基于数字孪生的机坪安全预警系统建设研究

刘仍海

（山西航空产业集团有限公司 机务工程技术分公司，山西 太原 030006）

0 引言

近年来，随着国民经济飞速发展，我国民用机场运输业务量持续快速增长，机场数量持续增加、密度持续加大、规模持续扩大，运行保障能力实现质的飞跃，但在安全管理、保障能力、运行效率、服务品质和管理水平等方面仍存在诸多问题亟待解决。机坪是机场的重要组成部分，是飞机停泊和进行各类维修的重要场地，是航班正常运行的重要保障。然而，当前限界内违规闯入、违规作业、超速超时作业、异物识别等工作多依赖于人工，工作效率低且准确度差；同时，现存的自动预警系统多为2D页面，无法完全显示地形、环境、空间结构、位置尺寸、发展趋势及实时状态等内容。随着人工智能、大数据、5G、物联网等技术兴起，为安全预警系统建设提供了新的解决方案[1]。本文提出一种基于数字孪生技术的机坪安全预警系统，通过建立全域全时段感知物联网体系，实现机坪的全天候、全覆盖安全预警；建立安全预警系统实现可视化设备监控、智能运维、数据综合分析、可视化应急联动和安全决策等功能，有效提高机坪的安全可靠性及运行管理效率，为机场正常运行保驾护航。

1 基于数字孪生的机坪三维模型构建

数字孪生是指以数字化方式创建物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型，在虚拟空间中完成映射，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，反映物理实体的全生命周期过程，具备数字标识、同步可视、虚实互动、智能控制等技术优势[2]。基于数字孪生技术构建机坪三维模型，是实现机坪可视化设备监控、智能运维、数据综合分析、可视化应急联动和安全决策等功能的载体，是构建安全预警系统的基石。

本文采用航空摄影测量技术获取倾斜摄影数据，结合基础地理数据、BIM、CAD、GIS等多源异构数据[3-4]，生产L3精度的机坪道路划线，映射绑定真实地理信息坐标系，构建机坪数字孪生底板。同时，将物联网感知数据，如雷达、视频、红外感温、风速风向、能见度等实时在模型平台上快速加载、融合和呈现，并根据监测数据实现限界内是否有异物、人侵入，飞机行走轨迹、停放是否合规，发光标志等设备摆放位置是否准确，路面是否存在石块等内容的实时监测。最后，通过图形学技术对光源、聚光灯、天光等多种光源类型实时模拟；根据天气动态数据如云层高度、风向等，对阴、晴、雨、雪等多种真实天气模拟；运用动态光追踪距离场阴影技术，实时计算阴影状态，有效提高数据模拟精度和真实场景渲染效果，还原物理世界的运行情况。

2 全域感知设备方案及布设

2.1 物联感知方案

基于机坪监管需求，本文充分利用雷视联动监测技术可感知多维状态、不受特殊天气影响、监测范围广、易测速及定位等优势，打破传统视频监控信息单一、受环境影响、监视区域有限、定位困难等技术短板，构建如图1所示全域感知物联方案。系统通过摄像头、雷达、卡口、红外测温仪、能见度测量仪、风速风向仪等信息采集设备，按协议与网络连接实现数据的收集、传输和处理，最终通过可视化平台实现限界内异物、人入侵报警，目标识别、定位与追踪，飞机行驶及停放位置的精准监测等功能。具体实现步骤如下[5]：

图1 全域感知物联方案

a）实现对对象的属性数据识别、采集和控制。

b）开展感知数据处理技术研究，制定覆盖物理链路层、传输网络层及应用层的协议，实现感知信息的高效传递。

c）针对不同类型感知设备开发传输协议接口，确保各类感知终端设备统一接入。

d）对各类感知设备采集数据进行解析、清洗、预处理，为设备管理、应用开发提供高质量数据支撑。

2.2 感知设备布设

本文所述安全预警系统，布设方案如图2所示，在进入机坪处设置卡口识别进入机坪人员信息并及时上传做好备案；机坪及跑道周围布设雷视一体机，通过雷达实时探测人、物等违规闯入活动并引导摄像头进行抓拍确保飞行安全，基于图像识别技术实时监测发光标志摆放位置是否准确、跑道路面是否存在石块等影响飞行安全的异物，通过雷达定位、测速等功能对特定目标进行范围内连续跟踪，判断飞机行驶轨迹是否合规；飞机停放区域通过雷达进行界定并安装红外测温系统实现飞机停放区温度实时监测，当出现飞机违规停放、温度异常时启动声光报警，并发送消息到相关部门提示人工进行干预；停放区域安装摄像头对违规作业、超速超时作业进行实时监测，当出现时启动报警系统并上报相关部门。该系统具有可靠的实时探测能力，可有效提高整个系统的安全系数及运行效率，节省人力成本，减少事故发生，保障航班运行。

图2 感知设备布设

2.3 雷达视频联动技术研究

雷达测试性能稳定，对于天气和光照的要求比较低，穿透力强，体积小，易于安装，且能实时获得动态目标的相对距离与速度信息，可有效弥补单一视频监控模式的不足。利用雷达与机器视觉进行多传感器信息融合，能够提高检测的精确程度，减少视频处理过程，达到实时分析与预警的效果。雷达视频联动的原理是通过雷达实时探测目标的位置、速度并将信息传输至控制系统，当雷达探测到目标出现违停、超限、禁行段行驶等行为时，发出预警并将拍摄指令传输给控制系统，控制系统下发指令调整摄像机角度、焦距等实现违法行为抓拍。具体实现如下[6]：

a）收集雷达与摄像机的观测数据，对各传感器的输出数据进行特征提取与模式识别，将目标按类别准确关联。

b）开展雷达与摄像头数据在时间、空间上的融合算法研究，建立数据融合模型。

c）确立目标检测判决准则，实现多传感器目标检测，建立感知目标状态的信息融合策略，获得准确、可靠的融合结果。

d）采用多维特征聚类的目标数据关联算法，实现多目标的关联跟踪。

雷达与视频联动系统能够充分利用雷达测速测距优势，实现对于安全威胁事件如超速、异物入侵等问题的及时预警、跟踪与取证上报。同时，雷达视频联动技术能在边缘计算单元及时快速处理异常事件，减少交通延误，避免二次事故发生，同时高效的数据分析能力能为决策者提供数据支撑。

3 系统架构与功能

本文所述系统从应用、数据、业务、技术、系统布局以及工程边界6个方面搭建实现机坪安全预警，各项架构内容见表1。对外场设备采集数据、数据库抽取等数据进行多源异构数据标准化、数据协议解析，并经数据融合、清洗、计算形成语义数据，再经过数据分析处理获取特征化数据，在展示平台形成态势监控、分析研判、违章取证、可视化显示等。同时，通过通信网络接入资源服务平台、数据治理平台与互联网数据，经过协调融合，最终形成整体的系统架构，如图3所示。

表1 系统架构内容

图3 系统架构图

系统主要包括可视化设备监控、智能运维、数据综合分析、可视化应急联动等功能，具体如下：

a）可视化监管 三维数字化全景展示实现机坪多维度观测和全量数据分析，掌握机坪运行规律；三维可视化视频监控，360°无死角监测监控，全域立体感知；通过对人、机、物多维度、全方面感知，包括目标飞机与人脸识别、人群监测、轨迹跟踪、异常检测、消防联动等，实现对机坪等公共安全风险的及时识别。

b）智能运维 监控系统设备、服务器及网络状态，便于及时报警和维修；根据系统轮巡方案，对前端视频、雷达等设备进行检测分析，当监测到设备故障后，通过短信、声音等方式通知管理人员。

c）数据分析 通过图、表等实时更新掌控机坪运行状态；实现设备及人员管理、历史数据查询、记录回放、违章信息统计、报警信息统计及查询、飞机行为分析等功能。

d）可视化应急联动 通过三维模拟，真实重现事故现场，并据此制定解决方案；通过三维虚拟系统结合现场视频实现全域协调联动，综合展示声音、文字、图像、数据信息。

e）科学决策 对机坪发展态势提前推演预判，以数据驱动决策，以仿真验证决策，线上线下虚实迭代，促使资源和能力最优配置，机坪最优化运行。

4 结论

本文提出了一种基于数字孪生技术的机坪安全预警系统建设方法，开展了基于数字孪生的机坪三维模型构建与雷达视频联动技术研究，并提出一种全域感知设备布设方案，实现了限界内异物、人入侵报警，目标识别、定位与追踪，飞机行驶及停放位置的精准监测。最后，构建了安全预警系统，具有可视化监管、智能运维、数据分析、可视化应急联动及科学决策等功能。本文所述系统，可有效提升机坪运营管理的安全、智慧化能力，提升山西省民航产业的数字化水平。