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视景仿真在航空安全中的应用
2010年8月6日    评论:    分享:

    来源:互联网

    作者:未知(请作者与本站联系) 

 

    视景仿真习惯上又被称之为图形仿真,它通过计算机根据要求生成一个与真实环境一样或类似的场景,并控制和计算这个场景中各个物体的姿态和位置,然后根据一个虚拟的观察视点计算形成一个个连续的画面,最终显示在诸如显示器或投影这样的显示设备上。这样一个过程非常像拍电影,一个拍摄场地或是布景,由导演控制的演员和道具,通过摄象机镜头将表演过程录制成一张张胶片。与电影和计算机动画只能够提供不可改变的画面不同的是,视景仿真具有交互的特点,这意味着观看仿真的人可以随时根据要求改变和调整仿真环境中各种物体的位置、姿态和特性。

 

  目前视景仿真已被应用于许多领域,其中在航空领域里众所周知的例子就是固定训练器(FTD)和全任务飞行模拟器(FFS),尤其是FFS能够提供逼真的视景、音响和运动感觉,这样在飞行员训练方面,能够提供更加安全和经济的手段。受到FFS应用的启发,在一些航空事故的调查中,调查人员试图通过FFS再现事故过程,从而发现事故原因。然而这种做法有一个限制,FFS的运动过程是通过各种操纵参数,并考虑设置的外界环境状况参数,根据飞机的性能公式计算得到,它不能够将黑匣子,也就是飞行数据记录器(FDR)和舱音记录器(CVR)记录的有关参数直接输入到FFS,并驱动FFS按照记录器记录的实际过程进行运动,因此从某种意义上讲,使用FFS进行事故调查的方式是一种验证的调查方式。但是在事故调查前期,调查人员面对的是FDR的数据表格或各种参数曲线、CVR的录音等各自独立分散的信息源,因此调查人员更需要的是一种能够将FDRCVR以及其他可获得的信息如雷达记录等综合起来的系统,在通用的计算机平台上将FDR数据、CVR录音以及其他信息,如机场灯光、云、能见度等集成在三维场景中,并根据这些信息驱动飞机、仪表、灯光等三维模型来仿真再现事故的发生发展过程,从而直观地为调查人员提供更加明确的与事故相关的各种信息,以便更容易更迅速地发现事故原因。美国NTSB曾经调查过这样一起航空事故,一架BB737在洛杉矶机场降落时撞上了一架正在跑道上待命起飞的美多小飞机,B737的驾驶员罹难。事故的直接原因是空管人员的管制错误,但是为什么B737富有经验的机长在晴朗的夜空下看不见美多飞机从而采取相应措施使得调查人员百思不得其解。经过一位驾驶员制作的仿真软件再现当时的飞行过程发现,美多飞机的尾灯混淆在跑道中线灯当中,而美多飞机的翼尖灯只向前方照射,从后方无法看见!因此NTSB不仅对管制程序提出了改进要求,同时也要求仙童公司对美多飞机的翼尖灯进行改进。  

 

  视景仿真不仅仅在事故调查中得到应用,同样是根据飞行数据对一个飞行过程进行分析评估,由于视景仿真在再现飞行过程中具有传统数据判读方法不可比拟的优势和信息集成度,许多航空公司正试图将视景仿真引入到其飞行品质监控系统(我国习惯上称为QAR软件)中,以解决由于飞行品质监控软件自身算法缺陷带来的争议。例如,在目前的QAR软件中,飞机接地点距离的判定算法是这样的:首先确定无线电高度为50英尺的时刻,再确定主轮空地开关由“空”变为“地”的时刻,最终结合地速或空速计算出两个时刻之间飞机的行程,并将这个距离判定为进跑道距离。这种算法存在一些问题:首先它有一个无线电高度为50 英尺时飞机正好在跑道端的假设,其次机轮接地时有可能因为做动筒压缩量不够而没有使得空地开关的参数发生变化,再有这些用于评估的参数只有1Hz的记录率,这些因素导致接地点的计算误差可能达到50100,进而导致出现3级事件的评估结果,因此有时会受到飞行人员的质疑。这样的情况在其他一些评估项目中也有所体现。然而通过视景仿真再现飞行过程时,虽然计算航迹的基本算法同QAR软件并没有什么不同,但是它显示出来的航迹线可以通过专用算法和方式与机场跑道、脱离道、滑行道等的中心线相匹配,从而较QAR软件能更精确地定位。正是由于视景仿真直观真实的特点,因此它对于精度上的要求要远远高于QAR 软件,而许多由各种干扰因素造成的不合理数据可以在仿真过程中轻易地被发现,并通过相关算法进行修正,所以视景仿真可以做为QAR软件的重要补充。另外随着视景仿真在航空安全领域的日渐普及,它不但对现有记录器记录数据提出了深入开发利用的要求,还希望记录器能够增加记录数据种类,以满足视景仿真准确、直观、信息显示丰富等特点。目前,国际上正在讨论在飞机驾驶舱上安装摄像头并加装相应的视频记录器,如果该种记录器能够被加装,那么它所记录的视频图像必须与视景仿真相结合才能发挥最大的作用。必须强调的是,通过视景仿真再现飞行过程,并不仅仅是为了解决与QAR评估结果的争议,而是为了更好地发现问题,提高飞行技术,尤其是逼真地再现过程可以为当事飞行员提供印象深刻的经验和教训,同时也可被其他飞行人员所借鉴。

 

  随着飞行操纵品质进行监控和评估逐渐被大多数航空公司及其飞行人员所接受,并从中获得了显著的安全效益,一些航空公司希望能将这种评估方式应用到模拟机的训练中。由于模拟机训练中一个很大的组成部分是新学员的培训,在模拟机上进行训练后,通过附加的计算机系统仿真再现训练过程,同时结合同步录像(主要用于观察机组配合),并由教员进行针对性地讲解,将对学员迅速掌握飞行技能非常有帮助,我们称之为模拟机讲评系统(debriefing)。这样的视景仿真系统结合模拟机评估系统可在模拟机训练和客观考评中得到全面应用。视景仿真系统除了可以再现飞行过程,一些国家还使用视景仿真系统对空管人员进行培训。

 

  目前,一套用于飞行过程再现的视景仿真系统是可以在通用的计算机平台上实现,这里所谓的“通用”是指已经批量生产的并可以通过正常商业渠道购买的计算机平台,它一般应由以下几部分组成:

 

  硬件及其操作系统

 

  视景仿真系统较其他普通应用的软件系统对硬件有更高的要求,尤其是对计算机在图形处理方面的能力要求。在3年前,一套效果比较好的视景仿真系统所需的计算机硬件至少在50 000美元以上,比如SGIOCTANE系列或ONYX2系列图形工作站,这样的系统一般配置UNIX操作系统。而今,INTEL的奔腾III 800HzCPU,并配上nVidia公司的Geforce GTS系列显卡,也可以将视景仿真系统软件运转起来,而操作系统也采用更加容易为人掌握的WINDOWS NT/2000,相比SGI的图形工作站,基于PC的硬件平台只需要不到20 000人民币。但需要强调的是,从系统稳定性、性能以及仿真效果等方面考虑,图形工作站/UNIX 的组合要远远高于PC/WINDOWS的组合。因此,选用何种硬件平台将根据视景仿真系统的应用来确定。例如,在进行事故调查过程中,为了保障视景仿真画面与声音的严格同步,就最好采用第一种组合;而航空公司用于仿真再现的系统则完全可以从经济成本上的考虑采用PC 方案。

 

  仿真软件

 

  几乎所有的视景仿真软件都是基于OpenGL库编制而成。OpenGL库最初是由SGI公司开发的一套图形函数库,并逐渐形成为计算机三维绘图的标准图形库,广泛应用于从 PC/WINDOWSUNIX/工作站的各种软硬件平台。另外微软公司开发的DirectX库也在一些3D 游戏中得到应用,但由于其在开发上的难度以及操作系统的限制,目前尚未有应用到视景仿真领域的报道。虽然OpenGL库相对于以前大大减轻了软件开发人员的负担,但是直接基于 OpenGL进行飞行视景仿真的开发仍是一项十分艰苦困难的工作。由于视景仿真不断应用到多个领域,一些软件开发公司又在OpenGL的基础上,建立了第三方的开发平台和模板,这些开发平台将通用和基本的三维模型创建和绘制工作进行抽象,并形成新的一组函数库,从而进一步降低了对专业计算机图形软件开发人员的需求、缩短了开发的时间成本以及降低了维护升级的费用等。在使用第三方开发平台的情况下,飞行视景仿真软件的开发主要由三部分组成——飞行数据的处理、三维模型的创建、三维模型驱动软件的编制。

 

  在任何类型飞行视景仿真系统中,尤其是用于再现式的飞行仿真中,真实合理的飞行数据是关键。针对不同的再现式飞行仿真,如用于事故调查、匹配QAR软件的飞行仿真、模拟机评估再现等,其仿真数据的获取及处理方式都不尽相同。在处理飞行事故的飞行数据中,先考虑采用FDR记录的数据、CVR记录的舱音,并可同时参考像飞机接地时的痕迹、最终停留位置和姿态、雷达数据等其他相关信息。在这里,航迹的计算是重要的第一步。十分遗憾的是FDR所记录的参数里并没有能够直接提供飞机精确位置的参数,因此必须通过有关参数计算导出航迹。一般来说,记录器里可选用的参数有空速、地速、气压高度、无线电高度、磁航向、风速、风向、DME、经纬度、加速度等,DME、和经纬度是可以直接确定飞机位置的参数,但是由于其精度太低而不能适用于飞行仿真再现,只可以将其用于大范围地图方式的飞机位置显示。目前通用的航迹算法是将地速根据磁航向投影到X轴和Y轴上,并积分形成航迹在地平面的投影,在计算过程中还要根据风向进行修正;但是像MD82FDR并没有记录地速,因此只能够用空速替代,而空速一般只在40节以上才记录其数值(40节以下记录 0),因此,落地后的航迹计算要使用轴向加速度进行二次积分。航迹中高度的确定是根据不同的飞行阶段分别采用气压高度和无线电高度,国外如法国事故调查局的做法是全程采用气压高度,但由于飞机快落地时经常出现气压高度大幅度变化的情况,因此笔者认为至少在100 英尺以下的高度应采用无线电高度,此时飞机下方的地面较平,无线电高度比气压高度的准确度要高,另外,无线电高度的记录精度通常是1英尺,而气压高度至少是4英尺以上。上述的航迹计算虽然能够计算出航迹(一条相对航迹),却不能够精确定位,对于飞行事故,我们往往能获得飞机的接地痕迹、最终停留位置等定位信息,根据这些信息就能够画出航迹与机场、地形地物的准确位置图。

 

  与QAR软件配套的飞行仿真软件,由于其数据来源于QAR——与FDR共享数据采集组件,其飞行航迹的计算与上述算法并没有不同,但是QAR分析人员不可能或很难获得现场定位信息,而航迹定位不准又容易造成本文开头所提到的争议,因此,在这样的飞行仿真软件中要提供自动化程度高,不需要很多人工干预的航迹定位方法,以减少人为因素和减轻分析人员的工作负担。笔者提出计算出来的航迹与相关道面中心线进行匹配,是目前条件下比较符合上述要求的定位方法。

 

  在模拟机的讲评系统中,飞行和仪表的数据精度非常高,且各种信息十分完备,如模拟机内部使用的经纬度的精度达到小数点后8位,从而使定位精度达到1英尺以内,而且不存在累计误差,但是如何将这些参数从模拟机内提出并供给讲评系统使用是个问题。以我国使用最多的CAE模拟机为例,它虽然提供了称之为RTS的参数监控程序,却不能够输出成为一个数据文件,CAE也没有在这一方面提供更多的技术资料和帮助。笔者在参加民航安技中心与南航珠海训练中心合作研制的模拟机讲评系统中,在CAE模拟机的主控程序中,加入了一段基于TCP/UDP协议的程序,从而将评估和仿真所需的模拟机参数根据自行设定的通信协议传输到另一台与模拟机无关的计算机上(这样可以避免干扰模拟机的运行),并形成高采样率的数据文件,由此评估系统和仿真系统可以根据各自的具体需求选择参数进行进一步的处理。基于同样的TCP/UDP数据传输协议,视景仿真系统可以同步在模拟机外面展示正在训练的模拟机视景和仪表参数。

 

  虽然飞行数据是飞行仿真进行分析的关键,但最终影响飞行仿真效果的是三维模型的逼真程度。所谓三维模型实际上是通过多边形(实际上是三角形)构建而成,比如一个球体,就是由许多多边形围出来的,当多边形越多,所围出的球就越圆,换个角度说,如果我们要构建形象逼真的三维模型,就意味着要使用更多的多边形,同时,会增加计算机的计算量和负担,也意味着要提高硬件平台的能力。因此三维模型的逼真程度、数量的多少,最终要对硬件能力和仿真效果进行折中以求达到理想的性能-费用比。另外,在创建三维模型过程中,良好的模型层次结构可以有利于仿真程序的优化,恰当地使用纹理和多边性光照模型也可以在增加系统计算量不多的情况下,极大提高模型的逼真度。目前,创建三维模型一般使用专用软件,如Multigen公司的Creater Pro,它创建的三维模型的格式为Open Flight.flt),是最常用的三维模型格式;其他还有像Corypheaus公司的Designer Workbench模型创建软件,其视景数据库格式为DWB.dwb);再有像dxf格式的模型库也可被用于三维视景仿真

 

 

 

  飞行仿真中所用到的三维模型数据库主要有这样几种:飞机、机场、地形、仪表等。飞机模型主要是显示飞机外形、活动件、航行灯等,如起落架、襟翼、副翼、升降舵等,一般1000个左右的多边形即可达到比较满意的外形效果;机场模型主要包括跑道、滑行道等道面,灯光系统,机场标志性建筑物和影响净空的建筑物,其复杂程度主要由可获得的资料和硬件能力来决定。地形是飞行仿真中最难处理的模型,一是大比例尺地图难以获得,二是即使有地图也很难将其数字化并生成相应的模型,三是需要大量的多边形和高清晰度的纹理,而地形模型对于一般飞行仿真来说只是增强了仿真效果,并不影响分析,因此可以用一些简单通用的地形进行替代,只有在涉及地形的事故分析飞行仿真中有必要建立细致的地形模型;仪表模型是仿造真实仪表构建的三维模型,是飞行仿真中最重要的模型。受到所记录的参数限制,进行事故分析的飞行仿真不可能显示所有仪表,有的仪表也只能显示部分参数,而模拟机仿真再现中除了CDUMCP以外的仪表及其参数都可以显示。其他还有一些仪表不显示的参数,如三个方向的过载,操纵杆、油门、各种手柄的位置,因其重要性也要做成三维模型,模型仪表和杆盘的布局和逼真度要依据能使观察者最有利于获取相应信息的原则来制定,不一定要与实际仪表完全一样。

 

  有了各种相关的三维模型和数据,我们就可以通过一个仿真程序根据数据驱动三维模型,再现飞行过程。一个好的飞行图形仿真程序应该包含这样几类功能:

 

  1. 任意的观察视点:这个功能可以使观察者在飞机外面的任意一个位置观察飞机的姿态、舵面的变化等,这个视点可以是跟随飞机移动的,也可以是以类似于塔台的位置观察飞机的运行状况,或是显示一个相当于飞行员从驾驶舱观察风挡外面的画面;

 

  2. 多种视图及其组合:所谓视图就是视点观察得到的画面,仿真程序除了提供上述两个视点的视图外,还有仪表视图、地图视图等,并可以根据要求在屏幕上同时显示多个视图的组合,前提条件是需要强有利的硬件支持;

 

  3. 简单的天气状况:目前视景仿真中可以提供的天气状态有雾(能见度)和云。能见度对于考察一些飞行过程是十分有帮助,这也是仿真的优势之一,由于计算机所表现的能见度和真实的跑道视程是有差异的,因此能见度的数值(距离)是可以调节的,从而使之达到最接近实际情况。计算机对云的显示效果还比较僵硬,在模拟机上也存在同样的问题,其他包括雨、雪、闪电等虽然可以实现,效果却不佳;

 

  4. 辅助分析:仿真过程不仅仅是再现飞行过程,它还可以提供相应的分析手段,如飞行轨迹,标准下滑道、航向道及其范围,可做为对比的标准飞行程序,二维数据曲线,碰撞检测及其相应效果等;

 

  5. 音效:对于事故分析来说,舱音与画面在仿真中同步播出可以更加有效地帮助分析人员获得有关信息。而对于模拟机仿真系统,同步播出的是视频加声音。无论哪种应用,同步都是最关键的技术,有时不仅仅是在程序内同步,还可能在进程间同步,甚至是通过网络在不同的计算机上同步。

 

  在实现以上这些功能的同时,仿真程序应遵循这样的原则,一切以原始数据为基准。好的仿真程序可以给人带来良好的视觉效果,因此观察人员容易产生所看到就是实际发生的印象,所以仿真系统要避免一切诱导观察人员产生错误印象的因素,真实再现是飞行图形仿真的生命力和根本。

 

  随着硬件能力的提高和软件技术的发展,飞行图形仿真不再被少数航空发达国家所拥有。民航总局安技中心于1998年自行研制成功用于事故分析的图形仿真系统,并将这一技术延伸到与南航珠海训练中心合作的模拟机再现评估系统中,同时基于PC面向航空公司的仿真系统也将在近期内面市。但是飞行图形仿真系统毕竟还是较新的技术,只有当系统被更广泛地使用,并不断对它提出要求,飞行图形仿真系统才能逐渐完善,进而为保障航空安全提供更有效的手段。

 

标签:视景仿真航空
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