数字孪生技术在智慧机场建设中的应用初探

■ 上海勘测设计研究院有限公司 雷楗淞

在数字化浪潮的推动下，机场建设迎来数字化转型的高峰期。智慧机场是生产要素全面物联，数据共享、协同高效、智能运行的机场，是“四型机场”（即平安机场、绿色机场、智慧机场、人文机场）建设的关键一环。加快建设智慧机场，日益成为未来机场发展的必然趋势。在民航机场建设及运营管理领域，数字孪生技术在“四型机场”的智慧机场建设中发挥了重要支撑作用，为机场数字化建设提供了新的路径，助力智慧机场的稳步推进，也为航空领域数字化转型提供了基础保障。本文阐述数字孪生机场的定义与特征，从数字孪生机场“一张图”、BIM+GIS数字底座、机场数字资产等几个方面，探究数字孪生机场的技术路径及相关应用，旨在推动我国“四型机场”建设数字化转型和智慧发展。

数字孪生机场概述

定义

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统[1]。

数字孪生机场是将BIM+GIS技术重构一套虚拟的机场空间模型数据，整合空间静态数据及实时动态数据，打造数字孪生机场“一张图”的数据底座，为智慧机场的业务系统建设提供所需的标准统一的底层数据（模型和地图）及接口。

数字孪生机场两大特征

BIM+GIS数字底座

运用BIM+GIS技术，使用Bentley的MicroStation、OpenBuilding Designer软件，将物理世界实体的机场模型完成机场空域、楼内、地上、地下全方位宏微观结合的三维数字化建模；利用iTwin平台，融合BIM+GIS模型，通过BIM+GIS模型完成项目建设期间成本测算、设计优化、施工方案模拟、工程进度管控、监控集成与质量安全管理，形成竣工交付电子资产、建设机场“一张图”，为业务系统建设和应用提供标准统一的底层数据。

记录变更，建立数字资产

数字孪生技术及电子资产管理理念，有助于打造全生命周期工程数字资产。运用数字孪生技术，利用iTwin平台，打造基于BIM+GIS模型整合工程建设过程中产生的各类工程管理数据和变更信息，形成可充分理解和利用的工程数据资产，实现数字资产交付和数字化机场的成果整合管理。

数字孪生机场“一张图”

数字孪生机场“一张图”，是应用数字孪生技术理念集合机场项目的工程实际，专门定制的一套标准、一个模型、一个平台、一套电子资产的机场“一张图”实施路线。其可以通过建立数字孪生机场的一套企业级BIM+GIS标准体系，按标准运用MicroStation、OpenBuildings Designer搭建一系列BIM＋GIS数字机场模型、使用ProjectWise平台实现模型协同、有序交互；通过使用一个基于BIM的工程建设管理平台收集把控数字机场模型的数据成果，最后交付数字机场的电子资产；通过整合BIM、GIS模型等数据，为业务系统建设提供所需的标准统一的底层数据（模型和地图）及接口，从而形成数字孪生机场的“一张图”（图1）。

图1 数字孪生机场“一张图”

机场“一张图”包含GIS平台以及从建管平台移交过来的建设期数据，作为数据图形化展示的载体，支撑运维期相关业务系统。

机场“一张图”的核心包含了BIM+ GIS共享数据服务和运行数据服务。BIM+GIS共享数据服务主要负责地图标绘、空间数据更新、路网导航、地址查询、地图访问、属性查询、POI数据管理等，同时还提供BIM模型引擎。运行数据服务包含了历史数据查询、实时数据查询、运行状态回放、运行状态展现、轨迹回放等数据服务。

基于BIM+GIS共享数据服务及运行数据服务，实现了“一张图”自身的相关GIS基础应用，包含了电子沙盘、综合管网、工程管理移动APP、工程图档管理等。机场运营业务系统通过企业服务总线做数据桥梁，利用“一张图”提供的数据共享服务，实现GIS相关的图形化展示及数据处理（图2）。

图2 BIM+GIS机场“一张图”的数据传输

BIM+GIS的数字底座

BIM+GIS融合，是将基于BIM创建的机场工程数字资产对接到GIS的过程。BIM模型导入GIS系统后，在GIS系统中完成建筑物外部地理信息、BIM几何信息及挂接的属性信息的整合。在工程建设过程中产生的基于BIM的工程文档数据、质量安全数据及设备安装信息等工程管理信息，通过设备编码、模型ID、WBS编码之间的一一对应关系，同导入到GIS系统中的BIM模型建立唯一关联。采用编码确定唯一对应关系的方式，建立BIM+GIS数据关联，将工程建设全生命周期中产生的过程数据集成到导入GIS系统的BIM模型中，通过BIM+GIS数据共享服务平台进行数据及服务发布，全方位支撑资产运维。

机场数字资产

基于BIM的机场数字资产是指以BIM构件为基本单元，充分利用基于BIM的建设管理平台的工程数字化资源，通过规则和编码将三维模型与图纸、文档、采购、计划、质量、施工、安装、验收等信息进行关联，建立起伴随工程建设动态生长的工程数据仓库。

通过开发的编码插件对模型中的所有构件按照空间、系统、设备维度进行全局编码，使模型中的每个设备都有唯一的编码，并在线下通过二维码或电子标签的形式跟实体设备进行绑定，实现设备信息跟模型中构件通过编码进行关联。

在机场建设期结束后，咨询单位根据运维期资产管理需求，对建管平台的BIM竣工数据进行分类整理，设计出能合理支撑运维的资产数据库结构的工程数字资产库。最终，基于iTwin建立BIM+GIS的数字资产管理基础平台，与机场资产管理平台对接，为机场运维期的业务系统运行提供基础数据支撑。

数字孪生机场基于iTwin，搭建机场数字孪生底层数据，其建设最终目标是把数据用起来，不仅要用好，还要用活。

大数据技术收集机场各区域数据信息，并提供大数据存储、处理和分析能力支撑，通过数据不断融合积累和平台能力完善，全面支撑机场运营管理各项业务。机场大数据建设包括平台软件以及面向机场运行、商业、服务、安全等业务领域的应用支撑功能建设[2]。

机场智慧化发展的使命是充分利用大数据、物联网、空间感知、云计算、移动互联网等新一代信息技术，综合运用交通科学、系统方法、人工智能、知识挖掘等理论与工具，以全面感知、深度融合、主动服务、科学决策为目标，通过建设实时的动态信息服务体系，深度挖掘机场运行相关数据，形成问题分析模型，提升机场资源配置优化、公共决策、运行管理、公众服务等能力。

在新冠肺炎疫情防控期间，北京大兴机场的运行信息数据平台、白云机场的“云朵”智能机器人、深圳宝安机场的“智能安检通道”、重庆江北机场的自助行李托运柜台、顺丰速运的无人机等智能举措，分别在疫情信息传递、避免人员接触、缓解人员聚集、运送抗疫物资等过程中发挥了巨大作用[3]。

虽然数字孪生机场目前还在探索实践阶段，不过走在前列的机场集团已经取得了不少成果。鉴于此，加强数字孪生机场的技术研究及建设，能更好地推动“四型机场”的智慧机场的建设，也将有助于我国航空的数智化发展。