王旭瀅 喬琪 周星妤

中國三峽上海勘測設計研究院有限公司 上海 200335

1 引言

為滿足民航業(yè)持續(xù)發(fā)展和航空業(yè)務量高速增長的需求，中國民航局提出了以“平安、綠色、智慧、人文”為核心的“四型機場”建設要求[1]，四型機場建設行動綱要（2020—2035年）中提出智慧機場是生產(chǎn)要素全面物聯(lián)，數(shù)據(jù)共享、協(xié)同高效、智能運行的機場。推進數(shù)據(jù)融合應用，實現(xiàn)智能化。智慧機場的建設不應局限于單一應用或采用單一技術，應綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等新技術，收集、融合、統(tǒng)計和分析各類數(shù)據(jù)，實現(xiàn)輔助決策、資源調(diào)配、預測預警、優(yōu)化控制等功能，支撐工作協(xié)同、精確分析、精準管控、精細管理和精心服務，最終實現(xiàn)機場智慧化運行[2]。

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

本文以烏魯木齊機場改擴建工程機場工程BIM+GIS建設為例，探究智慧機場運維場景的實現(xiàn)路徑。以BIM提供機場工程竣工資產(chǎn)信息，GIS提供地理空間位置信息、物聯(lián)網(wǎng)提供運行時序數(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景的深度疊加。通過對工程資產(chǎn)、時序數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、地理信息等多源數(shù)據(jù)的融合，結合大數(shù)據(jù)分析技術，形成機場設施設備監(jiān)控管理、安全安防、能耗分析等運維場景的智慧應用。

2 技術路線

通過創(chuàng)建BIM設計階段模型及設計優(yōu)化應用提供給施工階段進行深化及施工數(shù)字化建造，同時通過統(tǒng)一編碼關聯(lián)模型和業(yè)務應用基于BIM的工程建設管理平臺上進行數(shù)據(jù)采集，在建設期結束時形成工程竣工資產(chǎn)主數(shù)據(jù)交付平臺，將工程數(shù)據(jù)進行數(shù)字化交付。將BIM竣工資產(chǎn)和GIS模型數(shù)據(jù)進行融合形成BIM+GIS一張圖，同時接入物聯(lián)網(wǎng)設備采集的時序數(shù)據(jù)及時空位置數(shù)據(jù)，為運維階段各項業(yè)務應用提供基礎數(shù)據(jù)及接口。

圖1 BIM+GIS+IOT 機場運維架構

3 關鍵技術

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)劃設計、施工建設和運行維護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)。

烏魯木齊機場改擴建工程通過數(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、構筑物數(shù)字資產(chǎn)、BIM設施設備數(shù)字資產(chǎn)、GIS設施設備數(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、編碼、整合，實現(xiàn)工程數(shù)字資產(chǎn)的價值最大化，支持工程在設計、建設、運維期間的全鏈條數(shù)據(jù)需求。最終形成資產(chǎn)主數(shù)據(jù)庫，為后期運維管理提供基礎數(shù)據(jù)服務。

3.2 BIM+GIS三維可視化融合

通過BIM+GIS融合，建設標準統(tǒng)一的機場BIM+GIS二三維一張圖及高仿真數(shù)字機場。在宏觀上，基于BIM+GIS融合數(shù)據(jù)、采用WebGL或云渲染技術，建設航站區(qū)、飛行區(qū)、配套區(qū)的三維仿真模型，實現(xiàn)對機場室內(nèi)、室外、地上、地下全方位立體化的三維沉浸式表達；在微觀上，以BIM模型為信息載體，通過BIM編碼關聯(lián)集成設備信息及物聯(lián)網(wǎng)信息，打通智能化設備的地理空間關聯(lián)和拓撲關聯(lián)，實現(xiàn)智能化設備的數(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)絡算法、知識圖譜、運籌學算法、決策樹預測等數(shù)學模型，對設備故障、旅客行為進行分析預測，優(yōu)化能源資源，提升機場對旅客、貨物的服務保障能力。

4 智慧機場運維場景實現(xiàn)

BIM+GIS技術作為機場數(shù)字化的重要手段，可以貫穿在機場工程的全生命周期當中，特別是在運維階段，通過BIM+GIS與IOT的融合使得BIM+GIS模型對于數(shù)據(jù)整合的能力得到進一步的提升，而生產(chǎn)運行平臺也能夠通過BIM+GIS圖形服務來實現(xiàn)可視化仿真場景中數(shù)據(jù)直觀展示。BIM+GIS與IOT等數(shù)據(jù)的融合應用于設備設施監(jiān)控管理、能耗管理、安全安防等運維場景的展示當中。

4.1 設備設施監(jiān)控管理

設備設施監(jiān)控管理是基于資產(chǎn)主數(shù)據(jù)、時空位置庫和運行時序庫，運用統(tǒng)計分析、運籌學、大數(shù)據(jù)挖掘等數(shù)據(jù)分析方法對機場設備設施的運行狀態(tài)進行監(jiān)控管理。設備設施監(jiān)控管理應用需要BIM數(shù)據(jù)（幾何+屬性信息）、GIS數(shù)據(jù)、設備臺賬數(shù)據(jù)、備品備件數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、設備運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、設備位置等數(shù)據(jù)的支撐。各基礎數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)中心不同數(shù)據(jù)庫匯集后，BIM+GIS通過實時發(fā)布地圖服務，為設備設施監(jiān)控管理提供展示底圖；設備臺賬數(shù)據(jù)、備品備件數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、設備運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、設備位置等時序、時空數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)挖掘、最優(yōu)化等數(shù)據(jù)分析方法進行臺賬查詢、維護維修管理、檢修管理并將其結果在設備設施監(jiān)控管理綜合看板中進行集中展示。

(1) 設備設施管理視圖

13個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，因此整個生育期最長，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。

基于時空位置庫獲取靜態(tài)設備和動態(tài)設備的實時位置，資產(chǎn)主數(shù)據(jù)獲取設備設施幾何信息和屬性信息，運行時序庫獲取設備狀態(tài)信息，并在BIM+GIS一張圖中進行展示。

(2) 臺賬查詢

借助資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫中的BIM模型，可對機場設施設備實現(xiàn)精細化管理，清晰了解設備前世今生。BIM模型承接設計、施工階段數(shù)據(jù)，形成完整的設備臺賬信息。每個設備具備唯一“二維碼身份證”，掃碼即可識別設備所有信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)隨身攜帶，便于運維階段管理。

(3) 維護維修管理

基于運行時序庫的機場設施設備維護維修的業(yè)務現(xiàn)狀、歷史運行數(shù)據(jù)、時空位置庫的設施設備空間位置，通過數(shù)據(jù)挖掘、運籌學方法，實現(xiàn)突發(fā)故障應急搶修、機場設施設備故障預測預警、動態(tài)運維策略研究等關鍵工作。

(4) 巡檢管理

基于運行時序庫的機場設施設備巡檢的業(yè)務現(xiàn)狀、歷史運行數(shù)據(jù)、時空位置庫的設施設備空間位置，通過數(shù)據(jù)挖掘、運籌學方法，為巡視周期、檢修計劃提供科學的輔助決策和數(shù)據(jù)支撐。

圖2 設施設備監(jiān)控管理綜合看板

4.2 能耗管理

能耗管理應用需要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)、水電氣暖設備實時運行狀態(tài)、旅客信息、航班信息等數(shù)據(jù)的支撐。各基礎數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)中心不同數(shù)據(jù)庫匯集后，BIM+GIS通過實時發(fā)布地圖服務，為能耗管理提供展示底圖；水電氣暖生產(chǎn)/消耗數(shù)據(jù)、水電氣暖設備實時運行狀態(tài)、旅客信息、航班信息等時序數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)挖掘、最優(yōu)化等數(shù)據(jù)分析方法進行能源消耗實時監(jiān)測、預警預報、能效評估，并將其結果在能源綜合看板中進行集中展示。

基于時空位置庫獲取機場動力能源系統(tǒng)設備設施的位置信息，資產(chǎn)主數(shù)據(jù)獲取機場動力能源系統(tǒng)設備設施幾何信息和屬性信息，運行時序庫獲取設備實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、實時測量數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等，并在BIM+GIS一張圖中進行展示，在一個統(tǒng)一的可視化的平臺中提供綜合監(jiān)控，便于機場能源運行管理人員監(jiān)控管理，提高機場能源運行管理水平，及能源生產(chǎn)效率，節(jié)能減排，并可輔助機場運行管理人員進行應急事件調(diào)度指揮決策。

(2) 多維統(tǒng)計查詢

基于能耗管理數(shù)據(jù)庫，通過多樣化的統(tǒng)計展示工具，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的多維度查詢和統(tǒng)計。

(3) 智能預警預測

設置能源消耗預警值，對采集到的數(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，并將安全報警融入其中，及時發(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，以歷史用能數(shù)據(jù)、航班信息、旅客信息等為基礎，提前預測用電負荷，根據(jù)負荷的預測結果，結合成本、能效，提前安排供能計劃，合理安排供能組合，以達到降低能源消費成本，降低運行能耗。

(4) 能效評估

通過建立能源消耗效率算法模型對機場能源消耗量及其用能系統(tǒng)效率等性能指標進行計算、分析，提供不同時期的能效對比，同行業(yè)其他機場的能效對比，定位其能效比所處水平，并可將機場能源消耗量及其用能效率等能源指標以數(shù)據(jù)報表的形式展示。

結合能耗計算分析及實測結果，綜合進行測評，對于KPI考核應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、地理信息庫、運行時序庫和時空位置庫獲取數(shù)據(jù)，這些庫的數(shù)據(jù)來源于BIM、GIS模型，以及弱電系統(tǒng)的機場安防集成管理平臺、設備設施運行管理系統(tǒng)和旅客運行管理系統(tǒng)。BIM和GIS的幾何數(shù)據(jù)應用于所有的場景，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、分析以及展示。

(1) 安全視圖

安全視圖是對機場安防系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和資源進行整合，生產(chǎn)數(shù)據(jù)包含監(jiān)控攝像頭數(shù)據(jù)、門禁記錄數(shù)據(jù)、消防監(jiān)測數(shù)據(jù)等，安防資源指安全防護工作中所需的所有資源，包括人力資源、監(jiān)控設備、門禁設備、消防設備、安全應急備品備件等。

(2) 安全統(tǒng)計

基于安全安防數(shù)據(jù)進行圖表統(tǒng)計，多維展示數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息，從統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)安防隱患，如對于頻次較多的安防問題重點關注，作為管理決策的依據(jù)。

(3) 安全報警

在發(fā)生安全事件或安全隱患時，系統(tǒng)進行報警，并在BIM場景中呈現(xiàn)，安全報警包括安全設備的故障報警、安全事件的報警、時間回溯等。

圖4 安全安防綜合看板

5 結束語

本文以烏魯木齊機場改擴建工程為例，研究基于建設期BIM+GIS的數(shù)字資產(chǎn)結合物聯(lián)網(wǎng)IOT數(shù)據(jù)共同構建智慧機場運維場景的實施路徑。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場運維提供“一張圖”服務；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)價值，通過數(shù)據(jù)的智能化分析、處理，最終實現(xiàn)數(shù)字孿生機場，助力智慧機場運維。

本文對BIM+GIS+IOT融合在智慧機場運維場景中的應用提出的技術路線和場景設想還處于理論研究階段，下一步還需結合機場運維實踐經(jīng)驗進一步優(yōu)化解決方案。