數字孿生“預”見機場未來

2021年08月24日

　　提到“數字孿生（Digital Twin）”一詞，大多數人可能會聯想到“雙胞胎”“孿生兄弟”“孿生姐妹”等詞。根據字面意思，我們可以簡單地把數字孿生認為是數字的雙胞胎，只不過數字孿生中的雙胞胎，並不是完全一樣的兩個個體，更確切地來說，而是兩個系統：一個系統存在于現實的物理世界，一個系統存在于虛擬的計算機世界。數字孿生機場，則是運用數字孿生技術，克隆出與真實機場對應的虛擬系統，在虛擬系統中我們可以看到真實機場中的每個角落，實現對機場運行全貌的實時展示。因此，我們能夠借助數字孿生機場進行各種創新性嘗試與改革，以孿生系統檢驗決策是否可行，從而大大減少在真實機場中的試錯成本，並且借助孿生機場不斷調整優化，使得決策更加利于真實機場的運行與管理。

　　數字孿生的前世今生

　　事實上，數字孿生的設想早在2003年已由美國密歇根大學的Grieves教授提出，雖然當時沒有明確提出“DigitalTwin”一詞，Grieves將之稱為“ConceptualIdealforPLM（ProductLifecycleManagement）”，但該設想中已明確了數字孿生的基本思想，即在虛擬空間構建的數字模型與物理實體交互映射，忠實地描述物理實體全生命周期的運行軌迹。直到2010年，“DigitalTwin”一詞在美國國家航空航天局的技術報告中被正式提出，並被定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統或飛行器仿真過程”。2011年，美國空軍探索了數字孿生在飛行器健康管理中的應用，並詳細探討了實施數字孿生的技術挑戰。2012年，美國國家航空航天局與美國空軍聯合發表了關于數字孿生的論文，指出數字孿生是驅動未來飛行器發展的關鍵技術之一。在接下來的幾年中，越來越多的研究將數字孿生應用于航空航天領域，包括機身設計與維修、飛行器能力評估、飛行器故障預測等。

　　新基建時代 數字孿生機場大有作為

　　我國數字孿生機場建設相比國外雖然起步晚，但由于中國民航局高度重視、政策引導得力，為數字孿生技術在民航領域的推廣應用提供了良好的生長環境。伴隨新冠肺炎疫情防控力度的加大、我國新機場建設的發力，數字孿生技術作為新老基建的重要耦合點和支撐力，在“十四五”時期多領域民航強國建設和四型機場發展中，將大有作為。首先，在機場前期規劃設計階段，實現物理機場數字化，協助機場三維模型設計，解決複雜的空間問題；其次，在建設施工管理階段，構建涉及建設方、監理方、施工單位等主體的建設運營一體化管理系統，實現交付標的物進度安排、質量監管、造價審查的精細化管控和數字化管理；在機場運行維護階段，數字孿生機場通過大數據挖掘、人工智能以及深度學習等新理論新方法的應用，整合各類數據資源，實現機場運行品質的實時感知和可視化交互，依托數據高階分析與挖掘服務技術，實現業務瓶頸問題的精準發現，利用仿真模擬技術對運行方案進行智能評估分析、優化運行策略等。

　　國家宏觀政策指引 我國數字孿生機場建設

　　我國民航長期堅持把科技創新和智慧轉型作為發展核心驅動與主攻方向，圍繞民航智慧發展這條主線，陸續出台了四型機場建設的系列文件，為我國數字孿生機場建設指明了宏觀方向。2019年民航局發布《民航局關于促進機場新技術應用的指導意見》，推動包括數字孿生系統在內的新技術應用；隨後發布了智慧機場框架下的《機場智慧能源管理系統建設導則》《智慧機場發展研究與實踐報告（國際篇）》。2020年1月，民航局發布《中國民航四型機場建設行動綱要（2020-2035年）》，明確了四型機場建設的主要任務，其中包括建設智慧機場。為進一步推動四型機場發展，民航局相繼出台了《四型機場建設導則》《推動新型基礎設施建設促進民航高質量發展實施意見》《推進新型基礎設施建設五年行動方案》等文件，旨在結合民航“十四五”規劃中以“安全為底線、智慧民航為主線”的有關要求，積極主動推動行業數字化、智能化、智慧化轉型升級。2020年末，民航局成立“民航工程建設標準化技術委員會”，專班研究制定民航建設領域的相關標準，目前委員會已完成《智慧機場數據規範與交互技術指南》與《智慧機場數據關鍵基礎設施技術指南》編制工作，並啟動了與智慧相關的系列標準編制工作。2021年4月6日，民航局召開智慧民航建設領導小組第一次會議，會上馮正霖局長指出，智慧民航建設已成為行業高質量發展的主攻方向。數字孿生機場是智慧機場的典型實現路徑，要將信息化技術與傳統基建有機融合，要以雲計算、大數據、物聯網、人工智能、5G通信為核心技術手段，抓住新一輪科技革命、技術革新機遇，推動我國機場高質量發展、跨越式進階。

　　機場數字化、信息化成果奠定了國內數字孿生機場建設的基礎

　　2017年，中國民航正式提出“智慧機場”概念以來，國內民航機場圍繞智慧發展紛紛展開數字化、信息化工作，這些工作為建設數字孿生機場奠定了良好的技術基礎。北京首都機場基于“一核兩翼”（“一核”是指機場群智慧雲平台，“兩翼”分別指地域中心的機場群智慧運行體系和垂直一體化的機場群智慧商業服務體系）的智慧機場建設思路，已實現網絡安全、雲服務、大數據、物聯網、地理信息五大基礎能力平台，並在智能資源管理、智慧服務、智慧運營、智慧安檢等領域推動多個智慧項目落地。廣州白雲機場智慧化發展以智慧生態、智慧服務、智慧生産、智慧安全、智慧商業為特征，已建成實現覆蓋全機場的物聯網、雲計算中心和大數據中心以及旅客信息數據庫。深圳寶安機場全力推進“未來機場”（智慧機場）信息化項目建設，全面、系統地推進大服務、大運行、大安全體系的構建工作，聚焦未來“5個面向”的最佳體驗（面向旅客個性化便捷出行服務、面向航企空地無縫保障服務、面向物流可視化集成服務、面向商家數字商城增值服務、面向員工全聯接服務），形成機場全面智慧轉型的新模式、新樣板。鄂州機場創新數字建造理念，依托BIM技術建立了2000多萬個構件和4億多條管理信息，有效推動了機場建設項目設計及工程實施由傳統的管理方式向全要素全數字化管理的轉變，打造了機場數字施工樣板，是國內首個一次性交付實體工程與數字模型的機場項目。

　　我國數字孿生機場建設工作初見成效

　　國內部分民航機場及行業內外專業機構充分發揮資源優勢，先行實踐，在數字孿生領域展開研究工作，目前已取得了一定的應用成果。北京大興機場通過大數據、雲計算、人工智能等先進技術的有機融合，打造了一整套兼容多種客戶端的數字孿生系統，主要包括機場地理信息系統、高精度綜合定位系統、空側運行管理系統、機坪車輛管理系統、設施設備維護維修管理系統、工程建設及運營籌備系統等。上海機場集團計劃到2022年，初步構建數字孿生機場，實現機場全業務的態勢感知及全景可視化，為機場決策層、管理層、運行層和作業層等各層面的應用有效賦能，持續引導機場安全保障、運行效率和服務體驗的不斷提升。中國民航科學技術研究院主導打造了一套為機場量身定制的數字孿生系統“雲鏡系統”，映射與反饋飛機在空間坐標上的起降狀態、巡航態勢、停機坪安全監測，賦予車輛和航行器真實地理空間坐標，打通機場數據，提升信息化管理的應用效果和業務效率。

　　我國數字孿生機場建設重在“四個要”

　　為了推進民用機場全國統一的數字孿生機場建設，保障數字孿生機場更好更快發展，如何從頂層設計確保數字孿生機場的可持續發展，如何建立行業統一的數字孿生機場的數據標準，以及如何搭建行業統一的數字孿生機場信息平台，如何避免數字孿生機場建設和應用過程中的信息安全風險，都是構建數字孿生機場需要重點解決的問題。

　　一要構建“三橫兩縱”頂層架構設計，確保機場建設可持續發展。要結合機場實際需求，積極融合先進的雲計算、物聯網等技術，建立“物聯+互聯+智能”的統一雲基礎設施，依靠全面感知的物聯網塑造孿生實體，依靠全面覆蓋的互聯網搭建數字孿生系統的神經網絡，依靠雲計算和人工智能等技術建立數字孿生機場的智慧中樞，將機場物理空間的人、物、事件等精準映射到數字孿生機場上，用“三橫兩縱”頂層架構解決智慧機場埋頭建設、短時規劃的問題。“三橫”包括智慧機場感知層、內核平台層、孿生應用層，“兩縱”包括機場運維與安全保障體系、機場運營雲標準支撐體系。從機場全生命周期、全物理空間、全業務流程保障機場各服務高效穩定運行、安全性能穩定、公共服務賦能開放共享等，同時考慮到未來業務增長所帶來的對數字孿生機場無縫快速擴展的技術要求。在完善的基礎設施之上，以高精度、多耦合的機場信息模型作為數字孿生機場架構的核心支撐平台，機場信息模型綜合三維地理信息模型、BIM建築信息模型及IoT智能感知數據，通過加載機場信息模型上的全域數據，在機場系統內匯集交融，實現對機場規劃、建設、管理、決策的內在規律的認識，為面向機場區域內的管理者提供一體化、三維可視化、智慧化的綜合管理與決策平台，為改善和優化機場管理系統提供全新的手段和方法，為機場智慧化評價指標的空間分布、更新改造方案的科學決策以及停機坪車輛精準管控等提供基礎性平台。

　　二要形成統一的機場數據標準，突破數據壁壘。對于四型機場建設來說，各類機場信息系統數據（旅客數據、行李數據、貨郵數據、運行環境數據、生産保障數據、運營資源數據、設施設備數據）和機場運行日志數據需要空間化、數字化到何種程度，才能既滿足四型機場建設的需要，又不會造成數據冗餘，目前尚缺乏深入系統的研究，相應的標準和規範匮乏問題亟須解決。同時，不同規模機場匹配不同的數字孿生機場大數據平台，通過平台智能建庫融合多源異構數據，提升AI類作業效率和平台服務能力，利用開放標準融合區塊鏈技術打破數據壁壘，實現數據服務跨部門共享交換，也是值得注意的問題。統一的機場數據標準，至少可從以數據感知、數據處理、數據共享等三方面入手：打好感知基礎設施建設基礎，增加標識及感測類物聯網垂直應用系統投入，建立感知數據統一接入、統一管理的PASS層物聯網平台，從數據源頭做好數據發展規劃；在標準規範下統一處理感知獲取數據，同時建立孿生數據庫存儲、管理機場數據，減少冗餘；建立統一數據交換標準，規範數據格式，實現數據共享，與此同時建立數據使用管理辦法，以及數據版權保護規定，各部門間簽訂數據使用協議，最大限度發揮數據效能。

　　三要建立統一數字孿生平台，實現全生命周期與全業務管理。運用數字孿生和可視化仿真技術，融合機場智能模型，構建空天地一體化全生命周期信息管理平台，克服現階段機場業務分割、獨立管理的現狀問題，將機場單體數據、業務進行融合、集成，秉持一圖匯聚數據、一體業務聯動、一屏盡覽全局、一鍵智能決策、一網服務共享的一張藍圖繪到底的建設思想，實現智能感知、數據服務、雲腦中台、綜合管理、綜合運營等功能，實現機場實時可視化運營、模擬推演預測、聯動指揮，為機場運營管理者提供跨領域、跨業務、全域視角的一體化指揮、決策平台，以全面視野、系統觀念統籌推進機場基礎設施數字化、開發管理信息化、服務功能專業化和産業發展智能化，提升個性化、精細化、智慧化機場建設與治理水平。

　　四要建立完備的數字孿生機場信息安全保障體系。近幾年，隨著信息安全攻擊事件數量的不斷增加以及攻擊技術手段的不斷升級，客觀上要求機場信息安全保障體系必須具備高度的完備性，即能夠有效覆蓋從現實世界到數字世界的全部環節，並且盡可能做到無安全漏洞、無安全弱點。為此，確保機場信息安全應重點關注網絡安全，不僅要滿足業務靈活調度、滿足業務高峰等要求，同時，應根據業務的重要程度劃分不同的安全區域，不同安全區域之間應採用不同的隔離技術，實現不同安全域的隔離和訪問控制；管理和業務平面要部署在不同的網絡平面，進行隔離；不同系統的出口要做好入侵防範、惡意代碼防範等防護。關注系統安全，包含業務系統軟件自身的、與之相關硬件設備的、雲基礎設施的安全性能力，滿足身份鑒別、訪問控制、安全審計等各方面要求；可建設統一的安全管理平台和統一運維平台。關注數據安全，要做到確保機場各類數據的安全性與可信性，包含數據安全技術和數據安全規範兩部分。其中，數據安全技術是手段，要運用數據安全技術實現數據安全管理及資産化管理；數據安全規範是核心，側重于指導如何確定數據權屬。數據安全技術包括但不限于訪問管理、可信防僞、加密解密、數據脫敏等。

　　我國數字孿生機場建設思路

　　圍繞目前我國數字孿生機場建設需要解決的問題，從物理感知、數據處理、數據挖掘、資源可視化等方面考慮我國數字孿生機場建設規劃，首先要以物理感知為建設前提，其次以數據處理作支撐，並以數據挖掘為核心任務，最終實現機場各種信息的可視化，為智慧機場建設與智慧化運營提供基礎平台。

　　一是以物理感知為建設前提。數字孿生機場的先決條件是感知物理世界，而後才能映射物理實體，實現對物理機場的全流程復制展現。一個機場從宏觀建築結構到微觀構成元素，從靜態的硬件設備到動態人員、車輛與航空器，涉及的事物衆多，如何在虛擬空間中實現高精度模型，需要運用各種感知手段去獲取實際物理信息。目前獲取基礎數據的方法主要有衛星定位、數字傳感、視頻捕捉以及設計圖紙、設計模型等。

　　二是以數據處理作支撐基礎。數字孿生機場通過各種物理感知手段獲取到的數據，因採集設備、獲取途徑、數據格式結構各異，一方面數據標準需要統一，另一方面也需要判斷數據是否可靠可用。因此要在標準規範下統一數據處理，分析判斷數據的準確性，這將是貫穿數字孿生建設全過程的支撐工作。另外，數字孿生機場的呈現並不是一個靜止的狀態，而是一個數據不斷高速交換的動態過程，數據的準確性和時效性將直接影響數字孿生機場最終的呈現效果。為了保證數據傳輸的準確性和高效性，需要設備精度、數據處理環境、系統運維等多方面協同實現。

　　三是以數據挖掘為核心任務。數字孿生機場將傳統機場業務，從時間與空間、宏觀與局部的不同角度，採集分析匯聚真實物理機場數據，形成一個新的機場數據全集。針對該數據全集，從多角度進行二次數據挖掘與分析，將真正成為智慧機場的核心載體。數據的交互、關聯、分析和挖掘使數字孿生機場內容真正豐富並生動起來，能夠真正發揮出機場“超級大腦”的作用，為機場運營管理、旅客服務和規劃決策提供強有力的支撐。

　　四是以機場信息可視為終極目標。可視化的友好展示界面是人們感受認知虛擬空間最直觀的窗口，直觀、易用、美化的可視化界面不僅能夠清晰地呈現物理世界的實時變化，而且是快速發現問題、識別問題的有效工具。在完備的數據支撐和地理信息模型的輔助下，通過物聯網手段感知對象的狀態，實現圖形和信息的一體化應用，使抽象的數據具體化、形象化。同時結合VR、AR、全息、組合大屏、寬幅投影等技術，可大幅提升數字孿生機場的可視化效果。

　　伴隨數字孿生理論研究不斷深入，其應用領域和應用場景將不斷豐富，同時隨著5G、物聯網等技術的不斷革新，可以預見在未來我國機場建設過程中，將圍繞機場基礎設施建設和全生命周期運營維護，開展數字孿生平台的構建和部署，不斷反饋和疊代，建立各類流程和信息的交互和映射，源源不斷地獲取物理設施的數字信息。相信在不遠的將來，數字孿生機場將更多地呈現在民航機場規劃、設計、建設、管理等人員面前，極大地促進降本增效，實現我國民航機場的高質量發展。（特約撰稿人 張銳 作者單位：中國民用航空局機場司）

 

　　

　　新聞來源 ：《中國民航報》

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