中國民航信息網絡股份有限公司
杜曉銘、吳啟彪、浦黎
一、項目背景
數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數字孿生是一種超越現實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統的數字映射系統。[1]
隨著四型機場建設的不斷深入，目前很多機場在完善信息化的基礎上，正在往智能化機場邁進。由信息化到智能化，數字化轉型是必經之路，而數字孿生就是數字化轉型的高級階段。數字孿生機場是通過 GIS/BIM系統、物聯網、云平臺、移動互聯、AI等技術組合，利用歷史數據、實時數據以及算法模型等，模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程，以數字化方式實現機場合約、業務流程、系統設備等生產資料全要素由物理空間（Physical）向信息空間（Cyber）轉型虛擬實體。在數字孿生機場構建過程中，主要面臨以下問題：
（1）利用多源異構數據融合技術解決實時監控
（2）機場業務模型管理和智能算法復用
（3）基于實時數據進行全方位仿真預測
（4）機場數據和業務賦能平臺與業務場景融合問題
（5）機場數字孿生智能協同平臺建設問題
為充分挖掘數據價值、賦能智慧機場，本方案從數據融合、業務優化、智能算法、技術創新等角度，探索機場合約、業務流程、系統設備等生產資料全要素管理，以可視化為紐帶，實現空側、陸側一體化管理，進一步強化串聯機場飛行區、航站樓各功能區域、各業務部門、各業務流程的信息共享與服務貫通，從整體上優化機場業務流程，促進運行模式、服務模式、管理模式創新，實現容量提升、高效運行、真情服務，逐步建立以旅客為中心的四型機場協同發展的未來機場頂層設計和項目落地整體規劃，為搭建樞紐機場和機場集團智慧機場信息平臺，初步實現智慧機場信息化建設的能力沉下去、效率提上來的建設目標，讓行業大數據變成活數據，實現智慧機場數字孿生，實現數據賦能智慧機場。
二、總體思路和解決方案
（一）系統總體思路
全時空、全要素數據感知，全周期、全崗位運管可視，全流程、全鏈條業務模型，全方位、全場景仿真預測是智慧機場數字孿生的基本特征，通過數據賦能，構建以物聯網為基礎的多源數據匯集網絡，統籌物理世界感知體系，實現數據整合與共享。通過平臺賦能，構筑機場智慧中臺能力，以中臺為信息底座，實現數字機場、物理機場鏡像運行。通過模型演進，將人工智能的研究方法與機場運行的物理模型、數據模型、規則模型，旅客服務行為模型的預測、規劃、管理相融合，建構數字孿生機場，并最終實現數字機場對物理機場的數智化管理。為實現上述目標，本項目整合機場運營關鍵要素，建設統籌感知體系，形成飛行區、航站區、空中全域覆蓋、動靜結合、智能全聯接的機場未來的神經中樞。系統架構圖見圖1：
基礎支撐層：屏蔽掉運行環境和開發環境的技術細節，為前端應用提供簡單一致、易于使用的能力接口、接入規范、治理規范，形成開放服務體系，為機場的數據、服務、應用和能力提供可視、可管、可控的統一管理平臺。
數據交互層：以數據中臺為底座，聚焦業務數據化，協助機場建立規范的數據治理體系，接入機場“旅客流、飛機流、物流、車流、財物流”等數據資產，建立一致性的數據規范與統一的模型容器，建立數據湖、專題庫、數據域和主題庫，提供快捷高效的數據服務，確保數據一致性�；诤叫咆S富的業務實踐，協助機場從數據治理、系統治理相結合的角度，全面提升機場數據質量，改善數據與業務“形合神離”的行業痛點。
孿生構建層：圍繞機場物理空間，航班流、旅客流、行李流核心業務流程，放行時隙、保障人員、跑道、機位、安檢口等關鍵資源模型維護，支持動態實時數據輸入，實現動態仿真，并支持仿真結果賦能前端業務。
應用生態層：提供數據互聯、流程銜接、服務貫通、業務協同的協同、智能、互聯、可視、個性、精細的智慧機場整體方案。
用戶呈現層：基于微服務架構，提供一個網頁、一個APP、一塊屏的應用融合界面。
圖1 數字孿生整體架構
（二）解決方案
中國航信智慧機場數字孿生全要素管理平臺有以下要素組成：一張泛在接入網、一個機場中臺、一個機場全域全要素數字化管理平臺、一張運行管理圖、一個跨平臺APP。
泛在接入網是基礎支撐層，是機場云平臺、ITC管理體系，用于機場多源數據采集（如物聯網、視頻分析、高清定位、人工上報等采集手段）以及向網絡端發送。
機場中臺是數據交互層和技術支撐層，實現孿生機場的數據治理、通用模型構建、共性能力抽取等基礎賦能。機場中臺是中國航信為響應民航機場信息系統整體規劃，避免煙囪式和單體式架構設計的重復建設，實現全場一張網的發展要求，打造的基于機場本場的信息集成和業務支撐，兼具算法賦能，并以服務的方式提供共享能力的平臺產品。平臺為機場打造內外部系統之間通暢的信息交互渠道，使各類不同的業務系統以統一、標準的方式進行數據交互和業務協同，支撐各種新的業務功能需求和流程。
●技術中臺
基于云原生技術打造開放式技術中臺，提供個性化應用開發和靈活配置，為業務提供體系化的通用技術底座。
●數字中臺
數據中臺對航班，旅客，行李，貨運，機場運營等民航領域的全時空數據進行標準數據治理，構建基于行業的數據標準體系。
●業務中臺
業務中臺實現全國機場的業務云化互通，有效將機場運行指揮和旅客服務業務進行合理的抽象和沉淀形成原子化服務，通過服務編排能力快速孵化支撐新的業務場景，將航信全域的數據優勢轉化為場景化的能力優勢。
●能力中臺
以SaaS云服務、H5、小程序、SDK、API等多樣化的形式給機場產品和業務場景賦能，減少不同業務場景中相同業務模塊的重復建設，加速創新，以多樣化的方式助力機場業務數字化。
●移動中臺
跨平臺APM采取業務組件化+跨平臺模式，為組件化架構的服務端支撐,負責組件庫迭代,賬戶權限同步,以及APP權限樹的動態配置和監控，一次組件開發,適配多個系統,各層級接口隔離,支持跨平臺快速開發，實現機場APP融合發展。
機場全域全要素數字化管理平臺是數字孿生體的核心，是數字孿生的業務應用層和模擬仿真層，包括以下組成：
●機場運營全景視圖
基于機場基礎設施泛在聯網，以機場運營可視化為基礎，實現飛行區、航站樓，乃至公共區、貨運區的合約（如各個組織的職責、組織的管理體系和機制等）、流程（如航空器流程、旅客流程、行李流程等）、資產（如設備、系統等）一體化、智能化、可視化管理，生各業務板塊在預測、主動服務、協同運作等方面達到智能化水平。機場大屏、PC端、移動APP多屏互動示意圖見圖2。
圖2 一塊屏、一個網頁、一個APP的機場運營全景視圖
●空地一體化子系統
本模塊以A-CDM為基礎，實現與空管系統的融合，將機場、空管、航空公司、地服公司等相關方的信息集成至機場中臺，打造涵蓋A-CDM、AODB、地面保障、可視化管理、旅客服務的一體化產品方案，實現空側航班運行、陸側旅客服務數據貫通、場景融合、流程銜接、業務協同，更靈活適配機場運行模式、服務模式、管理模式變革。在滿足A-CDM行業規范的前提下，通過機場中臺、移動中臺合理架構設計和技術選型，實現數據共享、地面服務里程碑監控、運營監管、協同決策以及手持終端、使用智能機位分配、計算可變滑行時間、保障能力動態調整、離港推出排序建議等新算法來提升精細化管控要求，提前發現問題，協調不合理情況，將資源更有效的調配，使保障效率增高，準確性增強，事先發現并解決問題，踐行民航未來機場發展理念，提高機場運行智能化，實現空地一體的運行模式。
●樓坪一體化模塊
態勢感知、運行管理、協同協作、決策支持為核心，實現航站樓內各單位“數據協同”、“業務協同”和“決策協同”，從而達到提升機場航站樓運行保障能力、跨部門協作能力、安全能力、旅客服務能力的目標。為高質量的航站樓服務提供重要保障，為航站樓運營的智能化、專業化、精細化提供有力支撐，可極大提升機場航站樓運行品質和服務水平。在此基礎上，通過獲得旅客時空分布數據與歷史分布規律，對旅客到達規律預測登機完成時間，從而進一步提高對TOBT的預測。機場機坪、航站樓一體化建模設計圖見圖2.
圖3 樓坪一體化
●飛行區管理子系統
滿足機場飛行區管理需求，提升飛行區空防安全的裕度，實現飛行 區日常運行的標準化建設，為機場飛行區風險管控及管理品質提升，提供數據支撐。從 “安全，管理，高效”入手，最終實現飛行區的全流程、全場景、全要素的數據展示；
基于“統一監管+實時查看+數據分析”的管理機制，為飛行區管理部和各駐場單位、機
坪作業員工搭建聯系通道，協調解決各類生產運行請求，并對各業務模塊生產信息進行 科學化統計，實現飛行區標準化、精細化、智能化管理。飛行區管理設計圖見圖4.
