数字孪生技术在智慧机场建设中的应用

张小琴 李 彬

（苏州物图数字科技有限公司，江苏苏州 215000）

2021年我国出台了《国家综合立体交通网规划纲要》，提出我国交通运输科技创新能力需要进一步加强，推进交通基础设施数字化及物联网建设，打造智慧出行平台。

机场是航空出行的基础，是重要的公共运输基础设施。民航局明确规定，在四型机场建设中要加快向智慧机场转型的速度。我国机场数字化应用现状主要存在三方面特点：

（1）人流、物流和信息流数据较大，但缺乏对数字信息进行挖掘的能力。

（2）数字化应用对安全稳定性要求较高，试错成本大。

（3）建设流程复杂，成果缺少可视性，难以进行宏观预测。

数字孪生技术具有虚实交互的动态特性，并且能够对现实中难以预料的情况进行模拟，提前发现问题，能够对机场在状态诊断、建设冲突、运营评价等方面进行赋能，使机场运维更加智慧。

1 数字孪生技术简介

数字孪生技术是第四次工业革命的产物，在工程设计和生产制造环节中得到广泛应用，具体应用领域包括城市管理、建筑、交通、能源、医疗等。数字孪生技术的本质是通过在物理空间之内投射虚拟空间，通过输入多维度数据，引入人工智能、物联网以及其他技术，实现对产品、系统、流程的精准复刻，形成实物与虚拟空间的数字交互。

数字孪生技术具有两个关键性内容，即高精度复刻以及准确的交互数据。复刻的数字孪生体系具有仿真数字骨架，能够将多维度数据高精度整合，并完成建模[1]。数字孪生技术的应用主要集中在设备维护、产品以及生产流程优化三个方向。

2 数字孪生技术在智慧机场建设的应用途径

2.1 建设思路

数字孪生技术的发展还处于起步阶段。要实现数字孪生，需要在数据、算法以及算力三方面具备相应的技术高度。

功能方面，数字孪生技术服务商具有非标准化的服务壁垒，使机场多样化需求无法通过通用性合作加以实现，机场对数据应用的情况难以进行审查。

价值方面，机场如果不能从行业层面上对数字孪生技术进行展望，仅从独立发展角度进行考量，难免会造成数据的价值浪费，且无法从数据流动中获取目标价值。

2.2 建设目标

应该建立行业级数字应用标准。通过“标准确立”“标准应用”提升机场在转型发展过程中的话语权，防止服务商技术垄断，对机场形成牵制。技术应遵循行业标准，通过定制化的服务满足业主的相关需求，降低成本和风险。

数字应用标准应包含信息技术标准和融合基础设施标准。信息技术标准主要有数据输入标准、算法标准以及算力标准；融合基础设施标准主要有智能交通基础设施标准、智能能源基础设施标准等。

要打造开源共享的架构平台。从市场的角度出发，开源能够为应用生态带来良性循环。从行业角度出发，多机场组网能够使数据价值实现接力开发；从价值方面考虑，数字孪生技术能够使机场和智慧城市框架进行衔接，在交通、应急管理、生态管理等方面与所在城市相融合，使数据资源实现全方位应用[2]。

2.3 方案设计

（1）对系统整体框架进行设计。

数字孪生技术应实现对机场立体全覆盖，实现安全管理。框架建设应为应用层、平台层和基础层的“三层架构体系”，并能够完成多目标服务。基础层是首层架构，基于机场设备、运行流程以及专用系统实体进行构建，能够反映实体几何结构、物理属性等内容，做好数据融合分析，从应用的种类上可以分为设备模型、系统模型以及标准模型三类。

中层为平台层，是数字孪生机场的核心系统架构主要包括五个子平台，分别为IoT设施管理平台、应用支撑平台、大数据平台、机场信息模型平台、算力平台。

最上层为应用层，根据模型层对数据处理后输出的成果，集合使用场景对数字孪生应用产品进行定制，为机场运营提供相关的决策或指令辅助。

（2）数字孪生机场建设方面的能力要求。

数据输入广度要求，除了BIM+GIS的数字骨架之外，孪生技术需要多维度实时数据注入，以数字传感数据以及视频数据为主，如近景感应、超宽带通信、无线网络定位、多点定位等，能够在机坪和路侧完成GNSS定位、GIS地理空间标记等功能[3]。

融合型应用开发量要求，机场进行数字化转型过程中，需要破除信息古道，避免资源重复建设，形成一条能够实现有效链路的多功能道路。机场建设开发阶段的核心内容集中在设备和建筑生命周期管理、流量价值开发、冲突及应急安防管理、资源优化四个方面。如ADS-B以及A-SMGCS融合，引导资源分配，预防性数字孪生以及设备维护、视频+GIS的路线引导和围栏管理、应急模拟演练、基于旅客动线以及消费数据的商业价值开发等。

3 数字孪生在智慧机场中的应用

3.1 机场公共区域

（1）打造场区智慧服务。

智能综合杆应用案例如图1所示。

图1 智能综合杆应用案例

多功能智能杆是以灯杆为载体，搭载了物联网终端形成的信息节点，集照明、LED显示、图像捕捉、音频广播、Wi-Fi路由、充电桩、环境感知于一体，和数字孪生平台实现统一管控、融通数据，通过智能杆可以对公共区域运行做出反应。

（2）基于BIM+GIS的基建管理。

BIM模型带有空间地理信息标识，在进行机场建设和管理的过程中能够对机场的设计图纸进行检查，避免建设过程中出现设计冲突，使机场建设进度可视化的同时，完成主体模型导出[4]。数字孪生机场应用案例如图2所示。

图2 数字孪生机场应用案例

（3）净空与电磁环境管理。

机场能够和地方自然资源规划局数字孪生城市模型进行互通，进而对净空限高以及城市规划高度进行融合管理，使限制面和规划建筑之间的高度实现可视化。

3.2 航站区域

（1）做好服务资源分配。

通过视频抓取以及大数据平台分析的方式，能够模拟客流量变化对交通节点、服务通道、设施使用的压力情况，使机场能够更好地对客流进行管控，做好应急预案，缩短机场排队时间，提高服务体验，优化分配服务资源，避免资源浪费。

（2）开发流量价值。

对旅客的动线以及停留情况进行分析，可以为机场商业区域的规划以及定价策略提供参考。通过视频和VR技术的融合，为客户提供个性化路线引导，提高航旅信息和旅客的匹配度，降低旅客等待时间，提升旅客消费意愿，使非航业务获得更高的收益。

3.3 飞行区域

（1）动态风险管理。

数字孪生技术能够对机场人员和车辆进行精准定位。完成系统内成员授权管理的同时，可以实时监控机场航空器或载具移动轨迹，分析、预测可能出现的空中和地面动线布置问题，提供合理的规避建议。

（2）设备预防性维护工作。

从全生命周期管理的角度出发，机场实现数字化转型，建立数字孪生数据库能够对机场航空器设备的物理损耗情况、疲劳极限、系统稳定性等进行实时的风险评估和分析工作，指导养护维保、迭代升级、备品存储等方面工作，使机场维护工作具有计划性和规范性。

4 结语

现有的各项新技术均可以被视为数字孪生技术中某个要素的发展分支，技术之间的融合越来越多，拓展应用生态成为数字化发展趋势。数字孪生技术能够作为机场重要的基础设施建设。在国家、民航等层面可以统一标准，使数据应用更加规范。数字技术开发商应在“数字生态”方面进行技术革新，对机场的管理应该在当前应用场景基础上进行技术拓展，形成多单位数据联动，深化智慧机场的数字化转型。