CN115798265B - 一种基于数字孪生技术的数字塔台构建方法及其实现系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字孪生技术的数字塔台构建方法，其特征在于：包括以下步骤：A.建立数据资源；B.对数据资源进行数据处理，包括对数据资源进行存储、预处理、解析、融合、分析处理以及对数据进行管理；C.通过数字孪生建模仿真技术将经过数据处理后的各数据映射在数字塔台可视化显示界面上。本发明通过数字监视手段实现场面态势监视，摆脱了场地的束缚，观测角度及高度还可随意调整，使塔台管制实现场面数字3D展示、场面态势视频可视、场面航班与动态目标可管，从而可提高机场运行指挥的效率。
Description
技术领域
本发明涉及数字塔台领域，尤其涉及一种基于数字孪生技术的数字塔台构建方法及其实现系统。
背景技术
随着民航的快速发展，航空业务量日趋增长，机场规模越建越大，对于大型机场，场面布局越来越复杂，基本都是多跑道、多航站楼同步运行，使得传统塔台视野局限的问题愈发严重。对于小机场，由于航班量小，日常收益有限，塔台建设的巨大投资严重影响机场效益，同时偏远地区的人员安排不便。因此，为保障机场正常安全的运行，远程塔台应运而生。
第一代远程塔台是通过视频系统和远程通信系统实现远程遥控指挥，同时通过采用大全景视频拼接手段，代替传统的目视观察。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统，也可理解为感知数据与仿真数据的映射。基于数字孪生技术的数字塔台是利用物理世界实体机场模型，结合传感器的数据以及历史数据等，在虚拟数字世界映射出一个与物理世界完全相同的数据机场模型，以反映真实实体机场运行的过程，其映射过程如图1所示。
基于数字孪生技术的数字塔台可扩展传统的视野范围，对于塔台管制员可视范围内设施和机场周边的范围，均可以进行仿真呈现，塔台管制员即使不在机场的塔台内，也能够通过三维数字塔台观察到整个机场的运行情况，实施机场管制。与传统解决方案相比，基于数字孪生技术的数字塔台将提供更具成本效益、更直观可控的解决方案，能提高指挥运行效率、增加灵活性，为塔台调度指挥提供直观可视化的解决方案。
但是，目前我国第一代远程塔台技术主要是采用摄像头拍摄的方式来扩大视野范围，因此存在以下弊端：(1)摄像头位置受限；第一代远程塔台以摄像头采集视频信息，然后进行影像拼接，影像信息受摄像头位置限制较大。(2)无法查看全景；由于摄像机镜头一个时间点只能固定对某个角度进行拍摄，远程塔台大屏幕只能显示机场部分场景信息，无法在同一界面内显示完整的机场情况。(3)存在视野盲区；受摄像头安装位置、数量、转动角度等多种因素的影响，视频拼接影像存在视野盲区，有些关键位置无法看到。(4)场景拼接存在失真变形；第一代远程塔台多使用全景拼接技术，由于视频的拼接色彩差异、画面重叠、盲区无法拼接、摄像头角度不可覆盖等多种原因，场景拼接影像中存在失真变形，且有时有黑屏现象。(5)数据量大，存在延迟；第一代远程塔台采用视频信息，影像数据文件大，存在传输延迟及存储量巨大问题。
发明内容
本发明的目的在于解决背景技术所指出的技术问题，提供一种基于数字孪生技术的数字塔台构建方法及其实现系统，通过数字监视手段实现场面态势监视，摆脱了场地的束缚，观测角度及高度还可随意调整，使塔台管制实现场面数字3D展示、场面态势视频可视、场面航班与动态目标可管，从而可提高机场运行指挥的效率。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于数字孪生技术的数字塔台构建方法，包括以下步骤：
A.建立数据资源；数据资源包括航空器数据，车辆数据，机场地面数据，机场三维模型数据，空管运行数据以及机场场面高精度地理信息数据；
航空器数据包括通过监视系统采集的航空器位置数据和状态数据，车辆数据包括通过定位系统采集的车辆位置数据和状态数据，机场地面包括通过视频设备获取的机场场景数据和场面运行数据；
机场三维模型数据包括机场区域地形模型数据，机场建筑物三维模型数据，机场人员模型数据，航空器模型数据以及车辆模型数据；
B.对数据资源进行数据处理，包括对数据资源进行存储、预处理、解析、融合、分析处理以及对数据进行管理；
C.通过数字孪生建模仿真技术将经过数据处理后的各数据映射在数字塔台可视化显示界面上进行可视化显示，数字塔台可视化显示界面显示内容至少包括仿真三维机场的动态显示、查询服务、监控预警提示以及视频监控；仿真三维机场包括机场场景和场面，机场建筑物，机场人员，航空器以及车辆。
优选地，步骤A中机场建筑物三维模型，机场人员模型，航空器模型以及车辆模型均通过建模的方式建立模型；机场区域地形模型通过地形测绘、机场平面图和GIS信息获取的方式建立模型。
优选地，步骤A中监视系统采用ADS-B系统和/或雷达站，定位系统采用GPS定位系统和/或BDS定位系统，视频采集设备采用摄像机。
优选地，步骤B中数据预处理包括对数据进行数据清洗、数据集成、数据变换以及数据归约四个步骤的处理。
优选地，步骤C中数字塔台可视化显示界面显示内容还包括电子围栏和权限管理；查询服务包括航空器定位查询，机场车辆定位查询，监控视频回放，三维机场动态显示回放。
优选地，步骤C中监控预警提示对仿真三维机场内出现的异常情况进行预警提示。
一种基于数字孪生技术的数字塔台构建方法的实现系统，包括物理层，数据层，数据处理层以及应用层；物理层包括用于采集航空器数据的监视系统，用于采集机场车辆数据的定位系统，以及用于采集机场场景和场面运行数据的视频采集设备；数据层包括航空器数据，车辆数据，机场地面数据，机场三维模型数据，空管运行数据以及机场场面高精度地理信息数据；航空器数据包括通过监视系统采集的航空器位置数据和状态数据，车辆数据包括通过定位系统采集的车辆位置数据和状态数据，机场地面包括通过视频设备获取的机场场景数据和场面运行数据；机场三维模型数据包括机场区域地形模型数据，机场建筑物三维模型数据，机场人员模型数据，航空器模型数据以及车辆模型数据；数据处理层包括用于对数据层进行处理的数据处理系统和用于存储数据层各数据的数据存储系统，数据处理系统包括数据预处理系统、数据解析系统、数据融合系统、数据分析系统以及数据管理系统；应用层为数字塔台可视化显示界面，显示内容包括仿真三维机场的动态显示、查询服务、监控预警提示、以及视频监控。
优选地，物理层的监视系统为ADS-B系统和/或雷达站，定位系统为GPS定位系统和/或BDS定位系统，视频采集设备为摄像机。
优选地，数据层的机场建筑物三维模型，机场人员模型，航空器模型以及车辆模型均通过建模的方式建立模型；机场区域地形模型通过地形测绘、机场平面图和GIS信息获取的方式建立模型。
优选地，应用层的数字塔台可视化显示界面显示内容还包括电子围栏和权限管理；查询服务包括航空器定位查询，机场车辆定位查询，监控视频回放，三维机场动态显示回放；监控预警提示能对仿真三维机场内出现的异常情况进行预警提示。
本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明构建数字塔台的方法步骤简单，通过数字监视手段实现场面态势监视，摆脱了场地的束缚，观测角度及高度还可随意调整，使塔台管制实现场面数字3D展示、场面态势视频可视、场面航班与动态目标可管，从而可提高机场运行指挥的效率。
(2)本发明的机场建筑物三维模型，机场人员模型，航空器模型以及车辆模型均通过建模的方式建立模型；机场区域地形模型通过地形测绘、机场平面图和GIS信息获取的方式建立模型，实施过程简单，且数据来源可靠，从而使虚拟的三维机场能够真实的反应真实机场的情况。
(3)本发明的监视系统采用ADS-B系统和/或雷达站，定位系统采用GPS定位系统和/或BDS定位系统，视频采集设备采用摄像机，实施时可将摄像机广泛的设置在机场各处，通过监视系统、定位系统以及视频采集设备可实现对机场场面态势的监视，摆脱了场地的束缚，观测角度及高度还可随意调整，甚至可将观测点放置于跑道上方。
(4)本发明通过预处理对数据进行数据清洗、数据集成、数据变换以及数据归约四个步骤的处理，可改善数据质量、提升数据分析的可靠性。
(5)本发明的数字塔台可视化显示界面显示内容还包括电子围栏和权限管理；查询服务包括航空器定位查询，机场车辆定位查询，监控视频回放，三维机场动态显示回放，可以将静态信息与动态信息统一集成，实现可视化的机场基本信息查询、运行状态展示、实时状态查看，从而可辅助塔台调度和机场运行管理指挥。
(6)本发明的监控预警提示对仿真三维机场内出现的异常情况进行预警提示，可及时提示空管人员进行处理，因此极大地提高了机场管理部门对异常情况处理的效率。
(7)本发明实现数字塔台的系统结构简单，通过数字孪生技术将机场的真实场景映射到应用层的虚拟场景下，使用所获取到的航空器、车辆等一系列数据用于驱动虚拟场景中的航空器、车辆等，从而能够在应用层映射出机场的真实场景，从而可便于机场运行指挥。
附图说明
图1为本发明背景技术中基于数字孪生技术的数字塔台映射示意图；
图2为本发明的数字塔台系统的原理结构示意简图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：
实施例
如图2所示，本发明的一种基于数字孪生技术的数字塔台构建方法，其方法包括：
A.建立数据资源；数据资源包括航空器数据，车辆数据，机场地面数据，机场三维模型数据，空管运行数据以及机场场面高精度地理信息数据。其中，航空器数据可通过监视系统采集获得，监视系统可采用ADS-B系统和/或雷达站来实现，航空器数据包括航空器的ID；航空器的位置如航空器的经纬度；航空器的状态：飞行状态包括飞行高度、滑行状态、停机状态；航班号等相关数据。航空器的相关数据还可通过空管自动化系统采集获得。车辆数据则可通过定位系统采集获得，定位系统可采用GPS定位系统和/或BDS定位系统来实现，车辆数据包括车辆的ID；车辆的位置如车辆的经纬度；车辆的状态：运行状态或停车状态；车辆的速度等相关数据。本发明所说的航空器和车辆是指机场内的航空器和车辆，具体是指机场内运行的需要进行管制的航空器和车辆。
空管运行数据可通过空管自动化系统采集获得，航空器的航班号、飞行状态等相关数据也可通过空管自动化系统采集获得。机场地面包括机场场景数据和场面运行数据，机场地面数据可通过视频设备获取得到，视频采集设备可采用摄像机来实现，摄像机可广泛的设置在机场各处。
机场三维模型数据包括机场区域地形模型数据，机场建筑物三维模型数据，机场人员模型数据，航空器模型数据以及车辆模型数据。其中，机场建筑物三维模型，机场人员模型，航空器模型以及车辆模型均可通过建模的方式建立模型；而机场区域地形模型则可通过地形测绘、机场平面图和GIS信息平台获取的方式建立模型。
B.对数据资源进行数据处理，包括对数据资源进行存储、预处理、解析、融合、分析处理以及对数据进行管理。具体的，数据存储是将数据资源的所有数据通过网络传输到存储系统中进行存储。数据预处理则是对原数据中可能存在的数据缺失值；噪声数据如车辆和航空器的位置异常数据、速度异常数据、位置异常数据、重复记录的数据等数据；以及数据异常点等问题，通过对数据进行数据清洗、数据集成、数据变换以及数据归约四个步骤的处理来改善数据质量、提升数据分析的可靠性。数据的解析是将获取到的源数据进行解码，然后将解析好的数据进行数据融合处理，融合后再对数据进行分析处理。数据管理则可对所有数据进行分类管理，以便于查询或使用数据。
C.通过数字孪生建模仿真技术将经过数据处理后的各数据映射在数字塔台可视化显示界面上进行可视化显示，数字塔台可视化显示界面显示内容至少包括仿真三维机场的动态显示、查询服务、监控预警提示以及视频监控；仿真三维机场包括机场场景和场面，机场建筑物，机场人员，航空器以及车辆。通过数字孪生技术可将机场的真实场景映射到虚拟场景下，使用所获取到的航空器、车辆等一系列数据用于驱动虚拟场景中的航空器、车辆等，从而能够在虚拟场景下映射出真实场景。监控预警提示可对仿真三维机场内出现的航空器冲出跑道、航空器起飞中断、人员入侵跑道等一些异常情况进行预警提示，从而可及时提示空管人员进行处理。同时，数字塔台可视化显示界面显示内容还可以包括电子围栏和权限管理；查询服务则可以包括航空器定位查询，机场车辆定位查询，监控视频回放，三维机场动态显示回放。
本发明通过数字监视手段实现对机场场面态势的监视，摆脱了场地的束缚，观测角度及高度还可随意调整，使塔台管制实现场面数字3D展示、场面态势视频可视、场面航班与动态目标可管，而监控预警提示还可及时提示空管人员对异常情况进行及时处理，从而极大地提高了机场运行指挥的效率。
本发明的一种基于数字孪生技术的数字塔台构建方法的实现系统，包括物理层，数据层，数据处理层以及应用层。具体的，物理层包括用于采集航空器数据的监视系统，用于采集机场车辆数据的定位系统，以及用于采集机场场景和场面运行数据的视频采集设备。其中，监视系统可以采用ADS-B系统和/或雷达站来实现，定位系统可采用GPS定位系统和/或BDS定位系统来实现，视频采集设备则可采用摄像机来实现，摄像机可设置在机场各处。本发明通过监视系统、定位系统以及视频采集设备可实现对机场场面态势的监视，摆脱了场地的束缚，观测角度及高度还可随意调整，甚至可将观测点放置于跑道上方。
数据层包括航空器数据，车辆数据，机场地面数据，机场三维模型数据，空管运行数据以及机场场面高精度地理信息数据；航空器数据包括通过监视系统采集的航空器位置数据和状态数据，车辆数据包括通过定位系统采集的车辆位置数据和状态数据，机场地面包括通过视频设备获取的机场场景数据和场面运行数据；机场三维模型数据包括机场区域地形模型数据，机场建筑物三维模型数据，机场人员模型数据，航空器模型数据以及车辆模型数据。机场建筑物三维模型，机场人员模型，航空器模型以及车辆模型均通过使用建模软件建模的方式建立模型；机场区域地形模型通过地形测绘、机场平面图和GIS信息平台获取的方式建立模型。
数据处理层包括数据处理系统和数据存储系统，数据存储系统与数据层通过网络通信连接，用于存储数据层的各数据，可采用存储器来实现。实施时可将监视系统、定位系统以及视频设备使用网络通信连接的方式将各数据存储在存储器上，而模型数据、地形测绘、机场平面图以及GIS信息平台数据则可通过直接导入的方式导入到存储器上进行存储。数据处理系统与数据存储系统也通过网络通信连接，用于对数据层的数据进行处理，可采用中央处理器来实现。数据处理系统包括数据预处理系统、数据解析系统、数据融合系统、数据分析系统以及数据管理系统；数据预处理系统是对原数据中可能存在的数据缺失值；噪声数据如车辆和航空器的位置异常数据、速度异常数据、位置异常数据、重复记录的数据等数据；以及数据异常点等问题，通过对数据进行数据清洗、数据集成、数据变换以及数据归约四个步骤的处理来改善数据质量、提升数据分析的可靠性。数据解析系统是将获取到的源数据进行解码，数据融合系统将解析好的数据进行数据融合处理，数据分析系统对融合后的数据进行分析处理，进而进行可视化展示，形成基于数字孪生技术的数字塔台系统。数据管理则可对所有数据进行分类管理，以便于查询或使用数据。
应用层为数字塔台可视化显示界面，显示内容包括仿真三维机场的动态显示、查询服务、监控预警提示、以及视频监控。本发明通过数字孪生技术将机场的真实场景映射到应用层的虚拟场景下，使用所获取到的航空器、车辆等一系列数据用于驱动虚拟场景中的航空器、车辆等，从而能够在应用层映射出真实场景。数字塔台可视化显示界面显示内容还可以包括电子围栏和权限管理；查询服务包括航空器定位查询，机场车辆定位查询，监控视频回放，三维机场动态显示回放；监控预警提示能对仿真三维机场内出现的航空器冲出跑道、航空器起飞中断、人员入侵跑道等一些异常情况进行预警提示，从而可及时提示空管人员进行处理，极大地提高了机场运行指挥处理异常情况的效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于数字孪生技术的数字塔台构建方法的实现系统，其特征在于：实现系统包括物理层，数据层，数据处理层以及应用层；
物理层包括用于采集航空器数据的监视系统，用于采集机场车辆数据的定位系统，以及用于采集机场场景和场面运行数据的视频采集设备；
数据层包括航空器数据，车辆数据，机场地面数据，机场三维模型数据，空管运行数据以及机场场面高精度地理信息数据；航空器数据包括通过监视系统采集的航空器位置数据和状态数据，车辆数据包括通过定位系统采集的车辆位置数据和状态数据，机场地面包括通过视频设备获取的机场场景数据和场面运行数据；机场三维模型数据包括机场区域地形模型数据，机场建筑物三维模型数据，机场人员模型数据，航空器模型数据以及车辆模型数据；机场建筑物三维模型，机场人员模型，航空器模型以及车辆模型均通过使用建模软件建模的方式建立模型；机场区域地形模型通过地形测绘、机场平面图和GIS信息平台获取的方式建立模型；
数据层的机场建筑物三维模型，机场人员模型，航空器模型以及车辆模型均通过建模的方式建立模型；机场区域地形模型通过地形测绘、机场平面图和GIS信息获取的方式建立模型；
数据处理层包括用于对数据层进行处理的数据处理系统和用于存储数据层各数据的数据存储系统，数据处理系统包括数据预处理系统、数据解析系统、数据融合系统、数据分析系统以及数据管理系统；
应用层为数字塔台可视化显示界面，显示内容包括仿真三维机场的动态显示、查询服务、监控预警提示、以及视频监控；
数字塔台构建方法包括以下步骤：
A.建立数据资源；数据资源包括航空器数据，车辆数据，机场地面数据，机场三维模型数据，空管运行数据以及机场场面高精度地理信息数据；
航空器数据包括通过监视系统采集的航空器位置数据和状态数据，车辆数据包括通过定位系统采集的车辆位置数据和状态数据，机场地面包括通过视频设备获取的机场场景数据和场面运行数据；
机场三维模型数据包括机场区域地形模型数据，机场建筑物三维模型数据，机场人员模型数据，航空器模型数据以及车辆模型数据；场建筑物三维模型，机场人员模型，航空器模型以及车辆模型均通过建模的方式建立模型；机场区域地形模型通过地形测绘、机场平面图和GIS信息获取的方式建立模型；
B.对数据资源进行数据处理，包括对数据资源进行存储、预处理、解析、融合、分析处理以及对数据进行管理；数据存储将数据资源的所有数据通过网络传输到存储系统中进行存储；数据预处理则对原数据中可能存在的数据缺失值数据清洗、数据集成、数据变换以及数据归约四个步骤的处理；数据的解析用于进行解码并将解析好的数据进行数据融合处理，融合后再对数据进行分析处理；数据管理对所有数据进行分类管理，以便于查询或使用数据；
C.通过数字孪生建模仿真技术将经过数据处理后的各数据映射在数字塔台可视化显示界面上进行可视化显示，数字塔台可视化显示界面显示内容至少包括仿真三维机场的动态显示、查询服务、监控预警提示以及视频监控；数字塔台可视化显示界面显示内容还包括电子围栏和权限管理；查询服务包括航空器定位查询，机场车辆定位查询，监控视频回放，三维机场动态显示回放；监控预警提示对仿真三维机场内出现的异常情况进行预警提示，异常情况包括航空器冲出跑道、航空器起飞中断、人员入侵跑道；仿真三维机场包括机场场景和场面，机场建筑物，机场人员，航空器以及车辆；通过数字孪生技术将机场的真实场景映射到虚拟场景下；监控预警提示对仿真三维机场内出现的航空器冲出跑道、航空器起飞中断、人员入侵跑道异常情况进行预警提示；查询服务包括航空器定位查询、机场车辆定位查询、监控视频回放和三维机场动态显示回放。
2.按照权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的数字塔台构建方法的实现系统，其特征在于：步骤A中监视系统采用ADS-B系统和/或雷达站，定位系统采用GPS定位系统和/或BDS定位系统，视频采集设备采用摄像机。
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