基于數字孿生的軍用機場道面應急搶修保障態勢分析策略

中圖分類號：E246 文獻標志碼：A DOI：10.3969/j. issn.1673-3819.2025.05.013

Abstract：Inresponse totheproblemsofdelayedresponseand ineficientresourcescheduling intraditionalmilitaryairport runwayemergencyrepairs，thisstudyproposesadigitaltwin technology-basedemergencyrepairsupport situationanalysis strategyforairportrunways.Byonstructingadigitaltwinmodelofirportpavement，real-timeperceptionofthedestructive situationcanbeachieved.Byutilizingtheoperationsofcommandpersonnel tointerveneinthelight-weightingprocessof the 3D modelof thedigitaltwinairportpavement，thelight-weighting eficiencyisimprovedbasedontheimproved 3Dmodel light-weightingalgorithmQEM，andthegenerationprocessof emergencyrepairandconstructionplans fortheairportpavementisoptimized.Thisbreaks throughthelimitationsoftraditionalstaticcontingencyplansandimprovestheoperationalefficiencyoftheemergencyrepair system.At thesame time，itcan provide efectivedatasupportfor emergencyrepairsupport command personnel toplanrepairplans，improveoverallresourceutilization，and providereliable technical supportforthe rapid recovery of airport support capabilities during wartime.

Key Words： digital twins；emergency repair；command and control；support situation；damage assessment

軍用機場作為國家關鍵基礎設施，其運行安全直接關系國防和人民生命財產安全。機場道面是戰爭中極易遭到敵方打擊與破壞的目標，它的破壞將極大地削弱空中力量的戰斗力。因此，機場道面作為航空器起降和移動的重要區域，其維護和應急搶修工作就顯得更加重要。現代戰爭中，機場道面遭襲概率高達67%^[1] 。傳統搶修模式依賴人工勘察與經驗決策，存在態勢感知滯后、資源沖突率較高、響應速度慢、資源調配效率低、數據管理分散等一系列問題[2]。雖然人工制定針對機場道面搶修搶建的施工方案能夠依據決策者的經驗提升基礎施工效率，但是由于決策者自身對機場道面總體毀損態勢的掌控難以在短時間內實現系統化，很難對道面搶修過程中出現的進度、質量、成本等問題進行系統化考慮，進而影響機場道面搶修搶建的效率。且在機場道面應急搶修保障過程中需要有效的應急預案來指導工作，搶修面臨特殊情況眾多，應急預案無法全面涵蓋，不能適應新情況和需求，可能會影響指揮控制環節的應對能力。對機場道面受損的毀傷評估缺少科學準確的評估方式，現實中存在事先準備不夠充分等問題。

隨著數字化技術的發展，數字孿生技術為解決這些問題提供了新的思路。數字孿生技術起源于20世紀90年代，隨著人工智能、大數據、數據挖掘和云計算等新興的信息技術的逐步推廣，伴隨這些技術而興起的數字孿生技術亦在各相關垂直領域得到了更廣泛的應用。其核心思想是通過虛擬模型實時映射物理實體，將物理世界與數字世界映射在一起，實現對物理系統的監控、分析和優化。在基礎設施管理領域，數字孿生技術被廣泛應用于橋梁、道路、建筑等場景。通過數字孿生技術的輔助，可以實現對上述基礎設施的健康監測和壽命預期，從而提高維護效率。

與機場道面相關的特殊場景研究，近年來也逐步出現。然而，現有研究多集中在民用機場或其他領域[3-6]，針對軍用機場道面的研究較少。軍用機場道面應急搶修保障具有動態、多變、資源調度更為復雜等特點，對時效性、準確性、協同性等要求更為突出。本文旨在探索數字孿生技術在軍用機場道面應急搶修中的應用，構建機場道面應急搶修保障態勢分析方法，優化機場道面搶修指揮控制體系，提高搶修指揮決策效率，從智能化的角度解決現有機場道面應急搶修保障中存在的問題。

1 基本思想

當前機場道面應急搶修傳統模式，主要是在機場遭到襲擊后，處理大量常規彈坑、地下彈坑、坑槽和未爆彈等重點搶修部位，完整的機場搶修需要經歷毀傷評估、確定最小起降帶、未爆彈排除、作業面清理、修復范圍確定、切割破碎、飛散物回填、基層及面層施工、道面清掃、應急燈光、標志和飛機攔阻設施布置等階段[7-9]，其中，修復范圍確定、飛散物回填、基層和面層施工為道面修復的關鍵環節，對機場搶修的總效率具有決定作用，要求在整個應急搶修保障過程中指揮控制盡量及時快捷、準確科學、合理高效。而目前主要依托對講機、監控設施、現場指揮等傳統應急搶修指揮手段，與預期效果存在較大差距。

基于上述原因，針對機場道面態勢掌控需求，建設基于多類型傳感器的實時感知層并完成相應數據采集，在采集到的相關數據基礎上構建機場道面的數字孿生模型，可以在戰時為應急搶修指揮人員提供機場道面損毀情況的實時通報，協助指揮人員完成對機場道面毀損情況的總體態勢掌握并做出高效決策。總體流程如圖1所示。

圖1機場道面應急搶修保障指揮流程示意圖

Fig.1Schematic diagram of emergency repair and support command process for airport pavemel

2基于數字孿生的態勢分析策略

2.1數字孿生五維模型

為了基于數字孿生技術構建完整的機場道面應急搶修保障指揮決策全流程模型，需要首先在機場道面數據（完好和遇襲態勢下的數據）上搭建場景模型。完整的機場道面應急搶修需要經歷毀傷評估、確定最小起降帶、未爆彈排除、作業面清理、修復范圍確定、切割破碎、飛散物回填、基層及面層施工、道面清掃、應急燈光、標志和飛機阻攔設施布置等階段。其中，修復范圍確定、飛散物回填、基層和面層施工為道面修復的關鍵環節，對機場道面應急搶修的總效率評估具有決定作用。

數字孿生依靠從物理世界的實體中獲得數據輸入，通過數據分析將實際結果反饋到整個數字孿生體系中，產生決策循環。北京航空航天大學陶飛教授團隊對此提出了數字孿生的五維模型[10]，如表1所示。

根據陶飛教授團隊提出的數字孿生的五維模型，建立機場道面數字孿生五維模型應用示意圖，包含物理實體層（傳感器部署）、虛擬模型層（三維場景映射）、孿生數據層（實時數據傳輸）、服務層（智慧決策支持）交互連接層（人機協同）等，如圖2所示。

圖2中，機場道面數字孿生模型通過五維架構實現物理場景與虛擬模型的動態交互，其中虛擬模型層通過輕量化三維場景實時映射道面毀損狀態，為指揮決策提供直觀支持。與通用數字孿生模型不同，本文針對軍用機場道面應急搶修的高時效性需求，優化了虛擬模型輕量化流程（見下文3.1節）和動態調度算法（見下文3.2節），確保模型既能快速響應毀傷評估，又能支撐實時資源調度。

表1數字孿生五維模型體系

Tab.1Digital twin five dimensional model system

圖2機場道面數字孿生五維模型應用示意圖

2.2機場道面應急搶修保障指揮控制體系

基于數字孿生的機場道面態勢分析方法為構建機場道面應急搶修保障指揮控制體系提供了可靠依據。機場道面應急搶修保障指揮控制體系主要包含如下功能：多類型傳感器實施對機場道面態勢數據的感知、視頻為主的多源數據傳輸；工程機械裝備數據采集、實時作業態勢感知；工程機械指揮調度以及其他輔助功能（信息管理、數據統計、工作量統計和行動方案制定等）。分布式部署的各類型傳感器終端采集發送機和其他裝備數據，并對相關數據進行整理匯總，通過發布信息傳輸到平臺后端服務器；平臺端接收來自終端的多源數據，對數據進行融合、處理、分析和存儲，待指揮人員依靠數據分析結果形成決策命令后，將決策命令傳輸到前端，完成對搶修機械設備的姿態調整和地形態勢修正等任務要求。機場道面應急搶修保障指揮控制體系整體架構如圖3所示。

2.3數字孿生機場道面態勢系統

要構建基于數字孿生的機場道面態勢系統，在機場道面遭受損毀的情況下完整準確地掌握道面應急搶修保障態勢，需要首先完成機場跑道總體監控系統的建設。根據數字孿生管理系統運行的邏輯關系和功能要素對系統架構進行設計，機場跑道總體監控系統可以按照感知層：部署機場環境數據傳感器、機場道面數據傳感器、機場道面視覺監控傳感器等各類型傳感設備；網絡層：采用指揮專網，需具備保密性強、穩定性好、低延遲和海量設備連接等特性；數據層：負責處理傳感器數據、視頻數據、道面數據、毀損情況數據等；應用層：包含在數據層完成數據分析基礎上構建的數字孿生道面系統、機場跑道監控系統和應急搶修指揮系統等各子系統來進行劃分。機場跑道總體監控系統模型如圖4所示。

圖3機場道面應急搶修保障指揮控制體系整體架構

圖4機場跑道總體監控系統架構示意圖

Fig.4Schematic diagram of the overall monitoring system architecture for airport runways

數字孿生道面態勢系統以前期構建的機場道面三維模型為重點，建立包含有跑道、聯絡道和滑行道等機場道面主要部分的三維數字模型。其中機場道面的展示形式采用三維多層結構。為了與機場道面真實場景實現一比一的完整映射，還需要在道面的每層結構中嵌人作為相關數據來源的傳感器模型。在數字孿生道面態勢系統中，基于各類型傳感器（環境基本數據、道面視頻等）反饋的實時信息，以及機場跑道總體監控系統中其他子系統共享的實時數據，可讓應急搶修保障指揮人員實現機場道面信息查詢、道面區域交通情況的可視化、道面遇襲毀損情況自動標定和人工標定、機場實時天氣狀態信息可視化等服務。尤其指揮人員在調用和指揮機場道面應急搶修機械群裝備時，可以通過調取已接入機場跑道總體監控系統的應急搶修機械群裝備和車輛的GPS信息，實現對應急搶修裝備和車輛的實時追蹤和軌跡回放。數字孿生道面態勢系統與道面應急搶修調度的關聯情況如圖5所示。

圖5數字孿生道面態勢系統與道面應急搶修關聯示意圖 Fig.5Schematic diagramof thecorrelationbetween the digital twinpavement situationsystemand pavementemergency repair

3 功能實現

作為機場跑道總體監控系統的重要組成部分，機場道面實時態勢系統需要在采集機場道面相關數據后，在數據分析的基礎上完成數字孿生機場道面實時態勢系統的構建。此數字孿生模型系統可為應急搶修保障指揮人員提供可靠的決策依據，完成對搶修機械群裝備的合理和高效調度，提升機場道面應急搶修能力和效率。

3.1數字孿生的三維模型輕量化處理

實現數字孿生機場道面實時態勢系統，就需要構建機場道面和其他相關場景的實時三維場景，其中最為重要的就是對實時視頻數據的采集、整理和融合。為了對機場當前各相關場景的實際物理狀態進行實時反饋和流程渲染，就需要對數字孿生的三維模型進行輕量化處理。

中國艦船研究設計中心的胡凱等提出了對數字孿生中傳統的QuadricErrorMetrics（QEM）算法的優化方法[1]。該文中提及，在保持模型輪廓及細節特征的基礎上，可以使用三角片面法來實現用更少的模型替代原有的復雜模型，實現對機場三維模型網格簡化的目的。而數字孿生技術所提及的傳統QEM算法和開源框架Threejs的SimplifyModifier方法，都未能滿足將模型實施簡化后，仍可以保留細節特征的要求。

對機場道面毀損進行應急搶修保障指揮，需要對現有實時反饋的機場道面態勢進行合理和有效的評估。因此將機場道面實時三維模型進行簡化也是對盡快實施道面搶修流程的有力支持。對此，本文考慮將現有的QEM算法與指揮人員的態勢評估過程相結合，實現數字孿生的三維模型輕量化處理。

QEM算法[12]是基于邊折疊的二次誤差網格簡化算法，該算法將頂點到相關三角形平面距離的平方和作為誤差標準。邊折疊[13]如圖6所示。

圖6邊折疊示意圖

Fig.6Schematic diagram of edge folding

按照QEM方法進行三角形折疊的過程中，需要刪除三角面和它的三個頂點 v₁?v₂ 和 v₃ ，并生成新的頂點v^′ 。即圖6中，頂點標識為 {v₁ ， v₂ ， v₃} 的深灰色填充三角形，與其共底邊 v₁v₂ 的深灰色填充三角形進行折疊，則頂點標識為 {v₁ ， v₂ ， v₃} 的深灰色填充三角形與該三角形實現折疊并完成抵消，抵消后結果參見圖6右側折疊后圖。該三角形面群覆蓋范圍內的原編號為 {1，2 3，4，5，6，7，8的其余三角形面則再次形成一個以 為共頂點的三角形面群區域，如圖6所示。

因此，需要在新生成的頂點 v^′ 的基礎上，建立頂點v^′ 的誤差矩陣 完成二次誤差計算，且誤差矩陣為其各頂點的誤差矩陣之和。

Q^′=Q₁+Q₂+Q₃

折疊三角形 T 的鄰域三角形平均面積 s 會在折疊的過程中對折疊的質量產生影響，此過程需要結合鄰域面積和正則度約束等條件予以完成。若折疊三角形T 的鄰域三角形 s 平均面積越小，那么會導致在折疊三角形 T 周圍，形成具備密集特性的超量網格群落，則折疊三角形 T 在折疊后，對原有網格模型簡化后的整體輪廓產生的影響也就越大。由此可知，鄰域三角形面積小的折疊誤差權重較大。鄰接三角形平均面積為

其中， T_i 為鄰域三角形， m 為鄰域三角形的數量。

在上述邊緣折疊的過程中，通過一次三角形折疊，可以使網格減少的頂點和三角面數量比使用傳統的邊折疊減少得多。因此，三角形折疊的處理效率明顯優于傳統的邊折疊。但是在通過三角形折疊進行網格中頂點和三角面消減的過程中，這種折疊模式會破壞原有模型的網格拓撲結構和關聯信息，最直接的弊端就是容易造成原有模型的細節特征出現丟失的可能概率大大提升。考慮上述操作的潛在失誤概率，在機場道面毀損評估中，除了基于數字孿生的模型數據外，還要在一定程度上依賴指揮人員在前期制定的機場搶修搶建施工方案決策，以及與決策相關的搶修機械群調度策略等。

因此，本文提出對數字孿生的三維模型進行輕量化處理，首先進行前置約束條件的配置，即讓指揮人員以人機交互的形式完成彈坑點位標定。根據標定位置在系統中關聯的參數，再將機場道面二維模型轉換為實時三維場景，將指揮人員前期制定的機場搶修搶建施工方案決策、與決策相關的搶修機械群調度策略評估后的參數與現有三維場景進行融合，對未出現毀損的部分可以在維持其基本拓撲結構和信息的基礎上，減少三維場景的相關細節特征渲染，達到三維模型輕量化處理的目的。上述三維模型的優化流程如圖7所示。

通過調取開源數據庫Sketchfab和TurboSquid等數據，首先完成對機場道面和相關模型的建模，構建能夠反映機場道面情況和特征的數字孿生架構。相關模型三角面數量可由三維建模軟件的統計功能完成數量統計。在通過使用改進的QEM算法進行機場道面的三維模型輕量化處理前，首先通過指揮人員在二維的機場道面毀損情況態勢圖上對毀損情況進行評估和毀損點進行標定，然后將經過指揮人員與系統交互處理后的道面數據圖與機場道面三維態勢模型進行數據融合，并使用改進的QEM算法對數據融合后的機場道面三維態勢模型進行輕量化處理。按照上述流程的操作步驟，根據可視化需求和原始三維模型中的三角面數量，將機場道面三維模型所涉及的機場跑道毀損態勢、維修機械、駐場飛機等模型分別簡化至原模型精細化程度的 10% ，并與QEM算法、基于開源庫Threejs的SimplifyModifier算法、文獻［11]中所提改進算法所形成的改進時間進行對比，其結果如表2所示。

從表2中可以看出，SimplifyModifier算法在耗時上略優于文獻[11]所提出的改進算法和本文所提策略，即本文在駐場飛機和機械裝備的簡化方面雖然耗時稍遜于SimplifyModifier算法，但在機場道面這個評測指標上優于上述對比算法，可滿足機場道面應急搶修保障態勢評估在數字孿生模型中對道面毀損情況實現及時響應和掌控的需求。

3.2基于數字孿生機場道面態勢系統的搶修搶建調度

在對毀損機場道面進行應急搶修保障作業過程中，需要提高作業工程量計算、作業群相關機械工程車輛與物資總量分析，以及人員配比計算等搶修搶建方案生成和綜合作業的效率。傳統方式是指揮人員在一線直接通過步話機或其他通信設備進行現場指揮，面臨作業面危險系數大、搶修數據掌握不及時等問題。近些年來，隨著通信技術的發展和通信裝備水平的提升，采用無線電設備對搶修目標區域進行定位和實時匯總工程進度等數據，讓指揮人員完成調度的新型方法也陸續出現。但是由于數字地圖更新不及時，指揮人員較難統籌兼顧機場道面總體毀損和機械工程車輛和人員物資等調度的實時優化，仍然存在對搶修機械車輛和人員物資等調度不及時，毀損修復情況無法直觀展示等問題，道面搶修作業的品質和效率亟待提升。

傳統上，我們認為機械工程車輛和人員物資等的調度主要是一種事前和事中的決策。但是，不論是事前還是事中的決策，通常會因信息傳遞不暢通或不準確，或指揮人員的調度方法單一，缺乏總體觀念，導致機械工程車輛出現空載、物資配置不及時、人員銜接不暢、甚至怠工等嚴重情況，各類型資源配置和調度不力帶來的協同作業效率低的問題突出，最終影響整個道面應急搶修工程的效果。本文對基于數字孿生的機場道面態勢分析策略進行了闡述，并討論了數字孿生機場道面三維模型的輕量化方法。上述工作可以為基于數字孿生的機場道面態勢分析系統下的應急搶修機械工程車輛和人員物資等的統一調度提供較好的理論支撐。

統一調度流程中，關于機械工程車輛調度優化問題，可通過如下目標函數完成：

其中， T_i 為第 i 個毀損點的搶修時間， C_i 為車輛調度成本， d_ij 為車輛從點 i 到點 j 的距離，且公式（3）存在如下約束條件

其中， x_ij 為決策變量（車輛 k 是否可被調度至點 i ） y_ik 為資源分配變量。

基于上述模型，數字孿生系統實時計算最優調度路徑，并結合指揮人員標定的毀損優先級（見3.1節）動態調整資源分配，實現總搶修時間最小化。

在數字孿生機場道面態勢分析系統中，機場道面毀損情況所包含的信息，如道面內彈坑的位置、數量、范圍；未爆彈藥的位置、數量和類型；道面及其他設施設備毀傷情況；應急起降帶位置；搶修人員配屬；機械工程車輛活動的安全區域等都可以直觀地向指揮人員實時展示。通過對機場道面毀損總體態勢的掌握，指揮人員可以通過參數配置，調取系統中預設的路徑規劃算法和工程進度預測算法等，完成對機械工程車輛在受損的機場道面上的安全移動路徑規劃，各毀損點應急搶修工程進度掌控，并及時對其他突發意外狀況做出反應，如臨時增派人手和更換不同類型的機械工程車輛進場施工等。基于數字孿生機場道面態勢系統的指揮調度模式如圖8所示。

在機場道面應急搶修工程作業中，指揮人員可以按照數字孿生機場道面態勢系統對道面毀損情況完成全面評估，對工程任務量、作業類別等給出準確的判斷，合理完成作業編組，并在此基礎上，完成對機械工程車輛的統一配備，人員和物資調度的統一協調，避免功率浪費和調度失衡等問題，使整個工程施工過程保持較高的作業效率。在道面條件發生變化時，人們也能實時準確地掌握變動情況，重新調整對機械工程車輛的調度策略，讓作業人員和車輛也能夠動態調整作業進度，避免出現人工和資源的錯配與浪費。

圖8應急搶修機械工程車輛指揮調度模式示意圖 Fig.8 Schematicdiagramofcommand anddispatchmode foremergency repair machinery and engineering vehicles

4結束語

基于數字孿生技術的機場道面應急搶修保障態勢分析策略，通過數字孿生建立機場道面物理場景與道面三維模型的精準映射關系。利用人-系統交互式前置優化的方法降低機場道面三維模型輕量化耗時，可使應急搶修保障態勢分析利用實時迭代的機場道面毀損數據，向指揮人員提供機場道面毀損情況的全面態勢反饋，使指揮人員在準確掌握道面毀損態勢前提下，高效完成應急搶修機械工程車輛群的編組和調度，提出合理可靠的應急搶修施工方案，提高機場道面毀損應急搶修保障能力。

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（責任編輯：許韋韋）