图扑软件数字孪生民航飞联网,构建智慧民航新业态

原创
2022/07/29 18:00
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前言

《“十四五”通用航空发展专项规划》明确,“十四五”末,力争在册通用航空器达到 3500 架、机场达到 500 个,开展通用航空应急救援服务的省份不少于 25 个。同时,我国建成投产世界领先的“空管三中心”(民航运行管理中心、气象中心、情报管理中心),让民航精细化服务能力明显提升。

通过图扑软件可视化系统,以科技科幻风格,将飞机外形、客舱管理、机舱设备、发动机、驾驶室进行数字孪生,通过互联网、云计算、大数据分析、人工智能等技术对各类数据进行梳理和融合分析后在 Hightopo 可视化大屏显示,建立起具备场景化、智能化、人性化的智慧飞机综合管控平台,为管理者提供多元化、多角度、多数据的管理与决策依据。通过民航元宇宙实践,构建绿色、智慧、安全的智慧民航管理系统。

模型选择

图扑可视化系统的 3D 场景以 3 种不同类型的飞机为例进行外观参数的展示。空中客车 A380(Airbus A380)是由欧洲空客公司研制生产的具有四个发动机的超大型远程宽体客机。波音 787(Boeing 787)是航空史上首架超远程中型客机。波音 727(Boeing 727)是美国波音公司研制生产的中短程民航飞机。

采用虚拟仿真和数字孪生等技术,结合图扑软件自主研发引擎 HT for Web 渲染出 2D 和 3D 无缝融合的飞行场景,模拟显示空中客车 A380、波音 787、波音 727 的气动布局与机翼的几何参数等。

在选择机型后,以漫游动画的方式展现当前所选机型的总体外形,点击不同机型旁的渐变小三角会弹出当前客机简介,了解客机历史、引擎、发动机等。将飞行的实时数据接入图扑可视化大屏,无缝链接多种执飞飞机的飞行管理系统,实时监控飞机的设备数据及乘客状态等,实现塔台与执飞飞机的数据实时共享。事前预警,事后复盘,有效减少各类航空事故的发生。

基于 α-link 技术的新一代物联网通信依托先进航空无线电的技术优势,提升了信息的传输效率并扩大连接数量,优化了蓝牙无法在限定区域进行大规模部署的局限,以高容量连接、全双工通信,实现万物互联、数字赋能、精准监控的目标。

图扑软件基于 WebGL 自主研发的 3D 引擎,可以在浏览器流畅展示飞机的 3D 场景和模型,还能创建复杂的导航和数据视觉化。接入飞机的翼展、载油量、干扰阻力等实时数据,实现精细化的飞行管理。模拟实时飞行画面,带来沉浸式的观感。通过图扑软件从视图组件设计、图标设计、2D 图纸设计到 3D 场景设计的一站式的开发工具,设计师和程序员能实现协同作业开发,快速落地不同机型的 2D、3D 可视化成果。

客机参数

将航空港的监控数据接入图扑可视化系统,显示执飞机型的机翼、机身、尾翼、起落装置、操纵系统和动力装置、干扰阻力、货舱满载率等,助力塔台和仪表飞行指挥室科学地进行飞行管理。

干扰阻力

除摩擦阻力,压差阻力和诱导阻力外,“干扰阻力”是飞机机翼、机身、尾翼等各部分之间由于气流相互干扰而产生的一种额外阻力。在设计飞机时,仔细考虑它们的相对位置,可减小干扰阻力。将实时阻力数据接入 Hightopo 可视化系统,阻力过大时出现带感叹号的红色三角预警,地面指挥塔可及时联系机组人员确认飞行是否安全。历史数据的记录也可用于后续飞机设计的优化。

载油量

飞机的载油量分三类,分别为最大载油量、最低载油量、起飞油量。最大载油量是保证飞机安全飞行时,飞机所能装载的最大油量。最低载油量指飞机在飞抵着陆机场后,能以等待空速在机场上空飞行 30 分钟的油量。起飞油量是指飞机执行航班任务时携带的全部燃油量。

2022年1月,民航局印发《“十四五”民航绿色发展专项规划》,明确提出要以实现碳达峰、碳中和“双碳”目标为引领,推动民航发展全面绿色转型。结合传感器、5G 等技术,将载油量数据接入图扑可视化系统 2D 面板,时刻掌控油量消耗,降低油耗比率。让实际使用的燃料尽可能接近理论最小值,这是减少民航碳排放最直接的方法。

货舱信息

图扑软件 HT 可视化利用丰富的图表、图形和设计元素将一般货物、化学品、超重物品、生鲜物品的数据以更直观理解的形式展现。将货舱的实时数据与地面客货运输服务区的数据联通,提高航空港装卸效率。

货舱的装载能力主要受到重量限制、容积限制、舱门尺寸限制和地板承受力的限制,比如 Airbus A380 的最大载货量为 66.4 吨。在图扑软件 HT 可视化的 2D 面板内接入执飞机型的装载能力数据,用百分比展示目前货舱的满载率,用图形化的手段清晰有效地将数据信息进行解读和传达。通过图扑软件可视化还能实现货舱的无人监控,火情预警等。

客舱管理

空中“巨无霸” A380 是世界上载客最多的民航客机,很多 A380 上设立了健身房、浴室、餐厅、酒吧等娱乐场所为旅客的飞行增添乐趣。图扑软件可视化系统将客机的两层客舱和行李舱拆分显示,对舱内的结构、布局、设施设备进行可视化展示,并与其实际的位置、编号一一对应,保持与实际场景的一致。

客舱按座位的宽敞和舒适程度分为头等舱、公务舱和经济舱。将售票系统与图扑软件可视化系统对接,将可选择座位、不可选择座位、VIP 座位用颜色进行区分,剩余座位可查看。对于两地之间路线较长且客源不足的航班,可将剩余座位售卖,提高上客率。

乘客体温

疫情当下,用热力图显示防疫体温检测结果,高体温乘客的体温度数单独列出,机组成员有针对性地采取应对措施。

飞行信息

同步执飞飞机的航线、航班信息,如起飞地和目的地,并将信息传递给乘客和地面塔台。民航飞机需要至少每15分钟发出一次报告自己所处位置的信号。

机舱设备

点击机舱设备可下钻至详情页面,查看客运量、飞行信息、飞行系统、乘客年龄段和户籍分布等相关信息。

采用科技感的线框模式,将飞机外壳透明化处理,舱内设备一览无余,便于运维查看整体布局结构。将设备数据接入图扑软件可视化系统,出现故障及时预警,保障飞行过程安全无忧。接入乘客信息的数据后可从全球地图上闪烁的小亮点查看乘客国籍的分布,提供个性化服务。

飞机设备视图

点击飞机设备视图,飞机透明遮罩自动去除,点击内部设备可显示设备名称和用途。运用图扑软件 HT 虚拟仿真技术,按照实际飞机外观,制作飞机的 3D 可视化仿真互动模型,在保持与实际飞机完全一致的前提下致力于展现高精度的模型,通过实时数据驱动掌握航班数据。

设备自检

设备数据监控是事中监督,设备自检是事前提醒。图扑民航可视化界面的 2D 面板滚动显示当前时间的安全系统状态,加入智能预警分析功能,一旦系统数据超过既定阈值,将在列表内对信息进行标红处理,维修人员需及时检查设备的健康状态。

飞机系统展示

飞行管理系统(FMS)可实现飞行任务的自动化。机载健康管理系统(AHMS)包括飞机健康状态监测、诊断、评估等。大气惯导系统(ADIRSP)测量飞机的位置、速度、航迹、风向/风速、姿态等。信息系统(IS)提供飞行信息、维护信息、客舱信息和运营信息服务。综合模块化平台(IMA)是以核心计算、RTOS 和机载网络为基础,支持系统互联和数据互通。通信系统(CNS)主要用途是使飞机在飞行的各阶段中和地面的航行管制人员、签派、维修等相关人员保持双向的语音和信号联系。显示系统(CDS)指向飞行员提供最优化情景意识的综合监控和驾驶舱显示控制系统的设备。

将飞机系统通过图扑可视化与智慧机场系统结合进行精细化的飞行管理。

图扑智慧机场依托飞行区全域目标精确时空感知、泛在互联,构建“态势一张图”,实现全要素可视;通过多维数据汇聚融合、推理决策知识图谱,实现全流程可测;通过互联互通、智能协同,实现全场景可控;抢抓数字化转型先机。

航空活动是交通运输的一个组成部门,与铁路、公路、水路和管道运输共同组成了完整的交通系统。对于水路运输的绿色数字化转型,也可运用 Hightopo 可视化产品,解决传统码头和船舶能耗高、成本高、污染大等问题。

发动机

飞机动力装置是用来产生拉力(螺旋桨飞机)或推力(喷气式飞机),使飞机前进的装置。在现代飞机中除超音速飞机和高亚音速干线客机外,螺旋桨飞机仍占有重要地位。以 TRENT 900 规格发动机为例,通过剖面、气流、拆分、复位 4 种方式进行发动机的全方位展示。TRENT 900  涡扇发动机即涡轮风扇发动机,由压气机、燃烧室、高压涡轮(驱动压气机)、低压涡轮(驱动风扇)和排气系统组成。

剖面图显示高压涡轮叶片功率,在 Trent 900 发动机上有 70 个高压涡轮叶片,每一个都能产生近 600 千瓦时的功率。通过图扑可视化的 2D 面板和图表的数据绑定,采用折线图显示压力和温度变化情况。

气流页面展示了不同类型涡轮喷气发动机的推进效率,入口气流数值,气动负荷、热负荷、离心负荷等指数,以红色箭头和绿色箭头区分进出气流。

Hightopo 以设备拆分爆炸的形式展示发动机内部结构,显示了发动机各部件名称,如空心结构风扇叶片、钛合金蜂窝芯、蜂窝夹层、超塑成形宽弦扇等。拆分后的发动机,能逐个查看每个细微的零件。通过接入零部件的物联网数据,查看设备各部件当前状态,实现从宏观到微观的全局监控可视化。

复位状态可查看推力、总压力比、入口质量流、风扇直径、长度、重量、等级扇、8 级中压压缩机(IPC)、6 级中压压缩机(HPC)、环形燃烧室、涵道比的数据。涵道比是涡扇发动机外涵道与内涵道空气流量的比值,涵道比与耗油率关系密切。

图扑软件采用事件机制进行界面局部更新,避免 FPS 的游戏方式,过多进行无意义的界面刷新,避免桌面卡顿和手机发烫等问题。

驾驶舱

飞机操纵系统是指从座舱中飞行员驾驶杆(盘)到水平尾翼、副翼、方向舵等操纵面,用来传递飞行员操纵指令,改变飞行状态的整个系统。飞机驾驶舱内一般安装有各类飞行仪表和飞机控制系统。

模式控制面板(MCP)是指示自动驾驶装置进行路线、高度、上升下降率和速度等的设备。主飞行显示器(PFD)包括姿态指示器,空气速度和高度指示器(通常作为磁带显示器)的数字化表示和垂直速度指示器等。在图扑可视化系统内点击显示器可弹出 2D 面板显示执飞飞机的飞行信息。

发动机指示和机组警告(EICAS/ECAM)将允许飞行员监视值 N1,N2 和 N3,燃油温度,电气系统等。飞行管理系统(FMS)用于输入和检查飞行计划,速度控制等。多功能显示器(MFD)提供了可视区域,可用于飞行信息集成,发动机监控,飞行参数配置。导航显示(ND)显示着当前的航向信息和输入飞行管理系统(FMC)的指令。

航空导航的应用能够给空中运行的航空器提供连续的安全可靠的技术服务,六十年代具备自主导航能力的 INS(惯性导航系统)应用于航空领域。其可以进行航空器的三维方面的显示(位置、速度),还能提供航向姿态等重要信息。

航空运输在运输量方面和其他运输方式比是较少的,我国大宗货物的运输方式乃是水路运输。伴随着现代信息技术、物联网技术、人工智能科技等先进技术与传统水路运输在安全监管、运行服务、船舶管理、港口服务等方面深度融合,让智慧运输成为现实。将图扑软件与 GIS 地图结合,根据经纬度信息、水下地形、水流流态、风速风向等环境要素,构造点-线-面一体的三维动态航行地理环境,为航运安全加保障。

HT for Web GIS 产品支持对不同地图瓦片服务或数据、航拍倾斜摄影实景的 3DTiles 格式数据以及城市建筑群等不同的 GIS 数据的加载,同时,结合 BIM 数据轻量化、三维视频融合以及 2D 和 3D 的无缝融合等技术优势,在 GIS 系统中对海量的 POI 数据、交通流量数据、规划数据,现状数据等进行多样化的可视化展示。

现在,飞机的设计基本采用了全数字化的“玻璃座舱”,将 GPS 接收器整合进玻璃驾驶舱之中。传统的陀螺仪也被电子式的航向姿态基准系统(AHRS)与大气数据计算机(ADC)所取代,在增加可靠性的同时也降低了成本、简化了维护。

玻璃驾驶舱使用飞行管理系统显示飞行信息,并通过多功能显示器按需展现不同数据。简化飞行员对飞机的操纵与导航,使飞行员能专注于最相关的信息。结合大数据、云计算等技术实现通用航空行业的数字化、绿色化飞行。

“十三五”以来,通用航空与运输航空“两翼齐飞”,以低空旅游、娱乐飞行等为代表的新兴业态蓬勃发展,无人机应用范围和领域也不断扩大。

“十三五”末,我国民航燃效水平较 2000 年提升近 30%,累计减少二氧化碳排放约 3.6 亿吨;我国机场电气化率近 60%,场内新能源车辆占比达到 16%,飞机 APU 替代设备安装率、使用率均超过 95%,机场光伏项目年发电量超 2000 万千瓦时。

随着碳达峰和碳中和目标的提出,不止民航在减碳,交通产业与数字技术深度融合后也进行了诸多减碳尝试。聚焦车联网、飞联网、智慧港航等应用领域,开展了智能驾驶、智慧机场等多个智慧交通的行业探索。

更多行业应用实例可以参考图扑软件官网案例链接:https://www.hightopo.com/demos/index.html

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