数字孪生 “预”见机场未来
提到“数字孪生（Digital Twin）”一词，大多数人可能会联想到“双胞胎”“孪生兄弟”“孪生姐妹”等词。根据字面意思，我们可以简单地把数字孪生认为是数字的双胞胎，只不过数字孪生中的双胞胎，并不是完全一样的两个个体，更确切地来说，而是两个系统：一个系统存在于现实的物理世界，一个系统存在于虚拟的计算机世界。数字孪生机场，则是运用数字孪生技术，克隆出与真实机场对应的虚拟系统，在虚拟系统中我们可以看到真实机场中的每个角落，实现对机场运行全貌的实时展示。因此，我们能够借助数字孪生机场进行各种创新性尝试与改革，以孪生系统检验决策是否可行，从而大大减少在真实机场中的试错成本，并且借助孪生机场不断调整优化，使得决策更加利于真实机场的运行与管理。
事实上，数字孪生的设想早在2003年已由美国密歇根大学的Grieves教授提出，虽然当时没有明确提出“Digital Twin”一词，Grieves将之称为“Conceptual Ideal for PLM（Product Lifecycle Management）”，但该设想中已明确了数字孪生的基本思想，即在虚拟空间构建的数字模型与物理实体交互映射，忠实地描述物理实体全生命周期的运行轨迹。直到2010年，“Digital Twin”一词在美国国家航空航天局的技术报告中被正式提出，并被定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或飞行器仿真过程”。2011年，美国空军探索了数字孪生在飞行器健康管理中的应用，并详细探讨了实施数字孪生的技术挑战。2012年，美国国家航空航天局与美国空军联合发表了关于数字孪生的论文，指出数字孪生是驱动未来飞行器发展的关键技术之一。在接下来的几年中，越来越多的研究将数字孪生应用于航空航天领域，包括机身设计与维修、飞行器能力评估、飞行器故障预测等。
我国数字孪生机场建设相比国外虽然起步晚，但由于中国民航局高度重视、政策引导得力，为数字孪生技术在民航领域的推广应用提供了良好的生长环境。伴随新冠肺炎疫情防控力度的加大、我国新机场建设的发力，数字孪生技术作为新老基建的重要耦合点和支撑力，在“十四五”时期多领域民航强国建设和四型机场发展中，将大有作为。首先，在机场前期规划设计阶段，实现物理机场数字化，协助机场三维模型设计，解决复杂的空间问题；其次，在建设施工管理阶段，构建涉及建设方、监理方、施工单位等主体的建设运营一体化管理系统，实现交付标的物进度安排、质量监管、造价审查的精细化管控和数字化管理；在机场运行维护阶段，数字孪生机场通过大数据挖掘、人工智能以及深度学习等新理论新方法的应用，整合各类数据资源，实现机场运行品质的实时感知和可视化交互，依托数据高阶分析与挖掘服务技术，实现业务瓶颈问题的精准发现，利用仿真模拟技术对运行方案进行智能评估分析、优化运行策略等。
我国民航长期坚持把科技创新和智慧转型作为发展核心驱动与主攻方向，围绕民航智慧发展这条主线，陆续出台了四型机场建设的系列文件，为我国数字孪生机场建设指明了宏观方向。2019年民航局发布《民航局关于促进机场新技术应用的指导意见》，推动包括数字孪生系统在内的新技术应用；随后发布了智慧机场框架下的《机场智慧能源管理系统建设导则》《智慧机场发展研究与实践报告（国际篇）》。2020年1月，民航局发布《中国民航四型机场建设行动纲要（2020-2035年）》，明确了四型机场建设的主要任务，其中包括建设智慧机场。为进一步推动四型机场发展，民航局相继出台了《四型机场建设导则》《推动新型基础设施建设促进民航高质量发展实施意见》《推进新型基础设施建设五年行动方案》等文件，旨在结合民航“十四五”规划中以“安全为底线、智慧民航为主线”的有关要求，积极主动推动行业数字化、智能化、智慧化转型升级。2020年末，民航局成立“民航工程建设标准化技术委员会”，专班研究制定民航建设领域的相关标准，目前委员会已完成《智慧机场数据规范与交互技术指南》与《智慧机场数据关键基础设施技术指南》编制工作，并启动了与智慧相关的系列标准编制工作。2021年4月6日，民航局召开智慧民航建设领导小组第一次会议，会上冯正霖局长指出，智慧民航建设已成为行业高质量发展的主攻方向。数字孪生机场是智慧机场的典型实现路径，要将信息化技术与传统基建有机融合，要以云计算、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。
2017年，中国民航正式提出“智慧机场”概念以来，国内民航机场围绕智慧发展纷纷展开数字化、信息化工作，这些工作为建设数字孪生机场奠定了良好的技术基础。北京首都机场基于“一核两翼”（“一核”是指机场群智慧云平台，“两翼”分别指地域中心的机场群智慧运行体系和垂直一体化的机场群智慧商业服务体系）的智慧机场建设思路，已实现网络安全、云服务、大数据、物联网、地理信息五大基础能力平台，并在智能资源管理、智慧服务、智慧运营、智慧安检等领域推动多个智慧项目落地。广州白云机场智慧化发展以智慧生态、智慧服务、智慧生产、智慧安全、智慧商业为特征，已建成实现覆盖全机场的物联网、云计算中心和大数据中心以及旅客信息数据库。深圳宝安机场全力推进“未来机场”（智慧机场）信息化项目建设，全面、系统地推进大服务、大运行、大安全体系的构建工作，聚焦未来“5个面向”的最佳体验（面向旅客个性化便捷出行服务、面向航企空地无缝保障服务、面向物流可视化集成服务、面向商家数字商城增值服务、面向员工全联接服务），形成机场全面智慧转型的新模式、新样板。鄂州机场创新数字建造理念，依托BIM技术建立了2000多万个构件和4亿多条管理信息，有效推动了机场建设项目设计及工程实施由传统的管理方式向全要素全数字化管理的转变，打造了机场数字施工样板，是国内首个一次性交付实体工程与数字模型的机场项目。
国内部分民航机场及行业内外专业机构充分发挥资源优势，先行实践，在数字孪生领域展开研究工作，目前已取得了一定的应用成果。北京大兴机场通过大数据、云计算、人工智能等先进技术的有机融合，打造了一整套兼容多种客户端的数字孪生系统，主要包括机场地理信息系统、高精度综合定位系统、空侧运行管理系统、机坪车辆管理系统、设施设备维护维修管理系统、工程建设及运营筹备系统等。上海机场集团计划到2022年，初步构建数字孪生机场，实现机场全业务的态势感知及全景可视化，为机场决策层、管理层、运行层和作业层等各层面的应用有效赋能，持续引导机场安全保障、运行效率和服务体验的不断提升。中国民航科学技术研究院主导打造了一套为机场量身定制的数字孪生系统“云镜系统”，映射与反馈飞机在空间坐标上的起降状态、巡航态势、停机坪安全监测，赋予车辆和航行器真实地理空间坐标，打通机场数据，提升信息化管理的应用效果和业务效率。
为了推进民用机场全国统一的数字孪生机场建设，保障数字孪生机场更好更快发展，如何从顶层设计确保数字孪生机场的可持续发展，如何建立行业统一的数字孪生机场的数据标准，以及如何搭建行业统一的数字孪生机场信息平台，如何避免数字孪生机场建设和应用过程中的信息安全风险，都是构建数字孪生机场需要重点解决的问题。
一要构建“三横两纵”顶层架构设计，确保机场建设可持续发展。要结合机场实际需求，积极融合先进的云计算、物联网等技术，建立“物联 互联 智能”的统一云基础设施，依靠全面感知的物联网塑造孪生实体，依靠全面覆盖的互联网搭建数字孪生系统的神经网络，依靠云计算和人工智能等技术建立数字孪生机场的智慧中枢，将机场物理空间的人、物、事件等精准映射到数字孪生机场上，用“三横两纵”顶层架构解决智慧机场埋头建设、短时规划的问题。“三横”包括智慧机场感知层、内核平台层、孪生应用层，“两纵”包括机场运维与安全保障体系、机场运营云标准支撑体系。从机场全生命周期、全物理空间、全业务流程保障机场各服务高效稳定运行、安全性能稳定、公共服务赋能开放共享等，同时考虑到未来业务增长所带来的对数字孪生机场无缝快速扩展的技术要求。在完善的基础设施之上，以高精度、多耦合的机场信息模型作为数字孪生机场架构的核心支撑平台，机场信息模型综合三维地理信息模型、BIM建筑信息模型及IoT智能感知数据，通过加载机场信息模型上的全域数据，在机场系统内汇集交融，实现对机场规划、建设、管理、决策的内在规律的认识，为面向机场区域内的管理者提供一体化、三维可视化、智慧化的综合管理与决策平台，为改善和优化机场管理系统提供全新的手段和方法，为机场智慧化评价指标的空间分布、更新改造方案的科学决策以及停机坪车辆精准管控等提供基础性平台。
二要形成统一的机场数据标准，突破数据壁垒。对于四型机场建设来说，各类机场信息系统数据（旅客数据、行李数据、货邮数据、运行环境数据、生产保障数据、运营资源数据、设施设备数据）和机场运行日志数据需要空间化、数字化到何种程度，才能既满足四型机场建设的需要，又不会造成数据冗余，目前尚缺乏深入系统的研究，相应的标准和规范匮乏问题亟须解决。同时，不同规模机场匹配不同的数字孪生机场大数据平台，通过平台智能建库融合多源异构数据，提升AI类作业效率和平台服务能力，利用开放标准融合区块链技术打破数据壁垒，实现数据服务跨部门共享交换，也是值得注意的问题。统一的机场数据标准，至少可从以数据感知、数据处理、数据共享等三方面入手：打好感知基础设施建设基础，增加标识及感测类物联网垂直应用系统投入，建立感知数据统一接入、统一管理的PASS层物联网平台，从数据源头做好数据发展规划；在标准规范下统一处理感知获取数据，同时建立孪生数据库存储、管理机场数据，减少冗余；建立统一数据交换标准，规范数据格式，实现数据共享，与此同时建立数据使用管理办法，以及数据版权保护规定，各部门间签订数据使用协议，最大限度发挥数据效能。
三要建立统一数字孪生平台，实现全生命周期与全业务管理。运用数字孪生和可视化仿真技术，融合机场智能模型，构建空天地一体化全生命周期信息管理平台，克服现阶段机场业务分割、独立管理的现状问题，将机场单体数据、业务进行融合、集成，秉持一图汇聚数据、一体业务联动、一屏尽览全局、一键智能决策、一网服务共享的一张蓝图绘到底的建设思想，实现智能感知、数据服务、云脑中台、综合管理、综合运营等功能，实现机场实时可视化运营、模拟推演预测、联动指挥，为机场运营管理者提供跨领域、跨业务、全域视角的一体化指挥、决策平台，以全面视野、系统观念统筹推进机场基础设施数字化、开发管理信息化、服务功能专业化和产业发展智能化，提升个性化、精细化、智慧化机场建设与治理水平。
四要建立完备的数字孪生机场信息安全保障体系。近几年，随着信息安全攻击事件数量的不断增加以及攻击技术手段的不断升级，客观上要求机场信息安全保障体系必须具备高度的完备性，即能够有效覆盖从现实世界到数字世界的全部环节，并且尽可能做到无安全漏洞、无安全弱点。为此，确保机场信息安全应重点关注网络安全，不仅要满足业务灵活调度、满足业务高峰等要求，同时，应根据业务的重要程度划分不同的安全区域，不同安全区域之间应采用不同的隔离技术，实现不同安全域的隔离和访问控制；管理和业务平面要部署在不同的网络平面，进行隔离；不同系统的出口要做好入侵防范、恶意代码防范等防护。关注系统安全，包含业务系统软件自身的、与之相关硬件设备的、云基础设施的安全性能力，满足身份鉴别、访问控制、安全审计等各方面要求；可建设统一的安全管理平台和统一运维平台。关注数据安全，要做到确保机场各类数据的安全性与可信性，包含数据安全技术和数据安全规范两部分。其中，数据安全技术是手段，要运用数据安全技术实现数据安全管理及资产化管理；数据安全规范是核心，侧重于指导如何确定数据权属。数据安全技术包括但不限于访问管理、可信防伪、加密解密、数据脱敏等。
围绕目前我国数字孪生机场建设需要解决的问题，从物理感知、数据处理、数据挖掘、资源可视化等方面考虑我国数字孪生机场建设规划，首先要以物理感知为建设前提，其次以数据处理作支撑，并以数据挖掘为核心任务，最终实现机场各种信息的可视化，为智慧机场建设与智慧化运营提供基础平台。
一是以物理感知为建设前提。数字孪生机场的先决条件是感知物理世界，而后才能映射物理实体，实现对物理机场的全流程复制展现。一个机场从宏观建筑结构到微观构成元素，从静态的硬件设备到动态人员、车辆与航空器，涉及的事物众多，如何在虚拟空间中实现高精度模型，需要运用各种感知手段去获取实际物理信息。目前获取基础数据的方法主要有卫星定位、数字传感、视频捕捉以及设计图纸、设计模型等。
二是以数据处理作支撑基础。数字孪生机场通过各种物理感知手段获取到的数据，因采集设备、获取途径、数据格式结构各异，一方面数据标准需要统一，另一方面也需要判断数据是否可靠可用。因此要在标准规范下统一数据处理，分析判断数据的准确性，这将是贯穿数字孪生建设全过程的支撑工作。另外，数字孪生机场的呈现并不是一个静止的状态，而是一个数据不断高速交换的动态过程，数据的准确性和时效性将直接影响数字孪生机场最终的呈现效果。为了保证数据传输的准确性和高效性，需要设备精度、数据处理环境、系统运维等多方面协同实现。
三是以数据挖掘为核心任务。数字孪生机场将传统机场业务，从时间与空间、宏观与局部的不同角度，采集分析汇聚真实物理机场数据，形成一个新的机场数据全集。针对该数据全集，从多角度进行二次数据挖掘与分析，将真正成为智慧机场的核心载体。数据的交互、关联、分析和挖掘使数字孪生机场内容真正丰富并生动起来，能够真正发挥出机场“超级大脑”的作用，为机场运营管理、旅客服务和规划决策提供强有力的支撑。
四是以机场信息可视为终极目标。可视化的友好展示界面是人们感受认知虚拟空间最直观的窗口，直观、易用、美化的可视化界面不仅能够清晰地呈现物理世界的实时变化，而且是快速发现问题、识别问题的有效工具。在完备的数据支撑和地理信息模型的辅助下，通过物联网手段感知对象的状态，实现图形和信息的一体化应用，使抽象的数据具体化、形象化。同时结合VR、AR、全息、组合大屏、宽幅投影等技术，可大幅提升数字孪生机场的可视化效果。
伴随数字孪生理论研究不断深入，其应用领域和应用场景将不断丰富，同时随着5G、物联网等技术的不断革新，可以预见在未来我国机场建设过程中，将围绕机场基础设施建设和全生命周期运营维护，开展数字孪生平台的构建和部署，不断反馈和迭代，建立各类流程和信息的交互和映射，源源不断地获取物理设施的数字信息。相信在不远的将来，数字孪生机场将更多地呈现在民航机场规划、设计、建设、管理等人员面前，极大地促进降本增效，实现我国民航机场的高质量发展。
（作者单位：中国民用航空局机场司）