文章來源：中國民航報

文章標簽：【民航機場智能運維解決方案】【智慧機場數(shù)字化運維管理平臺】【智慧機場機房綜合運維管理平臺】【智慧機場安防監(jiān)控】【空管機房環(huán)境監(jiān)控】【智慧民航綜合管理系統(tǒng)】【航站樓機房環(huán)境監(jiān)控】

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

數(shù)字孿生的前世今生

事實上，數(shù)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(shù)字孿生的基本思想，即在虛擬空間構建的數(shù)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跡。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，并被定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統(tǒng)或飛行器仿真過程”。2011年，美國空軍探索了數(shù)字孿生在飛行器健康管理中的應用，并詳細探討了實施數(shù)字孿生的技術挑戰(zhàn)。2012年，美國國家航空航天局與美國空軍聯(lián)合發(fā)表了關于數(shù)字孿生的論文，指出數(shù)字孿生是驅動未來飛行器發(fā)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(shù)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(shù)字孿生機場大有作為

我國數(shù)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(shù)字孿生技術在民航領域的推廣應用提供了良好的生長環(huán)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(fā)力，數(shù)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(fā)展中，將大有作為。首先，在機場前期規(guī)劃設計階段，實現(xiàn)物理機場數(shù)字化，協(xié)助機場三維模型設計，解決復雜的空間問題；其次，在建設施工管理階段，構建涉及建設方、監(jiān)理方、施工單位等主體的建設運營一體化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)交付標的物進度安排、質量監(jiān)管、造價審查的精細化管控和數(shù)字化管理；在機場運行維護階段，數(shù)字孿生機場通過大數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)機場運行品質的實時感知和可視化交互，依托數(shù)據(jù)高階分析與挖掘服務技術，實現(xiàn)業(yè)務瓶頸問題的精準發(fā)現(xiàn)，利用仿真模擬技術對運行方案進行智能評估分析、優(yōu)化運行策略等。

國家宏觀政策指引 我國數(shù)字孿生機場建設

我國民航長期堅持把科技創(chuàng)新和智慧轉型作為發(fā)展核心驅動與主攻方向，圍繞民航智慧發(fā)展這條主線，陸續(xù)出臺了四型機場建設的系列文件，為我國數(shù)字孿生機場建設指明了宏觀方向。2019年民航局發(fā)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(shù)字孿生系統(tǒng)在內的新技術應用；隨后發(fā)布了智慧機場框架下的《機場智慧能源管理系統(tǒng)建設導則》《智慧機場發(fā)展研究與實踐報告（國際篇）》。2020年1月，民航局發(fā)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(fā)展，民航局相繼出臺了《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(fā)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(guī)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(yè)數(shù)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(shù)據(jù)規(guī)范與交互技術指南》與《智慧機場數(shù)據(jù)關鍵基礎設施技術指南》編制工作，并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(yè)高質量發(fā)展的主攻方向。數(shù)字孿生機場是智慧機場的典型實現(xiàn)路徑，要將信息化技術與傳統(tǒng)基建有機融合，要以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、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(fā)展、跨越式進階。

機場數(shù)字化、信息化成果奠定了國內數(shù)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(fā)展紛紛展開數(shù)字化、信息化工作，這些工作為建設數(shù)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”是指機場群智慧云平臺，“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(yè)服務體系）的智慧機場建設思路，已實現(xiàn)網(wǎng)絡安全、云服務、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、地理信息五大基礎能力平臺，并在智能資源管理、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。廣州白云機場智慧化發(fā)展以智慧生態(tài)、智慧服務、智慧生產(chǎn)、智慧安全、智慧商業(yè)為特征，已建成實現(xiàn)覆蓋全機場的物聯(lián)網(wǎng)、云計算中心和大數(shù)據(jù)中心以及旅客信息數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)字商城增值服務、面向員工全聯(lián)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(chuàng)新數(shù)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(tǒng)的管理方式向全要素全數(shù)字化管理的轉變，打造了機場數(shù)字施工樣板，是國內首個一次性交付實體工程與數(shù)字模型的機場項目。

我國數(shù)字孿生機場建設工作初見成效

國內部分民航機場及行業(yè)內外專業(yè)機構充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，先行實踐，在數(shù)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(shù)據(jù)、云計算、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(shù)字孿生系統(tǒng)，主要包括機場地理信息系統(tǒng)、高精度綜合定位系統(tǒng)、空側運行管理系統(tǒng)、機坪車輛管理系統(tǒng)、設施設備維護維修管理系統(tǒng)、工程建設及運營籌備系統(tǒng)等。上海機場集團計劃到2022年，初步構建數(shù)字孿生機場，實現(xiàn)機場全業(yè)務的態(tài)勢感知及全景可視化，為機場決策層、管理層、運行層和作業(yè)層等各層面的應用有效賦能，持續(xù)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(shù)字孿生系統(tǒng)“云鏡系統(tǒng)”，映射與反饋飛機在空間坐標上的起降狀態(tài)、巡航態(tài)勢、停機坪安全監(jiān)測，賦予車輛和航行器真實地理空間坐標，打通機場數(shù)據(jù)，提升信息化管理的應用效果和業(yè)務效率。

我國數(shù)字孿生機場建設重在“四個要”

為了推進民用機場全國統(tǒng)一的數(shù)字孿生機場建設，保障數(shù)字孿生機場更好更快發(fā)展，如何從頂層設計確保數(shù)字孿生機場的可持續(xù)發(fā)展，如何建立行業(yè)統(tǒng)一的數(shù)字孿生機場的數(shù)據(jù)標準，以及如何搭建行業(yè)統(tǒng)一的數(shù)字孿生機場信息平臺，如何避免數(shù)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(shù)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(xù)發(fā)展。要結合機場實際需求，積極融合先進的云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術，建立“物聯(lián)+互聯(lián)+智能”的統(tǒng)一云基礎設施，依靠全面感知的物聯(lián)網(wǎng)塑造孿生實體，依靠全面覆蓋的互聯(lián)網(wǎng)搭建數(shù)字孿生系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡，依靠云計算和人工智能等技術建立數(shù)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(shù)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(guī)劃的問題?！叭龣M”包括智慧機場感知層、內核平臺層、孿生應用層，“兩縱”包括機場運維與安全保障體系、機場運營云標準支撐體系。從機場全生命周期、全物理空間、全業(yè)務流程保障機場各服務高效穩(wěn)定運行、安全性能穩(wěn)定、公共服務賦能開放共享等，同時考慮到未來業(yè)務增長所帶來的對數(shù)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(shù)字孿生機場架構的核心支撐平臺，機場信息模型綜合三維地理信息模型、BIM建筑信息模型及IoT智能感知數(shù)據(jù)，通過加載機場信息模型上的全域數(shù)據(jù)，在機場系統(tǒng)內匯集交融，實現(xiàn)對機場規(guī)劃、建設、管理、決策的內在規(guī)律的認識，為面向機場區(qū)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臺，為改善和優(yōu)化機場管理系統(tǒng)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臺。

二要形成統(tǒng)一的機場數(shù)據(jù)標準，突破數(shù)據(jù)壁壘。對于四型機場建設來說，各類機場信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)（旅客數(shù)據(jù)、行李數(shù)據(jù)、貨郵數(shù)據(jù)、運行環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)保障數(shù)據(jù)、運營資源數(shù)據(jù)、設施設備數(shù)據(jù)）和機場運行日志數(shù)據(jù)需要空間化、數(shù)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(shù)據(jù)冗余，目前尚缺乏深入系統(tǒng)的研究，相應的標準和規(guī)范匱乏問題亟須解決。同時，不同規(guī)模機場匹配不同的數(shù)字孿生機場大數(shù)據(jù)平臺，通過平臺智能建庫融合多源異構數(shù)據(jù)，提升AI類作業(yè)效率和平臺服務能力，利用開放標準融合區(qū)塊鏈技術打破數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)數(shù)據(jù)服務跨部門共享交換，也是值得注意的問題。統(tǒng)一的機場數(shù)據(jù)標準，至少可從以數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)垂直應用系統(tǒng)投入，建立感知數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入、統(tǒng)一管理的PASS層物聯(lián)網(wǎng)平臺，從數(shù)據(jù)源頭做好數(shù)據(jù)發(fā)展規(guī)劃；在標準規(guī)范下統(tǒng)一處理感知獲取數(shù)據(jù)，同時建立孿生數(shù)據(jù)庫存儲、管理機場數(shù)據(jù)，減少冗余；建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換標準，規(guī)范數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，與此同時建立數(shù)據(jù)使用管理辦法，以及數(shù)據(jù)版權保護規(guī)定，各部門間簽訂數(shù)據(jù)使用協(xié)議，最大限度發(fā)揮數(shù)據(jù)效能。

三要建立統(tǒng)一數(shù)字孿生平臺，實現(xiàn)全生命周期與全業(yè)務管理。運用數(shù)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臺，克服現(xiàn)階段機場業(yè)務分割、獨立管理的現(xiàn)狀問題，將機場單體數(shù)據(jù)、業(yè)務進行融合、集成，秉持一圖匯聚數(shù)據(jù)、一體業(yè)務聯(lián)動、一屏盡覽全局、一鍵智能決策、一網(wǎng)服務共享的一張藍圖繪到底的建設思想，實現(xiàn)智能感知、數(shù)據(jù)服務、云腦中臺、綜合管理、綜合運營等功能，實現(xiàn)機場實時可視化運營、模擬推演預測、聯(lián)動指揮，為機場運營管理者提供跨領域、跨業(yè)務、全域視角的一體化指揮、決策平臺，以全面視野、系統(tǒng)觀念統(tǒng)籌推進機場基礎設施數(shù)字化、開發(fā)管理信息化、服務功能專業(yè)化和產(chǎn)業(yè)發(fā)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(shù)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(shù)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(xiàn)實世界到數(shù)字世界的全部環(huán)節(jié)，并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(wǎng)絡安全，不僅要滿足業(yè)務靈活調度、滿足業(yè)務高峰等要求，同時，應根據(jù)業(yè)務的重要程度劃分不同的安全區(qū)域，不同安全區(qū)域之間應采用不同的隔離技術，實現(xiàn)不同安全域的隔離和訪問控制；管理和業(yè)務平面要部署在不同的網(wǎng)絡平面，進行隔離；不同系統(tǒng)的出口要做好入侵防范、惡意代碼防范等防護。關注系統(tǒng)安全，包含業(yè)務系統(tǒng)軟件自身的、與之相關硬件設備的、云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(tǒng)一的安全管理平臺和統(tǒng)一運維平臺。關注數(shù)據(jù)安全，要做到確保機場各類數(shù)據(jù)的安全性與可信性，包含數(shù)據(jù)安全技術和數(shù)據(jù)安全規(guī)范兩部分。其中，數(shù)據(jù)安全技術是手段，要運用數(shù)據(jù)安全技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全管理及資產(chǎn)化管理；數(shù)據(jù)安全規(guī)范是核心，側重于指導如何確定數(shù)據(jù)權屬。數(shù)據(jù)安全技術包括但不限于訪問管理、可信防偽、加密解密、數(shù)據(jù)脫敏等。

我國數(shù)字孿生機場建設思路

圍繞目前我國數(shù)字孿生機場建設需要解決的問題，從物理感知、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)挖掘、資源可視化等方面考慮我國數(shù)字孿生機場建設規(guī)劃，首先要以物理感知為建設前提，其次以數(shù)據(jù)處理作支撐，并以數(shù)據(jù)挖掘為核心任務，最終實現(xiàn)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臺。

一是以物理感知為建設前提。數(shù)字孿生機場的先決條件是感知物理世界，而后才能映射物理實體，實現(xiàn)對物理機場的全流程復制展現(xiàn)。一個機場從宏觀建筑結構到微觀構成元素，從靜態(tài)的硬件設備到動態(tài)人員、車輛與航空器，涉及的事物眾多，如何在虛擬空間中實現(xiàn)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(shù)據(jù)的方法主要有衛(wèi)星定位、數(shù)字傳感、視頻捕捉以及設計圖紙、設計模型等。

二是以數(shù)據(jù)處理作支撐基礎。數(shù)字孿生機場通過各種物理感知手段獲取到的數(shù)據(jù)，因采集設備、獲取途徑、數(shù)據(jù)格式結構各異，一方面數(shù)據(jù)標準需要統(tǒng)一，另一方面也需要判斷數(shù)據(jù)是否可靠可用。因此要在標準規(guī)范下統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理，分析判斷數(shù)據(jù)的準確性，這將是貫穿數(shù)字孿生建設全過程的支撐工作。另外，數(shù)字孿生機場的呈現(xiàn)并不是一個靜止的狀態(tài)，而是一個數(shù)據(jù)不斷高速交換的動態(tài)過程，數(shù)據(jù)的準確性和時效性將直接影響數(shù)字孿生機場最終的呈現(xiàn)效果。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和高效性，需要設備精度、數(shù)據(jù)處理環(huán)境、系統(tǒng)運維等多方面協(xié)同實現(xiàn)。

三是以數(shù)據(jù)挖掘為核心任務。數(shù)字孿生機場將傳統(tǒng)機場業(yè)務，從時間與空間、宏觀與局部的不同角度，采集分析匯聚真實物理機場數(shù)據(jù)，形成一個新的機場數(shù)據(jù)全集。針對該數(shù)據(jù)全集，從多角度進行二次數(shù)據(jù)挖掘與分析，將真正成為智慧機場的核心載體。數(shù)據(jù)的交互、關聯(lián)、分析和挖掘使數(shù)字孿生機場內容真正豐富并生動起來，能夠真正發(fā)揮出機場“超級大腦”的作用，為機場運營管理、旅客服務和規(guī)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?？梢暬挠押谜故窘缑媸侨藗兏惺苷J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(xiàn)物理世界的實時變化，而且是快速發(fā)現(xiàn)問題、識別問題的有效工具。在完備的數(shù)據(jù)支撐和地理信息模型的輔助下，通過物聯(lián)網(wǎng)手段感知對象的狀態(tài)，實現(xiàn)圖形和信息的一體化應用，使抽象的數(shù)據(jù)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(shù)字孿生機場的可視化效果。

伴隨數(shù)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(lián)網(wǎng)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(shù)字孿生平臺的構建和部署，不斷反饋和迭代，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(shù)字信息。相信在不遠的將來，數(shù)字孿生機場將更多地呈現(xiàn)在民航機場規(guī)劃、設計、建設、管理等人員面前，極大地促進降本增效，實現(xiàn)我國民航機場的高質量發(fā)展。

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