摘要：“数字孪生”因其虚实交互的动态同步特性，能够在智慧机场建设中发挥战略性作用。从数字孪生的历史沿袭出发，提出数字孪生机场建设思路与目标，设计框架及能力要求，并对未来应用场景进行展望。

　　关键词：数字孪生、智慧机场

　　引言

　　2021年2月24日出台的《国家综合立体交通网规划纲要》提出要加快提升交通运输科技创新能力，推进交通基础设施数字化、网联化建设，打造智慧出行平台的愿景。机场作为重要的区域公共运输服务基础设施，在建设和运营的底层逻辑上同国家大交通规划步调一致。民航局在四型机场建设纲要中也明确了建设智慧机场推动转型升级的行业愿景。纵观机场数字化利用的现状，具有三个特点：1、人流、物流、信息流数据丰富但数字资源挖掘能力不足，2、安全稳定性要求高，试错成本高，3、流程复杂且并行系统多，可视性不强，决策的宏观影响难以预测。

　　数字孪生虚实交互的动态同步特性，对机场的意义在于，可通过在数字孪生机场中对现实中无法创建的各种条件进行模拟，帮助发现问题、优化流程，发掘价值增长点并提前规避安全风险。同时数字孪生的可见性、预测能力和假设分析能力能够在设备未来状态诊断、建设冲突分析、运营评价等诸多应用层面进行赋能，是智慧机场建设的优选战略技术，本文结合业界对数字孪生应用的研究成果，对数字孪生技术在智慧机场建设中的应用提出思考。

　　一、数字孪生概述

　　数字孪生作为第四次工业革命的通用目的技术，脱胎于美国国防部高级计划研究局DARPA，最初用于NASA航空器和军方战斗机的维护，后来在军转民技术降维使用策略引导下，逐渐应用到工程设计和生产制造环节，并在城市管理、建筑、能源、交通、医疗健康等降维领域展开应用。其实质是通过将物理实体投射在数字空间，通过时间、参数、属性、实时测量等多维度数据输入，辅以人工智能、物联网和数据科学能力，形成对产品、系统和流程的高精度复刻，实现物理世界和数字空间交互。

　　高精度复刻和交互数据准确性是数字孪生两大技术关键[1]。复刻的数字孪生体是承载虚拟仿真的数字骨架，高精度即通过多维多尺度的数据融合建模，保证虚拟仿真不会因原始模模型缺陷导致虚拟仿真结果的偏差。交互性是数字孪生同传统仿真的本质区别（见图1-1）。

　　图1-1数字孪生虚实交互原理

　　资料来源：作者绘制

　　静态的仿真受限于参数和条件的固定，能够预测可控环境下的未来图景，却无法进行环境速变的现代生产运行指导，而动态化的数字孪生能够通过实时数据传输构建与物理世界同步的数字世界，具备可视化决策辅助和趋势预测能力。

　　二、数字孪生的应用现况

　　数字孪生的应用目前主要集中在设备维护、产品和生产流程优化三个方向。且在石油化工、制造业发展较深入，具有一些借鉴意义。

　　1.系统开发方向的应用

　　中石油通过整合100多套系统和近六十年1.7PB的数据，利用云计算、大数据、物联网、人工智能技术打造了名为“梦想云”的智能共享平台。支持勘探、开发、协同研究、生产、经营、安全环保、技术、政务八大业务。基于该平台打造的数字孪生体“石油大脑”，能够实现虚拟现实培训平台、AR巡检眼镜、可视化作业任务、后方专家实时指导、虚拟现实研究平台等智能辅助，构建数字孪生作业现场，目前已在西南油气田、西部钻探、大庆钻探、渤海钻探等1000多座钻井现场使用[2]。

　　2.生产方向的应用

　　美国通用电气公司与钻井承包商合作开发的数字钻井孪生体试点，借助工业互联网IIoT[3]对钻井设备进行运行状态监测，实现钻井平台关键设备性能变化模拟和预测，结合地质分析数据、钻井技术数据训练，实现最佳技术方案推荐以及钻井风险预测决策辅助。

　　3.设备设施方面的应用

　　输油管线管线探伤和周期性维护方面，通过将管道在线监测数据结合VR技术，形成3D可视化数字孪生管道，综合管道周边地质情况的热成像数据，通过模型运算得到地质缺陷如软基、裂缝、冲蚀对管道未来损害的预测，提前规避风险。该技术获得2018年全球石油十大科技进展[4]的殊荣，并且已经在商业公司得到落地实证。

　　三、数字孪生在智慧机场建设中的开展路径

　　（一）建设思路

　　数字孪生行业的发展目前还处抢滩登陆阶段，尚未形成规整的行业规范。实现数字孪生需要的数据、算法和算力三大核心要素，除数据一项分散掌握在各机场手中，算法和算力的技术关口均由技术服务商把持，机场容易形成供应商依赖。从成本的角度，绑定服务商意味着缺少市场化竞争，机场的议价能力弱，容易增加后续升级及维保的投资压力。从功能实现的角度，服务商建立的非标化技术壁垒，使得机场多样化的应用需求无法通过通用性合作实现，制约了机场的数据资源开发空间。从安全的角度，非标耦合的数据应用服务具有黑盒特性，机场难以对数据应用情况进行审查，甚至存在被供应商掐住咽喉的风险。从价值的角度，如不能在行业层面展望数字孪生的未来发展空间，而任由各机场自行开展，会浪费机场组网的数据流动带来的巨大数据价值。

　　因此，数字孪生技术在智慧机场的建设中应该遵循以行业为主体，以标准化建设为关键，开源共享行业及属地城市资源的思路开展。

　　（二）建设目标

　　1.建立行业级数字应用标准

　　核心目的是通过成为应用标准制定者，强化机场在行业数字孪生建设框架中的话语权，避免服务商的技术垄断与牵制。市场技术应该“迁就”行业标准，以定制化服务满足业主的标准化需求，降低转换成本与风险。行业级数字应用标准应该至少包含以下两个方面：

　　（1）信息基础设施标准，包括数据输入标准、算法标准和算力标准三点[5]。

　　（2）融合基础设施标准，包括智能交通基础设施标准、智能能源基础设施标准、机场物联网基础设施标准等。

　　 2.打造开源架构平台

　　从市场角度，开源带来应用生态的良性循环。从行业角度，通过多机场组网能实现流量价值的接力式开发。从价值的角度，与数字孪生城市的大框架衔接，在交通、生态治理、应急管理、规划及净空电磁管理等方面与机场所在城市共联共建，能够享受多维资源利用。

　　（三）方案设计

　　1.系统整体架构设计

　　数字孪生机场的整体架构可以归纳为“单标准全覆盖三层级多对象”，即统一数字应用标准，立体全覆盖的安全管理目标，三层级系统架构和多目标服务对象（见图3-1）。首层为基础层，基于机场设备设施、运行流程和专用系统实体，对实体的几何结构、物理属性、规则和机理等物理数据收集后进行融合分析[6]，形成机场数字孪生化模型，按照应用种类分为设备模型、系统模型、流程模型三大类。

　　图3-1 数字孪生机场整体架构图

　　资料来源：作者绘制

　　中层为平台层，是数字孪生机场的核心中枢。由五个子平台承载。一是泛IoT（物联网）设施管理平台，对机场IoT设施进行统一接入、设备管理和反向操控；二是大数据平台，汇聚设备、生产运行、能源等全向数据，与机场信息模型平台整合，展现机场全貌和运行状态，成为数据驱动治理模式的基础。三是机场信息模型平台，与大数据平台融合，是数字孪生精准映射虚实互动的核心。四是应用支撑平台，汇聚AI、大数据、区块链、AR/VR 等新技术支持能力，为上层应用提供统一开发服务支撑。五是算力平台，基于高效算力满足数字孪生机场高效调度云网资源的需求[7]。

　　最上层为应用层，根据模型层的输出成果，依据使用场景定制数字孪生应用产品，为生产运行提供决策依据或指令辅助。

　　2.数字孪生机场建设的能力要求

　　（1）数据输入广度

　　除了以BIM+GIS的三维化数字骨架外，孪生需要多维度的实时数据注入，以数字传感和视频大数据为主，包括：适用于候机楼内的室内数字传感，如近场感应（NFC、RFID）、超宽带通信（UWB）、无线网络定位、多点定位，物联网终端如动作传感器、温湿传感器等，适用于机坪和陆侧的GNSS定位、GIS地理空间标记等。

　　（2）融合型应用开发量

　　机场数字化转型之重点是打破数字孤岛的资源重复建设弊病，形成以“联通”为主题的多功能综合应用，因此，应用开发方向应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、资源优化四个方向。诸如ADS-B和A-SMGCS融合的引导与资源分配，预防性数字孪生设备维护、视频+GIS的路线引导与围栏管理、基于旅客动线和消费数据的商业价值开发、应急模拟演练等多综合应用场景。为构建数字孪生应用生态良性发展提供土壤。

　　四、数字孪生在智慧机场中的应用场景探索

　　（一）公共区

　　1.基于智能杆打造场区智慧服务

　　多功能智能杆是以灯杆为主体加载物联网终端形成的智慧信息节点，可以集成灯具、LED显示屏、摄像头、音频广播、WIFI路由、充电桩、环境传感器等外设，节点组网后经过数字孪生平台统一管控和数据融通，能实时可视化反映公共区运行态势。为旅客提供车到门快捷路线规划、场区WIFI、一键报警、3C设备临时充电服务，为机场管理当局提供交通流量分析预警、特殊人群识别、安防监控、定向推送广播等精准化服务，构建智慧服务综合节点。

　　2.基于GIS+BIM的基建管理

　　依托带有空间地理信息标识的三维BIM模型，机场基建管理在建设准备期可以进行设计冲突规避，材料、工艺流程分析，在建设施工阶段可以一张图做好资源统筹规划，实现进度可视化、成本精准计量以及施工隐患预防（塔吊冲突、高空坠落、水电布设路由），投用阶段可以实现用地红线管理、地下管线综合信息查询、地理信息变更全程可视。

　　3.净空与电磁环境管理

通过接入所在地自然资源规划局的数字孪生城市模型，实现净空限高与城市规划高度并行审批，限制面与规划建筑相对关系可视化，对在建项目塔吊、结构突破限制情形进行预警，协助提升机场净空和电磁环境安全管理效率（详见图4-1）。 

　　图4-1 数字孪生城市与净空电磁环境管理可视化图

　　资料来源：数字孪生应用白皮书[Z]. 中国电子技术标准化研究院.2020

　　（二）航站区

　　1.流程优化及服务资源分配

　　基于视频抓取及大数据分析平台，模拟客流峰谷对交通节点、服务通道、设施使用的压力影响，指导开发科学的客流消峰填谷预案，减少排队提升体验，为特殊人群提供潮汐专用通道，基于IoT设施分区调节空调温度、照明亮度，增加人文关怀的同时降低能耗资源浪费。

　　2.流量价值开发

　　基于UWB超宽带定位技术，可以通过旅客动线及停留分析为候机楼商铺业态规划和定价策略提供辅助，辅以视频融合+VR技术提供个性化的用户路线引导及沿途消费品推送，结合航旅信息为旅客倒排时间减少等候焦虑，提升停留消费意愿，增加非航业务的流量价值。同时，多机场组网使得常旅客的轨迹画像在其沿途航站间得以共享，为跨站旅客资源开发提供协同能力。

　　（三）飞行区

　　1.动态风险管理

　　 GIS+UWB+视频分析技术的结合可以实现精准到亚米级的人员及车辆定位，通过对重要的机坪区域画设电子围栏，进行员工权限管理，禁区突破警报、无动力设备定位等，小到扳手、大到航空器，实现AOC机坪运行管制的全景动态数字呈现。同时在保障车辆、航空器路线冲突等重大安全影响事件上基于数字孪生平台应用实现提前分析和预判，并给予规避建议以供决策。基于场道数字孪生模型和人工智能的深度图像识别技术，可以对FOD、跑道入侵等适航性影响大的危险源进行实时扫描监测与规律预测。

　　2.设备预防性维护

　　从全生命周期管理的角度，为机场运行系统和设备建立数字孪生库，可以对设备物理损耗、疲劳极限、系统稳定性在线分析并进行风险评估，指导养护维保、迭代升级、备品储备以及技改更新工作，降低设备和系统突发风险。

　　3.应急模拟

　　数字孪生机场具有模拟现实情况中无法创造条件的能力。该特性为机场应急管理提供很好的实战条件，数字孪生结合VR/AR提供了更广泛的训练场景，指导应急预案的完善，优化应急信息通联机制，能有效提升机场的应急反应能力。

　　四、总结

　　目前常见各类新技术主张，都可以视为数字孪生三要素中的某个方向的技术支撑，而不是最终的解决方案。技术间融合以及拓展应用生态才是全球数字化浪潮下的发展趋势。对机场来说，数字孪生应该被视为一种重要的基础设施建设，亟待在国家层面、民航行业层面建立统一标准的数据应用规范，软硬件厂商在应用生态共融方向发力，机场管理当局努力拓展应用场景，全行业多机场数据共融共通，协力推动智慧机场的数字化转型之路。（作者：院萌）

　　参考文献

　　[1] 杨刚等.数字孪生：内涵、挑战及应用[J].软件导览,2021

　　（1）:7

　　[2] 于玉金.中石油打造“石油大脑”油气勘探开发数字化先走  第一步[N]. 华夏时报, 2020.8.3

　　[3] 数字孪生实战：基于模型的数字化企业[M].北京：机械工业出版社，2019.10

　　[4]陈岳飞，肖珍芳，方向.数字孪生技术及其在石油化工行业的应用[J]. 天然气化工, 2021

　　[5] 胡权.数字孪生体：第四次工业革命的通用目的技术[M]. 北京：人民邮电出版社，2021.1

　　[6] 杨刚等.数字孪生：内涵、挑战及应用[J].软件导览,2021（1）:8

　　[7] 数字孪生应用白皮书[Z].中国电子技术标准化研究院.2020