民航机场动态场景的构建方法及机场特种车辆培训方法
技术领域
本发明涉及虚拟环境机场领域，具体而言，涉及一种民航机场动态场景的构建方法及机场特种车辆培训方法。
背景技术
随着中国航空事业的蓬勃发展，截止2019年底，我国民航全行业运输飞机期末在册架数3818架，2019年，全国民航运输机场完成旅客吞吐量13.52亿人次，比上年增长6.9％，2019年全国民航运输机场完成货邮吞吐量1710.01万吨，比上年增长2.1％。我国已然成为民航大国，预计到2020年底我国将初步建设成为民航强国。机场内飞机数量的增加必然会导致对地面资源的需求也随之增长，该资源是指用来完成机场某项特种作业的设备，其中一类设备为飞行区地面保障所需的特种车辆。机场特种车辆种类繁多，且每一类都有其特定的功能。例如，机场摆渡车是运行于航站楼和机坪上的停机位之间，负责接送乘机旅客的特种车辆，其工作原理与公共汽车类似；行李传送车是通过车载机动传送装置保障乘客行李与货物顺利进出飞机底舱的地面保障设备，并且该设备可以在不同高度点之间进行物品传送。
飞机与地面特种车辆数量的持续增加必然会增大机场环境内的交通复杂度与移动目标的管理难度。在机场的日常运营过程中，车辆与车辆之间、车辆与飞机之间甚至飞机与飞机之间都可能会发生冲突碰撞，这不仅会影响机场的运行能力，还可能造成重大的安全事故。例如，2008年7月8日在香港机场内，国航的一架波音客机在雨中滑行时，其机翼与一辆工程车的车顶发生碰撞，致使机上乘客及机组人员进行了紧急疏散。另外，纽约布法罗国际机场内的一架波音737飞机与地面加油车发生碰撞；厦门高崎国际机场内一辆执行机务工作的面包车，不慎与一架停靠在停机坪上的飞机发生刮擦。上述事件表明随着机场规模的扩大和机场特种车辆的增加，对机场特种车辆与设备驾驶人员的需求越来越多。如果机场特种车辆操作缺乏逼真的训练环境，就会造成驾驶人员操作不熟练，导致工作效率低，存在安全隐患。
当前的研究与成果大多集中在机场特种车辆的营运优化、路径规划、综合调度管理等方面，虽然已有专利中有关于机场特种车辆的驾驶培训方法，但大多均是针对某一种单一静态场景。而机场特种车辆的驾驶环境会随着天气、季节及不同作业任务呈现不同的特点，加之特种车辆数量增加导致的交通复杂度与移动目标的管理难度加大，因此，发明一种动态、用户可配置的自定义工况的场地认知与培训方法对于预防特种车辆作业事故、提升对突发事件的处理能力有非常重要的意义。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种民航机场动态场景的构建方法，该方法可构建出各种民航机场动态场景，学员在训练前可将数据导出，根据需要编辑导出的数据，从而实现多个不同参数的动态场景的构建，以便于学员在不同的动态场景下进行训练，增强其对突发事件的处理能力，预防特种车辆作业事故的发生。
本发明的第二目的在于提供一种民航机场动态场景的构建系统，该构建系统用于执行上述构建方法，因此至少与上述方法相同的优势。
本发明的第三目的在于提供一种机场特种车辆培训方法，该培训方法采用前述的方法构建动态场景，然后用于培训，因而至少具有与前述构建方法相同的优势。
本发明的第四目的在于提供一种机场特种车辆培训系统。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种民航机场动态场景的构建方法，包括以下步骤：
(a)设定车辆类型和动态场景参数；
(b)动态场景初始化：设定车辆角色、车辆初始位置和车辆初始状态参数；
(c)设定事件和动作：当车辆满足预设的事件发生条件时，车辆完成动态动作；
(d)将步骤(a)～步骤(c)中的数据存储为可修改格式，然后在训练前将数据导出，学员根据需要编辑导出的数据，实现动态场景的构建。
作为进一步优选的技术方案，所述车辆类型包括行李牵引车、行李传送车、餐车、除雪车、除冰车、引导车、飞机牵引车、客梯车和摆渡车；
优选地，动态场景参数包括车辆参数、驾驶员参数、行人参数环境参数和路线参数；
优选地，车辆参数包括尺寸、质量、质心、最大速度、最大加速度和车辆动力学参数；
优选地，驾驶员参数包括身高、体重、视距、年龄和性别；
优选地，行人参数包括身高、体重、年龄、性别、速度和初始位置；
优选地，环境参数包括晴、云、风、霜、雨、雪、雾或霾。
作为进一步优选的技术方案，所述车辆角色包括训练车辆或参与车辆；
优选地，车辆初始位置包括车辆坐标和车辆所在车道；
优选地，车辆初始状态参数包括初始速度、橫摇、纵倾和偏转角度中的至少一种。
作为进一步优选的技术方案，所述动态场景包括行人避让、跟车、变道、交通拥堵、超车、急刹车或交通事故；
优选地，所述动态场景为超车，设定超车事件和动作包括：设定给定时间段的车辆的纵向速度，当超车车辆与被超车的训练车辆的纵向距离满足学员设定的条件时，超车车辆做出变换车道的动作并加速进行超车，并在超车行为完成后返回初始所在车道；
优选地，所述动态场景为行人避让，设定行人避让事件和动作包括：设定给定时间段的车辆的纵向速度，当训练车辆与行人出现位置的纵向距离等于所设定的距离时，行人以预设的速度和路线经过车辆前方；
优选地，所述动态场景为跟车，设定跟车事件和动作包括：设定给定时间段的车辆的纵向速度，当训练车辆与所跟踪车辆之间的纵向距离满足预设数值时，所跟踪车辆的速度和行驶车道根据用户的设定做出变化；
优选地，步骤(d)中，将数据存储为OpenScenario格式。
第二方面，本发明提供了一种民航机场动态场景的构建系统，所述构建系统用于执行上述民航机场动态场景的构建方法。
作为进一步优选的技术方案，所述构建系统包括车辆类型设定模块、动态场景参数设定模块、动态场景初始化模块、事件设定模块、动作设定模块、数据存储模块和数据导出模块；
车辆类型设定模块用于设定车辆类型；
动态场景参数设定模块用于设定动态场景参数；
动态场景初始化模块用于动态场景初始化；
事件设定模块用于设定车辆和/或行人动作的触发条件；
动作设定模块用于设定车辆和/或行人动作；
数据存储模块用于存储车辆类型、动态场景参数、动态场景初始化、事件和动作的数据；
数据导出模块用于导出数据存储模块中的数据。
第三方面，本发明提供了一种机场特种车辆培训方法，采用上述民航机场动态场景的构建方法构建动态场景，然后用于培训。
作为进一步优选的技术方案，所述培训方法包括以下步骤：
S1、创建三维模型：按照机场实际信息创建与实物等尺寸的三维模型；
S2、将三维模型导入到虚拟引擎中，然后按照上述民航机场动态场景的构建方法构建动态场景；
S3、创建可漫游沙盘；
S4、驾驶培训或考核；
优选地，所述机场实际信息包括飞行场地、飞机、特种车辆、人员、建筑物和指示信息标志牌；
优选地，步骤S4中，驾驶员登陆考核培训系统，选择特种车辆，选择默认场景或者自定义驾驶工况，并佩戴头瞄设备，操作外接的智能驾驶模拟器，完成对驾驶场景的培训与考核。
第四方面，本发明提供了一种机场特种车辆培训系统，所述培训系统用于执行上述机场特种车辆培训方法。
作为进一步优选的技术方案，所述培训系统包括虚拟引擎车辆训练场景搭建模块、可漫游沙盘创建模块和驾驶模拟器；
所述虚拟引擎车辆训练场景搭建模块用于导入三维建模软件创建的三维模型，并且虚拟引擎中设有上述民航机场动态场景的构建系统；
所述可漫游沙盘创建模块用于创建可漫游沙盘；
所述驾驶模拟器用于培训或考核。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的民航机场动态场景的构建方法加入了动态场景参数的设定、动态场景初始化设定以及事件和动作的设定，从而可构建出各种基本的动态场景，而现有的构建方法只能构建出固定的静态场景(每次训练的环境和条件都相同)。该构建方法在构建出各种基本的动态场景后，将其数据存储为可修改格式，然后在训练前将数据导出，学员根据需要编辑导出的数据，从而实现多个不同参数的动态场景的构建，以便于学员在不同的动态场景下进行训练，增强其对突发事件的处理能力，预防特种车辆作业事故的发生。
本发明提供的机场特种车辆培训方法采用前述的方法构建动态场景，然后用于培训，因而至少具有与前述构建方法相同的优势。
进一步地，上述培训方法首先建立三维模型，然后将模型引入虚拟引擎中，再采用前述的方法构建动态场景，学员可自定义配置训练工况(如典型事故工况)，学员可通过穿戴虚拟现实设备漫游沙盘，在熟悉训练场地后，即可开始培训或考核。该方法科学合理，可有效利用前述的方法构建所需的动态场景，从而便于学员在不同的动态场景下进行培训或考核，增强其对突发事件的处理能力，预防特种车辆作业事故的发生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种实施方式的民航机场动态场景的构建方法的流程示意图；
图2是本发明提供的一种实施方式的机场特种车辆培训方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
需要说明的是：本发明的方法中对各个步骤的编号仅是示例性的表示，不暗示先后顺序，对各个步骤之间的先后顺序不做特别限定，只要能够实现最终的目的(例如动态场景构建或特种车辆培训)即可。
根据本发明的一个方面，如图1所示，提供了一种民航机场动态场景的构建方法，包括以下步骤：
(a)设定车辆类型和动态场景参数；
(b)动态场景初始化：设定车辆角色、车辆初始位置和车辆初始状态参数；
(c)设定事件和动作：当车辆满足预设的事件发生条件时，车辆完成动态动作；
(d)将步骤(a)～步骤(c)中的数据存储为可修改格式，然后在训练前将数据导出，学员根据需要编辑导出的数据，实现动态场景的构建。
上述民航机场动态场景的构建方法首先通过设定一系列的参数，包括车辆类型、动态场景参数、动态场景初始化参数以及事件和动作参数等，构建出基本的动态场景，然后将数据存储为可修改格式，在训练前将其导出，学员可根据训练的需要编辑导出的数据，从而实现多种动态场景的实时构建。
上述构建方法加入了动态场景参数的设定、动态场景初始化设定以及事件和动作的设定，从而可构建出各种基本的动态场景，而现有的构建方法只能构建出固定的静态场景(每次训练的环境和条件都相同)。该构建方法在构建出各种基本的动态场景后，将其数据存储为可修改格式，然后在训练前将数据导出，学员根据需要编辑导出的数据，从而实现多个不同参数的动态场景的构建，以便于学员在不同的动态场景下进行训练，增强其对突发事件的处理能力，预防特种车辆作业事故的发生。
需要说明的是，学员也可直接在仿真系统的界面设置中操作步骤(a)～步骤(c)，然后直接进行训练，这种方式的缺点是需要每次在训练前将所有参数设置一次，便捷性相对较差。
在一种优选的实施方式中，所述车辆类型包括行李牵引车、行李传送车、餐车、除雪车、除冰车、引导车、飞机牵引车、客梯车和摆渡车。
优选地，动态场景参数包括车辆参数、驾驶员参数、行人参数环境参数和路线参数。
优选地，车辆参数包括尺寸、质量、质心、最大速度、最大加速度和车辆动力学参数。上述“车辆动力学参数”是指转轴曲线、引擎相关参数、差速器相关参数、变速器相关参数、转向曲线和车轮相关参数等。
优选地，驾驶员参数包括身高、体重、视距、年龄和性别。
优选地，行人参数包括身高、体重、年龄、性别、速度和初始位置。
优选地，环境参数包括晴、云、风、霜、雨、雪、雾或霾。
需要说明的是：
若车辆为参与车辆，则不设定驾驶员参数。该“参与车辆”是指训练时与训练车辆相对应的车辆，即配合训练车辆完成事件和动作的车辆。
上述路线参数是指车辆行驶的线路。
在一种优选的实施方式中，所述车辆角色包括训练车辆或参与车辆。
优选地，车辆初始位置包括车辆坐标和车辆所在车道。
优选地，车辆初始状态参数包括初始速度、橫摇、纵倾和偏转角度中的至少一种。上述车辆初始状态参数包括但不限于初始速度，橫摇，纵倾，偏转角度，初始速度和橫摇的组合，纵倾和偏转角度的组合，初始速度、橫摇和纵倾的组合，或初始速度、橫摇、纵倾和偏转角度的组合。
在一种优选的实施方式中，所述动态场景包括行人避让、跟车、变道、交通拥堵、超车、急刹车或交通事故。
优选地，所述动态场景为超车，设定超车事件和动作包括：设定给定时间段的车辆的纵向速度，当超车车辆与被超车的训练车辆的纵向距离满足学员设定的条件时，超车车辆做出变换车道的动作并加速进行超车，并在超车行为完成后返回初始所在车道。
优选地，所述动态场景为行人避让，设定行人避让事件和动作包括：设定给定时间段的车辆的纵向速度，当训练车辆与行人出现位置的纵向距离等于所设定的距离时，行人以预设的速度和路线经过车辆前方。以上行人的数量可以设定为单个或多个。
优选地，所述动态场景为跟车，设定跟车事件和动作包括：设定给定时间段的车辆的纵向速度，当训练车辆与所跟踪车辆之间的纵向距离满足预设数值时，所跟踪车辆的速度和行驶车道根据用户的设定做出变化。该跟车场景可用以考核稳定跟车行为或前车紧急制动的应急反应能力。
在一种优选的实施方式中，步骤(d)中，将数据存储为OpenScenario格式。
根据本发明的另一方面，提供了一种民航机场动态场景的构建系统，所述构建系统用于执行上述民航机场动态场景的构建方法。该构建系统用于执行上述构建方法，因此至少具有与上述方法相同的优势。
在一种优选的实施方式中，所述构建系统包括车辆类型设定模块、动态场景参数设定模块、动态场景初始化模块、事件设定模块、动作设定模块、数据存储模块和数据导出模块；
车辆类型设定模块用于设定车辆类型；
动态场景参数设定模块用于设定动态场景参数；
动态场景初始化模块用于动态场景初始化；
事件设定模块用于设定车辆和/或行人动作的触发条件；
动作设定模块用于设定车辆和/或行人动作；
数据存储模块用于存储车辆类型、动态场景参数、动态场景初始化、事件和动作的数据；
数据导出模块用于导出数据存储模块中的数据。
在实际场景的构建时，在数据导出模块将数据导出后，可直接用于训练，也可进一步对导出的数据进行修改后再用于训练，修改时仍然在车辆类型设定模块、动态场景参数设定模块、动态场景初始化模块、事件设定模块和动作设定模块中进行编辑。
根据本发明的另一方面，提供了一种机场特种车辆培训方法，采用上述民航机场动态场景的构建方法构建动态场景，然后用于培训。该培训方法采用前述的方法构建动态场景，然后用于培训，因而至少具有与前述构建方法相同的优势。
在一种优选的实施方式中，如图2所示，所述培训方法包括以下步骤：
S1、创建三维模型：按照机场实际信息创建与实物等尺寸的静态模型和三维模型；
S2、将三维模型导入到虚拟引擎中，然后按照上述民航机场动态场景的构建方法构建动态场景；
S3、创建可漫游沙盘；
S4、驾驶培训或考核。
上述培训方法首先建立三维动态模型，然后将模型引入虚拟引擎中，再采用前述的方法构建动态场景，学员可自定义配置训练工况(如典型事故工况)，学员可通过穿戴虚拟现实设备漫游沙盘，在熟悉训练场地后，即可开始培训或考核。该方法科学合理，可有效利用前述的方法构建所需的动态场景，从而便于学员在不同的动态场景下进行培训或考核，增强其对突发事件的处理能力，预防特种车辆作业事故的发生。
其中，将创建完成的三维模型导入到虚拟引擎中后，可形成模型分类库与多个单一情景地图，并融入光线、天气、声音等场景元素，实现对真实的环境的还原，驾驶学员可自定义配置训练工况(动态场景)。动态场景主要指飞机、多种特种车辆、人员等的实时运动轨迹与速度。驾驶学员甚至可以搭建典型事故工况，用以考核对突发事件的处理能力。关键的，对场景中的人员运动轨迹进行路径规划，参照实际驾驶情况，针对不同种类的特种车辆的不同操作台完成交互操作的程序设计与实现。
其中，静态模型中包括建筑物、标志牌、道路和地面，动态模型中包括行人、各种车辆和飞机。
在一种优选的实施方式中，所述机场实际信息包括飞行场地、飞机、特种车辆、人员、建筑物和指示信息标志牌。上述指示信息标志牌是指提供有各种指示信息的标志牌，指示信息包括限速、禁止通行或驾驶路径提示等。
可选地，在可漫游沙盘创建完成后，学员或教员需外接虚拟现实头盔、数据手套、跑步机等硬件设备，驾驶员既可以鸟瞰全景，也可以通过场景中设置的交互标志牌，360度沉浸式熟悉机场某一区域的具体情况，如限速、禁止通行、驾驶路径提示等信息，保证驾驶员在驾驶考核与训练之前充分了解驾驶场地的情况。
优选地，步骤S4中，驾驶员登陆考核培训系统，选择特种车辆，选择默认场景或者自定义驾驶工况，并佩戴头瞄设备，操作外接的智能驾驶模拟器，完成对驾驶场景的培训与考核。在培训考核结束后，系统生成本次驾驶全过程的动画，且驾驶学员可查看当前与历史考试的评价报告。通过对比评价报告与驾驶全过程动画，对于考核合格的驾驶操作可用作典型教学案例；对于不合格的驾驶操作，可将驾驶过程中的失误作为重点问题和难点问题对驾驶学员进行更加具有目的性的强化训练。
该培训系统参考《民用机场航空器活动区道路交通管理规则》，并结合特种车辆的实际用途，规定相应的培训用路径，所有的评判标准均通过蓝图逻辑语言实现，从而使得驾驶员在每次培训完成后均能得到考评报告，也可以查看驾驶培训过程的情景还原，实现有反馈的安全高效模拟训练。
根据本发明的另一方面，提供了一种机场特种车辆培训系统，所述培训系统用于执行上述机场特种车辆培训方法。该培训系统用于执行上述机场特种车辆培训方法，因此至少具有与上述培训系统相同的优势。
在一种优选的实施方式中，所述培训系统包括虚拟引擎车辆训练场景搭建模块、可漫游沙盘创建模块和驾驶模拟器；
所述虚拟引擎车辆训练场景搭建模块用于导入三维建模软件中创建的三维模型，并且虚拟引擎中设有上述民航机场动态场景的构建系统；
所述可漫游沙盘创建模块用于创建可漫游沙盘；
所述驾驶模拟器用于培训或考核。
以上培训系统的具体操作过程为：在三维建模软件中创建好模型并保存为.obj格式的文件，将所有的.obj格式文件导入到培训平台的开发环境下(即虚拟引擎中，可用的虚拟引擎软件为UnrealEngine)，在虚拟引擎中，对三维模型进行二次渲染，对三维动态模型进行骨骼绑定，并按照机场的实际情况进行摆放。当整个机场的所有模型的相对位置设定好后，将整体进行等比例缩小就形成了可漫游沙盘所需的mini场景。当然，也可根据训练时的特定需求，将整个机场虚拟场景存储为多个单一情景下的小地图，如航站楼地图、停机坪地图、机场跑道地图等。当所需训练地图创建完后，接入智能驾驶模拟器，参考智能驾驶模拟器产品手册中的通讯协议，实现被训练车辆与智能驾驶模拟器的绑定关系与数据收发。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。
