基于数字孪生的空军机场消防保障需求分析

胡嘉旭，王海涛，于长明，刘尧锋，徐显海

（1. 陆军工程大学野战工程学院，南京 210007；2. 95979部队，泰安 271200）

0 引言

军用飞机作为国防力量中的一种重要武器装备，具有不可替代的作用。随着备战打仗的要求不断提高、新装备不断列装部队，军用飞机执行任务、日常训练的强度大幅度增加，发生故障起火的概率极大地增加，若在战时，飞机还将面临遭袭导致起火。近几年，国内外飞机失事起火事故时有发生，消防救援的效果并不理想，往往造成飞机损毁和人员伤亡。起火后的救援对于及时止损起着关键作用，军用飞机火灾与民用飞机火灾相比有很大的区别，主要体现在军用飞机起火后具有极高的危险性，极大地增加了飞机火灾扑救的难度，分析存在问题和保障需求，对高效完成飞机火灾扑救任务起着重要作用。

数字孪生技术将物理实体和系统的属性、结构、状态、性能、功能和行为映射到虚拟世界［1］，为实现虚实之间动态交互、双向映射、实时连接提供了方法途径，为观察、控制和改造物理世界提供有效手段［2］。针对空军机场消防保障存在的问题和保障需求，基于数字孪生技术的可视化管理、虚实双向反馈和实时决策支持为突破口，本文对构建机场消防保障的数字孪生需求进行分析。

1 空军机场消防保障现状分析

1.1 机场消防保障问题分析

目前来看，传统的粗放式、被动式机场消防保障方法，在未来信息化条件下的高强度训练与作战，将表现得越来越力不从心。空军机场飞行任务重、飞机起降频率高，在战时和训练中发生事故导致飞机起火的概率大。机场消防保障力量在执行消防保障任务时，主要存在4点问题：

（1）机场消防保障对指挥员的应急处置反应速度有很高的要求，在缺少科学高效的空军机场消防保障系统的情况下，信息的迟滞、缺失、冗余都将导致指挥员决策效率低、指挥能力弱，对局势把控不全面。

（2）飞机火灾突发性强、发展速度快、不确定性高，在实际保障中，很难精准保障，加之消防保障资源配置分散，保障资源难以做到预置预储、快速调度和准确供应［3］。

（3）飞机火灾受机型、装载武器、飞行速度、位置、气象环境等影响很大，其发展速度、规模不确定性大，对飞机火灾的评估很难做到科学准确和事先充分准备，只能以被动式的救援保障为主，缺少智能化的火灾预警，对火灾隐患的排除及火灾救援难度大。

（4）传统的依靠经验和预定方案的消防保障在灭火作战行动中缺少适用性，因为飞机火灾的发生具有唯一性，在一定程度上只有相似性，而没有相同的火灾事故，因此指挥员的决策，仅依靠原有的经验和预定方案，还不够准确。

综上所述，空军机场消防保障能力的转型和提升显得尤为迫切，已成为空军建立智慧场务保障体系中的重点部分。数字孪生技术的发展与应用，为空军机场消防保障的转型建设，带来新的契机和发展途径，符合建设智慧场务保障体系的实际需求。

1.2 机场消防保障资源分析

机场消防保障资源根据内容要素可分为保障力量、保障对象和保障环境，如图1所示。消防保障力量是主体，保障对象是受体，保障力量对保障对象实施保障的过程是在保障环境下进行的。

图1 机场消防保障资源

（1）机场消防保障力量。机场消防保障力量是指执行机场消防保障任务的保障要素集合，包括保障人员、消防装备、消防器材、消防设施。保障人员包括消防员、装备驾驶员、指挥员及其他相关保障人员等；机场消防保障装备以机场主力泡沫消防车为主，担负机场消防保障主要救援任务；消防器材包括常规防护装备、消防梯、破拆工具、供水器材、灭火器、灭火剂等；消防设施主要包括机场固定的器材库、水源、取水设施等。

（2）保障对象。机场消防保障对象是指在机场范围内，发生火灾或存在消防安全隐患的人员、装备等，是消防保障任务的受体。其中，飞机和机载人员是机场消防保障的重点对象，除此之外，还包括机库、机场跑道、停机坪、加油坪等机场相关设施。

（3）保障环境。机场消防保障环境是指执行保障任务所在的环境，包括机场地理环境、周围天气环境以及战场环境。地理环境是指执行保障任务开展灭火行动的地点及相关地理因素；天气环境指影响火灾扑救和火势发展的天气因素，如风向、雨雪等天气；战场环境是指在作战背景下的消防保障，如飞机跑道损毁、存在未爆弹、敌军空袭等。

1.3 机场消防保障资源需求

提出空军机场消防保障资源需求是为了提升机场消防保障能力，提高指挥的速度和效率，使指挥员能够做出精准决策，使信息获取更及时，智能化水平更高。如图2所示。

图2 机场消防保障资源需求

（1）保障力量智能化。建立体系化的机场消防保障力量，在人员、装备等资源上布设信息通信模块，通过信息网络将消防保障力量各资源关联起来，实现保障力量的智能化管理调度，使保障力量的运用更加高效有序。

（2）保障对象同步化。建立保障对象与保障力量同步的信息交互体系，保障对象的状态信息可以实时地传达到保障力量终端，进行分析决策，为保障力量开展保障行动提供依据。

（3）保障环境透明化。通过布设传感器、摄像头、北斗定位系统等设施，构建透明化的保障环境，使保障人员可以通过智能设备通视整个机场保障环境，同时，可以融合战场环境信息，对保障部队提供预警。

2 空军机场消防保障任务需求分析

针对机场消防保障任务，为解决存在的不足，提高保障水平，对消防保障任务需求进行分析。图3为空军机场消防保障任务需求结构图。

图3 机场消防保障任务需求结构

2.1 单元作业需求

（1）状态显示。以消防员和消防车所构成的消防保障单元，在实施灭火作战行动时，以目前的方法，装备状态依靠仪表显示，火情和天气环境状态依靠消防员的经验来判断，存在一定的主观因素，尤其是对火情判断，没有精确的状态显示，仅靠经验判断，很难准确把握火势的发展，对灭火行动造成影响。准确的状态显示可以给消防员的行动提供依据，需要结合显示终端，通过数据传输，将装备、火情、环境等重要信息传递给作业末端，由末端作业单元进行具体操作，执行灭火作战行动。

（2）目标任务提示。火场烟雾弥漫，视野受阻，在进行灭火行动时，火势、风向等因素的变化，影响消防员对火情的判断，忽视潜在的隐藏危险。明确的目标任务提示，可指引消防员有针对性地开展灭火和救援行动，有效地规避火场危险，控制安全距离，划定作业区域，安全、准确、高效地开展灭火行动。

（3）快速反应支持。反应速度取决于消防员的出警速度和火灾信息的获取速度，在应对飞机火情时，消防员的出警速度一般情况下相对固定，主要受获取信息的速度影响，从火情的发现开始，到接警出动抵达火场展开行动的反应过程决定了能否及时控制火势。目前，灭火作战行动的开始，主要依靠自主发现火情，由驾驶员根据情况选择行进路线，抵达火场需开展火情侦察后才能展开救援，为了减少反应时间，需要从火情的发现、路线选择、火情侦察等环节上进行优化，提高对机场动态的监控，实时辅助引导灭火作战单元快速行动。

2.2 协同作业需求

（1）人员协作。主要体现在消防员在执行灭火作战行动时，所担负的任务不同，相互之间需要密切配合。例如，用消防水枪灭火时，铺设水带与供水的时机把握，需要消防员之间密切配合操作；在进行破拆救援时，同样需要消防员进行掩护和压制火情。消防员之间的配合既关系到灭火作战行动，也影响到自身安全，因此十分重要，除了需要日常扎实的训练外，还需要智能化的信息提示，实现信息同步。

（2）人装协同。消防装备在遂行灭火作战行动时，主要依靠喷洒灭火剂实现灭火，消防员对消防装备的运用，决定了能否在灭火剂耗尽之前完成灭火，人与装备的配合尤为重要。例如，车辆行驶至距离起火飞机多远时打开消防水炮进行灭火，打开过早距离不够，灭火剂利用率不高，打开过晚，延误救援时机；用消防水炮和消防水枪进行射水的时机把控，也决定了能否高效灭火。因此，人装的协同配合除了消防员的主观操作和判断外，还需要结合装备，即指挥系统的提示和引导。

（3）单元配合。在进行灭火作战行动时，各作战单元进入火场展开行动的位置、时机和方法都需要进行统一部署，包括战位和战术的配合。在实际灭火作战行动中，受浓烟和起火对象的影响，往往视线受阻，各单元之间主要依靠对讲机实现相互沟通和受领指示，缺少自主的配合提示，同时，也需要各单元之间通过共享信息自主进行战斗配合。

2.3 任务指挥需求

（1）实时指挥。目前在开展灭火作战行动时，主要依靠现场指挥员的指挥，在浓烟和警笛等噪声的干扰下，很难准确判断情况，火灾扑救对时效性要求极高，指挥上的滞后会严重影响行动结果。因此，需要对指挥体系进行改进优化，主要应在现场信息的获取和指令的传递下达上进行改进。从传统的现场观察指挥，向现场指挥与后方数据采集分析后协同指挥发展；从传统的依赖对讲机进行指挥，向部署先进的指挥和接收终端发展。通过高速的数据驱动，实现任务的实时指挥，能够及时应对突发多变的火场情况。

（2）高效调度。在执行机场消防保障任务时，不同的作业单元散布在火场的不同区域，如何对各单元进行高效的指挥调度是火场指挥的难点。需要指挥员对作业单元进行合理的指挥编组，根据现场情况及时调整保障力量，充分利用消防保障资源；依托智能化的辅助决策系统，实现指挥员的精准决策，并通过信息共享，实现保障人员对火情信息的同步掌握。

（3）态势掌控。无论是单元作业、协同作业还是实现准确高效的指挥，都是在对火场态势全面掌控的前提下才能够有效开展实现的，目前，开展机场消防保障灭火作战行动时，还无法对火场态势实现全方位掌控，主要受制于现场视频监控和数据采集困难，火场消防保障力量和进展情况无法通过可视化实时展现在指挥员面前。实现对机场消防保障的全方位态势掌控，需要建立体系化的监控系统，确保在机场的任意位置发生火情都能被监控到；建立全方位的数据采集系统，从消防保障力量、起火对象、现场环境三个方面进行数据实时获取，通过数据处理、融合分析，将火场态势以三维可视化方式展现。

3 机场消防保障数字孪生建设需求分析

基于数字孪生的机场消防保障，通过数字驱动，建立虚拟模型，构建物理实体与虚拟模型的映射，1∶1 还原物理实体，将物理实体的变化及运行规则和逻辑关系，实时地通过虚拟模型体现出来，同时，通过对虚拟模型的控制，关联物理实体，实现对现实世界的指挥控制和调度干预，实现虚拟与现实的数字孪生［4］。

3.1 机场火灾预警

通过布设高清摄像头、传感器等数据采集设备对机场运行状态进行监控，对飞机起火、机场设施起火等火灾事故，以及可能引发火灾的故障和问题能够及时发现，并向值班人员发出预警提示，便于消防救援人员第一时间做好消防救援准备，为火灾扑救争取宝贵时间，或能在火灾发生前消除安全隐患，避免事故发生。

3.2 机场消防保障资源可视化管理

为机场消防救援提供可视化的场景监控，通过对机场消防资源进行实时监控，使值班人员能够及时准确地掌握消防资源的运行和保障情况，主要包括对机场的全景监控、环境监测、装备设备监控、火情监控等消防资源的监控［5］，同时，通过运用北斗定位设备搭建一对多的指挥端和移动终端，实现人员装备的精准定位，通过无线通信网络，将视频监控画面、声音信号等实时数据传输到系统终端，便于指挥员根据现场情况进行指挥调度。如图4 所示，为机场消防资源监控内容。

图4 机场消防资源监控内容

3.3 机场消防保障指挥调度

基于消防资源的监控和可视化显示，实现对机场消防保障过程的精准管控，对飞机起降、车辆调度、分组配合等进行系统分析，为指挥员提供最优解决方案，提高指挥调度的准确、高速、高效。通过自动分析，对人为指挥进行预警和纠正，对存在的隐患及时地预警提示，减少人为操作和指挥上的失误，对人为的调度实施系统干预，例如，发生飞机火灾后，起火位置将对其它飞机的起降造成干扰，系统通过智能预警直接干预指挥，第一时间将信息传达至相关飞机驾驶员，并根据现场情况和各待起降飞机油量等相关状态，分析出最佳的应急起降方案。

3.4 机场消防保障态势显示

运用三维建模技术，构建火场地理环境、消防装备和救援人员模型，根据消防保障实时采集回传的数据信息，以数据融合技术为基础，通过数据驱动模型，将保障过程通过虚拟模型在显示器上1∶1 地实时展现，实时地反映火场的情况，实现机场消防保障态势的动态显示。同时，通过现场监控设备，可实现虚拟场景和实际场景间的切换，给指挥员带来更直观清晰的态势掌控。

3.5 机场消防保障效能评估

基于数字孪生的机场消防保障管理的效能评估是指在执行机场消防保障任务时，通过定性和定量的方法来实现系统对预期目标的分析、计算和评价。系统通过基于效能评估的评估模型和评估指标，对机场消防资源部署、指挥层级设置、机场消防运行机制等情况进行评估分析，查找出机场消防保障管理中的隐患［6］。同时，通过对信息数据的综合分析，对机场火灾救援任务执行情况进行评估，从指挥调度、资源部署、救援效果等全方面总结查找出任务保障中存在的不足，提出改进意见，提升保障能力。

3.6 机场消防保障数据共享

机场消防保障涉及任务多，保障点位多，除灭火外，还担负飞行员抢救、破拆、疏散等相关任务，在执行任务中消防救援人员往往会与医疗救护人员及其他场务、机务人员配合，在紧急情况下，各类人员之间各自为战，专业技能和掌握的数据互不兼容，相互之间的协同和沟通将耗费一定时间。机场消防保障数字孪生的构建，可为整个救援保障提供数据共享，可与医疗救援、场务、机务人员共享数据，使保障人员可以更好地协同配合，对未来做好预判，将极大程度地提高救援人员的保障效率，并充分保证人身安全。

4 结语

基于数字孪生技术对机场消防保障管理体系进行升级改造，可以极大提升机场消防保障水平，对于保证飞行安全具有重要意义。根据机场消防保障数字孪生建设需求，对构建新的机场消防保障体系提供了依据和抓手，为保障体系的进一步改进打下基础。