数字孪生机场总体架构研究

付耀国,邱登宇,杨 棵,黄帅金,李雨梦,赵金秋

(1.重庆机场集团博士后科研工作站,重庆 401120;2.重庆交通大学土木工程学院,重庆 400074; 3.重庆机场集团扩建指挥部,重庆 401120;4.重庆机场信息通信网络有限公司,重庆 401120)

0 引言

我国民航业运输周转量连续15年位列世界第二,已成为世界民航大国。根据民航局发布的《2019民航行业发展统计公报》,我国民航平均准点率为81.65%。这与国际优秀机场还有一定差距[1-3]。考虑疫情影响下航班量减少等因素,未来中国民航枢纽机场的运行效率瓶颈问题依然突出,亟待更有效的技术予以解决[4-7]。针对上述民航枢纽机场的现状及发展诉求,基于数字孪生的运维已成为近年来机场智慧化发展的热点[8-11]。目前,数字孪生机场面临基础理论问题和关键技术研究缺位、各系统之间没有统一体系架构协调其运转、缺乏统一的模型和数据基准、数据跨部门共享不足等问题。这增加了工作的难度和复杂性。运用数字孪生技术,以孪生系统检验决策是否可行,可减少在真实机场中的试错成本,并借助孪生机场不断调整优化,使得决策更有利于真实机场的运行与管理。

本文基于数字孪生的基础理论[10,12-14],从数字孪生的“五维模型”理论出发,构建面向运维的数字孪生机场五维结构化本体模型;在此基础上提出符合机场运维需求的技术体系架构;在此架构下,构建与机场物理实体一一对应的孪生体,实现机场运维过程中的实时态势感知和可视化交互,利用仿真技术对运行方案进行分析评估、优化运行策略等。通过数字孪生机场建设,能够有效提升机场管理和运营的智能化水平。

1 数字孪生机场总体架构

1.1 本体结构模型

本文以数字孪生概念模型为基础,从物理实体、虚拟模型、服务、孪生数据和连接这五个角度出发,构建数字孪生机场的结构化本体概念模型。由五维理论模型生成的结构化本体模型[15]如图1所示。

图1 由五维理论模型生成的结构化本体模型Fig.1 Structured ontology models generated from five-dimensional theoretical models

图1中,虚实交互包括增强现实(augmented reality,AR)、虚拟现实(virtual reality,VR)和混合现实(mixed reality,MR)。

在此基础上,本文构建具有普适性的数字孪生机场运维系统的分布式结构模型,并据此完成完整的技术体系架构。数字孪生机场分布式结构模型如图2所示。

图2 数字孪生机场分布式结构模型Fig.2 Distributed structure model of digital twin airport

数字孪生机场模型包括机场所对应的各物理实体、孪生机场仿真模型及两者之间的信息交互。其中,物理实体和孪生仿真模型通过数据进行实时交互和双向映射。数字孪生机场系统仿真模型的构建需要从多个角度考虑,包括物理实体、行为、几何和规则。孪生系统需要从物理几何维度展示孪生机场及其在机场运行的各种附属设施、人员等,从行为维度映射机场各部门的运行动态,从规则维度约束机场运动实体的状态信息,从而建立与物理实体相对应的数字孪生机场。这将实现用数字孪生系统对真实物理实体的运行方案进行评估分析、运行策略优化等目的。

1.2 系统参考框架

数字孪生技术引入机场数字化建设中,以数字孪生五维模型为基础,在人工智能(artificial intelligence,AI)技术、大数据挖掘、云服务、边缘技术等多项关键技术支撑下,完成机场各实体与孪生模型直接的数据交互,在构建的数字孪生机场应用平台上实现各项应用服务。机场数字孪生体与机场现实物理域实现双向映射、动态交互的全运行过程。数字孪生系统可以为系统运营方的用户提供旅客服务、行李管理、航班调度、交通规划等服务。

数字孪生机场系统框架如图3所示。

图3 数字孪生机场系统框架Fig.3 Digital twin airport system framework

数字孪生机场物理实体按照环境信息、机电设备、静态建筑和运动实体划分。数字孪生机场运用历史数据、物理感知模型和外部访问数据,结合多物理量、多尺度、多学科的仿真,实现从虚拟到现实的映射,对物理实体的全生命周期进行管理[16]。

数字孪生技术将建筑信息模型(building information modeling,BIM)技术和地理信息科学(geographic information science,GIS)技术相结合,建立一套完整的机场三维模型和空间数据。三维模型集成设计、规划、施工、运维、地理位置信息等数据,构成了动态的数字孪生系统。以此为基础,数字孪生技术为上层各种应用提供数据支撑,将虚拟空间映射到真实的空间。

机场孪生体分为数字孪生和仿真建模两部分。

仿真建模部分包含模型建立、同步、演化、多维度仿真、多状态仿真以及多时空仿真等内容。

在真实的物理领域中,每个实体都有一个数字孪生模型。该模型在多状态、多维度、多时空完成虚拟模型与实体的同步进化。通过机场孪生系统的信息交互、信息对偶、精确映射,能够对真实的物理区域进行精确的描述;经过协同进化,虚拟模型转变成了真正的机场孪生体[17-18]。

1.3 数字孪生系统层级划分

数字孪生系统层级可以划分为以下三个阶段。

①虚拟模型展示阶段。

虚拟模型展示阶段实现了对机场各实体数字孪生模型的仿真。根据机场不同实体划分,虚拟模型展示利用三维建模工具建立数字孪生机场物理实体的三维模型。首先,确定三维模型的类型、地理位置信息、外形结构等基础属性参数;其次,使用BIM建模软件构建可视化的三维模型;最后,采用编写接口程序进行数据信息交互,建立模型基本信息库。本阶段的核心是建立机场区域内的建筑物、机电设备、运动实体和环境信息的数字孪生体。

②孪生系统基础功能实现阶段。

孪生系统基础功能实现阶段实现现实物理域和数字孪生机场的数据交换。数据互联包含了多个孪生体之间的数据交互和协同控制,以及数字孪生体与物理实体间的数据传输与控制。

根据机场物理实体之间的关联关系和运行规则,此阶段建立机场孪生体模型之间的交互模型,实现信息共享和协同控制[19]。同时,此阶段建立数字孪生体与物理模型之间的信息交互,通过采集各物理域的状态监控数据,实现对各业务流程的实时监控;利用与数字孪生体之间的数据传输接口,实现对物理实体与孪生体的实时更新。无线通信系统的数据传输取决于不同类型的硬件接口和协议,主要包括控制器局域网(controller area network,CAN)总线、RS-485、ZigBee、5G、超宽带(ultra wide band,UWB)技术、Wi-Fi6等有线和无线通信协议,并在软件层次上对不同传输协议传输的数据作识别和统一存储。

③自适应进化阶段。

自适应进化阶段对不同来源的数据集中处理,以实现机场孪生体和物理实体的同步控制。此阶段运用大数据和AI技术,建立孪生机场的知识模型、统一语义描述和数据模型,对机场真实物理域进行精准预测。此阶段融合了基于边缘运算的AI算法,在数字孪生机场中提供多种应用服务。

数字孪生机场系统演变层级划分如图4所示。

图4 数字孪生机场系统演变层级划分Fig.4 Evolutionary hierarchy divide of digital twin airport system

2 系统构建

2.1 数字孪生机场感知模型建立方法

感知物理世界是建立数字孪生机场的前提。从机场建筑到助航灯光设施,从静态的设备设施到移动的人员、车辆,所涉及的方面十分繁杂。在虚拟空间中构建不同的三维模型,必须借助多种感知方法来获得精确的结构信息。目前,获取物理实体的基础数据的主要方法有以下三种。

①传感技术。

传感技术是数字孪生机场感应现实物理世界的直接方法。目前,传感技术已被应用于机场的感应技术有近场通信(near field communication,NFC)、射频识别(radio frequency identification,RFID)、广播式自动相关监视(automatic dependent surveillance-broadcast,ADS-B)、探测雷达、无线网路定位、蓝牙通信、卫星定位、UWB通信、多点定位等。利用这些技术实现对航空器、人、物、车的定位,对温度、湿度、风向、空气质量等环境参数的监控,可以保障机场运行设备的运行参数监控等[20]。

②设计资料。

在构建三维空间模型时,设计图是基本的资料来源。目前,我国的机场设计正在逐渐从二维计算机辅助设计(commputer aided design,CAD)图纸向三维 BIM建模的方向发展,通过对各种数据进行综合整理,以生成一个基于 BIM的数据库。这两个不同维度的设计方案,为孪生机场的结构组成提供了基本资料。如果有资料缺项或者资料的校对,也可以采用勘查测量的方法加以弥补。

③影像资料。

在数字影像技术发展过程中,影像的清晰度不断提高。其由单一的影像处理方式逐渐向多机联动同步发展。这些都为数字孪生机场数据采集系统的建立奠定了基础。运用“虚”与“实”相融的场景展示,能够在虚拟世界真实反应客观的事物。

2.2 系统实现方案

机场的众多智能设备、场地运行车辆、地服人员信息等由物理域中的多模态感知设备获取。物联网将感知数据与机场大数据系统连接起来。物联网关的模块支持串行通信协议Modbus、消息队列遥测传输(message queuing telemetry transport,MQTT)、用于过程控制的对象链接与嵌入统一架构(object linking and embedding for process control unified architecture,OPC-UA)、5G、工厂套件网关(factory suite gateway,FSG)等多种协议的接入。机场数字孪生系统实现方案如下。

①大数据综合平台。

大数据综合平台采用标准的网络传送协议,如应用层式协议Matter、窄带物联网(narrow band Internet of Things,NB-IoT)、OPC-UA、5G、Wi-Fi6等,接入机场地服系统、安检信息系统、离港系统、行李系统、泊位系统、二次雷达、环境监测系统等传输数据。系统不仅要有专用的物联网关接点和边缘智能装置,而且要求能够在不可靠的环境中实时、可靠地进行数据的采集。

②空间大平台。

机场的地理空间数据、机场设计数据和空域数据是数字孪生机场环境数据的重要来源,如航线数据、停机坪数据、滑行区数据、航班数据、地理位置数据等。利用计算机图形识别和3D可视化技术,可对多种模态数据进行格式转换、坐标变换、数据修正和误差修正,从而生成融合地形、结构数据和图像的多源环境模型。通过模拟仿真平台,可实现数字孪生机场三维高逼真及时定位地图功能。

③数字孪生平台。

在物理感知的基础上,数字孪生平台定义了数据底层架构,以实现数据管理、孪生对象构造、关系管理和机器学习管理等功能,并对设备数据、空间数据和数据集成存储、数据操作等集中管理。孪生对象构建及关系管理包括面向对象的字典、元数据的描述和统一的识别,并在生成的过程中实现了对象整理、数据元素定义、数据结构分析等功能。机器学习系统实现了对海量数据的实时运算和合理的调度,算法、仿真和控制规则库可用于飞机虚拟调度和控制,为飞行培训演练安全运行奠定了坚实的理论基础。

④应用层开发。

数字孪生机场的应用层能够全面、实时地传输航空器、车辆、旅客、设施设备等各类动态和静态数据;在数据模型的基础上,经过数据收集、整理、分析、预测,精准地把控机场整体运行态势。其结合物联网、大数据、云计算、AI、区块链等新技术,开发机场运维中所需要的应用,包括三维可视化系统、场面综合监控系统、管线管网系统、可视化安防监控系统、滑行路径规划、运行模拟仿真、应急救援管理、空侧运行管理系统等,可以实现机场运行可视化、管理高效化、决策智慧化。

2.3 数字孪生机场应用场景

①全域三维可视化。

数字孪生技术可对机场航站区、物流园区、公共区、飞行区、环境信息等实体进行3D建模展示,对飞机助跑、进出港行驶轨迹实时动态显示。通过统一整合机场现有各种信息系统数据,可对机场各业务流程运行态势实时监控,并对旅客服务、航班保障、货运服务、安防等业务关键数据指标作综合分析,从而帮助机场各部门管理者全面掌控机场运行态势。

②虚实交互控制。

通过物联网、无线RFID等技术,可以对机场助航灯光设施、飞机牵引车、行李车等设施的地理位置分布与运行状态进行监测和可视化管理,从而实现孪生机场与物理机场“双向交互、系统闭环”的虚实管控目标。通过实时定点推送关联诊断预警、仿真推演预测信息,可及时反馈设备设施状态异常信息。通过关联查询功能,可查看机场运行态势。

③孪生培训演练。

通过数字孪生机场模型,可接收真实的数据信号以驱动动态孪生模型。根据这些真实数据,系统可实时模拟保障流程作业演练、应急作业、场面运行指挥等内容。通过实时渲染引擎优化虚拟场景,可以使用户身临其境。通过可视化的界面,可以直观、高效地学习操作相关的所有知识。

④孪生运行推演。

通过大数据平台上接收到的信息数据,在推演平台进行航班保障、航站楼协同、物流园区协同、设备设施调试等试验。借助数字孪生机场平台构筑的仿真场景,提供实时轨迹查询、实时通信仿真的反馈,执行预先设定的仿真任务,并将仿真结果与实时动态控制方案作推演比较。

⑤实时运行态势诊断。

实时运行态势诊断基于地理信息系统数据对机场内各要素进行实时监测,包括当前航班运行状态、登机廊桥运行状态、场内车辆运行状态、跑道开闭状态等,并对异常数据进行自动分析和预警;利用孪生平台关联业务流程生成精细化的高阶数据,进行过程挖掘,并结合专业模型算法,为辖区各流程运行态势分析研判提供科学依据。

⑥历史运行复盘。

基于大数据,对机场相关联的空域历史航班通航态势(包括航班起止节点、经停位置、航向、航班数量、历史状态等)信息进行分析,以判断飞机在面临异常天气时的处置情况、大面积航班延误的原因和飞机运行过程中的常态化复盘。查询历史运行轨迹中相关联的详细信息,全面复盘历史航线分布及运行态势,为航空公司的航线规划、航班计划调整等业务决策提供帮助。

3 结论

本文基于数字孪生的基础理论,从机场运维面临的实际问题出发,首先描述了数字孪生机场“五维结构模型”的总体架构;其次,阐述了机场数字孪生体与物理域之间的关系,给出了数字孪生机场的系统参考框架以及细分了建立在孪生机场上的应用服务;接着,总结了数字孪生机场从虚拟模型到基础数字孪生再到自适应数字孪生三个阶段的演化过程;最后,解析了机场数字孪生系统的整体应用体系结构和系统实现方案。

本文对数字孪生机场运维和机场相关基础设施的智慧化建设具有重要参考意义。