基于數字孿生的機坪安全預警系統建設研究

劉仍海

（山西航空產業集團有限公司 機務工程技術分公司，山西 太原 030006）

0 引言

近年來，隨著國民經濟飛速發展，我國民用機場運輸業務量持續快速增長，機場數量持續增加、密度持續加大、規模持續擴大，運行保障能力實現質的飛躍，但在安全管理、保障能力、運行效率、服務品質和管理水平等方面仍存在諸多問題亟待解決。機坪是機場的重要組成部分，是飛機停泊和進行各類維修的重要場地，是航班正常運行的重要保障。然而，當前限界內違規闖入、違規作業、超速超時作業、異物識別等工作多依賴于人工，工作效率低且準確度差；同時，現存的自動預警系統多為2D頁面，無法完全顯示地形、環境、空間結構、位置尺寸、發展趨勢及實時狀態等內容。隨著人工智能、大數據、5G、物聯網等技術興起，為安全預警系統建設提供了新的解決方案[1]。本文提出一種基于數字孿生技術的機坪安全預警系統，通過建立全域全時段感知物聯網體系，實現機坪的全天候、全覆蓋安全預警；建立安全預警系統實現可視化設備監控、智能運維、數據綜合分析、可視化應急聯動和安全決策等功能，有效提高機坪的安全可靠性及運行管理效率，為機場正常運行保駕護航。

1 基于數字孿生的機坪三維模型構建

數字孿生是指以數字化方式創建物理實體的多維、多時空尺度、多學科、多物理量的動態虛擬模型，在虛擬空間中完成映射，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，反映物理實體的全生命周期過程，具備數字標識、同步可視、虛實互動、智能控制等技術優勢[2]?；跀底謱\生技術構建機坪三維模型，是實現機坪可視化設備監控、智能運維、數據綜合分析、可視化應急聯動和安全決策等功能的載體，是構建安全預警系統的基石。

本文采用航空攝影測量技術獲取傾斜攝影數據，結合基礎地理數據、BIM、CAD、GIS等多源異構數據[3-4]，生產L3精度的機坪道路劃線，映射綁定真實地理信息坐標系，構建機坪數字孿生底板。同時，將物聯網感知數據，如雷達、視頻、紅外感溫、風速風向、能見度等實時在模型平臺上快速加載、融合和呈現，并根據監測數據實現限界內是否有異物、人侵入，飛機行走軌跡、停放是否合規，發光標志等設備擺放位置是否準確，路面是否存在石塊等內容的實時監測。最后，通過圖形學技術對光源、聚光燈、天光等多種光源類型實時模擬；根據天氣動態數據如云層高度、風向等，對陰、晴、雨、雪等多種真實天氣模擬；運用動態光追蹤距離場陰影技術，實時計算陰影狀態，有效提高數據模擬精度和真實場景渲染效果，還原物理世界的運行情況。

2 全域感知設備方案及布設

2.1 物聯感知方案

基于機坪監管需求，本文充分利用雷視聯動監測技術可感知多維狀態、不受特殊天氣影響、監測范圍廣、易測速及定位等優勢，打破傳統視頻監控信息單一、受環境影響、監視區域有限、定位困難等技術短板，構建如圖1所示全域感知物聯方案。系統通過攝像頭、雷達、卡口、紅外測溫儀、能見度測量儀、風速風向儀等信息采集設備，按協議與網絡連接實現數據的收集、傳輸和處理，最終通過可視化平臺實現限界內異物、人入侵報警，目標識別、定位與追蹤，飛機行駛及停放位置的精準監測等功能。具體實現步驟如下[5]：

圖1 全域感知物聯方案

a）實現對對象的屬性數據識別、采集和控制。

b）開展感知數據處理技術研究，制定覆蓋物理鏈路層、傳輸網絡層及應用層的協議，實現感知信息的高效傳遞。

c）針對不同類型感知設備開發傳輸協議接口，確保各類感知終端設備統一接入。

d）對各類感知設備采集數據進行解析、清洗、預處理，為設備管理、應用開發提供高質量數據支撐。

2.2 感知設備布設

本文所述安全預警系統，布設方案如圖2所示，在進入機坪處設置卡口識別進入機坪人員信息并及時上傳做好備案；機坪及跑道周圍布設雷視一體機，通過雷達實時探測人、物等違規闖入活動并引導攝像頭進行抓拍確保飛行安全，基于圖像識別技術實時監測發光標志擺放位置是否準確、跑道路面是否存在石塊等影響飛行安全的異物，通過雷達定位、測速等功能對特定目標進行范圍內連續跟蹤，判斷飛機行駛軌跡是否合規；飛機停放區域通過雷達進行界定并安裝紅外測溫系統實現飛機停放區溫度實時監測，當出現飛機違規停放、溫度異常時啟動聲光報警，并發送消息到相關部門提示人工進行干預；停放區域安裝攝像頭對違規作業、超速超時作業進行實時監測，當出現時啟動報警系統并上報相關部門。該系統具有可靠的實時探測能力，可有效提高整個系統的安全系數及運行效率，節省人力成本，減少事故發生，保障航班運行。

圖2 感知設備布設

2.3 雷達視頻聯動技術研究

雷達測試性能穩定，對于天氣和光照的要求比較低，穿透力強，體積小，易于安裝，且能實時獲得動態目標的相對距離與速度信息，可有效彌補單一視頻監控模式的不足。利用雷達與機器視覺進行多傳感器信息融合，能夠提高檢測的精確程度，減少視頻處理過程，達到實時分析與預警的效果。雷達視頻聯動的原理是通過雷達實時探測目標的位置、速度并將信息傳輸至控制系統，當雷達探測到目標出現違停、超限、禁行段行駛等行為時，發出預警并將拍攝指令傳輸給控制系統，控制系統下發指令調整攝像機角度、焦距等實現違法行為抓拍。具體實現如下[6]：

a）收集雷達與攝像機的觀測數據，對各傳感器的輸出數據進行特征提取與模式識別，將目標按類別準確關聯。

b）開展雷達與攝像頭數據在時間、空間上的融合算法研究，建立數據融合模型。

c）確立目標檢測判決準則，實現多傳感器目標檢測，建立感知目標狀態的信息融合策略，獲得準確、可靠的融合結果。

d）采用多維特征聚類的目標數據關聯算法，實現多目標的關聯跟蹤。

雷達與視頻聯動系統能夠充分利用雷達測速測距優勢，實現對于安全威脅事件如超速、異物入侵等問題的及時預警、跟蹤與取證上報。同時，雷達視頻聯動技術能在邊緣計算單元及時快速處理異常事件，減少交通延誤，避免二次事故發生，同時高效的數據分析能力能為決策者提供數據支撐。

3 系統架構與功能

本文所述系統從應用、數據、業務、技術、系統布局以及工程邊界6個方面搭建實現機坪安全預警，各項架構內容見表1。對外場設備采集數據、數據庫抽取等數據進行多源異構數據標準化、數據協議解析，并經數據融合、清洗、計算形成語義數據，再經過數據分析處理獲取特征化數據，在展示平臺形成態勢監控、分析研判、違章取證、可視化顯示等。同時，通過通信網絡接入資源服務平臺、數據治理平臺與互聯網數據，經過協調融合，最終形成整體的系統架構，如圖3所示。

表1 系統架構內容

圖3 系統架構圖

系統主要包括可視化設備監控、智能運維、數據綜合分析、可視化應急聯動等功能，具體如下：

a）可視化監管 三維數字化全景展示實現機坪多維度觀測和全量數據分析，掌握機坪運行規律；三維可視化視頻監控，360°無死角監測監控，全域立體感知；通過對人、機、物多維度、全方面感知，包括目標飛機與人臉識別、人群監測、軌跡跟蹤、異常檢測、消防聯動等，實現對機坪等公共安全風險的及時識別。

b）智能運維 監控系統設備、服務器及網絡狀態，便于及時報警和維修；根據系統輪巡方案，對前端視頻、雷達等設備進行檢測分析，當監測到設備故障后，通過短信、聲音等方式通知管理人員。

c）數據分析 通過圖、表等實時更新掌控機坪運行狀態；實現設備及人員管理、歷史數據查詢、記錄回放、違章信息統計、報警信息統計及查詢、飛機行為分析等功能。

d）可視化應急聯動 通過三維模擬，真實重現事故現場，并據此制定解決方案；通過三維虛擬系統結合現場視頻實現全域協調聯動，綜合展示聲音、文字、圖像、數據信息。

e）科學決策 對機坪發展態勢提前推演預判，以數據驅動決策，以仿真驗證決策，線上線下虛實迭代，促使資源和能力最優配置，機坪最優化運行。

4 結論

本文提出了一種基于數字孿生技術的機坪安全預警系統建設方法，開展了基于數字孿生的機坪三維模型構建與雷達視頻聯動技術研究，并提出一種全域感知設備布設方案，實現了限界內異物、人入侵報警，目標識別、定位與追蹤，飛機行駛及停放位置的精準監測。最后，構建了安全預警系統，具有可視化監管、智能運維、數據分析、可視化應急聯動及科學決策等功能。本文所述系統，可有效提升機坪運營管理的安全、智慧化能力，提升山西省民航產業的數字化水平。