数字孪生技术在机场建设中的应用

杨海 孔为敏

（东部机场集团有限公司 江苏省南京市 211156）

1 数字孪生技术

数字孪生技术最早起源于2003 年，由美国密歇根大学的MichaelGrieves 教授首次提出了“imformationmirroringmodel”的概念，直译过来即“信息镜像模型”，2011 年，Michael Grieves 教授正式提出“digitaltwin”的概念，直译过来即数字孪生，那么在这个概念中，MichaelGrieves 教授认为，数字孪生由三大部分组成，物理空间的物理实体、虚拟空间的虚拟数字体以及物理空间物理实体与虚拟空间虚拟数字体之间的连接数据和信息[1]。

基于以上内容，数字孪生的逻辑架构如图1 所示。

由图1 所知，物理空间实体是需要一定的信息技术手段拷贝和复制，实现在虚拟世界构建一个相对应的数字双胞胎，即虚拟空间数字体，这个过程我们称之为以实入虚；数字孪生的价值不仅仅是观察物理世界的运动、发展与变化，而是要操控物理世界的运动、发展与变化，虚拟空间数字体通过一些交互与反馈指令，促进物理世界进行运动、发展与变化，这个过程，我们称之为以虚控实；同时，将这些状态拷贝到虚拟空间，形成一个良性的、闭环的虚实互动。

图1：数字孪生的逻辑架构

那么其中信息与数据的交互将是关键，信息的交互包括二、三维的物理空间实体建模，物理世界实体的运行状态感知，即物联网技术，这些必将是基于平台来实现的。

综上所述，数字孪生是多种技术手段的合集，这里包括以往的地理信息二维建模技术、BIM 等数据三维建模技术、新兴测绘技术、多源异构的物联网技术以及传感技术、北斗定位技术、综合室内定位技术、大数据技术、人工智能技术等，实现物理世界向虚拟世界映射与管理[2]。

2 数字孪生机场

以往传统的民航机场根据对自身业务的理解，只提供两部分的职能，第一部分是提供飞机起飞的场所以及所需要的基础资源支撑，即机场只提供跑滑道的保养工作、安全的净空与电磁场环境、鸟击事件的防范、飞机维护维修以及停靠的机位场地、基础支撑的设备设施、航班的保障服务等，这里主要依托于飞行区建设的水平与业务人员的业务素质和业务能力；第二部分是旅客的通关服务，即旅客的入港、值机手续办理、行李托运、安检、休息等待区以及登机等服务，这里主要依托于航站区建设的水平与业务人员的业务素质和业务能力。

2011 年，智慧机场的概念提出以来，人们越来越意识到，机场不仅仅需要同以上两方面的服务；从城市的发展角度来讲，城市是机场的母体，机场是城市运行发展、国家综合交通体系中重要的一环，机场也是整个城市形象的门户，一个机场建设与运营服务的水平，将直接影响到综合交通体系运转情况和城市经济发展，机场的建设、运营以及保障是需要智慧化来进行支撑的。

另一方面，机场属于“地主”角色，在机场，汇集了空管、航司、地勤、旅客、航油、公安等不同的角色，空管对机场有交通管制的需求、航司对机场有航班保障效率的需求、旅客对机场有底线的安全需求与服务品质的需求、其他各单位部门与机场有协同作业的需求，以上的种种需求，都需要机场建设一个“数字孪生机场”，使大家在一个数字化、可视化的视图中，真真切切的了解到机场的运行、发展与变化，更好的理解彼此的需求，即在信息共享的基础上，按照法律法规、规章制度以及机场运行标准进行协同作业，建设一个持续提升的现代化漂亮的土建机场与智慧化运行并存的“数字孪生机场”。

机场自身也有运行保障的需求，具体需求如下：

2.1 运行感知的需求

机场除提供跑道、塔台、停机坪、航空客运站、维修厂等设施，并提供机场管制服务、空中交通管制等其他服务；多对象、多主体在机场依赖机场提供的基础支撑资源进行生产经营活动，如航空器、车辆、工作人员及旅客，机场运行态势错综复杂，目前缺少对机场运行态势感知、服务资源监管等方面的统一感知能力。

2.2 协同运行的需求

由于各业务单位和主体缺乏对机场的感知能力，因此前期预判依据少，生产运行过程追踪不够精细化，执行结果缺反馈，没有形成闭环管理，协同机制不够完善，机场内部单位之间和外部单位之间缺少统一的协同作业支撑平台，来辅助人员进行统一的生产协作。

2.3 危机处置的需求

安全是民航运行的底线和红线，机场在危机处置层面，有如下几方面问题：

缺少信息统一视图，决策缺依据，方案靠经验；

信息收集手段原始，决策速度慢，联动效率低；

信息传递手段落后，电话沟通多，信息传递慢。

粗放的增加资源投放的方式已经不能解决缓解机场日益增长的运行压力和提高服务品质的需求，科学技术手段是解决瓶颈问题的唯一手段，数字孪生机场的建设可以实现机场运行态势感知、协同运行管理以及危机处置能力的提升，在信息共享的基础上，实现机场的协同作业、标准运行和持续提升。

根据数字孪生技术章节与数字孪生机场两个章节的概述，进行总结归纳，即数字孪生机场的建设，一方面是随着建模技术、物联网技术、定位技术、大数据以及人工智能等技术不断进步的产物，另一方面是机场以及相关方需求的产物，整体需要符合国家以及民航业发展方向与政策指导要求。

3 数字孪生机场建设内容概述

3.1 数字孪生机场建设内容

根据中国民用航空局．关于印发《中国民航四型机场建设行动纲要》[3]的纲领性要求，特别是民航局机场司的撰文指导[4]中详细的阐述的数字孪生机场的建设内容和建设框架，特别是阐述了数字孪生机场的建设思路，共计分为四部分：

（1）以物理感知为前提，这里不仅仅是物理机场的一比一还原，也包括业务流程的复制与映射；

（2）以数据处理为支撑，机场运行所产生的数据庞大繁杂，必须以基础的数据处理能力为支撑，实现数据的可用性、时效性，保证数据的质量；

（3）以数据挖掘为核心，这里的数据挖掘，所指的是对过去的历史数据进行总结归纳、对现在的运行数据进行诊断分析、对未来进行推演和预测；

（4）以机场信息可视为终极目标，机场信息可视不仅仅是可视化，而是在对实体机场和运行要素，进行全生命周期履历信息集成的基础上，进行数字化表达、进行空间和运动状态的数字化表达、进行行业业务和机理层面的数字化表达，实现机场全场景、全要素、全流程的信息可视。

数字孪生建设内容归为两大类，分别是“以实入虚”和“以虚控实”，根据机场的实际工作场景进行延展，“以实入虚”为两部分，分别为机场的物理表达与物联感知，“以虚控实”需要与机场的实际业务融合，并具有仿真模拟与智慧推演能力，结合国家政策指导、科学技术规定、行业实际发展运行要求与机场司建设方向的解读，数字孪生机场具体建设内容如下：

3.1.1 物理表达

充分利用机场已有的工程图档数据、利用传统和新兴测绘手段对机场工程图档数据进行补盲补录和校准，利用CAD、GIS、BIM 等成果数据，实现机场从空域到场面到地下、室内到室外的全要素二三维模型表达。

3.1.2 物联感知

利用北斗定位技术、室内外综合定位技术、强弱电设备物联感知技术，实现机场重点对象、设备设施以及保障资源的运行状态感知。

3.1.3 业务融合

在物理表达和物联感知的基础上，进行业务建模，实现机场的组织、单位、人员、机构等不同层级、不同场景、不同维度的业务深度融合。

3.1.4 智慧决策

不同于以往的技术，数字孪生技术最重要的部分就是对未知世界的探索与实验以及对未来的推演能力，在机场物理表达、物联感知、业务融合的基础上，探索与验证方案决策的可行性、未来机场的适航性、运行效率与资源配比情况，才是数字孪生技术最核心的价值所在。

3.2 数字孪生机场架构

数字孪生机场的建设从来不是一蹴而就的，是与科学技术进步水平与机场实际需求息息相关的，数字孪生机场的建设是分为不同阶段的，在2006 年，国内民航机场以地理信息系统为二维空间的数字底座，启动了数字孪生机场的建设和应用，并持续不断的对地理信息空间要素进行补充，后续，国内主要大型机场与机场集团在建设过程中，逐步摸索了机场监控视频与GIS融合技术、GIS+BIM融合的三维建模技术、包括室外飞机、车辆、无动力设备、人员以及室内工作人员和旅客位置感知技术、设备设施管理的物联网技术、物体与行为识别的AI 技术的应用，根据民航机场智慧化实际建设过程、技术进步和发展以及实际建设需求，结合数字孪生通用技术理论，数字孪生机场的架构如图2 所示。

图2：数字孪生机场的架构

感知层：综合利用物理建模、智能感知等技术，实现一个静态的物理机场构建和包含机场资源与要素运动状态的动态机场的创建。

平台层分为以下几个部分：

3.2.1 高精度地图服务

由目前具有完备的空间基准的地理信息系统由来，因机场运行的特殊性，要求基础数据的应用精度较高，所以必须要进行高精度地图服务建设，其中包括二维、三维地图服务数据以及BIM+GIS 数据的融合能力。

3.2.2 三维渲染服务

民航机场所管理的空间要素具有海量、种类多等特点，不同的用户需要在不同的地点，借助不同的终端设备对二、三维数据进行浏览查看，一些管理部门如运控部门，甚至要对现场的光照条件、能见度进行孪生可视，因此，要求对空间数据进行三维渲染服务；三维渲染服务需要基于统一的机场云环境进行渲染，解放客户端的运行压力，让客户端浏览具有电影级的孪生体验；也要求具有应对海量数据、多用户浏览的高并发处理能力。

3.2.3 统一位置服务

位置感知能力在交通运输领域是不可替代的，通常意义的交通领域管理只涉及到空域或者地面，一般为单一要素的位置管理，例如空域对飞机位置以及航路航线的管理，地表对车辆位置信息的管理，而机场作为多主体、多要素共同载体，在室外部分需要借助北斗定位技术，实现飞机、车辆、无动力设备、工作人员位置跟踪，在室内需要对旅客位置分布、工作人员位置以及重要设备设施位置进行感知，才能更好的进行管理、协调与服务，因此，需要一个统一位置服务，对室内外多源异构的位置数据进行采集、融合、优化、管理以及共享分发，以达到智慧化运行、精细化管理和集约式建设的目标。

3.2.4 虚实融合服务

因为安防管理与监控的需求，机场具有非常多的视频设备，基于与视频设备整合的数字孪生虚实融合服务，一方面可以整合不同品牌、厂商的视频设备，对视频设备运行状态监控，另一方面，基于数字孪生场景与视频的融合服务，可以为用户带来更好的监控体验。

3.2.5 物联感知服务

民航机场拥有众多的设备设施，包括运行支撑设备设施、旅客服务设备设施、商业服务设备设施等，以往的人工巡检方式，一方面效率低下，另一方面成本高，基于物联网技术，构建物联感知服务，一方面可以信息成本投入，替代人工成本投入，另一方面可以也为设备设施的可持续利用，奠定了坚实的基础。

3.2.6 民航智能服务

受制于机场物理空间结构，粗放的运行资源投入很难起到降低成本，提高运行效率的目的，机场的物理结构、运行规则和运行标准是固定的，机场迫切需要一套民航智能服务，通过基础运行参数的配置，对未来机场的航班运行情况、旅客服务情况以及公共交通运行情况进行推演预测，从而未雨绸缪，提前进行相应的准备和资源合理优化配置。

以上内容为数字孪生机场平台层架构，既是基于需求，也是基于机场建设现状而总结归纳，目前国内主要大型机场均以不同的方式进行组合，进行了数字孪生机场建设，下面以数字孪生南京禄口国际机场的应用为例，阐述数字孪生在民航的生命力。

4 数字孪生在民航的生命力

4.1 孪生日常管理

南京禄口国际机场目前已建设完毕的空侧运行管理应用、可视化资源管理应用，是孪生日常管理应用的代表。

空侧运行管理系统基于机场飞行区运行标准，将对飞行区的资源、运行、环境、安全等业务管理场景与数字孪生场景进行叠加，通过数字孪生页面，实现了资源运行与管理业务可视，辅助机场管理人员及时掌握生产运行动态，提高飞行区运行管理水平。

区别于传统的资产台账管理，可视化资产管理系统基于数字孪生服务平台，建设一个基于位置可视化的设备资产管理系统，实现资产在全场景地图下以及楼宇楼层间的位置跟踪、维修维护、状态监控的全生命周期管理。孪生日常管理在禄口机场的应用如图3 所示。

图3：孪生日常管理在禄口机场的应用

4.2 孪生运行监控

南京禄口国际机场目前已建设完毕的视频安防系统、机坪车辆管理系统，是孪生运行监控应用的代表。

机坪车辆调度管理系统主要是基于数字孪生可视化和北斗定位技术，针对机场运行的实际情况及业务特点，实现对机场各类作业车辆的准确定位、实时监控、车辆跟踪、车辆调度、越界报警、超速报警、轨迹回放、事故分析等各项车辆生产及安全管理功能，协助机场管理部门对车辆进行安全管理、调度和监控，提高了机场内各种车辆的安全管理水平。孪生运行监控在禄口机场的应用如图4 所示。

图4：孪生运行监控在禄口机场的应用

视化安防监控平台支持机场各类安防资源的可视化，提供室内、室外、平面等多种形式的地图支持及资源检索、分析、巡查和视频调用等功能，为机场安防业务的数字化、可视化管理打下基础。

可视化安防监控平台是基于数字机场孪生体和数字孪生机场服务平台，搭建机场的安全信息综合管理平台。如图5所示。

图5：孪生运行监控界面

4.3 历史运行孪生复盘

历史运行孪生复盘的功能是对机场的历史运行状态进行复盘查看，同时找出机场运行过程中的问题，例如，导致大面积航班延误的具体原因，因此需要调取数字孪生全生命周期数据库，对其中记录的机场孪生运行情况进行查验。

南京禄口国际机场在机坪车辆管理应用中，可实现航班以及车辆的历史运行轨迹查看，通过对航班、车辆历史运行轨迹复盘，可盘查航班与车辆运行效率，从而为航班滑行路径优化、车辆作业效率提升提供可回顾的历史运行沙盘。如图6 所示。

图6：历史运行孪生复盘在禄口机场的应用

4.4 孪生运行态势诊断

孪生运行诊断是根据行业和业务流程要求制定一系列的规则库，对于实时呈现的机场场面的态势给予必要的诊断，例如通过获取地面保障资源的事实状态信息，通过诊断算法引擎的推演对于保障资源预警情况做出必要诊断。

南京禄口国际机场的大数据平台，基于多源异构的历史运行数据和实时运行数据整合，可对航班、旅客、货运三大机场业务主体的运行数据实时进行诊断，为机场各个层级用户决策指挥及协同作业提供数据依据。如图7 所示。

图7：孪生运行态势诊断在禄口机场的应用

5 未来拓展方向

尽管南京禄口国际机场已建设以地理信息系统为空间底座的数字孪生初级阶段，但从机场实际运行需求、科学技术发展以及国家政策方向来看，仍需进行短板补齐，不仅仅实现更近细化的数字孪生日常管理、孪生运行监控、历史运行孪生复盘与孪生运行态势诊断，更可从以下两个方面补齐机场“看未来”的能力：

5.1 孪生培训演练

孪生培训演练功能模块定位于机场人员的业务培训演练，旨在增强工作人员的业务操作熟练度、新业务流程的适应性。针对机场多个业务培训需求，数字孪生平台可以定制化的构建不同的培训演练场景。通过将机场历史事件数据加载到培训演练场景，培训人员可以结合历史事件动态，进行相应的业务操作，同时孪生平台可记录培训人员演练的培训效果，实现互动丰富的浸入式演练培训。

5.2 孪生推演预测

孪生运行推演预测作为数字孪生平台的核心功能模块，定位于对机场未来长期和短期运行态势的预测和先知先觉的提前研判。通过解析机场各业务平台的实时数据，利用数字孪生CVM 计算引擎对机场运行状态进行仿真推演计算，输出的仿真数据可以通过孪生模型三维可视化呈现，实现未来长期机场资源分配调度计划合理性验证，实现对未来短期机场运行资源瓶颈的预测和评估，实现更精准把控未来的运行态势，以及全域的交互控制。