数字孪生技术推动机场向智能建造和新基建创新转型

摘要

随着国家和民航不断提出对新基建和四型机场建设的新要求，传统的机场建设迫切需要转型升级，采用数字孪生技术构建数字机场，是落实智能建造和新型基础设施建设的具体举措，是智能交通领域的一项探索创新。本文结合西安咸阳国际机场三期扩建工程的实例，探索数字孪生技术在机场建设中的具体应用，具有积极的实践意义。

引言

2017年1月，交通运输部提出了加快推进建筑信息模型（BIM）技术应用的指导意见，并印发了《推进智慧交通发展行动计划（2017-2020年）》。2020年1月，为贯彻落实习近平总书记9月25日在北京大兴国际机场关于四型机场建设的指示要求，加强顶层设计，民航局发布了《中国民航四型机场建设行动（2020-2035年）》，体现了新时期建设“平安、绿色、智慧、人文”为内涵的四型机场的具体要求。2020年7月，住房和城乡建设部等十三部委联合印发了《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，提出要大力发展建筑工业化，创新突破重要环节的核心技术，以数字化和智能化升级为抓手，加大智能建造在建设领域各环节的应用，加快形成全产业链融合的智能建造产业体系。根据中共中央和国务院的相关决策部署，新型基础设施建设主要包括智能交通、人工智能、云计算、区块链等设施，相比传统的基础设施建设，科技创新驱动、数字化、信息网络这三个要素体现得尤为明显。

在上述背景下，数字孪生技术是智能交通领域，包括机场工程建设领域的新型基础设施建设的具体举措。

数字孪生（Digital Twin）的概念最早是由密西根大学的Michael Gneves教授于2002年提出的，具体是指在物理实体基础上，通过仿真模拟，映射到虚拟空间中，并构建能够实现信息交互的数字挛生模型，通过传感器进行数字感知，并依靠技术集成，实现虚拟空间的数据交互和实体数据的映射，建立数字化的分析模型，通过一系列的分析计算，最终通过实体基础设施中的驱动器发布执行指令，转变成生产和运营的活动。

在新基建的背景下，数字化场景的构建是新基建的核心要求之一，数字孪生机场是物理基础设施的数字化重现，将催动更多新的场景应用和产业链。在机场建设领域，建筑信息模型（BIM）是主要的工具之一，同时，数字化仿真模拟等工具的应用，也是数字孪生技术的重要外在体现。包括机场的规划设计、改扩建方案研究、建筑信息模型等均可以通过三维可视化场景，极大地提高规划设计的效率，通过立体感知、实时分析等，解决规划设计方案的虚实交互。

数字孪生机场通过充分利用大数据挖掘技术、人工智能算法以及先进的数据分析方法，整合汇聚数据资源，建设完成机场运行品质评估系统并开展数据高阶分析与挖掘咨询服务；依靠系统的数据基础，积极实现机场运行品质的实时感知和可视化交互，依托数据高阶分析与挖掘服务，实现业务问题瓶颈的精准发现，利用仿真模拟技术对运行方案进行评估分析，优化运行策略，为机场运营管理、旅客服务和规划决策提供强有力的支撑。一般在机场信息中心（ITC）建立孪生数字机场的模拟仿真系统，通过显示大屏、VR/AR、体感、模拟器、综合可视化等方式，展现机场的模拟运行以及四型机场的展示和体验。

下面以西安咸阳机场三期扩建工程为实例，简要介绍数字孪生机场的建设方案。

（一）系统架构

西安咸阳机场三期扩建工程中，搭建的数字孪生机场系统架构是在数据中台和业务中台的基础上，建设智能共享服务交互平台，连接内外部系统平台和各类生产业务类平台，通过整合机场各业务系统数据，加强数据资源管理能力；提高机场数据分析、可视化和决策支撑能力；提升机场对航空旅客、航空公司的综合服务能力。主要实现机场运行品质评估、数据的存储处理分析、运行管理、数据资产和数据治理、机场运行效率仿真、智能多媒体展示、3D全息投影数字沙盘组成、应用场景展示等功能。关于数字孪生机场系统架构图，见图1。

图1 数字孪生机场系统架构

（二）功能要求

以下重点对机场运行品质评估、机场运行效率仿真、3D全息投影数字沙盘、应用场景展示等功能进行介绍。

1. 机场运行品质评估

机场运行品质评估系统从总体框架上支持大数据时代的以多态、大数据为主的数据源引入和数据聚合，形成企业级数据资产，通过数据资产的加工与数据封装，以及数据管理体系的建设，实现对数据分析与可视化交互的支撑，从而支撑西安咸阳机场的精细化管理。系统将基于机场大数据的高阶评估服务提供基础数据与基础分析结果，并进行深度挖掘，基于分析的业务现状和问题，优化数据主题域和数据分析应用内容，以持续性为运行品质评估系统提供优化升级。

同时，通过汇聚整合机场运营管理各业务系统数据资源，逐步打通数据孤岛，形成机场数据资源池，为业务实践提供数据支撑；搭建可扩展的机场数据存储与处理平台。建立符合机场业务需求、完备的数据分析能力，基于大数据挖掘分析算法库和模型库，并根据业务应用中的特定需求进行模型设计和优化，实现机场运行品质的实时感知。并且，建立机场运行品质综合可视化系统，为机场运营管理过程中的航班流、旅客流、行李流、资源流等业务流程的运行品质提供动态静态结合、可视化、可交互、易理解、易操作的多层次展示平台。

2. 机场运行效率仿真

基于机场大数据的机场运行效率仿真，可深入挖掘机场运行品质评估结果背后的本质原因，发现业务瓶颈，提高问题追溯能力，并提高机场数据驱动管理的决策支撑能力，同时可指导运行品质评估系统的优化升级。

西安咸阳机场基于机场大数据的运行效率仿真服务，总体围绕值机、安检、边检、登机口、行李转盘、航班保障、停机位、机坪管制、楼宇控制等九类评估对象的运行数据开展评估。根据各评估对象的评估指标值查找影响机场容量的具体问题及产生原因，并提出相应的管理提升建议与运行品质评估系统针对性的优化方案。最终进行仿真验证，对优化方案效果进行数字化定量分析，以确保指标可靠性以及验证相应业务提升建议的可行性。保证评估结果的高精度，评估结果与提升建议的高耦合。

3. 3D全息投影数字沙盘

机场运行仿真互动展示采用3D全息投影数字沙盘技术，结合物理沙盘与投影技术，将机场运行实时态势呈现在沙盘中，并可以结合AR技术，给用户展现一个实时运行的数字仿真机场，用户通过佩戴AR眼镜，不但能给用户呈现3D的显示效果，还可以通过手势进行互动。3D全息投影数字沙盘由三部分组成，包含物理沙盘、全息投影和室内全彩LED屏。

利用机场现有信息系统的数据资源，可实现向用户综合展示四型机场的建设成果。智慧机场的展示，采用虚拟现实的技术，户带上AR眼镜，再现真实场景，让观者仿佛置身于航站楼，进行航站楼的乘机体验；平安机场主要是引接安防视频整合平台，在大屏上实时展示全机场的视频监控系统，用户可以在展示大厅的大屏上看见全机场的视频监控画面；绿色机场主要通过引接能源管理平台，可以展现机场的能源运行，并且通过可视化的方式展现绿色机场的节能，通过能源管理平台的节能降耗，来展现机场在绿色方面的贡献；通过设置智能机器人，给参观的人员提供智慧化的AI机器人服务，包含迎宾、问询、导航讲解等，带给参观人员新鲜的人文体验。

4. 应用场景展示

（1）机场建筑全景可视化

基于三维地理信息，系统利用三维视图结合AR成像技术，将机场飞行区、航站区、航站楼等关键区域进行全方位三维实景展现，管理者可通过缩放、平移、旋转等操作浏览，直观地掌控机场整体态势，并可对任意区域进行详细查看。

建立统一的地理信息系统标准，包括数据标准和运行维护管理标准，并结合BIM+GIS的融合应用，实现机场建筑的全景可视化。还可以借此建立机场的工程建设档案和三维模型，实现机场建设运营“一张图”。

（2）地面区域交通可视化

系统对摆渡车、客梯车、行李传送车、飞机牵引车、加油车等作业车辆进行实时车辆追踪、轨迹回放。通过场监雷达数据实时展示航班动态轨迹。支持与生产系统数据融合，将车辆与航班进行绑定和挂牌显示。提供进出港、航空公司等多种方式过滤，提供航班号查询定位等功能。

通过物联网等手段感知对象的实际状态，对抽象的具体数据结合物理实体进行具体化和孪生化，结合组合大屏等显示终端，并借助AR等技术手段，实现地面区域交通的可视化，进一步提高各类保障资源的利用效率。

（3）天气状态三维可视化

民航安全运行与气象要素息息相关，通过天气视图提供天气雷达及趋势、机场天气实况和预报、流量实况，提高机场指挥人员及管理层对恶劣天气的处置能力。在大屏和AR场景中可实时表现当前天气状态，对雨、雪、风、雷等天气现象进行三维可视化展示。以数字传感的方式将机场运行环境监测真正实现可视化运行。

（4）空域状态可视化

为加强空地一体化建设，机场周边空域内航空器动态轨迹的可视化展示也是三维可视化展示的一个重要方面。可实时展示其内部飞行器的运行轨迹，当前位置和朝向。对于航空器的详细信息，可对各航空器的航迹信息以信息牌的方式进行三维化展示。包括在三维场景中的展示和AR环境下的展示。同时可在AR环境下，对航空器进行互动操作，比如拾取飞行器，展开其历史信息并查看。

（5）站坪状态可视化

根据机场提供的跑道、车辆、航班等状态数据，实现显示跑道状态开闭、跑道内车辆和航班状态展示、助航灯光和围界状态的实时展示，通过站坪的实时运行状态的监控，进一步提高飞行区运行的安全裕度。

跑道状态开闭展示模块，可根据机场提供的跑道状态数据，以不同特效方式展示关闭区域。跑道内车辆和航班状态展示模块，可针对跑道内的关键车辆和航班对其进行特效处理。比如，即将进入飞行区的关键车辆需要闪烁高亮等特效。助航灯光状态模块，可根据机场提供的助航灯光数据，以展示灯实时开关情况。围界状态模块，可根据机场提供的围界数据，对围界状态进行实时展示。

（6）航班执行状况可视化

系统能够从多个数据层面对机场全天的总体运行态势进行可视化展示，包括机场天气信息、航路信息、航班起降架次信息、进出港旅客人数、重点航班信息等。系统提供图表、文字等多种方式实时展示整体态势情况，也支持添加多个用户关注的实时监控预测数据，比如放行率、机位资源预测情况、分时段延误航班情况等。系统整合机场各运营生产系统数据，对机场KPI指数、资源使用情况、旅客吞吐量分布等生产运营指标进行多维度可视分析，为机场在宏观层面改善机场资源分配、生产调配提供数据决策依据。

随着数字孪生理论和实践的不断完善，应用的具体领域和应用场景会不断增多，同时随着5G、物联网等技术的不断革新，在今后的机场建设过程中，可以预见，将围绕机场基础设施建设和运营维护的全生命周期，开展数字孪生的构建和部署，不断反馈和迭代，建立各类流程和信息的交互和映射，源源不断地获取物理设施的数字信息。相信在不远的未来，数字机场的场景将更多地呈现在建设、设计、实施、管理等人员面前，将极大地促进降本增效，实现民航机场建设的高质量发展。