基于BIM+GIS+IOT的智慧機(jī)場(chǎng)運(yùn)維場(chǎng)景應(yīng)用研究

王旭瀅 喬琪 周星妤

中國(guó)三峽上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200335

1 引言

為滿足民航業(yè)持續(xù)發(fā)展和航空業(yè)務(wù)量高速增長(zhǎng)的需求，中國(guó)民航局提出了以“平安、綠色、智慧、人文”為核心的“四型機(jī)場(chǎng)”建設(shè)要求[1]，四型機(jī)場(chǎng)建設(shè)行動(dòng)綱要（2020—2035年）中提出智慧機(jī)場(chǎng)是生產(chǎn)要素全面物聯(lián)，數(shù)據(jù)共享、協(xié)同高效、智能運(yùn)行的機(jī)場(chǎng)。推進(jìn)數(shù)據(jù)融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)智能化。智慧機(jī)場(chǎng)的建設(shè)不應(yīng)局限于單一應(yīng)用或采用單一技術(shù)，應(yīng)綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等新技術(shù)，收集、融合、統(tǒng)計(jì)和分析各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)輔助決策、資源調(diào)配、預(yù)測(cè)預(yù)警、優(yōu)化控制等功能，支撐工作協(xié)同、精確分析、精準(zhǔn)管控、精細(xì)管理和精心服務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)智慧化運(yùn)行[2]。

目前行業(yè)內(nèi)以BIM+GIS技術(shù)為核心的數(shù)字孿生解決方案，BIM+GIS應(yīng)用及數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)覆蓋工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、竣工及運(yùn)維全生命周期階段，可應(yīng)用于城市交通軌道建設(shè)、工民建建筑建設(shè)、機(jī)場(chǎng)建設(shè)等方向[3][4]。

本文以烏魯木齊機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建工程機(jī)場(chǎng)工程BIM+GIS建設(shè)為例，探究智慧機(jī)場(chǎng)運(yùn)維場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)路徑。以BIM提供機(jī)場(chǎng)工程竣工資產(chǎn)信息，GIS提供地理空間位置信息、物聯(lián)網(wǎng)提供運(yùn)行時(shí)序數(shù)據(jù)，形成宏觀到微觀，全系統(tǒng)、全要素信息覆蓋以及三維可視化場(chǎng)景的深度疊加。通過對(duì)工程資產(chǎn)、時(shí)序數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、地理信息等多源數(shù)據(jù)的融合，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，形成機(jī)場(chǎng)設(shè)施設(shè)備監(jiān)控管理、安全安防、能耗分析等運(yùn)維場(chǎng)景的智慧應(yīng)用。

2 技術(shù)路線

通過創(chuàng)建BIM設(shè)計(jì)階段模型及設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)用提供給施工階段進(jìn)行深化及施工數(shù)字化建造，同時(shí)通過統(tǒng)一編碼關(guān)聯(lián)模型和業(yè)務(wù)應(yīng)用基于BIM的工程建設(shè)管理平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在建設(shè)期結(jié)束時(shí)形成工程竣工資產(chǎn)主數(shù)據(jù)交付平臺(tái)，將工程數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化交付。將BIM竣工資產(chǎn)和GIS模型數(shù)據(jù)進(jìn)行融合形成BIM+GIS一張圖，同時(shí)接入物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集的時(shí)序數(shù)據(jù)及時(shí)空位置數(shù)據(jù)，為運(yùn)維階段各項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及接口。

圖1 BIM+GIS+IOT 機(jī)場(chǎng)運(yùn)維架構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 工程資產(chǎn)數(shù)字化

工程數(shù)字資產(chǎn)可定義為工程從規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)全生命周期過程中形成的可以以電子數(shù)據(jù)形式存在的所有數(shù)字化資產(chǎn)。

烏魯木齊機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建工程通過數(shù)字化建造形成工程數(shù)字資產(chǎn)，全方位挖掘工程全生命周期中的數(shù)字資產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括建筑物、構(gòu)筑物數(shù)字資產(chǎn)、BIM設(shè)施設(shè)備數(shù)字資產(chǎn)、GIS設(shè)施設(shè)備數(shù)字資產(chǎn)、非建模資產(chǎn)，通過將海量的數(shù)字資產(chǎn)盤點(diǎn)、編碼、整合，實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字資產(chǎn)的價(jià)值最大化，支持工程在設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維期間的全鏈條數(shù)據(jù)需求。最終形成資產(chǎn)主數(shù)據(jù)庫(kù)，為后期運(yùn)維管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

3.2 BIM+GIS三維可視化融合

通過BIM+GIS融合，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的機(jī)場(chǎng)BIM+GIS二三維一張圖及高仿真數(shù)字機(jī)場(chǎng)。在宏觀上，基于BIM+GIS融合數(shù)據(jù)、采用WebGL或云渲染技術(shù)，建設(shè)航站區(qū)、飛行區(qū)、配套區(qū)的三維仿真模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)室內(nèi)、室外、地上、地下全方位立體化的三維沉浸式表達(dá)；在微觀上，以BIM模型為信息載體，通過BIM編碼關(guān)聯(lián)集成設(shè)備信息及物聯(lián)網(wǎng)信息，打通智能化設(shè)備的地理空間關(guān)聯(lián)和拓?fù)潢P(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)備的數(shù)字孿生。

3.3 大數(shù)據(jù)分析方法

通過回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、知識(shí)圖譜、運(yùn)籌學(xué)算法、決策樹預(yù)測(cè)等數(shù)學(xué)模型，對(duì)設(shè)備故障、旅客行為進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，優(yōu)化能源資源，提升機(jī)場(chǎng)對(duì)旅客、貨物的服務(wù)保障能力。

4 智慧機(jī)場(chǎng)運(yùn)維場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)

BIM+GIS技術(shù)作為機(jī)場(chǎng)數(shù)字化的重要手段，可以貫穿在機(jī)場(chǎng)工程的全生命周期當(dāng)中，特別是在運(yùn)維階段，通過BIM+GIS與IOT的融合使得BIM+GIS模型對(duì)于數(shù)據(jù)整合的能力得到進(jìn)一步的提升，而生產(chǎn)運(yùn)行平臺(tái)也能夠通過BIM+GIS圖形服務(wù)來實(shí)現(xiàn)可視化仿真場(chǎng)景中數(shù)據(jù)直觀展示。BIM+GIS與IOT等數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用于設(shè)備設(shè)施監(jiān)控管理、能耗管理、安全安防等運(yùn)維場(chǎng)景的展示當(dāng)中。

4.1 設(shè)備設(shè)施監(jiān)控管理

設(shè)備設(shè)施監(jiān)控管理是基于資產(chǎn)主數(shù)據(jù)、時(shí)空位置庫(kù)和運(yùn)行時(shí)序庫(kù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析、運(yùn)籌學(xué)、大數(shù)據(jù)挖掘等數(shù)據(jù)分析方法對(duì)機(jī)場(chǎng)設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控管理。設(shè)備設(shè)施監(jiān)控管理應(yīng)用需要BIM數(shù)據(jù)（幾何+屬性信息）、GIS數(shù)據(jù)、設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)、備品備件數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備位置等數(shù)據(jù)的支撐。各基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)中心不同數(shù)據(jù)庫(kù)匯集后，BIM+GIS通過實(shí)時(shí)發(fā)布地圖服務(wù)，為設(shè)備設(shè)施監(jiān)控管理提供展示底圖；設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)、備品備件數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備位置等時(shí)序、時(shí)空數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)挖掘、最優(yōu)化等數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行臺(tái)賬查詢、維護(hù)維修管理、檢修管理并將其結(jié)果在設(shè)備設(shè)施監(jiān)控管理綜合看板中進(jìn)行集中展示。

(1) 設(shè)備設(shè)施管理視圖

13個(gè)高粱品種的物候期記載詳見表2。從出苗來看，百甜9003、百甜9005、大力士和綠巨人出苗較早，且苗齊苗粗，整齊度好。13個(gè)品種在抽穗期以前生育期相差不大，后期差異較大。整體來看，百甜9006、綠巨人、大力士成熟期較長(zhǎng)，因此整個(gè)生育期最長(zhǎng)，在該區(qū)域均為125 d。百甜9001和百甜9011抽穗早，生育期短，分別為104 d和107 d。

基于時(shí)空位置庫(kù)獲取靜態(tài)設(shè)備和動(dòng)態(tài)設(shè)備的實(shí)時(shí)位置，資產(chǎn)主數(shù)據(jù)獲取設(shè)備設(shè)施幾何信息和屬性信息，運(yùn)行時(shí)序庫(kù)獲取設(shè)備狀態(tài)信息，并在BIM+GIS一張圖中進(jìn)行展示。

(2) 臺(tái)賬查詢

借助資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的BIM模型，可對(duì)機(jī)場(chǎng)設(shè)施設(shè)備實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，清晰了解設(shè)備前世今生。BIM模型承接設(shè)計(jì)、施工階段數(shù)據(jù)，形成完整的設(shè)備臺(tái)賬信息。每個(gè)設(shè)備具備唯一“二維碼身份證”，掃碼即可識(shí)別設(shè)備所有信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隨身攜帶，便于運(yùn)維階段管理。

(3) 維護(hù)維修管理

基于運(yùn)行時(shí)序庫(kù)的機(jī)場(chǎng)設(shè)施設(shè)備維護(hù)維修的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、時(shí)空位置庫(kù)的設(shè)施設(shè)備空間位置，通過數(shù)據(jù)挖掘、運(yùn)籌學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)突發(fā)故障應(yīng)急搶修、機(jī)場(chǎng)設(shè)施設(shè)備故障預(yù)測(cè)預(yù)警、動(dòng)態(tài)運(yùn)維策略研究等關(guān)鍵工作。

(4) 巡檢管理

基于運(yùn)行時(shí)序庫(kù)的機(jī)場(chǎng)設(shè)施設(shè)備巡檢的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、時(shí)空位置庫(kù)的設(shè)施設(shè)備空間位置，通過數(shù)據(jù)挖掘、運(yùn)籌學(xué)方法，為巡視周期、檢修計(jì)劃提供科學(xué)的輔助決策和數(shù)據(jù)支撐。

圖2 設(shè)施設(shè)備監(jiān)控管理綜合看板

4.2 能耗管理

能耗管理應(yīng)用需要BIM數(shù)據(jù)（幾何+屬性信息）、GIS數(shù)據(jù)、水電氣暖生產(chǎn)/消耗數(shù)據(jù)、水電氣暖設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、旅客信息、航班信息等數(shù)據(jù)的支撐。各基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)中心不同數(shù)據(jù)庫(kù)匯集后，BIM+GIS通過實(shí)時(shí)發(fā)布地圖服務(wù)，為能耗管理提供展示底圖；水電氣暖生產(chǎn)/消耗數(shù)據(jù)、水電氣暖設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、旅客信息、航班信息等時(shí)序數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)挖掘、最優(yōu)化等數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行能源消耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)、能效評(píng)估，并將其結(jié)果在能源綜合看板中進(jìn)行集中展示。

基于時(shí)空位置庫(kù)獲取機(jī)場(chǎng)動(dòng)力能源系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施的位置信息，資產(chǎn)主數(shù)據(jù)獲取機(jī)場(chǎng)動(dòng)力能源系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施幾何信息和屬性信息，運(yùn)行時(shí)序庫(kù)獲取設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等，并在BIM+GIS一張圖中進(jìn)行展示，在一個(gè)統(tǒng)一的可視化的平臺(tái)中提供綜合監(jiān)控，便于機(jī)場(chǎng)能源運(yùn)行管理人員監(jiān)控管理，提高機(jī)場(chǎng)能源運(yùn)行管理水平，及能源生產(chǎn)效率，節(jié)能減排，并可輔助機(jī)場(chǎng)運(yùn)行管理人員進(jìn)行應(yīng)急事件調(diào)度指揮決策。

(2) 多維統(tǒng)計(jì)查詢

基于能耗管理數(shù)據(jù)庫(kù)，通過多樣化的統(tǒng)計(jì)展示工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的多維度查詢和統(tǒng)計(jì)。

(3) 智能預(yù)警預(yù)測(cè)

設(shè)置能源消耗預(yù)警值，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)通過生產(chǎn)流程圖、數(shù)據(jù)列表、曲線圖等多種方式展示，并將安全報(bào)警融入其中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的問題，并提供解決方法。

采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，以歷史用能數(shù)據(jù)、航班信息、旅客信息等為基礎(chǔ)，提前預(yù)測(cè)用電負(fù)荷，根據(jù)負(fù)荷的預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合成本、能效，提前安排供能計(jì)劃，合理安排供能組合，以達(dá)到降低能源消費(fèi)成本，降低運(yùn)行能耗。

(4) 能效評(píng)估

通過建立能源消耗效率算法模型對(duì)機(jī)場(chǎng)能源消耗量及其用能系統(tǒng)效率等性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算、分析，提供不同時(shí)期的能效對(duì)比，同行業(yè)其他機(jī)場(chǎng)的能效對(duì)比，定位其能效比所處水平，并可將機(jī)場(chǎng)能源消耗量及其用能效率等能源指標(biāo)以數(shù)據(jù)報(bào)表的形式展示。

結(jié)合能耗計(jì)算分析及實(shí)測(cè)結(jié)果，綜合進(jìn)行測(cè)評(píng)，對(duì)于KPI考核應(yīng)至少包含但不限于以下考核內(nèi)容：建筑總能耗量、分類能耗量、單位建筑面積能耗量、單位建筑面積分類能耗量、單位旅客能耗量。

圖3 能耗管理綜合看板

4.3 安全安防管理

數(shù)據(jù)從資產(chǎn)主數(shù)據(jù)庫(kù)、地理信息庫(kù)、運(yùn)行時(shí)序庫(kù)和時(shí)空位置庫(kù)獲取數(shù)據(jù)，這些庫(kù)的數(shù)據(jù)來源于BIM、GIS模型，以及弱電系統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)安防集成管理平臺(tái)、設(shè)備設(shè)施運(yùn)行管理系統(tǒng)和旅客運(yùn)行管理系統(tǒng)。BIM和GIS的幾何數(shù)據(jù)應(yīng)用于所有的場(chǎng)景，作為數(shù)據(jù)看板的底圖，弱電系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及BIM模型的屬性數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析以及展示。

(1) 安全視圖

安全視圖是對(duì)機(jī)場(chǎng)安防系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和資源進(jìn)行整合，生產(chǎn)數(shù)據(jù)包含監(jiān)控?cái)z像頭數(shù)據(jù)、門禁記錄數(shù)據(jù)、消防監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，安防資源指安全防護(hù)工作中所需的所有資源，包括人力資源、監(jiān)控設(shè)備、門禁設(shè)備、消防設(shè)備、安全應(yīng)急備品備件等。

(2) 安全統(tǒng)計(jì)

基于安全安防數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表統(tǒng)計(jì)，多維展示數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息，從統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)安防隱患，如對(duì)于頻次較多的安防問題重點(diǎn)關(guān)注，作為管理決策的依據(jù)。

(3) 安全報(bào)警

在發(fā)生安全事件或安全隱患時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，并在BIM場(chǎng)景中呈現(xiàn)，安全報(bào)警包括安全設(shè)備的故障報(bào)警、安全事件的報(bào)警、時(shí)間回溯等。

圖4 安全安防綜合看板

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以烏魯木齊機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建工程為例，研究基于建設(shè)期BIM+GIS的數(shù)字資產(chǎn)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)IOT數(shù)據(jù)共同構(gòu)建智慧機(jī)場(chǎng)運(yùn)維場(chǎng)景的實(shí)施路徑。一方面通過數(shù)字化建造形成工程數(shù)字資產(chǎn)；另一方面通過BIM+GIS三維可視化融合為智慧機(jī)場(chǎng)運(yùn)維提供“一張圖”服務(wù)；最后基于BIM、GIS、IOT等數(shù)據(jù)形成大數(shù)據(jù)中心，不斷挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，通過數(shù)據(jù)的智能化分析、處理，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生機(jī)場(chǎng)，助力智慧機(jī)場(chǎng)運(yùn)維。

本文對(duì)BIM+GIS+IOT融合在智慧機(jī)場(chǎng)運(yùn)維場(chǎng)景中的應(yīng)用提出的技術(shù)路線和場(chǎng)景設(shè)想還處于理論研究階段，下一步還需結(jié)合機(jī)場(chǎng)運(yùn)維實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化解決方案。