数字孪生机场解决方案
基于正向设计的数字化研制
原创：数字孪生体实验室
作者：陈志强
当下，信息化和智能化时代中，特别是随着 5G、物联网、大数据、人工智能和数字孪生等新技术的不断成熟，智慧交通迎来数字化转型的高速发展期，智慧民航的数字化水平正由高速度增长向高质量增长转变。但未来智慧机场在数字化转型升级过程中依旧面临着诸多问题与挑战：
数字孪生机场通过孪生体模型的构建与融合演进，整合机场运营关键要素，提升机场态势统筹感知能力，并形成飞行区、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。从而为机场管理、运营、应急等提供动态决策依据和行动指导，并不断寻求航班运行效率的最优解，最终推进未来机场业务的创新变革和可持续发展。因此，数字孪生机场通过基于数字孪生体的“智慧+”应用来确保机场的可持续发展，是未来机场发展的必然趋势；其主要应用价值如下：
利用基于数字孪生体的多源异构数据融合技术解决机场运营过程中的态势监控；
解决机场全域业务模型管理和智能仿真推演及决策算法复用；
协助机场业主实现基于实时动态数据进行全方位仿真推演与预测服务；
实现机场实时动态运行数据和业务赋能平台及业务场景的融合应用；
实现机场各部门或驻场单位的基于数字孪生体的智能决策协同共享应用。
依据机场项目建设及运营特点，数字孪生机场解决方案主要为两大目标客户，其主要应用痛点问题分别如下：
1）机场设计与建造阶段，目标客户为各机场集团的工程建设指挥部，其应用痛点问题为：
模型集成管理问题：机场设计及建造过程涉及民航、建筑、市政三个行业，涵盖岩土、建筑、结构、装饰、幕墙、道桥、管廊、机电、灯光、通信、气象等多个专业，并存在多源异构的建模和应用软件；BIM模型集成融合难度大，无法实现全量集成动态展示管理；
一模协同到底问题：机场建设项目专业工程众多，技术管理难度大，需要确保工程单一数据源并实现一模到底，让设计、施工等所有工程项目参与方及各专业，共用同一个BIM模型协同工作，最终高效协调建设全过程，提升效率；
实模一致管控问题：机场建设施工参与单位众多，现场“按模施工”监管难度大，需要按照实人、实地、实时、实测的要求，结合快速建模技术对全过程实现可验证的过程管控，确保实物与模型一致；
2）机场运行和运维阶段，目标客户为各机场运行主管部门和运维主管部门，其应用痛点问题为：
数字化交付问题：机场运营维护阶段需要基于不同专业、不同设备、不同管线、不同空间或不同场所的BIM竣工模型智能组合和动态交付，并可实现动态MVD视图导出及相关属性的快速检索和查询应用；
全域态势感知问题：机场高效运行，涉及空管、航司、气象、通信及应急等多部门、多专业、多领域协同控制，需要实时感知机场全域全过程的状态数据，并高效流转和分析处理，为机场协同运行指控提供数据支撑；
智慧运维管理问题：机场设备运维保障能力是保障民航安全的重要基石和关口，在保证飞行安全、航班正常、改善服务质量等方面都担负着重大的责任。需要通过智慧运维管理实现设备实时状态监控和预测性维护等应用；
数字孪生机场解决方案总体功能框架覆盖机场全生命周期的四个不同阶段，能够满足两大目标客户群体的不同应用需求，其主要包括基础环境层、数据应用层、技术平台层、应用服务层：
基础环境层主要包括大数据并行处理、微服务、分布式存储、分布式数据库、消息中心、安全网 关等云原生底层环境；
数据应用层主要为数字孪生机场数字底座，其包括安世亚太国内首个自主开发的面向城市数字孪生应用领域的基础数据库管理系统，技术水平和系统完成度处于国际领先地位。其采用云原生架构与并行分布式处理，遵循国家/国际数据标准（含兼容和扩展数据）的数据存储、解析与加工处理、模型自动生成与转换。实现了基于支持ODBC、JDBC接口的SQL结构化查询与操作，为机场设计、施工、运行和运维全过程一模到底协同应用提供最广泛的标准数据库接口和服务。基于微服务和云计算，提供分布式计算与NoSQL和NewSQL融合解决机场数字孪生复杂结构数据管理问题。基于3DTile标准的BIM和3DGIS的统一数据模型，实现机场全域动态层次化全量数据的加载，解决了机场数字孪生应用中的海量BIM模型与3DGIS瓦片数据的统一渲染与可视化。支持海量BIM（>100GB三维数据模型及其他模型）和机场数字孪生基础数据管理的在线事务与离线分析大数据系统框架。
技术平台层主要包括面向机场设计与施工阶段的BIM协同管理平台，为机场建设过程中的模型集成管理、一模到底协同、实模一致性管理等提供基于BIM模型驱动管理的技术支撑；面向数字孪生机场全域应用的数字孪生机场服务平台，即可为满足数字孪生机场全域应用的数字模型资源提供集成与适配验证，并提供满足用户机场全域各环节数字孪生体构建及孪生体运行环境支撑的系统工具，以及支撑机场全域各业务仿真推演和动态决策的数字孪生仿真推演服务。
应用服务层主要针对机场全生命周期四个阶段分别提供相应的业务功能应用及后续扩展：
设计阶段，主要有BIM计划管理、模型质检管理、设计过程管理、设计变更管理，以及根据后续可扩展的续建方案仿真和生成式AI布局等应用；
施工阶段，主要有BIM施工模拟、施工流水段管理、云端碰撞管理、施工项目管理、深化设计管理和施工进度管控等应用；
运行阶段，主要有全域态势感知、应急仿真演练和数字机坪管理，以及根据后续可扩展的协同运行指控；
运维阶段，主要有数字交付管理、智慧运维管理、能耗优化分析、智慧资产管理，以及根据后续可扩展的设备寿命预测等应用。
基于数字孪生机场数字底座，支持BIM+3DGIS等多源异构数据融合，统一机场海量数据交互应用，为机场业主打造统一的通用数据使用环境（CDE）。
专用数据库管理系统
全量合模与快速展现
运维模型MVD按需导出
面向机场建设全过程，提供基于BIM技术的落地实施和咨询服务：根据机场设计、施工和运维等不同阶段需求，分别提供BIM技术协同应用和咨询服务，并可提供统一的数字孪生机场数字底座和相关平台工具支撑；
面向机场设计与建设阶段，提供基于BIM技术的协同管理平台和相关工具支撑：通过数字孪生机场数字底座和BIM协同管理平台，为机场设计和施工阶段相关业务环境提供软件工具支撑，赋能机场智能建造应用；
面向机场运行阶段，提供基于数字孪生体的智慧应用业务工具支撑：通过数字孪生机场数字底座和数字孪生机场技术服务平台，提供机场全域态势感知、应急仿真演练和数字机坪管理等智慧应用；并随着机场运行业务数据及模型的积累，可扩展提供机场协同运行指控服务，最终为机场、航司和空管的协同运行决策应用提供动态数据支撑服务：
面向机场运维阶段，提供基于数字孪生体的智慧应用业务工具支撑：通过数字孪生机场数字底座、BIM协同管理平台和数字孪生机场技术服务平台，提供数字交付管理、智慧运维管理、智慧资产管理和能耗优化分析等智慧应用，并最终实现机场设备设施资产基于数字孪生体的预测性维护应用，实现机场全域资产应用价值的最大化，以及机场运营利润水平的稳步提高。
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