关于VR+气象及其应用于航空业的研究

2020-03-09张殊亮

甘肃科技 2020年22期

关键词：飞行员气象天气

张殊亮

（中国人民解放军93808部队,甘肃兰州 730000）

1 气象学概念及其相关知识

1.1 气象学的有关概念

气象学是用于研究大气现象（风、云、雨、雪、雷、电）及其状态成因、变化规律和时空分布的科学。

气象的要素，包括气温、气压、风向、湿度、降水量等元素，主要是通过这些元素来描述大气属性和大气现象[1]。

1.2 全球气候变化的影响

在过去一个多世纪里，发达国家为了实现现代化，生产过程中排放的气体，导致了冰山融化，海平面上升和极端天气事件增多。引发了许多自然灾害。例如，因降水的增加导致的山体滑坡和水土流失；气温的升高，导致干旱热带地区农作物产量下降，病虫害危害急剧增加。极端天气（如干旱、洪水）或极端气候（如厄尔尼诺）也引发了某些疾病的流行，并对人类健康构成威胁。

通过《巴黎协定》这个新起点，多个国家或者地区，纷纷出台了低碳经济的法律法规。我国也主动承诺节能减排，这是实现可持续发展的必然之路，也是为了子孙后代，为了人类的生存，而必负之责任[2]。

2 VR的知识及其发展

1999年，科幻电影《黑客帝国》里的虚拟世界，震撼了当时的我们，而二十年后，戴上特制的眼镜，连接到电脑或者手机上面，眼前展示的便成了一个全新的虚拟世界的事情，正在我们身边发生，这便是“虚拟现实”，也就是VR。

2.1 VR的概念

虚拟现实（Virtual Reality，简称 VR），其原理是利用电脑模拟产生一个虚拟的三度空间世界，为用户提供视觉、听觉、触觉等感官模拟，使用户身临其境。其实，简而言之，它相当于用电脑构建了一个虚拟的王国，让用户深入其中，因为真实感强，所以冲击力强。戴上特制的头盔和手套，使用者会发现自己在一个特定的场景中，一个他非常想念却再也看不到的场景，比如很多人小时候住过的院子，或者一个他将来想去的地方，比如月球。我们可以通过VR看到已经逝去的人,并可以和她（他）交谈甚至一起生活,也可以通过VR中的3D环物,360度的观察一件你喜欢的物件。

2.2 VR目前的发展

2017年以来，由工信部与江西省人民政府在南昌联合举办的世界VR产业年会吸引了全世界的目光。这就像打开了一扇观察VR的窗户，让人们认识到VR的奥秘，加深了对VR的兴趣。根据多个机构发布的数据可以看出，未来VR产业的市场规模，将会持续增长，预计今年，我国的VR产业产值就可以达到近千亿，VR未来带动的将是万亿级产业[4]。

3.2 VR目前的应用领域

目前来说,游戏行业中VR应用较为普遍,但是在其他行业中,VR技术也已经逐渐开始渗入并使用,并且效果非常好,现在简要介绍几个VR技术应用于不同领域的作用,以便大家了解VR的应用。

1）犯罪现场。在破案过程中，有时犯罪现场无法长时间保存，相关人员需要对现场进行反复调查。因此，工作人员可以对犯罪现场进行3D还原，并利用VR对犯罪现场内部进行细致的调查，这极大地促进了刑事侦查的发展。

2）医疗。VR可以减轻人们的精神压力,利用其治疗焦虑和恐惧症,得到了意想不到的效果。VR还可以进行外科手术、帮助实习医生训练手术操作过程等,在2018年的世界VR大会上,也展现了几家较为成熟的VR医疗设备。

3）制造业。通过VR技术的使用，人们可以真正的体验感知建设阶段的项目建成以后的状况，如公寓、高层建筑、船舶、游艇、汽车、飞机等。一些技术比较强的公司会使用VR技术来提高产品质量，减少错误，避免返工。

4）教育。VR技术未来最有可能会作用到教育方面,人类的视觉占了人类所有信息来源的70%以上,而VR技术可以通过视觉直接刺激大脑,很多抽象的东西可以通过VR进行重现,让学生加强记忆。

5）旅游。VR技术能够探索实景,且操作简易,让观看的人有身临其境的感觉,而且不仅仅针对实景,VR技术甚至可以让观看的人到外太空探险,乐趣非凡。现在在旅游行业,越来越多的领导者选择用VR来展示自己的风貌,这样不但全面,还可以让每个人都成为自己的推广者,市场价值更高。

6）气象。VR在天气预报上的应用,无疑能够带来更好的效果,就灾害天气来说,VR能够让观看者更加直观的看到，恶劣天气或者各种自然灾害导致的结果,这样能够充分保证观看者对于恶劣天气的重视,更好地去了解学习自救的方式[4]。

随着VR技术的发展，“沉浸感”，“互动性强”等特点已经成为追捧热点，国内各行各业都已经开始接受并拥抱VR，未来成为万亿级市场是必然结果。

3 气象结合VR带来的改变

VR+气象最大的亮点，就是能够模拟各种灾害天气，用户能够身临其境般的感受到震撼的天灾场景。2018年，飓风“佛罗伦萨”袭击了卡罗莱纳州市，造成了极大的经济损失，后来其气象频道利用VR技术，模拟了风暴袭来时候的情景，他们的主持人带领观众认识暴雪的形成、融雪到结冰的过程，这个过程惊心动魄，让观众震惊不已。比如，暴雪从3000m高空形成冰后降落至地面，一棵巨大的树被冰瞬间压弯，一辆因路面结冰而失控的公共汽车，在主持人面前撞毁，通过这些灾难场面，让观众来想象，如果自身处于这种情况，该如何自我保护。

他们还做了另一个场景：主持人站在潮水中，后面是被肆虐的洪水摧毁的建筑，这些画面深深地吸引并震惊了观众。后来，这个气象频道独拔了气象节目的头筹。之后，他们一直把VR技术应用到预报工作中，通过展示灾难后可能出现的状况，让人们真正意识到将会发生什么。

这种体验，不但把未来“真实”天气送到人们眼前，还普及为什么会发生这种情况，以及人民该如何自保等。这种全新的变化，让气象学者更容易讲述气象问题，并且更易懂、更具有影响力，具有了可以拯救生命的可能。

这项技术不仅可以展示未来天气变化，还可以展示气候变化的故事。比如，冬季时会有很多人从冰上摔倒及跌入冰水中，因此解释冰需要达到何种厚度才能行走，以及人们可以采取哪些措施保护自身安全，这样通过一些VR小故事,可以加深人们对这些知识的具体的感知，深深记住并传播开来[5]。

现在，VR技术也被应用于气象博物馆。在许多科技馆，当人们进入相关展厅时，可以看到计算机模拟的雷击、闪电、洪水等灾害对生产和生活造成的破坏场景。当我们戴上VR头盔或眼镜时，我们可以分析出云的属性以及它们是否带来降雨。我们还可以直观地感知天气变换过程产生的影响，以及如何更好地预防和减轻灾害。

充满神奇的气象天文科普馆、通过各种丰富多彩的活动、先进的科技展示,让人们更为直观的了解了很多关于气象方面的知识。

博物馆通过虚拟现实技术,结合全息和多媒体渠道，对声音、光、电等高科技手段实现沉浸式互动,让我们充分学习和掌握气象科技和天文知识，并理解大雨、雷声、闪电、冰、雪和雨等气象灾害,还有干旱、洪水、地质灾害、森林火灾和衍生灾害等对高新技术场所的危害及防范措施。

目前，我国许多气象局都建立了智能气象体验展示厅，通过虚拟现实技术，模拟各种气象现象。用户只需要戴上VR眼镜，就可以沉浸在各种场景中，感受大自然的气象现象，加深对天气的了解。

4 VR+气象在航空业的应用

4.1 VR应用于航空维修

航空能力是一个国际强大的重要标志，目前世界上实力排在前三的国家是美、俄和我国，飞机和空军队伍规模都是比较庞大的，尤其是美国，飞机总数量超过了俄罗斯和我国的总和，飞机的数量超过了1.3万架，如此庞大的飞机数量，维修成本是非常昂贵的。俄罗斯继承了苏联空军的遗产，规模自然也不小，尤其是他们的飞机型号很复杂，比如Su-30，Su-34，Su-35，Su-57 等等，飞机型号越多，维修越复杂，面对这样的局面，VR技术用于飞机维修能够大大的节约成本，降低费用，还能提高维修的速度。

4.2 VR应用于飞行员的培训

除了用于维修飞机之外，VR可以加快飞行员的培养。过去，我们在许多实验教学中，很多实验进行的时候，由于条件或者缺少环境常常只能抽象的解释，比如飞行员空中降落逃生等科目，危险性很大，成本很高，实际可操作性不大，VR全景展示利用360度无死角加上沉浸式体验，能够让我们在实验室里就可以培养出优秀的飞行员，这样做速度快，效率高，成本低，危险系数小，正因为如此，VR正在被越来越多的国家应用于航天事业中。

现在，VR已经越来越多的应用于培训飞行员当中，它与传统的飞行模拟器不同，这种训练减少了飞行员的不适，提高了他们在现实生活中操作的能力。VR模拟飞行训练，为学员提供了目前与真实飞行最接近的体验。

VR的沉浸式体验，为飞行员能提供真实的训练场景。让训练更加方便，不受环境的限制约束，包括天气的预案。一套VR设备成本比原来的传统模拟器便宜，但是能在短时间内就培养出批量的飞行员，为国家和军队节省一笔庞大的开支。

VR巨大的科技优势吸引了美法军方的密切关注，他们正在计划使用VR对新来的学员进行实战强化培训。我国也在2017年对VR应用于空军教学做了批示，VR在我国的航空业必将发挥出亮丽的光和热，大大提高我军的空中战斗素质与训练水平。

4.3 VR+气象应用于航空业

许多年前，训练飞行员开始使用飞行模拟器，它的格高，需要的放置空间大，而且因为供不应求，所以订购难。VR解决了这些问题，它提供了一种身临其境的体验，让飞行员感觉他们是在一个更现实的环境，更类似于驾驶舱的内部操作；VR设备的成本比飞行模拟器低得多，这为国家节省了很多军费开支；此外，VR设备可以同时训练多名飞行员，缩短了训练时间，提高了训练效率。

在非战争时期，飞行任务虽然也会挑选天气，但是如果是在途中遇到恶劣天气，就会让飞行员措手不及。在VR培训中，可以结合一些恶劣气象现象来训练，比如雨雪天气、狂风天气等，这样的训练非常有必要。虽然这样的情形不会经常出现，但是一旦出现，就是大问题，为了飞行员的以及飞机的安全，更为了祖国的飞行事业，必要的训练环节不能缺少。

在一项对老飞行员的调查中发现，天气是几乎所有飞行员在飞行阶段最关心的问题之一。其中气象灾害和风向是他们在巡航中最关心的问题。恶劣天气下，飞机不起飞最安全，但如果已经在空中，如何保障安全[7]？降落过程中遭遇雨雾天气，如何保障飞行员认知地形，让飞机对准跑道？这些问题，都是不可避免的，现在在精密设备保障下，使得遭遇恶劣天气时，飞机飞行也安全有了一定的保障，不过，即使是这样，依然有大部分资深飞行员认为，他们遇到的最大的挑战，就是恶劣的天气。没经历过这些现象的飞行员，处理经验一般只是来自于理论知识的学习，但是和实际结合起来，还是需要一定的时间的，VR提供的训练，正是在理论和实战之间增加了一个过渡阶段，通过VR训练，飞行员可以实际模拟飞行操作，熟悉飞行器，还可以在模拟的各种恶劣的天气下，操作飞行器，达到熟悉其各个功能的作用。通过这样的训练，不但可以缓解飞行员遇到这样恶劣气象时的紧张情绪，也使得以后的飞行安全系数提高很多。