数字孪生技术推动机场智能建造和创新

2022-10-18林伟文

中华建设 2022年10期

林伟文

近几年，我国交通运输部针对建筑信息模型技术的应用提出了相关的指导意见，并发布了相关推进行动计划。2020年1月，习近平总书记在北京大兴国际机场，针对四型机场建设提出了明确的指示，要求在全新的时代背景下，建设平安、绿色、智慧、人文的四型机场。2020年7月，住房和城乡建设部联合印发了智能建造与建筑工业化协同发展的促进指导意见，明确要加大力度发展建筑工业，落实以创新为核心的技术，秉承数字化与智能化升级的原则，推动在各个建设领域充分发挥智能建造的应用，形成智能化的产业体系。结合相关决策部署，智能交通、人工智能、云计算、区块链等设施统称为新型基础建设。基于此，机场工程建设领域的新型基础设施建设的具体举措—数字孪生技术应运而生。

一、数字孪生理论基础

目前，针对数字孪生的标准定义还不明确，其具体概念仍处于不断的发展与演变中。数字孪生从NASA结合飞行器研制，可定义为一种高度集成的仿真模型，涉及多物理场、多尺度、多概率，可将物理实体在虚拟信息空间中实现镜像映射，从而集中体现物理实体的演变趋势、状态以及行为。数字孪生被工业4.0术语编写组认为是一种数字化数据流，可用于搭建模型、覆盖产品全生命周期与全价值链，起到访问、转化与整合的数字纽带作用。相关学者认为，数字孪生的方式为数字化，以此可搭建物理实体的虚拟模型，以数据来对物理的实体进行模拟，体现出其现实环境中的具体行为，借助虚实交互反馈，数据融合分析决策、迭代优化等方式来强化物理的实体，并延伸其全新的能力。相关学者认为，数字孪生可在信息化的平台内搭建与模拟一个物理实体、流程或系统，这样可全面了解物理实体的状态，并且控制物理实体里预定义的接口元件。同时，还有学者认为，通过软件定义在数字虚拟世界中所搭建的虚拟事物数字模型就是数字孪生，集中体现出了与物理实体世界中的现实事物所对应存在的形态、行为和质地。

从文章的研究角度出发，数字孪生是对人工智能、传感仿真等数字技术的应用，是可以实现物理原子到数据比特的平行互动、精准映射、虚实迭代，是一种技术，可转化与连接物理世界与数据世界。其中，高保真性、可扩展性与互操作性是数字孪生的典型特征。高保真性可以让数字世界从运行规则、形态、行为以及本体构成等多个方面、多个维度，多个属性，实现对物理世界的全息复制。在可扩展性下，数字模型依赖数字世界的自我推演和物理世界的形态变化，以此进行拆解、集成、复制、修改、删除等操作。同时，数字模型与物理世界都存在标准接口和规范定义，信息交互可以在不同数据模型、不同物理终端、数字模型与物理终端之间进行。

图1为孪生数字框架。数字世界、物理实体和虚拟模型之间的数据、信息交互通道为数字孪生的三个主要部分。

图1 数字孪生框架

（1）数字世界。完成实体的全息再现和高保真建模，构建对象、模型和数据集的虚拟副本，实时动态地反映实体的行为状态，支持多层次、多维度、多尺度、多物理场的实体仿真。利用数据挖掘技术和知识学习系统，从物理实体历史和实时数据中挖掘各种模式的结果，获得数据价值。

（2）物质世界。物理元素的互连和感知具有支持即插即用的标准定义和接口。采用广域布局的传感器和状态反馈点，可以实现高密度、宽频率的信息采集。接受来自数字世界的优化指令，改变物理元素组成模式、生产流程、资源匹配。

（3）互动渠道。利用设计工具、仿真工具、物联网、虚拟现实等数字化手段，建立物理世界与数字世界的准实时连接与映射。通过传感器实时观察和呈现物体的状态，并将携带命令的数据通过标准接口反馈给物体，最终导致状态变化，形成闭环反馈。

二、数字孪生机场的应用实例

数字孪生机场充分利用大数据挖掘技术、人工智能算法和先进的数据分析方法，整合和汇集数据资源，构建和完善机场运营质量评价体系，开展高阶数据分析和挖掘咨询服务。依托系统的数据基础，主动实现机场运营质量的实时感知和可视化交互，依托高层数据分析和挖掘服务，实现业务问题和瓶颈的精准发现，利用仿真技术对运营方案进行评估和分析，优化运营策略。为机场运营管理、旅客服务和规划决策提供有力支持。一般在机场信息中心(ITC)建立双数字机场模拟仿真系统，通过大屏幕显示、VR/AR、体感、模拟器和综合可视化等手段，展示机场模拟运行和四种类型机场的显示体验。

以下以某机场扩建工程为例，介绍数字孪生机场的建设方案：

1.系统构架

某机场的扩建工程，是以数据中台和业务中台为数字孪生机场系统构架的基础。将内部系统平台和各类生产业务平台联系起来，整合机场各业务的数据系统，优化资源管理能力，达到更高的数据分析、可视化、决策支撑水平，让机场对旅客、对航空公司的综合服务能力更高。具体实现的功能包括：机场运行、品质评估、数据存储分析、运行管理，数据资产，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、应用场景展示等等，见图2所示。

图2 数字孪生机场系统架构

2.功能要求

（1）机场运行品质评估。从总体框架上看，机场运营质量评价体系支持大数据时代以多态和大数据为主的数据源引入和汇聚，形成企业级数据资产。通过对数据资产的处理和封装，以及数据管理系统的建立，支持数据分析和可视化交互，从而支持机场的精细化管理。系统将高阶评价基于机器大数据服务提供基础数据和基本，根据业务现状和问题的分析,优化学科领域和数据应用程序。同时,可持续发展通过收集数据资源整合机场运营管理各业务系统，逐步通过数据孤岛形成机场数据资源池，为业务实践提供数据支持，构建可扩展的机场数据存储处理平台。建立符合机场业务需求的完整的数据分析能力，基于大数据挖掘分析算法库和模型库，并根据业务应用的具体需求设计和优化模型，实现对机场运营质量的实时感知。此外，建立综合的机场运营质量可视化系统，为航班流、客流、机场运营质量等业务流程提供动静结合、可视化、交互式、易懂、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营效率仿真，可以深入挖掘机场运营质量评价结果背后的本质原因，发现业务瓶颈，提高问题的可追溯性，提高机场数据驱动管理的决策支持能力，并指导运营质量评价体系的优化升级。机场以机场大数据运营效率模拟服务为基础，对值机、安检、边检、登机口、行李传送带、航班保障、停车、停机坪管控、建筑管控等9类评估对象的运营数据进行评估。根据各评价对象的评价指标值，找出影响机场容量的具体问题和生产原因，并提出相应的管理改进建议和运营质量评价体系的具体优化方案。最后进行仿真验证，对优化方案的效果进行数字化量化分析，确保指标的可靠性，验证相应业务改进建议的可行性。确保评价结果的准确性以及评价结果与改进建议的高耦合性。

（3）3D全息投影数字沙盘。数字沙盘由物理沙盘、全息投影和室内全彩LED屏幕三部分组成。通过机场运行仿真与数字沙盘三维全息投影技术交互显示，结合物理沙盘和投影技术，可以将机场的建设成果全面展示给用户，通过AR眼镜，不仅可以向用户呈现3D显示效果，还可以用手势进行交互。用户智能机场的显示采用了虚拟现实技术，利用机场信息系统的数据资源，运行现场实时呈现沙盘中的情况，并可结合AR技术，向用户展示一个实时数字模拟器。用户戴上AR眼镜，重现真实场景，让观众仿佛置身于航站楼，在航站楼体验各种服务流程，为用户带来新鲜的旅行体验。

（4）应用场景展示。基于立体地理信息系统采用三维视图结合AR成像技术，对机场、航站区、机场大楼等关键区域进行全方位立体展示，真实的管理者可以通过收缩、平移、旋转、浏览等操作，直接查看控制全局，对机场的任何区域进行详细查看。建立统一的地理信息系统标准，包括数据标准、运维管理标准等，结合BIM+GIS集成应用，实现机场建筑全景可视化。建立项目建设文件和机场三维模型，实现机场建设和运营“一张图”。该系统可为营运车辆进行实时车辆跟踪及轨迹回放。通过现场监视雷达数据实时显示飞行动态轨迹。支持与生产系统的数据融合，绑定车辆和飞行，显示列表，提供入出站端口、航空公司等多种过滤方式，并提供航班号查询和定位功能。通过物联网等手段感知物体的实际状态，将抽象的具体数据与物理实体相结合进行物化、双化，结合大屏幕等显示终端相结合，借助AR等技术手段，实现地面区域交通的可视化，进一步提高各种安全资源的利用效率。民航的安全运行与气象要素密切相关，通过天气视图，提供天空和空中雷达及趋势、机场天气预报、交通状况等信息，提高机场指挥员和管理人员应对恶劣天气的能力。在大屏幕和AR场景中，可以实时显示当前天气状态，雨、雪、风、雷等天气现象可以三维可视化显示。采用数字传感技术，实现了机场运行环境的可视化监测。为了加强空地一体化建设，机场周边空域飞机动态轨迹的可视化显示也是三维可视化显示的一个重要方面。实时显示其内部飞行器轨迹、当前位置和方向，对于飞机的详细信息，可以将每架飞机的航迹信息以信息板的形式进行三维显示，包括三维场景显示和AR环境显示。同时，在AR环境中，可以对飞机进行互操作，根据跑道、车辆、航班的状态数据，可以显示跑道的开闭状态，显示跑道内车辆、航班等级的状态，实时显示航行灯和封闭状态。