摘要

隨著國(guó)家和民航不斷提出對(duì)新基建和四型機(jī)場(chǎng)建設(shè)的新要求，傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)建設(shè)迫切需要轉(zhuǎn)型升級(jí)，采用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建數(shù)字機(jī)場(chǎng)，是落實(shí)智能建造和新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的具體舉措，是智能交通領(lǐng)域的一項(xiàng)探索創(chuàng)新。本文結(jié)合西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程的實(shí)例，探索數(shù)字孿生技術(shù)在機(jī)場(chǎng)建設(shè)中的具體應(yīng)用，具有積極的實(shí)踐意義。

引言

2017年1月，交通運(yùn)輸部提出了加快推進(jìn)建筑信息模型（BIM）技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)，并印發(fā)了《推進(jìn)智慧交通發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年）》。2020年1月，為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記9月25日在北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)關(guān)于四型機(jī)場(chǎng)建設(shè)的指示要求，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，民航局發(fā)布了《中國(guó)民航四型機(jī)場(chǎng)建設(shè)行動(dòng)（2020-2035年）》，體現(xiàn)了新時(shí)期建設(shè)“平安、綠色、智慧、人文”為內(nèi)涵的四型機(jī)場(chǎng)的具體要求。2020年7月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等十三部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，提出要大力發(fā)展建筑工業(yè)化，創(chuàng)新突破重要環(huán)節(jié)的核心技術(shù)，以數(shù)字化和智能化升級(jí)為抓手，加大智能建造在建設(shè)領(lǐng)域各環(huán)節(jié)的應(yīng)用，加快形成全產(chǎn)業(yè)鏈融合的智能建造產(chǎn)業(yè)體系。根據(jù)中共中央和國(guó)務(wù)院的相關(guān)決策部署，新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)主要包括智能交通、人工智能、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等設(shè)施，相比傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、數(shù)字化、信息網(wǎng)絡(luò)這三個(gè)要素體現(xiàn)得尤為明顯。

在上述背景下，數(shù)字孿生技術(shù)是智能交通領(lǐng)域，包括機(jī)場(chǎng)工程建設(shè)領(lǐng)域的新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的具體舉措。

數(shù)字孿生（Digital Twin）的概念最早是由密西根大學(xué)的Michael Gneves教授于2002年提出的，具體是指在物理實(shí)體基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真模擬，映射到虛擬空間中，并構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)信息交互的數(shù)字?jǐn)伾Ｐ停ㄟ^(guò)傳感器進(jìn)行數(shù)字感知，并依靠技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)虛擬空間的數(shù)據(jù)交互和實(shí)體數(shù)據(jù)的映射，建立數(shù)字化的分析模型，通過(guò)一系列的分析計(jì)算，最終通過(guò)實(shí)體基礎(chǔ)設(shè)施中的驅(qū)動(dòng)器發(fā)布執(zhí)行指令，轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)的活動(dòng)。

在新基建的背景下，數(shù)字化場(chǎng)景的構(gòu)建是新基建的核心要求之一，數(shù)字孿生機(jī)場(chǎng)是物理基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化重現(xiàn)，將催動(dòng)更多新的場(chǎng)景應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)鏈。在機(jī)場(chǎng)建設(shè)領(lǐng)域，建筑信息模型（BIM）是主要的工具之一，同時(shí)，數(shù)字化仿真模擬等工具的應(yīng)用，也是數(shù)字孿生技術(shù)的重要外在體現(xiàn)。包括機(jī)場(chǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、改擴(kuò)建方案研究、建筑信息模型等均可以通過(guò)三維可視化場(chǎng)景，極大地提高規(guī)劃設(shè)計(jì)的效率，通過(guò)立體感知、實(shí)時(shí)分析等，解決規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的虛實(shí)交互。

數(shù)字孿生機(jī)場(chǎng)通過(guò)充分利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、人工智能算法以及先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析方法，整合匯聚數(shù)據(jù)資源，建設(shè)完成機(jī)場(chǎng)運(yùn)行品質(zhì)評(píng)估系統(tǒng)并開(kāi)展數(shù)據(jù)高階分析與挖掘咨詢服務(wù)；依靠系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，積極實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行品質(zhì)的實(shí)時(shí)感知和可視化交互，依托數(shù)據(jù)高階分析與挖掘服務(wù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)問(wèn)題瓶頸的精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，利用仿真模擬技術(shù)對(duì)運(yùn)行方案進(jìn)行評(píng)估分析，優(yōu)化運(yùn)行策略，為機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)管理、旅客服務(wù)和規(guī)劃決策提供強(qiáng)有力的支撐。一般在機(jī)場(chǎng)信息中心（ITC）建立孿生數(shù)字機(jī)場(chǎng)的模擬仿真系統(tǒng)，通過(guò)顯示大屏、VR/AR、體感、模擬器、綜合可視化等方式，展現(xiàn)機(jī)場(chǎng)的模擬運(yùn)行以及四型機(jī)場(chǎng)的展示和體驗(yàn)。

下面以西安咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程為實(shí)例，簡(jiǎn)要介紹數(shù)字孿生機(jī)場(chǎng)的建設(shè)方案。

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

西安咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程中，搭建的數(shù)字孿生機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)架構(gòu)是在數(shù)據(jù)中臺(tái)和業(yè)務(wù)中臺(tái)的基礎(chǔ)上，建設(shè)智能共享服務(wù)交互平臺(tái)，連接內(nèi)外部系統(tǒng)平臺(tái)和各類生產(chǎn)業(yè)務(wù)類平臺(tái)，通過(guò)整合機(jī)場(chǎng)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)資源管理能力；提高機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析、可視化和決策支撐能力；提升機(jī)場(chǎng)對(duì)航空旅客、航空公司的綜合服務(wù)能力。主要實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行品質(zhì)評(píng)估、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理分析、運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)資產(chǎn)和數(shù)據(jù)治理、機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率仿真、智能多媒體展示、3D全息投影數(shù)字沙盤組成、應(yīng)用場(chǎng)景展示等功能。關(guān)于數(shù)字孿生機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)架構(gòu)圖，見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)字孿生機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

（二）功能要求

以下重點(diǎn)對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行品質(zhì)評(píng)估、機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率仿真、3D全息投影數(shù)字沙盤、應(yīng)用場(chǎng)景展示等功能進(jìn)行介紹。

1. 機(jī)場(chǎng)運(yùn)行品質(zhì)評(píng)估

機(jī)場(chǎng)運(yùn)行品質(zhì)評(píng)估系統(tǒng)從總體框架上支持大數(shù)據(jù)時(shí)代的以多態(tài)、大數(shù)據(jù)為主的數(shù)據(jù)源引入和數(shù)據(jù)聚合，形成企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)資產(chǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)資產(chǎn)的加工與數(shù)據(jù)封裝，以及數(shù)據(jù)管理體系的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)分析與可視化交互的支撐，從而支撐西安咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)的精細(xì)化管理。系統(tǒng)將基于機(jī)場(chǎng)大數(shù)據(jù)的高階評(píng)估服務(wù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)分析結(jié)果，并進(jìn)行深度挖掘，基于分析的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀和問(wèn)題，優(yōu)化數(shù)據(jù)主題域和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用內(nèi)容，以持續(xù)性為運(yùn)行品質(zhì)評(píng)估系統(tǒng)提供優(yōu)化升級(jí)。

同時(shí)，通過(guò)匯聚整合機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)管理各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源，逐步打通數(shù)據(jù)孤島，形成機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)資源池，為業(yè)務(wù)實(shí)踐提供數(shù)據(jù)支撐；搭建可擴(kuò)展的機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理平臺(tái)。建立符合機(jī)場(chǎng)業(yè)務(wù)需求、完備的數(shù)據(jù)分析能力，基于大數(shù)據(jù)挖掘分析算法庫(kù)和模型庫(kù)，并根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用中的特定需求進(jìn)行模型設(shè)計(jì)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行品質(zhì)的實(shí)時(shí)感知。并且，建立機(jī)場(chǎng)運(yùn)行品質(zhì)綜合可視化系統(tǒng)，為機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中的航班流、旅客流、行李流、資源流等業(yè)務(wù)流程的運(yùn)行品質(zhì)提供動(dòng)態(tài)靜態(tài)結(jié)合、可視化、可交互、易理解、易操作的多層次展示平臺(tái)。

2. 機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率仿真

基于機(jī)場(chǎng)大數(shù)據(jù)的機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率仿真，可深入挖掘機(jī)場(chǎng)運(yùn)行品質(zhì)評(píng)估結(jié)果背后的本質(zhì)原因，發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)瓶頸，提高問(wèn)題追溯能力，并提高機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)管理的決策支撐能力，同時(shí)可指導(dǎo)運(yùn)行品質(zhì)評(píng)估系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)。

西安咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)基于機(jī)場(chǎng)大數(shù)據(jù)的運(yùn)行效率仿真服務(wù)，總體圍繞值機(jī)、安檢、邊檢、登機(jī)口、行李轉(zhuǎn)盤、航班保障、停機(jī)位、機(jī)坪管制、樓宇控制等九類評(píng)估對(duì)象的運(yùn)行數(shù)據(jù)開(kāi)展評(píng)估。根據(jù)各評(píng)估對(duì)象的評(píng)估指標(biāo)值查找影響機(jī)場(chǎng)容量的具體問(wèn)題及產(chǎn)生原因，并提出相應(yīng)的管理提升建議與運(yùn)行品質(zhì)評(píng)估系統(tǒng)針對(duì)性的優(yōu)化方案。最終進(jìn)行仿真驗(yàn)證，對(duì)優(yōu)化方案效果進(jìn)行數(shù)字化定量分析，以確保指標(biāo)可靠性以及驗(yàn)證相應(yīng)業(yè)務(wù)提升建議的可行性。保證評(píng)估結(jié)果的高精度，評(píng)估結(jié)果與提升建議的高耦合。

3. 3D全息投影數(shù)字沙盤

機(jī)場(chǎng)運(yùn)行仿真互動(dòng)展示采用3D全息投影數(shù)字沙盤技術(shù)，結(jié)合物理沙盤與投影技術(shù)，將機(jī)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)在沙盤中，并可以結(jié)合AR技術(shù)，給用戶展現(xiàn)一個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)行的數(shù)字仿真機(jī)場(chǎng)，用戶通過(guò)佩戴AR眼鏡，不但能給用戶呈現(xiàn)3D的顯示效果，還可以通過(guò)手勢(shì)進(jìn)行互動(dòng)。3D全息投影數(shù)字沙盤由三部分組成，包含物理沙盤、全息投影和室內(nèi)全彩LED屏。

利用機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源，可實(shí)現(xiàn)向用戶綜合展示四型機(jī)場(chǎng)的建設(shè)成果。智慧機(jī)場(chǎng)的展示，采用虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)，戶帶上AR眼鏡，再現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景，讓觀者仿佛置身于航站樓，進(jìn)行航站樓的乘機(jī)體驗(yàn)；平安機(jī)場(chǎng)主要是引接安防視頻整合平臺(tái)，在大屏上實(shí)時(shí)展示全機(jī)場(chǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可以在展示大廳的大屏上看見(jiàn)全機(jī)場(chǎng)的視頻監(jiān)控畫面；綠色機(jī)場(chǎng)主要通過(guò)引接能源管理平臺(tái)，可以展現(xiàn)機(jī)場(chǎng)的能源運(yùn)行，并且通過(guò)可視化的方式展現(xiàn)綠色機(jī)場(chǎng)的節(jié)能，通過(guò)能源管理平臺(tái)的節(jié)能降耗，來(lái)展現(xiàn)機(jī)場(chǎng)在綠色方面的貢獻(xiàn)；通過(guò)設(shè)置智能機(jī)器人，給參觀的人員提供智慧化的AI機(jī)器人服務(wù)，包含迎賓、問(wèn)詢、導(dǎo)航講解等，帶給參觀人員新鮮的人文體驗(yàn)。

4. 應(yīng)用場(chǎng)景展示

（1）機(jī)場(chǎng)建筑全景可視化

基于三維地理信息，系統(tǒng)利用三維視圖結(jié)合AR成像技術(shù)，將機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)、航站區(qū)、航站樓等關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行全方位三維實(shí)景展現(xiàn)，管理者可通過(guò)縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等操作瀏覽，直觀地掌控機(jī)場(chǎng)整體態(tài)勢(shì)，并可對(duì)任意區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)查看。

建立統(tǒng)一的地理信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行維護(hù)管理標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合BIM+GIS的融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)建筑的全景可視化。還可以借此建立機(jī)場(chǎng)的工程建設(shè)檔案和三維模型，實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)建設(shè)運(yùn)營(yíng)“一張圖”。

（2）地面區(qū)域交通可視化

系統(tǒng)對(duì)擺渡車、客梯車、行李傳送車、飛機(jī)牽引車、加油車等作業(yè)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)車輛追蹤、軌跡回放。通過(guò)場(chǎng)監(jiān)雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示航班動(dòng)態(tài)軌跡。支持與生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合，將車輛與航班進(jìn)行綁定和掛牌顯示。提供進(jìn)出港、航空公司等多種方式過(guò)濾，提供航班號(hào)查詢定位等功能。

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)等手段感知對(duì)象的實(shí)際狀態(tài)，對(duì)抽象的具體數(shù)據(jù)結(jié)合物理實(shí)體進(jìn)行具體化和孿生化，結(jié)合組合大屏等顯示終端，并借助AR等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)地面區(qū)域交通的可視化，進(jìn)一步提高各類保障資源的利用效率。

（3）天氣狀態(tài)三維可視化

民航安全運(yùn)行與氣象要素息息相關(guān)，通過(guò)天氣視圖提供天氣雷達(dá)及趨勢(shì)、機(jī)場(chǎng)天氣實(shí)況和預(yù)報(bào)、流量實(shí)況，提高機(jī)場(chǎng)指揮人員及管理層對(duì)惡劣天氣的處置能力。在大屏和AR場(chǎng)景中可實(shí)時(shí)表現(xiàn)當(dāng)前天氣狀態(tài)，對(duì)雨、雪、風(fēng)、雷等天氣現(xiàn)象進(jìn)行三維可視化展示。以數(shù)字傳感的方式將機(jī)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)真正實(shí)現(xiàn)可視化運(yùn)行。

（4）空域狀態(tài)可視化

為加強(qiáng)空地一體化建設(shè)，機(jī)場(chǎng)周邊空域內(nèi)航空器動(dòng)態(tài)軌跡的可視化展示也是三維可視化展示的一個(gè)重要方面。可實(shí)時(shí)展示其內(nèi)部飛行器的運(yùn)行軌跡，當(dāng)前位置和朝向。對(duì)于航空器的詳細(xì)信息，可對(duì)各航空器的航跡信息以信息牌的方式進(jìn)行三維化展示。包括在三維場(chǎng)景中的展示和AR環(huán)境下的展示。同時(shí)可在AR環(huán)境下，對(duì)航空器進(jìn)行互動(dòng)操作，比如拾取飛行器，展開(kāi)其歷史信息并查看。

（5）站坪狀態(tài)可視化

根據(jù)機(jī)場(chǎng)提供的跑道、車輛、航班等狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)顯示跑道狀態(tài)開(kāi)閉、跑道內(nèi)車輛和航班狀態(tài)展示、助航燈光和圍界狀態(tài)的實(shí)時(shí)展示，通過(guò)站坪的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，進(jìn)一步提高飛行區(qū)運(yùn)行的安全裕度。

跑道狀態(tài)開(kāi)閉展示模塊，可根據(jù)機(jī)場(chǎng)提供的跑道狀態(tài)數(shù)據(jù)，以不同特效方式展示關(guān)閉區(qū)域。跑道內(nèi)車輛和航班狀態(tài)展示模塊，可針對(duì)跑道內(nèi)的關(guān)鍵車輛和航班對(duì)其進(jìn)行特效處理。比如，即將進(jìn)入飛行區(qū)的關(guān)鍵車輛需要閃爍高亮等特效。助航燈光狀態(tài)模塊，可根據(jù)機(jī)場(chǎng)提供的助航燈光數(shù)據(jù)，以展示燈實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)情況。圍界狀態(tài)模塊，可根據(jù)機(jī)場(chǎng)提供的圍界數(shù)據(jù)，對(duì)圍界狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示。

（6）航班執(zhí)行狀況可視化

系統(tǒng)能夠從多個(gè)數(shù)據(jù)層面對(duì)機(jī)場(chǎng)全天的總體運(yùn)行態(tài)勢(shì)進(jìn)行可視化展示，包括機(jī)場(chǎng)天氣信息、航路信息、航班起降架次信息、進(jìn)出港旅客人數(shù)、重點(diǎn)航班信息等。系統(tǒng)提供圖表、文字等多種方式實(shí)時(shí)展示整體態(tài)勢(shì)情況，也支持添加多個(gè)用戶關(guān)注的實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，比如放行率、機(jī)位資源預(yù)測(cè)情況、分時(shí)段延誤航班情況等。系統(tǒng)整合機(jī)場(chǎng)各運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)場(chǎng)KPI指數(shù)、資源使用情況、旅客吞吐量分布等生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)指標(biāo)進(jìn)行多維度可視分析，為機(jī)場(chǎng)在宏觀層面改善機(jī)場(chǎng)資源分配、生產(chǎn)調(diào)配提供數(shù)據(jù)決策依據(jù)。

隨著數(shù)字孿生理論和實(shí)踐的不斷完善，應(yīng)用的具體領(lǐng)域和應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)不斷增多，同時(shí)隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷革新，在今后的機(jī)場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中，可以預(yù)見(jiàn)，將圍繞機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的全生命周期，開(kāi)展數(shù)字孿生的構(gòu)建和部署，不斷反饋和迭代，建立各類流程和信息的交互和映射，源源不斷地獲取物理設(shè)施的數(shù)字信息。相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)，數(shù)字機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)景將更多地呈現(xiàn)在建設(shè)、設(shè)計(jì)、實(shí)施、管理等人員面前，將極大地促進(jìn)降本增效，實(shí)現(xiàn)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展。