基于BIM+GIS+IOT的智慧机场运维场景应用研究

王旭滢 乔琪 周星妤

中国三峡上海勘测设计研究院有限公司 上海 200335

1 引言

为满足民航业持续发展和航空业务量高速增长的需求，中国民航局提出了以“平安、绿色、智慧、人文”为核心的“四型机场”建设要求[1]，四型机场建设行动纲要（2020—2035年）中提出智慧机场是生产要素全面物联，数据共享、协同高效、智能运行的机场。推进数据融合应用，实现智能化。智慧机场的建设不应局限于单一应用或采用单一技术，应综合运用物联网、大数据、人工智能、数字孪生等新技术，收集、融合、统计和分析各类数据，实现辅助决策、资源调配、预测预警、优化控制等功能，支撑工作协同、精确分析、精准管控、精细管理和精心服务，最终实现机场智慧化运行[2]。

目前行业内以BIM+GIS技术为核心的数字孪生解决方案，BIM+GIS应用及数据流转覆盖工程设计、建设、竣工及运维全生命周期阶段，可应用于城市交通轨道建设、工民建建筑建设、机场建设等方向[3][4]。

本文以乌鲁木齐机场改扩建工程机场工程BIM+GIS建设为例，探究智慧机场运维场景的实现路径。以BIM提供机场工程竣工资产信息，GIS提供地理空间位置信息、物联网提供运行时序数据，形成宏观到微观，全系统、全要素信息覆盖以及三维可视化场景的深度叠加。通过对工程资产、时序数据、位置数据、地理信息等多源数据的融合，结合大数据分析技术，形成机场设施设备监控管理、安全安防、能耗分析等运维场景的智慧应用。

2 技术路线

通过创建BIM设计阶段模型及设计优化应用提供给施工阶段进行深化及施工数字化建造，同时通过统一编码关联模型和业务应用基于BIM的工程建设管理平台上进行数据采集，在建设期结束时形成工程竣工资产主数据交付平台，将工程数据进行数字化交付。将BIM竣工资产和GIS模型数据进行融合形成BIM+GIS一张图，同时接入物联网设备采集的时序数据及时空位置数据，为运维阶段各项业务应用提供基础数据及接口。

图1 BIM+GIS+IOT 机场运维架构

3 关键技术

3.1 工程资产数字化

工程数字资产可定义为工程从规划设计、施工建设和运行维护全生命周期过程中形成的可以以电子数据形式存在的所有数字化资产。

乌鲁木齐机场改扩建工程通过数字化建造形成工程数字资产，全方位挖掘工程全生命周期中的数字资产数据，包括建筑物、构筑物数字资产、BIM设施设备数字资产、GIS设施设备数字资产、非建模资产，通过将海量的数字资产盘点、编码、整合，实现工程数字资产的价值最大化，支持工程在设计、建设、运维期间的全链条数据需求。最终形成资产主数据库，为后期运维管理提供基础数据服务。

3.2 BIM+GIS三维可视化融合

通过BIM+GIS融合，建设标准统一的机场BIM+GIS二三维一张图及高仿真数字机场。在宏观上，基于BIM+GIS融合数据、采用WebGL或云渲染技术，建设航站区、飞行区、配套区的三维仿真模型，实现对机场室内、室外、地上、地下全方位立体化的三维沉浸式表达；在微观上，以BIM模型为信息载体，通过BIM编码关联集成设备信息及物联网信息，打通智能化设备的地理空间关联和拓扑关联，实现智能化设备的数字孪生。

3.3 大数据分析方法

通过回归分析、神经网络算法、知识图谱、运筹学算法、决策树预测等数学模型，对设备故障、旅客行为进行分析预测，优化能源资源，提升机场对旅客、货物的服务保障能力。

4 智慧机场运维场景实现

BIM+GIS技术作为机场数字化的重要手段，可以贯穿在机场工程的全生命周期当中，特别是在运维阶段，通过BIM+GIS与IOT的融合使得BIM+GIS模型对于数据整合的能力得到进一步的提升，而生产运行平台也能够通过BIM+GIS图形服务来实现可视化仿真场景中数据直观展示。BIM+GIS与IOT等数据的融合应用于设备设施监控管理、能耗管理、安全安防等运维场景的展示当中。

4.1 设备设施监控管理

设备设施监控管理是基于资产主数据、时空位置库和运行时序库，运用统计分析、运筹学、大数据挖掘等数据分析方法对机场设备设施的运行状态进行监控管理。设备设施监控管理应用需要BIM数据（几何+属性信息）、GIS数据、设备台账数据、备品备件数据、检修数据、设备运行状态监测数据、设备位置等数据的支撑。各基础数据进入数据中心不同数据库汇集后，BIM+GIS通过实时发布地图服务，为设备设施监控管理提供展示底图；设备台账数据、备品备件数据、检修数据、设备运行状态监测数据、设备位置等时序、时空数据通过数据挖掘、最优化等数据分析方法进行台账查询、维护维修管理、检修管理并将其结果在设备设施监控管理综合看板中进行集中展示。

(1) 设备设施管理视图

13个高粱品种的物候期记载详见表2。从出苗来看，百甜9003、百甜9005、大力士和绿巨人出苗较早，且苗齐苗粗，整齐度好。13个品种在抽穗期以前生育期相差不大，后期差异较大。整体来看，百甜9006、绿巨人、大力士成熟期较长，因此整个生育期最长，在该区域均为125 d。百甜9001和百甜9011抽穗早，生育期短，分别为104 d和107 d。

基于时空位置库获取静态设备和动态设备的实时位置，资产主数据获取设备设施几何信息和属性信息，运行时序库获取设备状态信息，并在BIM+GIS一张图中进行展示。

(2) 台账查询

借助资产数据库中的BIM模型，可对机场设施设备实现精细化管理，清晰了解设备前世今生。BIM模型承接设计、施工阶段数据，形成完整的设备台账信息。每个设备具备唯一“二维码身份证”，扫码即可识别设备所有信息，实现数据随身携带，便于运维阶段管理。

(3) 维护维修管理

基于运行时序库的机场设施设备维护维修的业务现状、历史运行数据、时空位置库的设施设备空间位置，通过数据挖掘、运筹学方法，实现突发故障应急抢修、机场设施设备故障预测预警、动态运维策略研究等关键工作。

(4) 巡检管理

基于运行时序库的机场设施设备巡检的业务现状、历史运行数据、时空位置库的设施设备空间位置，通过数据挖掘、运筹学方法，为巡视周期、检修计划提供科学的辅助决策和数据支撑。

图2 设施设备监控管理综合看板

4.2 能耗管理

能耗管理应用需要BIM数据（几何+属性信息）、GIS数据、水电气暖生产/消耗数据、水电气暖设备实时运行状态、旅客信息、航班信息等数据的支撑。各基础数据进入数据中心不同数据库汇集后，BIM+GIS通过实时发布地图服务，为能耗管理提供展示底图；水电气暖生产/消耗数据、水电气暖设备实时运行状态、旅客信息、航班信息等时序数据通过数据挖掘、最优化等数据分析方法进行能源消耗实时监测、预警预报、能效评估，并将其结果在能源综合看板中进行集中展示。

基于时空位置库获取机场动力能源系统设备设施的位置信息，资产主数据获取机场动力能源系统设备设施几何信息和属性信息，运行时序库获取设备实时运行状态数据、实时测量数据、历史数据等，并在BIM+GIS一张图中进行展示，在一个统一的可视化的平台中提供综合监控，便于机场能源运行管理人员监控管理，提高机场能源运行管理水平，及能源生产效率，节能减排，并可辅助机场运行管理人员进行应急事件调度指挥决策。

(2) 多维统计查询

基于能耗管理数据库，通过多样化的统计展示工具，实现对数据的多维度查询和统计。

(3) 智能预警预测

设置能源消耗预警值，对采集到的数据通过生产流程图、数据列表、曲线图等多种方式展示，并将安全报警融入其中，及时发现生产中的问题，并提供解决方法。

采用数据挖掘技术，以历史用能数据、航班信息、旅客信息等为基础，提前预测用电负荷，根据负荷的预测结果，结合成本、能效，提前安排供能计划，合理安排供能组合，以达到降低能源消费成本，降低运行能耗。

(4) 能效评估

通过建立能源消耗效率算法模型对机场能源消耗量及其用能系统效率等性能指标进行计算、分析，提供不同时期的能效对比，同行业其他机场的能效对比，定位其能效比所处水平，并可将机场能源消耗量及其用能效率等能源指标以数据报表的形式展示。

结合能耗计算分析及实测结果，综合进行测评，对于KPI考核应至少包含但不限于以下考核内容：建筑总能耗量、分类能耗量、单位建筑面积能耗量、单位建筑面积分类能耗量、单位旅客能耗量。

图3 能耗管理综合看板

4.3 安全安防管理

数据从资产主数据库、地理信息库、运行时序库和时空位置库获取数据，这些库的数据来源于BIM、GIS模型，以及弱电系统的机场安防集成管理平台、设备设施运行管理系统和旅客运行管理系统。BIM和GIS的几何数据应用于所有的场景，作为数据看板的底图，弱电系统数据以及BIM模型的属性数据用于数据的统计、分析以及展示。

(1) 安全视图

安全视图是对机场安防系统的生产数据和资源进行整合，生产数据包含监控摄像头数据、门禁记录数据、消防监测数据等，安防资源指安全防护工作中所需的所有资源，包括人力资源、监控设备、门禁设备、消防设备、安全应急备品备件等。

(2) 安全统计

基于安全安防数据进行图表统计，多维展示数据的统计信息，从统计中发现安防隐患，如对于频次较多的安防问题重点关注，作为管理决策的依据。

(3) 安全报警

在发生安全事件或安全隐患时，系统进行报警，并在BIM场景中呈现，安全报警包括安全设备的故障报警、安全事件的报警、时间回溯等。

图4 安全安防综合看板

5 结束语

本文以乌鲁木齐机场改扩建工程为例，研究基于建设期BIM+GIS的数字资产结合物联网IOT数据共同构建智慧机场运维场景的实施路径。一方面通过数字化建造形成工程数字资产；另一方面通过BIM+GIS三维可视化融合为智慧机场运维提供“一张图”服务；最后基于BIM、GIS、IOT等数据形成大数据中心，不断挖掘数据价值，通过数据的智能化分析、处理，最终实现数字孪生机场，助力智慧机场运维。

本文对BIM+GIS+IOT融合在智慧机场运维场景中的应用提出的技术路线和场景设想还处于理论研究阶段，下一步还需结合机场运维实践经验进一步优化解决方案。