基于3D智能可视化的智慧机场创建

宋誉 张震

（东部机场集团有限公司 江苏省南京市 211113）

在民航业的迅猛发展下，涌现出海量机场数据，这无疑加大了机场日常运行数据的管理难度，而机场3D智能可视化系统的设计和应用，可以很好地解决机场数据监控和管理问题，该系统采用3D图形渲染的方式，打造出智能化、数字化、信息化的智慧机场，使得机场运行性能得以大幅度提高，便于工作人员更好地管理航班信息流、行李数据流、机场周边交通流等信息。因此，在机场3D智能可视化系统的应用背景下，如何科学地创建智慧机场是技术人员必须思考和解决的问题。

1 系统关键技术

机场3D智能可视化系统 在实际设计期间，所用到的关键技术为以3D动画的方式，形象、生动地展示文本、数字等静态数据，确保传统静态展示方式转变为3D动态展示方式，与传统可视化数据展示界面相比，该系统的设计和应用，可以确保静态、单一的数据变得更加动态化、灵活化和绚丽化，极大地提高了用户的视觉体验。例如：暖通专业系统主要从供暖、通风、空气调节三个方面，对整个系统进行3D动态展示。如图1所示。

图1：暖通专业系统界面示意图

2 系统架构

机场3D智能可视化系统 是一个综合性的针对机场设施设备运维管理的信息化平台，通过标准的技术协议和接口实现对各个子系统的集成，并可以基于BIM技术实现设施和设备统一维护和管控，最终满足用户的管理需求。智慧机场设施设备集成管理平台在实际设计中， 主要用到了面向服务架构，并采用.NET平台开发， 主要包含以下几个层次：

（1）工具层。工具层主要用于对各个层次的配置和维护，工具层主要由以下两个部分组成：

1.接口工具。接口工具通常用到了接口服务器和收集器。

2.组态工具。组态工具通常用到了数据库和界面组态。

为了支持不同岗位、不同角色用户、不同使用场景，系统设计支持桌面应用、和iOS移动端APP，以及外部系统数据接口等客户端。这些客户端协同运作形成一个统一化机体，然后，严格按照所设置好的建设目标，为机场的运维工作的有效开展提供支持和保障。

（2）表示层。表示层支持桌面应用和管理应用和IOS管理应用。

（3）应用层。应用层主要用于对文档、视频文件和数据库等相关数据源的全面化采集和整理，系统结合用户的个性化需求，为用户提供了强大的巡检管理、人员管理和信息查询等相关应用功能。

（4）服务层。服务层为系统稳定化、安全化运行提供了功能强大的内核，为后期多个业务中间件集中化处理以及相关重要数据的采集和统计打下坚实的基础 ，同时，还为用户提供上层 应用访问服务体验。

（5）接口层。接口层主要是指 易于集成多种通讯方式的智能设备工作状态数据。

（6）虚拟化层。虚拟化层主要是指为降低软件系统分发部署及更新的复杂度,同时在一个宿主机运行更多的隔离系统以最大化利用硬件资源，在使用操作系统级虚拟化的同时，采用应用容器的方式来构建云计算基础架构。

（7）运行支撑层。运行支持层指应用系统运作所依赖的数据存储、计算、服务接入等软件基础设施和中间件。包括操作系统、数据存储、BIM和GIS中间件、物联网接入、大数据处理、消息队列等。

3 系统功能

3.1 系统移动终端

机场3D智能可视化系统移动终端APP部署于智能手持终端，同时提供IOS版本和Android版本，开发工具采用Unity3D和Xcode9.0，三维原始模型（由资源可视化系统提供）创建使用Revit2016以上版本形成原始FBX文件并导入3DsMax2016以上版本进行仿真处理和性能优化，移动终端APP主要提供巡检和信息采集模块，可浏览三维模型。

3.1.1 巡检模块

巡检模块可以协助机场企业及时、有效地发现和处理潜在性隐患问题。此外，通过利用该模块，可以科学地设置和安排巡检人员的工作内容和工作路线，便于巡检人员结合相关设备，对相关巡检情况进行全面化记录和存储。此外，系统可以自动考核评价巡检人员对的工作成果，并对后台任务计划进行实时同步，然后，利用EasyAR，借助图形引擎功能，完成对系统虚实互动模块的设计和开发，从而相关人员结合巡检人员实际所在位置，为巡检人员提供精确地点指引服务，同时，还要利用系统所提供的三维场景模块，为巡检人员提供精确化设施设备目标位置指引服务。此外，结合多点接触交互模块，对周围环境信息进行全方位、多角度地观察，并对选中的目标对象进行锁定处理，为后期电子巡检表单的自动化打印创造了良好的条件 。最后，将所记录的最终巡检结果安全、可靠地传输到后台中，一旦发现巡检问题，需要结合这些巡检问题和现场实际拍照情况，，完成对问题报告的制作和提交，在此基础上， 管理人员可以结合实际养护需求，完成对巡检计划的制定，并对多个常规巡检路线进行科学配置，从而确保巡检计划制定的规范性和合理性。另外，巡检人员可以严格按照规划线路，使用相关移动设备， 到现场进行全方位巡检。并通过移动客户端填写巡检记录。对于现场设备参数的查询和运行状态的查看，均可通过设备二维码扫描或系统查询等方式进行。

3.1.2 信息采集模块

信息采集模块提供现场文字和图片信息采集功能，并自动绑定操作人、采集时间、空间位置信息、目标对象和关联对象等有用信息，自动生成报文信息包并上传至后台，后台可根据报文结构自动实现解析，并生成相应处理流程，在相关人员审核通过后自动激活并跟踪流程。

3.2 系统运维管理PC端

3.2.1 巡检组件

巡检组件为巡检人员提供互联移动巡检工具，根据巡检计划，利用手持设备，结合电子地图和室内定位，进行巡查巡检工作，并现场记录巡检结果。巡检人员将巡检结果上传后，各系统业务管理人员根据巡检结果决定下一步的安排，必要时指定相应人员执行下一步的维修操作。维修人员根据工作安排，利用手持设备，结合电子地图及巡检记录，查询并定位需要维修的系统和设备，执行现场维修工作，并通过移动设备现场记录维修工作完成情况，结合室内定位系统的定位功能，可记录巡检修人员的作业轨迹。巡检管理流程服务提供制定巡检计划、计划审批、巡检任务生成、临时巡检计划创建、生成巡检任务、巡检任务分发/接收、巡检实施跟踪、巡检报告提交、巡检结果审批处理、巡检统计报表生成。

3.2.2 运维组件

运维组件提供机场设施设备运行状态的监测相关服务和功能，通过预装的传感器实时采集状态数据，借助BIM技术强大的三维可视化和信息载体的优势更加形象的、直观的展现在异常情况下故障位置信息、属性信息等，可对故障进行分析与模拟并针对该故障进行安全评价与评估，有利于实现设施设备的智能化、信息化的运行监测，提高管理水平。通过对设施设备进行自动化监测，实时掌握运行状态的变化，结合BIM模型数据库提供大量的基础性数据，对传感器返回的数据制定正确的反应机制，为设施设备运维管理信息化和标准化提供支持。维修管理功能模块提供事后维修、定期维护、预防性维修、预测性维修、主动维修、状态检测、改善性维修、不停航维修和特殊条件维修。针对不同的维修类型提供的流程包括报修管理、派单管理、跟踪管理、质量评估管理和定检管理。按维修任务触发机制分为自动生成、预测性诊断生成和人工触发。流程配置服务含人员、备件、工具、工作步骤和工作进度的配置等。流程步骤包含计划、审批、执行、检查和完工报告等，流程服务全程跟踪工单状态并确保形成闭环。对于电梯、供电设备、登机桥等特殊设施，流程服务可制定详细的维护计划（包括年度计划、月度计划、周计划、日计划），并提供按停航施工和不停航施工的维护方式分别向相关部门报备流程。如下图所示为机房故障报警后，三维可视化平台中提示报警点位。闭环管理功能模块提供资源可视化管理场景和图形化UI交互界面，可实时发起、激活、监控、管理和响应自动报警、人工报警、计划任务，并可查看相关流程与三维场景中对应的实体之间的关联。运维组件可以根据用户需要，通过物联网传感器按2秒到24小时之间的时间间隔进行全局数据扫描，监控设备温度和功率等数据，根据预设的策略自动控制空调、照明等主要耗能设备，根据物联网采集的数据自动发出报警和预警，如遇设备使用寿命到期、水管气管爆裂等设备使用异常情况时可自动发出警报，并迅速锁定故障设备所在空间位置，点选该故障设备，系统将显示发生故障原因并生成维修单进行派发同时发送短信通知相关责任人，以便相关责任人及时到场处置。如发生火灾、漏水、抢劫等突发恶性事件时可以通过本系统接收的物联网传感器数据迅速定位建筑内部复杂的通道和出入口，以控制灾难蔓延和事态扩展。当维护人员依据维修单完成设备维护后，按照维护管理要求将本次维修记录录入系统归档。例如当滤网两侧风压之差大于极限值，需要更换滤网时，系统自动发出报警，并立刻定位至报警位置，生成工单，并安排人员至现场维护。当粉尘数据超标时，智能化运维平台会自动报警并迅速锁定至PCR机房某机柜，点选该故障机柜，系统将显示发生故障原因为粉尘超标并显示超标率，管理人员添加维护人员信息后系统自动生成维修单进行派发同时发送短信通知维护人员赴现场处理。当维护人员依据维修单完成设备维护后，将本次粉尘数据超标维护记录录入系统，以便日后查看和统计。PCR机房系统界面示意图如图2所示 。

图2：PCR机房系统界面示意图

3.3 三维可视化组件

三维可视化组件基于欧特克Revit软件创建的全专业机场原始模型，将模型进行精简三角面、冗余数据删减等处理，剥离出几何数据导入三维可视化图形引擎，引擎可以实现三维场景的旋转、平移、缩放、显示、隐藏、查找和过滤等功能；非几何数据经过处理通过自主开发的工具导入数据库，在数据库中开发底层数据结构，以支持信息查询和数据逻辑关联关系表达，数据查询总响应时间≤20s。

三维可视化组件可直观显示建筑物内部设备系统的状态，并能够实时查询设备静态属性和动态属性。可在3DVComponent组件的交互窗体选中设备，弹出设备状态与控制面板，远程可查看实体系统运行状态，三维可视化组件可以与之同步动态表现机电设备工作状态的变化。三维可视化组件通过调用机场资源可视化系统的服务接口，结合本地数据处理相关服务，向各个客户终端提供数据的资源可视化效果服务，将抽象数据通过颜色、对象运动、3D特效动画、粒子效果等进行组合表达，直观体现数据的状态、变化趋势和关联关系，并可实现360度全方位自由视角查看。

在三维可视化组件交互窗体中鼠标和键盘可以共同作用实现对3D模型的操作：

（1）鼠标滚轮：放大/缩小。

（2）鼠标单击：单选模型。

（3）长按鼠标拖动：框选模型。

（4）按住Ctrl键鼠标单击：向当前选择集中加入新模型。

（5）按住Shift滚动滚轮：镜头垂直上/下移动。

（6）按住Ctrl滚动滚轮：镜头在原有标高上前进/后退。

（7）按住滚轮移动：平移模型。

（8）按住Shift和滚轮移动：旋转模型。

以三维可视化组件与弱电主机房的安防监控系统联动模块为例，首先将弱电主机房的摄像头以列表的形式显示于面板中，列表中还显示了每个摄像头的基本信息和位置描述，通过单击列表中的记录，可以选中对应的摄像头模型，通过双击列表中的记录，可以将镜头定位至对应的摄像头，通过点选安防系统内不同位置的摄像头的信号源功能键，可实时读取到各摄像头对应的影像数据，并在平台内以视频的形式呈现。三维可视化组件能够将视点进行保存，便于常用构件的快速定位，并且能够通过网络进行共享，实现视点的网络传递。三维可视化组件的透明定位状态开启后，通过在设备列表中选择设备，选中的设备在三维场景中高亮显示，未选中的场景为高透明状态，可以第一时间获得目标的宏观位置。三维可视化组件提供快捷查看数据的功能——浮动窗口显示，当激活浮动窗口功能时，鼠标指针右侧将自动出现一个窗口以显示指针指向的构件关键数据，如名称、功率、温度等，关键数据类型可依据需求定制。

3.4 3D数据效果服务模块

3D数据效果服务通过调用机场资源可视化系统的服务接口，结合本地数据处理相关服务，向各个客户终端提供数据的资源可视化效果服务，将抽象数据通过颜色、对象运动、3D特效动画、粒子效果等进行组合表达，直观体现数据的状态、变化趋势和关联关系，并可实现360度全方位自由视角查看。

4 智慧机场创建场景

4.1 航班数据

通过对航班相关数据进行全面化、科学化梳理，并汇总和呈现港航班总架次数以及全天港航 班分布图，此外，还能精确地标注出机场乘坐峰值和低谷值以及航班号、计划起飞时间、计划到达时间、早高峰正常率等指标。另外，还要结合气候、风速等天气数据，便于机场管理人员在第一时间内 快速地了解和把控航班调度情况，使得机场航班管理效率得以显著提升。

4.2 机位管理

通过对机位相关数据进行全面化梳理，整理出机位 占用信息、航班保障信息、登记口状态信息等数据，并将这些数据安全、可靠地叠加到3D场景中，然后，利用一张图，就可以实现对机场、机位 的有效管理，便于后期机位 规划的制定和优化。

4.3 交通管理

通过利用机场3D智能可视化系统 ，可以向机场管理人员形象、直观地呈现配餐车、引导车、APM等运行数据以及停车位占用数据等，便于机场管理人员 在第一时间内 快速了解和跟踪当前车辆运行位置等信息，为后期车辆管理方案以及应急处理方案的制定创造了良好的条件 。

4.4 飞行区监控

在进行飞行区监控期间，要利用机场3D智能可视化系统 ，将跑道运行数据、场内施工数据、告警数据等形象、直观地呈现在机场管理人员 面前，确保该管理人员能够全面地了解和掌握跑道运行信息以及机场内施工情况等信息，一旦出现突发事故，可以将研判时间缩到最短，为后期快速制定相关决策产生了积极的影响。此外，通过利用供电站系统，可以全面地查看飞行区低压配电站和变压器参数的关联情况，确保飞行区供电的稳定性和安全性。如图3所示。

图3：供电站系统界面示意图

4.5 航站楼内部运行监控

在机场3D智能可视化系统 的应用背景下， 要对值机柜台、电梯监控系统、行李转盘等航班楼重要区域进行3D还原处理，其中，电梯监控系统界面示意图如图4所示 。 此外，还要结合相关运行数据、热力数据等信息，利用该系统，全面地查看和统计重要设备的运行情况、旅客聚集情况等信息，从而制定和完善一套行之有效的服务决策，为旅客提供更加优质的服务。

图4：电梯监控管理系统界面示意图

5 结束语

综上所述，在机场3D智能可视化系统 的应用背景下， 智慧机场在实际创建中，主要运用了 3D实时渲染技术，有效地保证了渲染引擎的性能，将传统的机场运行数据报表、文字等信息浏览方式转变为 3D图形图像浏览方式，使得数据阅读效率得以大幅度提高 ，此外，在应对机场突发事件期间，机场管理人员要制定切实可行的应急方案，使得机场管理方式变得更加多样化、丰富化，在此基础上， 还要向机场3D场景中还原相应的旅客聚集实际情况，便于机场管理人员更好地制定和优化旅客疏导方案，使得机场服务水平不断提升。