杜晓铭、吴啟彪、浦黎
一、项目背景
数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。[1]
随着四型机场建设的不断深入，目前很多机场在完善信息化的基础上，正在往智能化机场迈进。由信息化到智能化，数字化转型是必经之路，而数字孪生就是数字化转型的高级阶段。数字孪生机场是通过 GIS/BIM系统、物联网、云平台、移动互联、AI等技术组合，利用历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程，以数字化方式实现机场合约、业务流程、系统设备等生产资料全要素由物理空间（Physical）向信息空间（Cyber）转型虚拟实体。在数字孪生机场构建过程中，主要面临以下问题：
（1）利用多源异构数据融合技术解决实时监控
（2）机场业务模型管理和智能算法复用
（3）基于实时数据进行全方位仿真预测
（4）机场数据和业务赋能平台与业务场景融合问题
（5）机场数字孪生智能协同平台建设问题
为充分挖掘数据价值、赋能智慧机场，本方案从数据融合、业务优化、智能算法、技术创新等角度，探索机场合约、业务流程、系统设备等生产资料全要素管理，以可视化为纽带，实现空侧、陆侧一体化管理，进一步强化串联机场飞行区、航站楼各功能区域、各业务部门、各业务流程的信息共享与服务贯通，从整体上优化机场业务流程，促进运行模式、服务模式、管理模式创新，实现容量提升、高效运行、真情服务，逐步建立以旅客为中心的四型机场协同发展的未来机场顶层设计和项目落地整体规划，为搭建枢纽机场和机场集团智慧机场信息平台，初步实现智慧机场信息化建设的能力沉下去、效率提上来的建设目标，让行业大数据变成活数据，实现智慧机场数字孪生，实现数据赋能智慧机场。
二、总体思路和解决方案
（一）系统总体思路
全时空、全要素数据感知，全周期、全岗位运管可视，全流程、全链条业务模型，全方位、全场景仿真预测是智慧机场数字孪生的基本特征，通过数据赋能，构建以物联网为基础的多源数据汇集网络，统筹物理世界感知体系，实现数据整合与共享。通过平台赋能，构筑机场智慧中台能力，以中台为信息底座，实现数字机场、物理机场镜像运行。通过模型演进，将人工智能的研究方法与机场运行的物理模型、数据模型、规则模型，旅客服务行为模型的预测、规划、管理相融合，建构数字孪生机场，并最终实现数字机场对物理机场的数智化管理。为实现上述目标，本项目整合机场运营关键要素，建设统筹感知体系，形成飞行区、航站区、空中全域覆盖、动静结合、智能全联接的机场未来的神经中枢。系统架构图见图1：
基础支撑层：屏蔽掉运行环境和开发环境的技术细节，为前端应用提供简单一致、易于使用的能力接口、接入规范、治理规范，形成开放服务体系，为机场的数据、服务、应用和能力提供可视、可管、可控的统一管理平台。
数据交互层：以数据中台为底座，聚焦业务数据化，协助机场建立规范的数据治理体系，接入机场“旅客流、飞机流、物流、车流、财物流”等数据资产，建立一致性的数据规范与统一的模型容器，建立数据湖、专题库、数据域和主题库，提供快捷高效的数据服务，确保数据一致性。基于航信丰富的业务实践，协助机场从数据治理、系统治理相结合的角度，全面提升机场数据质量，改善数据与业务“形合神离”的行业痛点。
孪生构建层：围绕机场物理空间，航班流、旅客流、行李流核心业务流程，放行时隙、保障人员、跑道、机位、安检口等关键资源模型维护，支持动态实时数据输入，实现动态仿真，并支持仿真结果赋能前端业务。
应用生态层：提供数据互联、流程衔接、服务贯通、业务协同的协同、智能、互联、可视、个性、精细的智慧机场整体方案。
用户呈现层：基于微服务架构，提供一个网页、一个APP、一块屏的应用融合界面。
图1 数字孪生整体架构
（二）解决方案
中国航信智慧机场数字孪生全要素管理平台有以下要素组成：一张泛在接入网、一个机场中台、一个机场全域全要素数字化管理平台、一张运行管理图、一个跨平台APP。
泛在接入网是基础支撑层，是机场云平台、ITC管理体系，用于机场多源数据采集（如物联网、视频分析、高清定位、人工上报等采集手段）以及向网络端发送。
机场中台是数据交互层和技术支撑层，实现孪生机场的数据治理、通用模型构建、共性能力抽取等基础赋能。机场中台是中国航信为响应民航机场信息系统整体规划，避免烟囱式和单体式架构设计的重复建设，实现全场一张网的发展要求，打造的基于机场本场的信息集成和业务支撑，兼具算法赋能，并以服务的方式提供共享能力的平台产品。平台为机场打造内外部系统之间通畅的信息交互渠道，使各类不同的业务系统以统一、标准的方式进行数据交互和业务协同，支撑各种新的业务功能需求和流程。
●技术中台
基于云原生技术打造开放式技术中台，提供个性化应用开发和灵活配置，为业务提供体系化的通用技术底座。
●数字中台
数据中台对航班，旅客，行李，货运，机场运营等民航领域的全时空数据进行标准数据治理，构建基于行业的数据标准体系。
●业务中台
业务中台实现全国机场的业务云化互通，有效将机场运行指挥和旅客服务业务进行合理的抽象和沉淀形成原子化服务，通过服务编排能力快速孵化支撑新的业务场景，将航信全域的数据优势转化为场景化的能力优势。
●能力中台
以SaaS云服务、H5、小程序、SDK、API等多样化的形式给机场产品和业务场景赋能，减少不同业务场景中相同业务模块的重复建设，加速创新，以多样化的方式助力机场业务数字化。
●移动中台
跨平台APM采取业务组件化+跨平台模式，为组件化架构的服务端支撑,负责组件库迭代,账户权限同步,以及APP权限树的动态配置和监控，一次组件开发,适配多个系统,各层级接口隔离,支持跨平台快速开发，实现机场APP融合发展。
机场全域全要素数字化管理平台是数字孪生体的核心，是数字孪生的业务应用层和模拟仿真层，包括以下组成：
●机场运营全景视图
基于机场基础设施泛在联网，以机场运营可视化为基础，实现飞行区、航站楼，乃至公共区、货运区的合约（如各个组织的职责、组织的管理体系和机制等）、流程（如航空器流程、旅客流程、行李流程等）、资产（如设备、系统等）一体化、智能化、可视化管理，生各业务板块在预测、主动服务、协同运作等方面达到智能化水平。机场大屏、PC端、移动APP多屏互动示意图见图2。
图2 一块屏、一个网页、一个APP的机场运营全景视图
●空地一体化子系统
本模块以A-CDM为基础，实现与空管系统的融合，将机场、空管、航空公司、地服公司等相关方的信息集成至机场中台，打造涵盖A-CDM、AODB、地面保障、可视化管理、旅客服务的一体化产品方案，实现空侧航班运行、陆侧旅客服务数据贯通、场景融合、流程衔接、业务协同，更灵活适配机场运行模式、服务模式、管理模式变革。在满足A-CDM行业规范的前提下，通过机场中台、移动中台合理架构设计和技术选型，实现数据共享、地面服务里程碑监控、运营监管、协同决策以及手持终端、使用智能机位分配、计算可变滑行时间、保障能力动态调整、离港推出排序建议等新算法来提升精细化管控要求，提前发现问题，协调不合理情况，将资源更有效的调配，使保障效率增高，准确性增强，事先发现并解决问题，践行民航未来机场发展理念，提高机场运行智能化，实现空地一体的运行模式。
●楼坪一体化模块
态势感知、运行管理、协同协作、决策支持为核心，实现航站楼内各单位“数据协同”、“业务协同”和“决策协同”，从而达到提升机场航站楼运行保障能力、跨部门协作能力、安全能力、旅客服务能力的目标。为高质量的航站楼服务提供重要保障，为航站楼运营的智能化、专业化、精细化提供有力支撑，可极大提升机场航站楼运行品质和服务水平。在此基础上，通过获得旅客时空分布数据与历史分布规律，对旅客到达规律预测登机完成时间，从而进一步提高对TOBT的预测。机场机坪、航站楼一体化建模设计图见图2.
图3 楼坪一体化
●飞行区管理子系统
满足机场飞行区管理需求，提升飞行区空防安全的裕度，实现飞行 区日常运行的标准化建设，为机场飞行区风险管控及管理品质提升，提供数据支撑。从 “安全，管理，高效”入手，最终实现飞行区的全流程、全场景、全要素的数据展示； 基于“统一监管+实时查看+数据分析”的管理机制，为飞行区管理部和各驻场单位、机 坪作业员工搭建联系通道，协调解决各类生产运行请求，并对各业务模块生产信息进行 科学化统计，实现飞行区标准化、精细化、智能化管理。飞行区管理设计图见图4.
图4 飞行区管理
●应急管理子系统
集成安保、全景视频、FOD、SMS、追逃等业务系统和数据，实现贯穿机场应急管理的事前准备、事中处置、事后评估整个过程，应用于机场日常应急管理、员工培训、突发事件处置和应急演练，为机场打造立体的安全防护、应急管理的SMS平台。
●模拟仿真子系统
利用智能感知、实时解析、即时表达、动态演变和即时仿真等技术，对机场进行多视角、多维度、全覆盖的感知与分析，实现枢纽机场运行优化。以航空器滑行规划模型为了，建模过程见图5.
图5 基于A*算法的航空器冲突预警模型
机场运行管理图是系统的展示层，基于多屏互动、前端界面融合技术，支持大屏、PAD、PC端多种展示方式，为机场管理层提供多维度、智能化决策支持。对机场经营管理建立基于机场运行大数据BI分析模型。
三、总结
数字孪生机场是智慧机场的典型实现路径，它将信息化技术与传统基建有机融合，以云计算、大数据、物联网、人工智能、5G通信为核心技术手段，抓住新一轮科技革命、技术革新机遇，推动我国机场高质量发展、跨越式进阶。通过模型算法的构建和演进，增强机场的预测预知能力，为机场管理、运营、应急提供决策依据和行动指导。最终建成整合机场运营关键要素，具有统筹感知能力的数字孪生机场，形成飞行区、航站区、空中全域覆盖、动静结合、智能全联接的机场未来的神经中枢，从管理理念、系统价值、适用性等方面适应未来发展，将系统提高到更高层级，不断寻求航班运行的最优解，实现推进业务变革。
参考文献：
[1]于勇，范胜廷，彭关伟，戴晟，赵罡.数字孪生模型在产品构型管理中应用探讨[J]．航空制造技术．2017
