摘要

隨著國家和民航不斷提出對新基建和四型機(jī)場建設(shè)的新要求,，傳統(tǒng)的機(jī)場建設(shè)迫切需要轉(zhuǎn)型升級,，采用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建數(shù)字機(jī)場，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)合西安咸陽國際機(jī)場三期擴(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,，并印發(fā)了《推進(jìn)智慧交通發(fā)展行動計劃（2017-2020年）》。2020年1月,，為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記9月25日在北京大興國際機(jī)場關(guān)于四型機(jī)場建設(shè)的指示要求,，加強(qiáng)頂層設(shè)計，民航局發(fā)布了《中國民航四型機(jī)場建設(shè)行動（2020-2035年）》,，體現(xiàn)了新時期建設(shè)“平安,、綠色、智慧,、人文”為內(nèi)涵的四型機(jī)場的具體要求,。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)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》,，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,、數(shù)字化,、信息網(wǎng)絡(luò)這三個要素體現(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^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,，通過一系列的分析計算,，最終通過實(shí)體基礎(chǔ)設(shè)施中的驅(qū)動器發(fā)布執(zhí)行指令,，轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)和運(yùn)營的活動。

在新基建的背景下,，數(shù)字化場景的構(gòu)建是新基建的核心要求之一,，數(shù)字孿生機(jī)場是物理基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化重現(xiàn)，將催動更多新的場景應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)鏈,。在機(jī)場建設(shè)領(lǐng)域,，建筑信息模型（BIM）是主要的工具之一，同時,，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)場的規(guī)劃設(shè)計,、改擴(kuò)建方案研究,、建筑信息模型等均可以通過三維可視化場景，極大地提高規(guī)劃設(shè)計的效率,，通過立體感知,、實(shí)時分析等，解決規(guī)劃設(shè)計方案的虛實(shí)交互,。

數(shù)字孿生機(jī)場通過充分利用大數(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)場運(yùn)行品質(zhì)評估系統(tǒng)并開展數(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)場運(yùn)行品質(zhì)的實(shí)時感知和可視化交互,，依托數(shù)據(jù)高階分析與挖掘服務(wù),，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)問題瓶頸的精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，利用仿真模擬技術(shù)對運(yùn)行方案進(jìn)行評估分析,，優(yōu)化運(yùn)行策略,，為機(jī)場運(yùn)營管理、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)場信息中心（ITC）建立孿生數(shù)字機(jī)場的模擬仿真系統(tǒng),，通過顯示大屏、VR/AR,、體感,、模擬器、綜合可視化等方式,，展現(xiàn)機(jī)場的模擬運(yùn)行以及四型機(jī)場的展示和體驗(yàn),。

下面以西安咸陽機(jī)場三期擴(kuò)建工程為實(shí)例，簡要介紹數(shù)字孿生機(jī)場的建設(shè)方案,。

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

西安咸陽機(jī)場三期擴(kuò)建工程中,，搭建的數(shù)字孿生機(jī)場系統(tǒng)架構(gòu)是在數(shù)據(jù)中臺和業(yè)務(wù)中臺的基礎(chǔ)上,，建設(shè)智能共享服務(wù)交互平臺，連接內(nèi)外部系統(tǒng)平臺和各類生產(chǎn)業(yè)務(wù)類平臺,，通過整合機(jī)場各業(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)場數(shù)據(jù)分析,、可視化和決策支撐能力,；提升機(jī)場對航空旅客、航空公司的綜合服務(wù)能力,。主要實(shí)現(xiàn)機(jī)場運(yùn)行品質(zhì)評估,、數(shù)據(jù)的存儲處理分析、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)用場景展示等功能。關(guān)于數(shù)字孿生機(jī)場系統(tǒng)架構(gòu)圖,，見圖1,。

圖1 數(shù)字孿生機(jī)場系統(tǒng)架構(gòu)

（二）功能要求

以下重點(diǎn)對機(jī)場運(yùn)行品質(zhì)評估、機(jī)場運(yùn)行效率仿真,、3D全息投影數(shù)字沙盤,、應(yīng)用場景展示等功能進(jìn)行介紹。

1. 機(jī)場運(yùn)行品質(zhì)評估

機(jī)場運(yùn)行品質(zhì)評估系統(tǒng)從總體框架上支持大數(shù)據(jù)時代的以多態(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)級數(shù)據(jù)資產(chǎn)，通過數(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)對數(shù)據(jù)分析與可視化交互的支撐，從而支撐西安咸陽機(jī)場的精細(xì)化管理,。系統(tǒng)將基于機(jī)場大數(shù)據(jù)的高階評估服務(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)評估系統(tǒng)提供優(yōu)化升級。

同時,，通過匯聚整合機(jī)場運(yùn)營管理各業(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)場數(shù)據(jù)存儲與處理平臺。建立符合機(jī)場業(yè)務(wù)需求,、完備的數(shù)據(jù)分析能力,，基于大數(shù)據(jù)挖掘分析算法庫和模型庫，并根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用中的特定需求進(jìn)行模型設(shè)計和優(yōu)化,，實(shí)現(xiàn)機(jī)場運(yùn)行品質(zhì)的實(shí)時感知,。并且，建立機(jī)場運(yùn)行品質(zhì)綜合可視化系統(tǒng),，為機(jī)場運(yùn)營管理過程中的航班流,、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。

2. 機(jī)場運(yùn)行效率仿真

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

西安咸陽機(jī)場基于機(jī)場大數(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、樓宇控制等九類評估對象的運(yùn)行數(shù)據(jù)開展評估,。根據(jù)各評估對象的評估指標(biāo)值查找影響機(jī)場容量的具體問題及產(chǎn)生原因,，并提出相應(yīng)的管理提升建議與運(yùn)行品質(zhì)評估系統(tǒng)針對性的優(yōu)化方案。最終進(jìn)行仿真驗(yàn)證,，對優(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。保證評估結(jié)果的高精度,，評估結(jié)果與提升建議的高耦合,。

3. 3D全息投影數(shù)字沙盤

機(jī)場運(yùn)行仿真互動展示采用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)場運(yùn)行實(shí)時態(tài)勢呈現(xiàn)在沙盤中,，并可以結(jié)合AR技術(shù),，給用戶展現(xiàn)一個實(shí)時運(yùn)行的數(shù)字仿真機(jī)場，用戶通過佩戴AR眼鏡,，不但能給用戶呈現(xiàn)3D的顯示效果,，還可以通過手勢進(jìn)行互動。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)場的建設(shè)成果,。智慧機(jī)場的展示，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)場主要是引接安防視頻整合平臺，在大屏上實(shí)時展示全機(jī)場的視頻監(jiān)控系統(tǒng),，用戶可以在展示大廳的大屏上看見全機(jī)場的視頻監(jiān)控畫面,；綠色機(jī)場主要通過引接能源管理平臺，可以展現(xiàn)機(jī)場的能源運(yùn)行,，并且通過可視化的方式展現(xiàn)綠色機(jī)場的節(jié)能,，通過能源管理平臺的節(jié)能降耗，來展現(xiàn)機(jī)場在綠色方面的貢獻(xiàn),；通過設(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)用場景展示

（1）機(jī)場建筑全景可視化

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)，管理者可通過縮放、平移,、旋轉(zhuǎn)等操作瀏覽,，直觀地掌控機(jī)場整體態(tài)勢，并可對任意區(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)場建筑的全景可視化。還可以借此建立機(jī)場的工程建設(shè)檔案和三維模型,，實(shí)現(xiàn)機(jī)場建設(shè)運(yùn)營“一張圖”,。

（2）地面區(qū)域交通可視化

系統(tǒng)對擺渡車、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)時車輛追蹤,、軌跡回放,。通過場監(jiān)雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)時展示航班動態(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濾,，提供航班號查詢定位等功能,。

通過物聯(lián)網(wǎng)等手段感知對象的實(shí)際狀態(tài)，對抽象的具體數(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)，通過天氣視圖提供天氣雷達(dá)及趨勢,、機(jī)場天氣實(shí)況和預(yù)報,、流量實(shí)況，提高機(jī)場指揮人員及管理層對惡劣天氣的處置能力,。在大屏和AR場景中可實(shí)時表現(xiàn)當(dāng)前天氣狀態(tài),，對雨、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)場運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測真正實(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)場周邊空域內(nèi)航空器動態(tài)軌跡的可視化展示也是三維可視化展示的一個重要方面,。可實(shí)時展示其內(nèi)部飛行器的運(yùn)行軌跡,，當(dāng)前位置和朝向,。對于航空器的詳細(xì)信息，可對各航空器的航跡信息以信息牌的方式進(jìn)行三維化展示,。包括在三維場景中的展示和AR環(huán)境下的展示,。同時可在AR環(huán)境下，對航空器進(jìn)行互動操作,，比如拾取飛行器,，展開其歷史信息并查看。

（5）站坪狀態(tài)可視化

根據(jù)機(jī)場提供的跑道,、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)時展示，通過站坪的實(shí)時運(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)開閉展示模塊，可根據(jù)機(jī)場提供的跑道狀態(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，可針對跑道內(nèi)的關(guān)鍵車輛和航班對其進(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)場提供的助航燈光數(shù)據(jù),，以展示燈實(shí)時開關(guān)情況。圍界狀態(tài)模塊,，可根據(jù)機(jī)場提供的圍界數(shù)據(jù),，對圍界狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時展示。

（6）航班執(zhí)行狀況可視化

系統(tǒng)能夠從多個數(shù)據(jù)層面對機(jī)場全天的總體運(yùn)行態(tài)勢進(jìn)行可視化展示,，包括機(jī)場天氣信息,、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)時展示整體態(tài)勢情況,，也支持添加多個用戶關(guān)注的實(shí)時監(jiān)控預(yù)測數(shù)據(jù),，比如放行率、機(jī)位資源預(yù)測情況,、分時段延誤航班情況等,。系統(tǒng)整合機(jī)場各運(yùn)營生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對機(jī)場KPI指數(shù),、資源使用情況,、旅客吞吐量分布等生產(chǎn)運(yùn)營指標(biāo)進(jìn)行多維度可視分析，為機(jī)場在宏觀層面改善機(jī)場資源分配,、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)用場景會不斷增多,，同時隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷革新,，在今后的機(jī)場建設(shè)過程中,，可以預(yù)見，將圍繞機(jī)場基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)的全生命周期,，開展數(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，數(shù)字機(jī)場的場景將更多地呈現(xiàn)在建設(shè),、設(shè)計,、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)場建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展。