對機場仿真模型開展微觀、動態的機場仿真，雖可定量進行分析，但模型的精度直接影響仿真的效果，且直觀性不強，BIM設計模型也難以融合，很難開展更深層次、更寬領域、更大范圍的技術研究和應用。

伴隨飛行模擬器發展而來的飛行視景仿真技術近年來被廣泛應用于軍隊和民航飛行人員的訓練使用中，飛行視景仿真技術直接給受訓者提供了一個身臨其境的仿真環境，實現了與環境的深度交互[3]。因此，本文基于飛行視景仿真技術的開放性和模擬性以及BIM技術的協調性和優化性，實踐驗證了一條可以融合各種機場設計數據(BIM或CAD)、GIS地形數據、各種機型及飛行數據、飛行程序等不同格式信息，并在此基礎上開展設計優化、地面仿真、飛行程序驗證、虛擬現實等多種應用的技術路線，為輔助和優化機場設計提供強有力的支持。

1 關鍵技術

1.1 視景仿真技術

視景仿真技術是計算機仿真技術的一個重要分支，涉及計算機技術、計算機圖像處理技術、多媒體技術、信息合成技術、信號顯示技術等諸多高新技術[4]。視景仿真主要包括仿真環境制作和仿真驅動兩大內容，通過基于模型、紋理、特效、場景等設計構造近乎真實的仿真環境，開展場景驅動、模型調動處理、分布交互、地形處理等一系列仿真驅動事件，實現與真實環境一致的實時交互響應[5]。

圖1 本文研究思路概圖

飛行視景仿真作為飛行模擬器不可或缺的組成部分[6]，可為飛行人員提供實際飛行過程中(地面及空中)真實的座艙外景象，包括地形地貌、地表物(建筑、設備設施、植被)、空中飛行物、天氣、光線及其它特殊效果等。在接近真實環境的場景中，開展模擬訓練、飛行參數對比分析、培訓指導等，不僅訓練不受限制且可控性強，而且安全效益和經濟效益明顯[7]。因此，對于以飛機為主角的機場設計而言，利用飛行視景仿真技術對復雜大場景的實時仿真能力，可開展面向不同機型的空間沖突檢測、地面仿真，驗證飛行程序等。

1.2 BIM技術

BIM作為一個多維信息模型，能夠充分集成全生命周期中各個階段的工程信息、過程和資源，為整個工程的質效提升奠定基礎。對于那些級別較高且子系統復雜的機場設計而言，其包含的信息多且數據格式不一致，一般的BIM平臺難以實現對多種數據信息的融合，設計優化效果僅能局限在管線綜合、漫游等價值點，因此，我們需要更開放、支持大場景交互的平臺，促進BIM價值的延伸應用，并從多個角度對機場設計進行更直接的交互和驗證優化。

2 研究思路

本文提出的基于飛行視景仿真技術和BIM技術的機場設計優化應用技術路線，通過將各類機場設計數據以數據處理和模型轉換的方式導入飛行視景仿真平臺，并利用平臺提供的SDK建立起飛行設計程序或各種型號飛機，實現多種數據的融合，同時以不同型號飛機視角開展對設計成果的真實運營仿真，并在此基礎上進行飛行程序驗證、導航設施規劃驗證等一系列可視化交互，進一步優化各類設計參數。

3 實施案例

某運輸機場為4F級國際機場，占地面積100萬m2，四條跑道，需滿足A380等大型飛機的起降要求及多條國內外運輸航線。基于該項目對大場景演示驗證及多種數據格式融合的需求，本文選擇Prepar 3D作為飛行視景仿真平臺來對設計成果進行可視化驗證。

Prepar 3D是2010年美國Lockheed martin(洛克希德馬丁)公司基于微軟模擬飛行系統開發的飛行模擬軟件，它可以實現用戶在虛擬世界中任何地方的飛行、訓練以及完成各種指定任務[8]。由于它的設計和架構偏向于專業教學及評估使用，所以主要使用對象是一些有規模的商業組織、軍方及科研機構[9]。但Prepar 3D開放性較強，且提供了豐富的SDK開發工具包，包括核心模塊、飛機模型開發模塊、任務創建模塊和環境開發模塊，這也是選擇此平臺的原因之一。以下是開展該技術路線的關鍵步驟。

3.1 地形處理

圖2 Prepar3D地形數據

Prepar 3D飛行視景仿真平臺自帶有全球地形數據文件[10]，將全球分成96(12*8)個大方格(QMID level 4，LOD 2)，每個大方格由64(8*8)個小方格(QMID level 7，對應LOD5)組成，默認情況下地形分辨率最大為QMID Level 7，對應LOD 5，如圖2所示。但該自帶地形精度較低，且部分地區由軟件自動復制生成，拼接效果明顯，與真實環境存在較大差別[11]，難以滿足以飛機視角查看機場設計的高精度模擬。因此，本文對平臺中的地形進行了重新編譯和替換。

通過抓取同像素塊大小的Google衛星地圖進行糾偏，然后通過地理配準生成GeoTiff格式的帶地理定位的圖像； 最后使用ReSampe工具進行同區域的地形采樣，生成飛行視景仿真平臺可識別的bgl格式真實地形，如圖3所示，以此替換原始地形信息，大大提高整個場景的真實性。此外，若通過Civil 3D開展機場規劃設計，其周邊地形可通過數字高程的格式生成shp格式地形文件，再通過格式轉換導入飛行視景仿真平臺中使用。

圖3 地形數據轉換

3.2 基于BIM的機場建模

機場建模主要包括機場數據建模及建筑設施建模，其中機場數據模型包括機場及其周圍地景邏輯物體，例如：飛行區設計參數模型、天氣觸發、時區位置等； 建筑/設施模型包括航站樓、機庫等實體BIM設計模型。對于這兩類模型，一般按兩種方法來處理，機場數據模型通過Airport Design Editor進行設計，生成XML格式的地景設計文件通過BGL編譯器進行格式轉換； 建筑設施模型通過REVIT等BIM設計軟件建立，而后導入Mode ConverterX中進行格式轉換，進而在飛行視景仿真平臺中使用，如圖4所示。

圖4 基于BIM的機場建模方法

(1)機場數據建模

在Airport Design Editor中以BIM數據為基礎建立機場及其附屬設施的數據模型，包括跑道、滑行道、機坪、導航設施、燈光、塔臺等，在此基礎上可導入Civil 3D飛行區模型進行精確化邊界矯正，提升整個機場的真實感、沉浸感及可交互性，所有數據模型最終以bgl格式導出。主要步驟如下，創建后效果圖如圖5所示。

圖5 機場數據建模效果

1)導入Google高清衛片及二維設計圖，輸入地理位置，新建機場平面；

2)新建跑道，賦予跑道編號、材質、寬度、長度等屬性信息，設定朝向、磁偏角等，生成跑道，且根據實際尺寸修改比例并對齊；

3)將Civil 3D飛行區模型導入Airport Design Editor中，精確化場道模型；

4)建立起降區、跑道中心線、跑道邊線、跑道標號、短距標識、跑道關閉標識等標識信息，同時添加跑道燈光等屬性;

5)添加跑道中心和滑行道，并進行交叉關聯;

6)參考機場平面圖及航圖，添加等待點，停機坪、草坪等;

7)添加機場標志牌等設施。

(2)建筑設施建模

在Revit中建立機庫、塔臺、導航臺等設施的三維幾何模型，使用Model Converter X軟件開展WGS-84坐標系經緯度定位、橢球投影糾偏、碰撞條件設置、性能優化、材質調整等一系列優化措施，進而輸出bgl格式建筑設施地景幾何文件。

圖6 建筑設施建模

3.3 飛行程序設計輸入

民航局最新頒布的CCAR97《民用機場飛行程序和運行最低標準管理規定》將飛行程序設計和運行最低標準的擬定分為四個步驟：飛行程序預先研究、飛行程序方案研究、飛行程序初步設計和飛行程序正式設計[12]。而機場工程建設還是按選址到正式設計六個階段進行和報批，因此，飛行程序設計目前還是按六個階段來開展工作、上報及評審。雖然每個階段飛行程序設計的核心工作內容都是設計進離場飛行程序方案和確定運行最低標準，但每個階段需要重點關注的內容卻不盡相同。因此，對飛行程序的設計驗證也是基于本路線開展設計優化的重點之一。

圖7 在Airport Design Editor中建立導航定位點 及起落航線飛行程序

基于飛行視景仿真技術開展對飛行程序設計方案的輸入主要分為兩類：第一類是對于沒有飛行管理計算機系統(簡稱FMC)的機型，可以使用飛行視景仿真平臺內置導航程序來實現[13]，即在Airport Design Editor中建立定位點和進離場程序，使用原生GPS進行導航或目視飛行，如圖7所示。另一種對于帶有FMC的第三方機型，可以通過按照ARINC 424規則建立機載導航數據庫，然后用FMC進行導航飛行。機載導航數據庫是FMC的重要信息源，通常核心需要更新的數據表包括Airports機場數據表、Runways跑道數據表、ILSes儀表著陸系統數據表、Navaids導航臺數據表、Waypoints航路點數據表、Terminals終端區數據表和TerminalsLegs終端區航段數據表； 然后按照ARINC 424規則將飛行程序信息轉換成導航數據庫能夠識別的編碼格式，即可完成飛行程序的制作； 最后在飛行管理系統中選擇建立的飛行程序便可進行導航飛行。

3.4 整合及優化

通過以上過程，最終可實現各類機場、建筑設施的BIM數據、GIS信息以及飛行程序、機型數據在飛行仿真平臺的數據整合，通過設置天氣、時間，建立飛行計劃，選擇機型和機場，便可實現對設計機場的三維飛行體驗，從飛機的各個角度與設計機場進行直觀交互，進而對設計驗證及優化。

圖8 基于Prepar 3D的BIM機場設計優化

一方面，為了使飛行程序可讀性更高，便于局方、空管、軍方、航空運營人、機場機構、地方政府以及程序設計人員等各參與方體驗不同機型駕駛時對空間的感知和沖突檢測，通過Prepar 3D 3.4發布的Simdirector可視化編程軟件[9]建立起落航線的可視化引導航跡線和定位點的定位標識，并通過程序實時檢測定位點距離、目標點偏離情況，以及不同位置的文字和音頻提示，如圖9所示，增加飛行程序的可視化交互程度[14]。在項目過程中，通過每次飛行數據和影像記錄，項目組開展了對比分析，充分體驗并驗證了多條儀表進離場程序及運行最低標準的合理性。

圖9 Simdirector可視化編程效果展示

另一方面，通過地面仿真開發，對導航設備和目視助航設備位置、點數進行實時計量計價統計，設計師可進行設備數量和位置參數的動態調優。此外，項目組通過飛機駕駛檢驗了飛行區的道面情況、標志牌的設置、滑行路線和停機位情況，極高的沉浸感和真實感促進了各參與方的交流和針對性評價。

3.5 實施效果

相較傳統設計方式數據分散、兼容性較差、可視化程度低、邏輯仿真重復建模等問題，本文提出的技術路線給各參與方提供了一個更廣闊、更開放、更直觀的平臺，在設計階段即可開展對整體機場設計的體驗，并以飛機視角模擬機場在各種狀況下(如：極端天氣、盲降等)的實際運行效果，為設計優化提供新的手段，這是傳統方式所不能及的。同時，BIM技術在其中的應用，使得BIM價值得以延伸應用，為后期運營提供更多支持和接口。

4 總結

本文將飛行視景仿真技術應用到機場規劃設計方案中，不僅可以導入BIM設計模型，搭建起實景仿真環境，對規劃設計成果進行真實模擬和體驗，還可對飛行程序進行驗證，并結合邏輯仿真結果實時模擬機場的真實運轉情況，為設計成果的展示和評估提供強有力的支撐。

在數字化的時代，技術工具、軟件層出不窮，技術之于設計帶來更多的不是替代，而是更好地優化設計成果，更快捷地提升效率。擁抱技術帶來的便利，將BIM價值應用延伸，為數字化設計插上豐滿的羽翼或許才是這個跨界融合時代最好的解決之道。