數字孿生機場總體架構研究

付耀國,邱登宇,楊 棵,黃帥金,李雨夢,趙金秋

(1.重慶機場集團博士后科研工作站,重慶 401120;2.重慶交通大學土木工程學院,重慶 400074; 3.重慶機場集團擴建指揮部,重慶 401120;4.重慶機場信息通信網絡有限公司,重慶 401120)

0 引言

我國民航業運輸周轉量連續15年位列世界第二,已成為世界民航大國。根據民航局發布的《2019民航行業發展統計公報》,我國民航平均準點率為81.65%。這與國際優秀機場還有一定差距[1-3]?？紤]疫情影響下航班量減少等因素,未來中國民航樞紐機場的運行效率瓶頸問題依然突出,亟待更有效的技術予以解決[4-7]。針對上述民航樞紐機場的現狀及發展訴求,基于數字孿生的運維已成為近年來機場智慧化發展的熱點[8-11]。目前,數字孿生機場面臨基礎理論問題和關鍵技術研究缺位、各系統之間沒有統一體系架構協調其運轉、缺乏統一的模型和數據基準、數據跨部門共享不足等問題。這增加了工作的難度和復雜性。運用數字孿生技術,以孿生系統檢驗決策是否可行,可減少在真實機場中的試錯成本,并借助孿生機場不斷調整優化,使得決策更有利于真實機場的運行與管理。

本文基于數字孿生的基礎理論[10,12-14],從數字孿生的“五維模型”理論出發,構建面向運維的數字孿生機場五維結構化本體模型;在此基礎上提出符合機場運維需求的技術體系架構;在此架構下,構建與機場物理實體一一對應的孿生體,實現機場運維過程中的實時態勢感知和可視化交互,利用仿真技術對運行方案進行分析評估、優化運行策略等。通過數字孿生機場建設,能夠有效提升機場管理和運營的智能化水平。

1 數字孿生機場總體架構

1.1 本體結構模型

本文以數字孿生概念模型為基礎,從物理實體、虛擬模型、服務、孿生數據和連接這五個角度出發,構建數字孿生機場的結構化本體概念模型。由五維理論模型生成的結構化本體模型[15]如圖1所示。

圖1 由五維理論模型生成的結構化本體模型Fig.1 Structured ontology models generated from five-dimensional theoretical models

圖1中,虛實交互包括增強現實(augmented reality,AR)、虛擬現實(virtual reality,VR)和混合現實(mixed reality,MR)。

在此基礎上,本文構建具有普適性的數字孿生機場運維系統的分布式結構模型,并據此完成完整的技術體系架構。數字孿生機場分布式結構模型如圖2所示。

圖2 數字孿生機場分布式結構模型Fig.2 Distributed structure model of digital twin airport

數字孿生機場模型包括機場所對應的各物理實體、孿生機場仿真模型及兩者之間的信息交互。其中,物理實體和孿生仿真模型通過數據進行實時交互和雙向映射。數字孿生機場系統仿真模型的構建需要從多個角度考慮,包括物理實體、行為、幾何和規則。孿生系統需要從物理幾何維度展示孿生機場及其在機場運行的各種附屬設施、人員等,從行為維度映射機場各部門的運行動態,從規則維度約束機場運動實體的狀態信息,從而建立與物理實體相對應的數字孿生機場。這將實現用數字孿生系統對真實物理實體的運行方案進行評估分析、運行策略優化等目的。

1.2 系統參考框架

數字孿生技術引入機場數字化建設中,以數字孿生五維模型為基礎,在人工智能(artificial intelligence,AI)技術、大數據挖掘、云服務、邊緣技術等多項關鍵技術支撐下,完成機場各實體與孿生模型直接的數據交互,在構建的數字孿生機場應用平臺上實現各項應用服務。機場數字孿生體與機場現實物理域實現雙向映射、動態交互的全運行過程。數字孿生系統可以為系統運營方的用戶提供旅客服務、行李管理、航班調度、交通規劃等服務。

數字孿生機場系統框架如圖3所示。

圖3 數字孿生機場系統框架Fig.3 Digital twin airport system framework

數字孿生機場物理實體按照環境信息、機電設備、靜態建筑和運動實體劃分。數字孿生機場運用歷史數據、物理感知模型和外部訪問數據,結合多物理量、多尺度、多學科的仿真,實現從虛擬到現實的映射,對物理實體的全生命周期進行管理[16]。

數字孿生技術將建筑信息模型(building information modeling,BIM)技術和地理信息科學(geographic information science,GIS)技術相結合,建立一套完整的機場三維模型和空間數據。三維模型集成設計、規劃、施工、運維、地理位置信息等數據,構成了動態的數字孿生系統。以此為基礎,數字孿生技術為上層各種應用提供數據支撐,將虛擬空間映射到真實的空間。

機場孿生體分為數字孿生和仿真建模兩部分。

仿真建模部分包含模型建立、同步、演化、多維度仿真、多狀態仿真以及多時空仿真等內容。

在真實的物理領域中,每個實體都有一個數字孿生模型。該模型在多狀態、多維度、多時空完成虛擬模型與實體的同步進化。通過機場孿生系統的信息交互、信息對偶、精確映射,能夠對真實的物理區域進行精確的描述;經過協同進化,虛擬模型轉變成了真正的機場孿生體[17-18]。

1.3 數字孿生系統層級劃分

數字孿生系統層級可以劃分為以下三個階段。

①虛擬模型展示階段。

虛擬模型展示階段實現了對機場各實體數字孿生模型的仿真。根據機場不同實體劃分,虛擬模型展示利用三維建模工具建立數字孿生機場物理實體的三維模型。首先,確定三維模型的類型、地理位置信息、外形結構等基礎屬性參數;其次,使用BIM建模軟件構建可視化的三維模型;最后,采用編寫接口程序進行數據信息交互,建立模型基本信息庫。本階段的核心是建立機場區域內的建筑物、機電設備、運動實體和環境信息的數字孿生體。

②孿生系統基礎功能實現階段。

孿生系統基礎功能實現階段實現現實物理域和數字孿生機場的數據交換。數據互聯包含了多個孿生體之間的數據交互和協同控制,以及數字孿生體與物理實體間的數據傳輸與控制。

根據機場物理實體之間的關聯關系和運行規則,此階段建立機場孿生體模型之間的交互模型,實現信息共享和協同控制[19]。同時,此階段建立數字孿生體與物理模型之間的信息交互,通過采集各物理域的狀態監控數據,實現對各業務流程的實時監控;利用與數字孿生體之間的數據傳輸接口,實現對物理實體與孿生體的實時更新。無線通信系統的數據傳輸取決于不同類型的硬件接口和協議,主要包括控制器局域網(controller area network,CAN)總線、RS-485、ZigBee、5G、超寬帶(ultra wide band,UWB)技術、Wi-Fi6等有線和無線通信協議,并在軟件層次上對不同傳輸協議傳輸的數據作識別和統一存儲。

③自適應進化階段。

自適應進化階段對不同來源的數據集中處理,以實現機場孿生體和物理實體的同步控制。此階段運用大數據和AI技術,建立孿生機場的知識模型、統一語義描述和數據模型,對機場真實物理域進行精準預測。此階段融合了基于邊緣運算的AI算法,在數字孿生機場中提供多種應用服務。

數字孿生機場系統演變層級劃分如圖4所示。

圖4 數字孿生機場系統演變層級劃分Fig.4 Evolutionary hierarchy divide of digital twin airport system

2 系統構建

2.1 數字孿生機場感知模型建立方法

感知物理世界是建立數字孿生機場的前提。從機場建筑到助航燈光設施,從靜態的設備設施到移動的人員、車輛,所涉及的方面十分繁雜。在虛擬空間中構建不同的三維模型,必須借助多種感知方法來獲得精確的結構信息。目前,獲取物理實體的基礎數據的主要方法有以下三種。

①傳感技術。

傳感技術是數字孿生機場感應現實物理世界的直接方法。目前,傳感技術已被應用于機場的感應技術有近場通信(near field communication,NFC)、射頻識別(radio frequency identification,RFID)、廣播式自動相關監視(automatic dependent surveillance-broadcast,ADS-B)、探測雷達、無線網路定位、藍牙通信、衛星定位、UWB通信、多點定位等。利用這些技術實現對航空器、人、物、車的定位,對溫度、濕度、風向、空氣質量等環境參數的監控,可以保障機場運行設備的運行參數監控等[20]。

②設計資料。

在構建三維空間模型時,設計圖是基本的資料來源。目前,我國的機場設計正在逐漸從二維計算機輔助設計(commputer aided design,CAD)圖紙向三維 BIM建模的方向發展,通過對各種數據進行綜合整理,以生成一個基于 BIM的數據庫。這兩個不同維度的設計方案,為孿生機場的結構組成提供了基本資料。如果有資料缺項或者資料的校對,也可以采用勘查測量的方法加以彌補。

③影像資料。

在數字影像技術發展過程中,影像的清晰度不斷提高。其由單一的影像處理方式逐漸向多機聯動同步發展。這些都為數字孿生機場數據采集系統的建立奠定了基礎。運用“虛”與“實”相融的場景展示,能夠在虛擬世界真實反應客觀的事物。

2.2 系統實現方案

機場的眾多智能設備、場地運行車輛、地服人員信息等由物理域中的多模態感知設備獲取。物聯網將感知數據與機場大數據系統連接起來。物聯網關的模塊支持串行通信協議Modbus、消息隊列遙測傳輸(message queuing telemetry transport,MQTT)、用于過程控制的對象鏈接與嵌入統一架構(object linking and embedding for process control unified architecture,OPC-UA)、5G、工廠套件網關(factory suite gateway,FSG)等多種協議的接入。機場數字孿生系統實現方案如下。

①大數據綜合平臺。

大數據綜合平臺采用標準的網絡傳送協議,如應用層式協議Matter、窄帶物聯網(narrow band Internet of Things,NB-IoT)、OPC-UA、5G、Wi-Fi6等,接入機場地服系統、安檢信息系統、離港系統、行李系統、泊位系統、二次雷達、環境監測系統等傳輸數據。系統不僅要有專用的物聯網關接點和邊緣智能裝置,而且要求能夠在不可靠的環境中實時、可靠地進行數據的采集。

②空間大平臺。

機場的地理空間數據、機場設計數據和空域數據是數字孿生機場環境數據的重要來源,如航線數據、停機坪數據、滑行區數據、航班數據、地理位置數據等。利用計算機圖形識別和3D可視化技術,可對多種模態數據進行格式轉換、坐標變換、數據修正和誤差修正,從而生成融合地形、結構數據和圖像的多源環境模型。通過模擬仿真平臺,可實現數字孿生機場三維高逼真及時定位地圖功能。

③數字孿生平臺。

在物理感知的基礎上,數字孿生平臺定義了數據底層架構,以實現數據管理、孿生對象構造、關系管理和機器學習管理等功能,并對設備數據、空間數據和數據集成存儲、數據操作等集中管理。孿生對象構建及關系管理包括面向對象的字典、元數據的描述和統一的識別,并在生成的過程中實現了對象整理、數據元素定義、數據結構分析等功能。機器學習系統實現了對海量數據的實時運算和合理的調度,算法、仿真和控制規則庫可用于飛機虛擬調度和控制,為飛行培訓演練安全運行奠定了堅實的理論基礎。

④應用層開發。

數字孿生機場的應用層能夠全面、實時地傳輸航空器、車輛、旅客、設施設備等各類動態和靜態數據;在數據模型的基礎上,經過數據收集、整理、分析、預測,精準地把控機場整體運行態勢。其結合物聯網、大數據、云計算、AI、區塊鏈等新技術,開發機場運維中所需要的應用,包括三維可視化系統、場面綜合監控系統、管線管網系統、可視化安防監控系統、滑行路徑規劃、運行模擬仿真、應急救援管理、空側運行管理系統等,可以實現機場運行可視化、管理高效化、決策智慧化。

2.3 數字孿生機場應用場景

①全域三維可視化。

數字孿生技術可對機場航站區、物流園區、公共區、飛行區、環境信息等實體進行3D建模展示,對飛機助跑、進出港行駛軌跡實時動態顯示。通過統一整合機場現有各種信息系統數據,可對機場各業務流程運行態勢實時監控,并對旅客服務、航班保障、貨運服務、安防等業務關鍵數據指標作綜合分析,從而幫助機場各部門管理者全面掌控機場運行態勢。

②虛實交互控制。

通過物聯網、無線RFID等技術,可以對機場助航燈光設施、飛機牽引車、行李車等設施的地理位置分布與運行狀態進行監測和可視化管理,從而實現孿生機場與物理機場“雙向交互、系統閉環”的虛實管控目標。通過實時定點推送關聯診斷預警、仿真推演預測信息,可及時反饋設備設施狀態異常信息。通過關聯查詢功能,可查看機場運行態勢。

③孿生培訓演練。

通過數字孿生機場模型,可接收真實的數據信號以驅動動態孿生模型。根據這些真實數據,系統可實時模擬保障流程作業演練、應急作業、場面運行指揮等內容。通過實時渲染引擎優化虛擬場景,可以使用戶身臨其境。通過可視化的界面,可以直觀、高效地學習操作相關的所有知識。

④孿生運行推演。

通過大數據平臺上接收到的信息數據,在推演平臺進行航班保障、航站樓協同、物流園區協同、設備設施調試等試驗。借助數字孿生機場平臺構筑的仿真場景,提供實時軌跡查詢、實時通信仿真的反饋,執行預先設定的仿真任務,并將仿真結果與實時動態控制方案作推演比較。

⑤實時運行態勢診斷。

實時運行態勢診斷基于地理信息系統數據對機場內各要素進行實時監測,包括當前航班運行狀態、登機廊橋運行狀態、場內車輛運行狀態、跑道開閉狀態等,并對異常數據進行自動分析和預警;利用孿生平臺關聯業務流程生成精細化的高階數據,進行過程挖掘,并結合專業模型算法,為轄區各流程運行態勢分析研判提供科學依據。

⑥歷史運行復盤。

基于大數據,對機場相關聯的空域歷史航班通航態勢(包括航班起止節點、經停位置、航向、航班數量、歷史狀態等)信息進行分析,以判斷飛機在面臨異常天氣時的處置情況、大面積航班延誤的原因和飛機運行過程中的常態化復盤。查詢歷史運行軌跡中相關聯的詳細信息,全面復盤歷史航線分布及運行態勢,為航空公司的航線規劃、航班計劃調整等業務決策提供幫助。

3 結論

本文基于數字孿生的基礎理論,從機場運維面臨的實際問題出發,首先描述了數字孿生機場“五維結構模型”的總體架構;其次,闡述了機場數字孿生體與物理域之間的關系,給出了數字孿生機場的系統參考框架以及細分了建立在孿生機場上的應用服務;接著,總結了數字孿生機場從虛擬模型到基礎數字孿生再到自適應數字孿生三個階段的演化過程;最后,解析了機場數字孿生系統的整體應用體系結構和系統實現方案。

本文對數字孿生機場運維和機場相關基礎設施的智慧化建設具有重要參考意義。