基于数字孪生的机坪安全预警系统建设研究

2023年12月28日发(作者：宝马mini车图片)

第2期(总第269期）

2021 年 4 月

SHANXI

SCIENCE &No.2

TECHNOLOGY

of

COMMUNICATIONS_______________Apr.山西交通科技

基于数字孪生的机坪安全预警系统建设研究刘仍海(山西航空产业集团有限公司机务工程技术分公司，山西太原 030006)摘要：随着国民经济飞速发展，民用机场运输业务量快速增长，运行保障能力有了较大提

升，但在机场安全管理和保障能力等方面仍存在一些不足。基于数字孪生技术,搭建机坪安全

预警系统，运用多感官交互技术创造深度沉浸式安全体验，有效提高工作人员操作规范化水

平。通过建立全域感知物联体系并搭建安全预警系统，实现了机坪可视化设备监控、智能运维、

数据综合分析、可视化应急联动和安全决策，为机坪的安全监管提供了 一种新的解决思路。

关键词:机坪;数字孪生;安全中图分类号:V351.11 文献标识码:A文章编号：1006-3528 (2021 )02-0103-04在虚拟空间中完成映射，通过虚实交互反馈、数据融

〇引言近年来，随着国民经济飞速发展，我国民用机场

运输业务量持续快速增长，机场数量持续增加、密度

持续加大、规模持续扩大，运行保障能力实现质的飞

跃,但在安全管理、保障能力、运行效率、服务品质和

管理水平等方面仍存在诸多问题亟待解决。机坪是

机场的重要组成部分，是飞机停泊和进行各类维修

的重要场地,是航班正常运行的重要保障。然而，当

前限界内违规闯人、违规作业、超速超时作业、异物

识别等工作多依赖于人工，工作效率低且准确度差；

同时，现存的自动预警系统多为2D页面，无法完全

显示地形、环境、空间结构、位置尺寸、发展趋势及实

时状态等内容。随着人工智能、大数据、5G、物联网

等技术兴起，为安全预警系统建设提供了新的解决

方案[1]。本文提出一种基于数字孪生技术的机坪安全

预警系统，通过建立全域全时段感知物联网体系，实

现机坪的全天候、全覆盖安全预警;建立安全预警系

统实现可视化设备监控、智能运维、数据综合分析、

可视化应急联动和安全决策等功能，有效提高机坪

的安全可靠性及运行管理效率，为机场正常运行保

驾护航。1基于数字孪生的机坪三维模型构建数字孪生是指以数字化方式创建物理实体的多

维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型，收稿日期：2020-12-22;修回日期:2021 -02-01作者简介:刘仍海(1988— ）,男，山西大同人，大学本科，2012年毕业于太原理工大学电气工程及其自动化专业。基金项目：山西交控集团科技项目（20-JKKJ-46)合分析、决策迭代优化等手段，反映物理实体的全生

命周期过程，具备数字标识、同步可视、虚实互动、智

能控制等技术优势121。基于数字孪生技术构建机坪三

维模型，是实现机坪可视化设备监控、智能运维、数

据综合分析、可视化应急联动和安全决策等功能的

载体，是构建安全预警系统的基石。本文采用航空摄影测量技术获取倾斜摄影数

据，结合基础地理数据、BIM、CAD、GIS等多源异构

数据生产L3精度的机坪道路划线，映射绑定真

实地理信息坐标系，构建机坪数字孪生底板。同时，

将物联网感知数据，如雷达、视频、红外感温、风速风

向、能见度等实时在模型平台上快速加载、融合和呈

现，并根据监测数据实现限界内是否有异物、人侵

入，飞机行走轨迹、停放是否合规，发光标志等设备

摆放位置是否准确，路面是否存在石块等内容的实

时监测。最后，通过图形学技术对光源、聚光灯、天光

等多种光源类型实时模拟；根据天气动态数据如云

层高度、风向等，对阴、晴、雨、雪等多种真实天气模

拟;运用动态光追踪距离场阴影技术,实时计算阴影

状态，有效提高数据模拟精度和真实场景渲染效果，

还原物理世界的运行情况。2全域感知设备方案及布设2.1物联感知方案基于机坪监管需求，本文充分利用雷视联动监

?104-山西交通科技2021年第2期测技术可感知多维状态、不受特殊天气影响、监测范

围广、易测速及定位等优势，打破传统视频监控信息

单一、受环境影响、监视区域有限、定位困难等技术

短板，构建如图1所示全域感知物联方案。系统通过

摄像头、雷达、卡口、红外测温仪、能见度测量仪、风

速风向仪等信息采集设备，按协议与网络连接实现

数据的收集、传输和处理，最终通过可视化平台实现

限界内异物、人入侵报警，目标识别、定位与追踪，飞

机行驶及停放位置的精准监测等功能。具体实现步骤如下|5>:a) 实现对对象的属性数据识别、采集和控制。b)

链路层、传输网络层及应用层的协议，实现感知信息

的高效传递。c)

开展感知数据处理技术研究，制定覆盖物理

针对不同类型感知设备开发传输协议接口，

确保各类感知终端设备统一接入。d) 对各类感知设备采集数据进行解析、清洗、预

处理，为设备管理、应用开发提供高质量数据支撑。dm!扩音器

:报料综合安防管理平台智能数据分析系统综合管理平台QI客户端t—32今、云雜智能运维系统>机坪智能监管系统? 交换机可视化

应急指挥系统雷达獅<

I智能手机图1全域感知物联方案2.2感知设备布设本文所述安全预警系统，布设方案如图2所示，

在进入机坪处设置卡口识别进人机坪人员信息并及

时上传做好备案;机坪及跑道周围布设雷视一体机，

通过雷达实时探测人、物等违规闯人活动并引导摄

像头进行抓拍确保飞行安全，基于图像识别技术实

时监测发光标志摆放位置是否准确、跑道路面是否

存在石块等影响飞行安全的异物，通过雷达定位、测

速等功能对特定目标进行范围内连续跟踪，判断飞

机行驶轨迹是否合规；飞机停放区域通过雷达进行

界定并安装红外测温系统实现飞机停放区温度实时监测，当出现飞机违规停放、温度异常时启动声光报

警，并发送消息到相关部门提示人工进行干预;停放

区域安装摄像头对违规作业、超速超时作业进行实

时监测，当出现时启动报警系统并上报相关部门。该

系统具有可靠的实时探测能力，可有效提高整个系

统的安全系数及运行效率，节省人力成本，减少事故

发生，保障航班运行。2.3雷达视频联动技术研究雷达测试性能稳定，对于天气和光照的要求比

较低，穿透力强，体积小，易于安装，且能实时获得动

态目标的相对距离与速度信息，可有效弥补单一视

频监控模式的不足。利用雷达与机器视觉进行多传

感器信息融合，能够提高检测的精确程度，减少视频

处理过程，达到实时分析与预警的效果。雷达视频联

动的原理是通过雷达实时探测目标的位置、速度并

将信息传输至控制系统，当雷达探测到目标出现违

停、超限、禁行段行驶等行为时，发出预警并将拍摄

指令传输给控制系统，控制系统下发指令调整摄像

机角度、焦距等实现违法行为抓拍。具体实现如下161:图2感知设备布设

2021年第2期刘仍海:基于数字孪生的机坪安全预警系统建设研究?105-a) 收集雷达与摄像机的观测数据，对各传感器

项架构内容见表1。对外场设备采集数据、数据库抽

取等数据进行多源异构数据标准化、数据协议解析，

并经数据融合、清洗、计算形成语义数据，再经过数

开展雷达与摄像头数据在时间、空间上的融

据分析处理获取特征化数据，在展示平台形成态势

监控、分析研判、违章取证、可视化显示等。同时，通

联网数据，经过协调融合，最终形成整体的系统架

构，如图3所示。表1系统架构内容内容飞机停放、起飞、落地、维修等全过程监督管理系统、

信息服务系统、监测分析系统、数据交换共享系统企业、地勤人员、飞机等基础数据信息；安全合规量

化评估、统计分析主题数据库飞机停放、起飞、落地、维修等全过程监管服务、信息

服务、横向协同、纵向协同应用支撑平台、主机及存储系统、通信网络系统、信

息安全系统、信息展示系统、数据采集终端系统、数据

分析系统等序号名称123456应用数据业务技术的输出数据进行特征提取与模式识别，将目标按类

别准确关联。b)

c)

合算法研究，建立数据融合模型。检测，建立感知目标状态的信息融合策略，获得准

确、可靠的融合结果。d)

现多目标的关联跟踪。雷达与视频联动系统能够充分利用雷达测速测

距优势，实现对于安全威胁事件如超速、异物入侵等

问题的及时预警、跟踪与取证上报。同时，雷达视频

联动技术能在边缘计算单元及时快速处理异常事

件,减少交通延误，避免二次事故发生，同时高效的

数据分析能力能为决策者提供数据支撑。3系统架构与功能确立目标检测判决准则，实现多传感器目标

过通信网络接入资源服务平台、数据治理平台与互

采用多维特征聚类的目标数据关联算法，实

数据采集系统硬件设施进行最优化布置；主机、存储

系统器、服务器等设备进行集约化管理;管控机房周边布防

空调、消防、防雷等设施与已有在建相关信息系统的关系；与部级相关信息

工程系统的关系;与其他省级部门相关信息系统的关系;与

边界已有或在建数据共享平台的关系本文所述系统从应用、数据、业务、技术、系统布

局以及工程边界6个方面搭建实现机坪安全预警，各数据标准与安全规范系统主要包括可视化设备监控、智能运维、数据 障后，通过短信、声音等方式通知管理人员。综合分析、可视化应急联动等功能，具体如下：c) 数据分析通过图、表等实时更新掌控机坪

a) 可视化监管三维数字化全景展示实现机坪

运行状态;实现设备及人员管理、历史数据查询、记

多维度观测和全量数据分析，掌握机坪运行规律;三

维可视化视频监控，360°无死角监测监控，全域立

体感知;通过对人、机、物多维度、全方面感知，包括

目标飞机与人脸识别、人群监测、轨迹跟踪、异常检

测、消防联动等，实现对机坪等公共安全风险的及时

识别。b)

录回放、违章信息统计、报警信息统计及查询、飞机

行为分析等功能。d) 可视化应急联动通过三维模拟，真实重现

事故现场，并据此制定解决方案;通过三维虚拟系统

结合现场视频实现全域协调联动,综合展示声音、文

字、图像、数据信息。智能运维监控系统设备、服务器及网络状

e) 科学决策对机坪发展态势提前推演预判，

以数据驱动决策，以仿真验证决策，线上线下虚实迭

代，促使资源和能力最优配置，机坪最优化运行。态，便于及时报警和维修;根据系统轮巡方案，对前

端视频、雷达等设备进行检测分析，当监测到设备故

?106.山西交通科技2021年第2期4结论本文提出了一种基于数字孪生技术的机坪安全

参考文献：[1]田以丹.乘着“新基建”东风助力智慧机场升级[N].中国民

航报，2020-06-22(5).[21郑伟皓，周星宇,吴虹坪，等.基于三维GIS技术的公路交

通数字孪生系统U].计算机集成制造系统,2020,26(1):

28-39.[3]

[4]

析[J].网信军民融合,2019(2):60-63.刘慧敏.智慧机场的建设管理——预警系统建设方法，开展了基于数字孪生的机坪三

维模型构建与雷达视频联动技术研究，并提出一种

全域感知设备布设方案，实现了限界内异物、人人侵

报警，目标识别、定位与追踪，飞机行驶及停放位置

的精准监测。最后,构建了安全预警系统，具有可视

耿建光，姚磊，闫红军.数字孪生概念、模型及其应用浅

浅析BIM技术在机场

化监管、智能运维、数据分析、可视化应急联动及科

建设管理中的应用[J].江苏航空，2020( 2): 37-38.学决策等功能。本文所述系统，可有效提升机坪运营

[51王顺.基于物联网的高速公路车辆运行监控系统的研

管理的安全、智慧化能力，提升山西省民航产业的数

究[J].黑龙江交通科技，2015,38( 8): 194.字化水平。[6]黄海.视频与雷达数据融合在围界人侵报警的应用探

讨[J].智能建筑与智慧城市,2019(6) :uction Study on Apron Safety Early

Warning System Based on Digital TwinLIU Reng-hai(Aircraft Maintenance Technology Branch of

Shanxi Aviation Industry Group Co.,Ltd., Taiyuan, Shanxi 030006, China)Abstract：

While the civil airport transportation business has rapidly developed and the operation support

capacity has greatly improved, there still exists shortages in the safety management and support capacity of the

airport. Based on the digital twin technology, the apron safety early warning system was established. The multi-

sensory interaction technology is used to create deep immersive safety experience, which can effectively upgrade

the operation standard level for staff. The establishment of the global perceptual object connection system and

safety early warning system realized the apron visual equipment monitoring, intelligent operation and maintenance,

comprehensive data analysis, visual emergency linkage and safety decision-making. This system provides a new

solution for apron safety words:

apron; digital twin; safety