基于數(shù)字孿生的機(jī)坪安全預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)研究

劉仍海

（山西航空產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司 機(jī)務(wù)工程技術(shù)分公司，山西 太原 030006）

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，我國民用機(jī)場(chǎng)運(yùn)輸業(yè)務(wù)量持續(xù)快速增長，機(jī)場(chǎng)數(shù)量持續(xù)增加、密度持續(xù)加大、規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，運(yùn)行保障能力實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，但在安全管理、保障能力、運(yùn)行效率、服務(wù)品質(zhì)和管理水平等方面仍存在諸多問題亟待解決。機(jī)坪是機(jī)場(chǎng)的重要組成部分，是飛機(jī)停泊和進(jìn)行各類維修的重要場(chǎng)地，是航班正常運(yùn)行的重要保障。然而，當(dāng)前限界內(nèi)違規(guī)闖入、違規(guī)作業(yè)、超速超時(shí)作業(yè)、異物識(shí)別等工作多依賴于人工，工作效率低且準(zhǔn)確度差；同時(shí)，現(xiàn)存的自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)多為2D頁面，無法完全顯示地形、環(huán)境、空間結(jié)構(gòu)、位置尺寸、發(fā)展趨勢(shì)及實(shí)時(shí)狀態(tài)等內(nèi)容。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)興起，為安全預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)提供了新的解決方案[1]。本文提出一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的機(jī)坪安全預(yù)警系統(tǒng)，通過建立全域全時(shí)段感知物聯(lián)網(wǎng)體系，實(shí)現(xiàn)機(jī)坪的全天候、全覆蓋安全預(yù)警；建立安全預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可視化設(shè)備監(jiān)控、智能運(yùn)維、數(shù)據(jù)綜合分析、可視化應(yīng)急聯(lián)動(dòng)和安全決策等功能，有效提高機(jī)坪的安全可靠性及運(yùn)行管理效率，為機(jī)場(chǎng)正常運(yùn)行保駕護(hù)航。

1 基于數(shù)字孿生的機(jī)坪三維模型構(gòu)建

數(shù)字孿生是指以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的多維、多時(shí)空尺度、多學(xué)科、多物理量的動(dòng)態(tài)虛擬模型，在虛擬空間中完成映射，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，反映物理實(shí)體的全生命周期過程，具備數(shù)字標(biāo)識(shí)、同步可視、虛實(shí)互動(dòng)、智能控制等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[2]。基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建機(jī)坪三維模型，是實(shí)現(xiàn)機(jī)坪可視化設(shè)備監(jiān)控、智能運(yùn)維、數(shù)據(jù)綜合分析、可視化應(yīng)急聯(lián)動(dòng)和安全決策等功能的載體，是構(gòu)建安全預(yù)警系統(tǒng)的基石。

本文采用航空攝影測(cè)量技術(shù)獲取傾斜攝影數(shù)據(jù)，結(jié)合基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、BIM、CAD、GIS等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)[3-4]，生產(chǎn)L3精度的機(jī)坪道路劃線，映射綁定真實(shí)地理信息坐標(biāo)系，構(gòu)建機(jī)坪數(shù)字孿生底板。同時(shí)，將物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)，如雷達(dá)、視頻、紅外感溫、風(fēng)速風(fēng)向、能見度等實(shí)時(shí)在模型平臺(tái)上快速加載、融合和呈現(xiàn)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)限界內(nèi)是否有異物、人侵入，飛機(jī)行走軌跡、停放是否合規(guī)，發(fā)光標(biāo)志等設(shè)備擺放位置是否準(zhǔn)確，路面是否存在石塊等內(nèi)容的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。最后，通過圖形學(xué)技術(shù)對(duì)光源、聚光燈、天光等多種光源類型實(shí)時(shí)模擬；根據(jù)天氣動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)如云層高度、風(fēng)向等，對(duì)陰、晴、雨、雪等多種真實(shí)天氣模擬；運(yùn)用動(dòng)態(tài)光追蹤距離場(chǎng)陰影技術(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算陰影狀態(tài)，有效提高數(shù)據(jù)模擬精度和真實(shí)場(chǎng)景渲染效果，還原物理世界的運(yùn)行情況。

2 全域感知設(shè)備方案及布設(shè)

2.1 物聯(lián)感知方案

基于機(jī)坪監(jiān)管需求，本文充分利用雷視聯(lián)動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)可感知多維狀態(tài)、不受特殊天氣影響、監(jiān)測(cè)范圍廣、易測(cè)速及定位等優(yōu)勢(shì)，打破傳統(tǒng)視頻監(jiān)控信息單一、受環(huán)境影響、監(jiān)視區(qū)域有限、定位困難等技術(shù)短板，構(gòu)建如圖1所示全域感知物聯(lián)方案。系統(tǒng)通過攝像頭、雷達(dá)、卡口、紅外測(cè)溫儀、能見度測(cè)量儀、風(fēng)速風(fēng)向儀等信息采集設(shè)備，按協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、傳輸和處理，最終通過可視化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)限界內(nèi)異物、人入侵報(bào)警，目標(biāo)識(shí)別、定位與追蹤，飛機(jī)行駛及停放位置的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)等功能。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下[5]：

圖1 全域感知物聯(lián)方案

a）實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的屬性數(shù)據(jù)識(shí)別、采集和控制。

b）開展感知數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究，制定覆蓋物理鏈路層、傳輸網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)感知信息的高效傳遞。

c）針對(duì)不同類型感知設(shè)備開發(fā)傳輸協(xié)議接口，確保各類感知終端設(shè)備統(tǒng)一接入。

d）對(duì)各類感知設(shè)備采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、清洗、預(yù)處理，為設(shè)備管理、應(yīng)用開發(fā)提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)支撐。

2.2 感知設(shè)備布設(shè)

本文所述安全預(yù)警系統(tǒng)，布設(shè)方案如圖2所示，在進(jìn)入機(jī)坪處設(shè)置卡口識(shí)別進(jìn)入機(jī)坪人員信息并及時(shí)上傳做好備案；機(jī)坪及跑道周圍布設(shè)雷視一體機(jī)，通過雷達(dá)實(shí)時(shí)探測(cè)人、物等違規(guī)闖入活動(dòng)并引導(dǎo)攝像頭進(jìn)行抓拍確保飛行安全，基于圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)光標(biāo)志擺放位置是否準(zhǔn)確、跑道路面是否存在石塊等影響飛行安全的異物，通過雷達(dá)定位、測(cè)速等功能對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行范圍內(nèi)連續(xù)跟蹤，判斷飛機(jī)行駛軌跡是否合規(guī)；飛機(jī)停放區(qū)域通過雷達(dá)進(jìn)行界定并安裝紅外測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)停放區(qū)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)飛機(jī)違規(guī)停放、溫度異常時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警，并發(fā)送消息到相關(guān)部門提示人工進(jìn)行干預(yù)；停放區(qū)域安裝攝像頭對(duì)違規(guī)作業(yè)、超速超時(shí)作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)時(shí)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)并上報(bào)相關(guān)部門。該系統(tǒng)具有可靠的實(shí)時(shí)探測(cè)能力，可有效提高整個(gè)系統(tǒng)的安全系數(shù)及運(yùn)行效率，節(jié)省人力成本，減少事故發(fā)生，保障航班運(yùn)行。

圖2 感知設(shè)備布設(shè)

2.3 雷達(dá)視頻聯(lián)動(dòng)技術(shù)研究

雷達(dá)測(cè)試性能穩(wěn)定，對(duì)于天氣和光照的要求比較低，穿透力強(qiáng)，體積小，易于安裝，且能實(shí)時(shí)獲得動(dòng)態(tài)目標(biāo)的相對(duì)距離與速度信息，可有效彌補(bǔ)單一視頻監(jiān)控模式的不足。利用雷達(dá)與機(jī)器視覺進(jìn)行多傳感器信息融合，能夠提高檢測(cè)的精確程度，減少視頻處理過程，達(dá)到實(shí)時(shí)分析與預(yù)警的效果。雷達(dá)視頻聯(lián)動(dòng)的原理是通過雷達(dá)實(shí)時(shí)探測(cè)目標(biāo)的位置、速度并將信息傳輸至控制系統(tǒng)，當(dāng)雷達(dá)探測(cè)到目標(biāo)出現(xiàn)違停、超限、禁行段行駛等行為時(shí)，發(fā)出預(yù)警并將拍攝指令傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)下發(fā)指令調(diào)整攝像機(jī)角度、焦距等實(shí)現(xiàn)違法行為抓拍。具體實(shí)現(xiàn)如下[6]：

a）收集雷達(dá)與攝像機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)各傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取與模式識(shí)別，將目標(biāo)按類別準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)。

b）開展雷達(dá)與攝像頭數(shù)據(jù)在時(shí)間、空間上的融合算法研究，建立數(shù)據(jù)融合模型。

c）確立目標(biāo)檢測(cè)判決準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)多傳感器目標(biāo)檢測(cè)，建立感知目標(biāo)狀態(tài)的信息融合策略，獲得準(zhǔn)確、可靠的融合結(jié)果。

d）采用多維特征聚類的目標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的關(guān)聯(lián)跟蹤。

雷達(dá)與視頻聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)能夠充分利用雷達(dá)測(cè)速測(cè)距優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于安全威脅事件如超速、異物入侵等問題的及時(shí)預(yù)警、跟蹤與取證上報(bào)。同時(shí)，雷達(dá)視頻聯(lián)動(dòng)技術(shù)能在邊緣計(jì)算單元及時(shí)快速處理異常事件，減少交通延誤，避免二次事故發(fā)生，同時(shí)高效的數(shù)據(jù)分析能力能為決策者提供數(shù)據(jù)支撐。

3 系統(tǒng)架構(gòu)與功能

本文所述系統(tǒng)從應(yīng)用、數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)、技術(shù)、系統(tǒng)布局以及工程邊界6個(gè)方面搭建實(shí)現(xiàn)機(jī)坪安全預(yù)警，各項(xiàng)架構(gòu)內(nèi)容見表1。對(duì)外場(chǎng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫抽取等數(shù)據(jù)進(jìn)行多源異構(gòu)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)協(xié)議解析，并經(jīng)數(shù)據(jù)融合、清洗、計(jì)算形成語義數(shù)據(jù)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理獲取特征化數(shù)據(jù)，在展示平臺(tái)形成態(tài)勢(shì)監(jiān)控、分析研判、違章取證、可視化顯示等。同時(shí)，通過通信網(wǎng)絡(luò)接入資源服務(wù)平臺(tái)、數(shù)據(jù)治理平臺(tái)與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過協(xié)調(diào)融合，最終形成整體的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖3所示。

表1 系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)容

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)主要包括可視化設(shè)備監(jiān)控、智能運(yùn)維、數(shù)據(jù)綜合分析、可視化應(yīng)急聯(lián)動(dòng)等功能，具體如下：

a）可視化監(jiān)管 三維數(shù)字化全景展示實(shí)現(xiàn)機(jī)坪多維度觀測(cè)和全量數(shù)據(jù)分析，掌握機(jī)坪運(yùn)行規(guī)律；三維可視化視頻監(jiān)控，360°無死角監(jiān)測(cè)監(jiān)控，全域立體感知；通過對(duì)人、機(jī)、物多維度、全方面感知，包括目標(biāo)飛機(jī)與人臉識(shí)別、人群監(jiān)測(cè)、軌跡跟蹤、異常檢測(cè)、消防聯(lián)動(dòng)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)坪等公共安全風(fēng)險(xiǎn)的及時(shí)識(shí)別。

b）智能運(yùn)維 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，便于及時(shí)報(bào)警和維修；根據(jù)系統(tǒng)輪巡方案，對(duì)前端視頻、雷達(dá)等設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)分析，當(dāng)監(jiān)測(cè)到設(shè)備故障后，通過短信、聲音等方式通知管理人員。

c）數(shù)據(jù)分析 通過圖、表等實(shí)時(shí)更新掌控機(jī)坪運(yùn)行狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)設(shè)備及人員管理、歷史數(shù)據(jù)查詢、記錄回放、違章信息統(tǒng)計(jì)、報(bào)警信息統(tǒng)計(jì)及查詢、飛機(jī)行為分析等功能。

d）可視化應(yīng)急聯(lián)動(dòng) 通過三維模擬，真實(shí)重現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng)，并據(jù)此制定解決方案；通過三維虛擬系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)視頻實(shí)現(xiàn)全域協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，綜合展示聲音、文字、圖像、數(shù)據(jù)信息。

e）科學(xué)決策 對(duì)機(jī)坪發(fā)展態(tài)勢(shì)提前推演預(yù)判，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策，以仿真驗(yàn)證決策，線上線下虛實(shí)迭代，促使資源和能力最優(yōu)配置，機(jī)坪最優(yōu)化運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的機(jī)坪安全預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)方法，開展了基于數(shù)字孿生的機(jī)坪三維模型構(gòu)建與雷達(dá)視頻聯(lián)動(dòng)技術(shù)研究，并提出一種全域感知設(shè)備布設(shè)方案，實(shí)現(xiàn)了限界內(nèi)異物、人入侵報(bào)警，目標(biāo)識(shí)別、定位與追蹤，飛機(jī)行駛及停放位置的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。最后，構(gòu)建了安全預(yù)警系統(tǒng)，具有可視化監(jiān)管、智能運(yùn)維、數(shù)據(jù)分析、可視化應(yīng)急聯(lián)動(dòng)及科學(xué)決策等功能。本文所述系統(tǒng)，可有效提升機(jī)坪運(yùn)營管理的安全、智慧化能力，提升山西省民航產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化水平。