基于数字孪生技术的飞行区运行架构

基于数字孪生技术的飞行区运行架构

郝强

巴彦淖尔市水利事业服务中心  内蒙古巴彦淖尔市015000

摘要：随着人们对飞行安全需求的不断增加以及数字孪生概念和技术在公路和铁路运输、制造业、服务业、航空航天、智慧城市等领域的广泛应用，数字孪生飞行区将成为未来智慧飞行区和智慧机场建设的新突破，并具有高度数字化、网络化、集成化和智能化的趋势。对于吞吐量较高的机场来说，交通压力大多存在于进港后的机场场景中。如何安全、高效、有序地控制飞行区内的航班是飞行区不可忽视的问题。

关键词：数字孪生;飞行区运行架构;孪生建模;指令风险评估;

对智慧飞行区运行建设研究中,数字孪生的服务应用模块仍然存在数字模型与物理空间缺少交互、功能缺乏应用的问题,依托数字孪生技术对飞行区运行多要素进行物理映射和仿真,构建四层数字孪生基本体系架构;通过数据实时传输,实现物理空间与数字孪生模型、物理对象与虚拟目标之间的虚实映射和状态更新;结合孪生域的数据仿真迭代实现物理域的实时决策,为运行服务对象提供航空器实时状态反馈、指令风险评估等服务。

一、飞行区运行数字孪生技术系统框架

飞行区运行数字孪生是物理飞行区机场真实逻辑的再现,通过对物理飞行区进行数字化定义和三维建模,将真实物理世界在虚拟数字世界一对一还原,并使二者有机融合,实现物理空间与数字空间交互映射。数字孪生飞行区是未来智慧飞行区建设新的趋势和突破口,建设数字孪生飞行区是将飞行区的各种运行场景进行抽象和建模,通过业务数据化、数据资产化,对航班流、旅客流、货物流、行李流进行精准画像、智能预测和高效协同,进而构建飞行区智能、高效的大运控体系,为飞行区机场驻场单位提供统一的辅助决策和协同管理支撑。

1.飞行区运行数字孪生系统的物理域是整体框架的最底层,即飞行区运行涉及的物理实体和目标所处的现实时空涉及的物理对象,既包括飞行区静态和动态物理实体,也包括飞行区运行涉及的实体内部及互相之间存在的各类运行逻辑和逻辑规则。

2.沟通数字孪生体和物理实体的方法是对实体域进行测量控制,实现飞行区物理对象的态势感知和控制,其数据来源于飞行区所在物理空间的固有数据,以及由各类场面监视设备实时采集到的各种模式和类型的运行数据。

3.飞行区数字孪生域的功能是实现飞行区运行的建模管理、仿真和飞行区孪生共智,反映飞行区运行所涉及物理对象某一视角特征的数字模型,既对应已知物理对象的机理模型,也包括飞行区运行大数据驱动模型,其关键是飞行区的运行动态,要求模型具备实时反映现实的能力,从而对飞行区进行实时运行管理;飞行区运行模型仿真服务包括为飞行区运行所设计的模型进行仿真并生成仿真服务报告,实现对数字孪生平台的支持;飞行区运行孪生共智包括平台间的信息接口以及信息安全访问和相互操作。

4.飞行区运行所涉及的用户域有包括航空公司、机场和空管人员的用户,人机交互接口,应用软件,操作平台,以及其他相关飞行区运行所涉及的数字孪生体,其核心是呈现飞行区运行数字孪生的整体系统,重点是要在现实飞行区运行的物理空间内使飞行区运行涉及的用户与数字孪生系统产生信息交互和耦合。

5.对于飞行区运行数字孪生系统,贯穿于整个架构的是整个飞行区运行中所涉及的数据和信息,即跨功能实体部分,该部分通过信息驱动实现飞行区运行过程中的信息间交换、飞行区运行所涉及数据安全保障及数据的跨域功能支持。

二、飞行区运行数字孪生模型架构

1.飞行区运行多要素物理实体。飞行区运行所涉及的物理实体是FAODTM结构体系的根基,是将飞行区运行体系的物理架构和信息数据融合,并实现数据交互、数字孪生模型搭建和仿真测试,在架构上为上层提供物理和数据支持。飞行区运行多要素物理实体包括飞行区运行整体全局、机坪、廊桥、航站楼、塔台、雷达、场面监视硬件设备、跑道滑行道等三维空间结构、管制人员及飞行区运行的航空器等目标对象。

2.飞行区运行孪生信息物理融合。通过信息物理融合层,使FAODTM实现从飞行区运行物理真实空间到信息虚拟运行空间的映射,以及从信息运行虚拟空间到飞行区运行真实物理空间的反馈。在该层中,通过多种类数据驱动实现信息与数据在飞行区运行过程整体架构中的双向通信与实时交互。依托于包括数据计算(computation)、信息交互(communication)、逻辑控制(control)的3C技术,并参考已经成熟的兼容计算、通信网络和真实物理环境的信息物理融合系统(Cyber-PhysicalSystems,CPS),实现FAODTM的飞行区运行航空器态势实时感知、飞行区运行动态控制和航空器状态信息服务,通过飞行区运行信息空间与物理空间数据的交互,实现飞行区运行虚拟孪生数据体与飞行区运行过程中物理实体之间的相互映射和同步反馈。飞行区运行孪生信息物理融合是贯穿于智慧飞行区运行全生命周期各阶段的功能,具有自适应性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性,为飞行区运行多要素物理实体、飞行区运行数字孪生模型、飞行区运行应用智能服务平台提供数据信息支持。

3.飞行区运行数字孪生模型。飞行区运行数字孪生模型是FAODTM架构的核心,涵盖运行过程中静态和动态物理模型、飞行区运行仿真模型、飞行区机场运行场面逻辑模型和飞行区运行数据模型的多层次、多角度、多领域模型,从而刻画智慧飞行区运行所涉及的航空器运行全过程中的所有物理对象。

4.飞行区运行应用智能服务平台。为FAODTM的最上层,其进行飞行区运行的数据综合管理,设计目标为保障飞行区运行航空器管理的规范和安全,减少场面航空器因运行而产生冲突以及跑道入侵的可能性,提升航空器的运行效率。通过以太网等通信方式实现与服务器、飞行区运行中涉及的各物理实体,以及数字孪生体之间数据的实时交互与同步反馈,可采用JAVA等语言对基于服务器结构进行开发,并向用户提供服务,也可用MATLAB,Python,C++等语言对数字孪生飞行区运行进行虚拟操作与智能仿真。仿真平台可通过图形用户界面对历史数据和实时数据进行可视化,并对飞行区运行过程进行实时监测,通过航空器运行指令并预测航空器运行轨迹,对飞行区潜在运行风险进行评估和报警。在物理空间,飞行区管制人员通过指令对飞行区内的航空器运行控制流程,包括航空器起飞复飞指令流程、航空器进港降落和后续指令流程,以及航空器穿越滑行指令流程,进行飞行区运行控制,在飞行区运行的数据管理和智能交互中,需要采用广播式自动相关监视及多点定位在内的多种监视方式对飞行区内运行的航空器进行实时定位,通过航空器的运动轨迹及在场面上各个节点的时间判断航空器运行的位置和状态;同时,配合基于着色时延Petri网的指令预警系统存储和管理所有指令信息,并监视飞行区场面及跑道运行的状态。上述数据信息通过以太网接口等通讯设备,将航空器状态、跑道状态、飞行区指令等信息序列传输到数字孪生域,可以在数字孪生域实时监控当前飞行区运行的全局状态。在数字孪生域,结合当前序列和数据库中的经验数据,不断实时监控飞行区运行航空器,并对飞行区管制指令风险预警等过程进行动态推演,可以预测飞行区运行状态和跑道的未来状态,主要是跑道侵入风险评估和指令风险评估;将预测结果传输给飞行区运行管理控制系统,运行管理控制系统将其与飞行区运行物理域规范的动态或静态物理实体数据在冲突风险方面进行对比,并将决策反馈给处于物理域的管制人员或飞行员,提醒相关人员进行调整。在飞行区运行整体协同运转过程中,物理运行飞行区与数字孪生运行飞行区之间的数据和决策交流持续不断并实时传输,从而实现物理飞行区运行过程与数字孪生飞行区运行过程之间的虚实映射和状态更新。

总之，在飞行区运行过程中,对航空器运行指令的安全性进行预测评估,及时给出预警信号,有效提高了飞行区运行的安全性,同时结合航空器运行短时预测的方法高效精准地保障了飞行区运行安全,展示了构建飞行区应用智能服务平台的思路并验证了方案的可行性。

参考文献：

[1]王红.数字孪生机场建设的思考.2022.