GIS+BIM在數(shù)字孿生機(jī)場建設(shè)中的應(yīng)用

張 雷

新疆機(jī)場（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830016

當(dāng)前國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，智慧城市建設(shè)興起，作為重要交通樞紐的機(jī)場，其建設(shè)也隨之成為行業(yè)建設(shè)關(guān)注的焦點(diǎn)。中國民用航空局提出“四型機(jī)場”建設(shè)，以平安、綠色、智慧、人文為核心，而多種技術(shù)融合創(chuàng)新應(yīng)用是當(dāng)前四型機(jī)場建設(shè)的必然選擇，GIS與BIM技術(shù)的融合創(chuàng)新應(yīng)用，為四型機(jī)場的建設(shè)提供了創(chuàng)新應(yīng)用手段。

烏魯木齊機(jī)場對標(biāo)中國民用航空局《中國民航四型機(jī)場建設(shè)行動綱要》要求，結(jié)合先進(jìn)技術(shù)在烏魯木齊機(jī)場改擴(kuò)建過程中積極探索及實(shí)踐，建立了全國機(jī)場改擴(kuò)建指揮部首個BIM管理中心，其利用BIM+GIS融合技術(shù)為機(jī)場的規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)、投運(yùn)提供了技術(shù)保障。

BIM管理中心在推廣BIM+GIS融合應(yīng)用的過程中進(jìn)行了積極探索，如對管理機(jī)構(gòu)的建立、技術(shù)培訓(xùn)、人員培訓(xùn)、應(yīng)用場景等方面進(jìn)行了大量的前期準(zhǔn)備工作。文章通過烏魯木齊機(jī)場建設(shè)對GIS+BIM融合技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行具體論述。

1 數(shù)字孿生機(jī)場建設(shè)的必要技術(shù)手段

數(shù)字孿生機(jī)場是智慧機(jī)場的起點(diǎn)，是智慧機(jī)場的基礎(chǔ)設(shè)施，其以構(gòu)建機(jī)場的數(shù)字模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)物理機(jī)場與數(shù)字機(jī)場之間的虛實(shí)映射和實(shí)時交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、智能運(yùn)行、協(xié)同高效、生產(chǎn)要素全面物理的智慧機(jī)場。

數(shù)字孿生機(jī)場主要包括以下三個層面：（1）物理表達(dá)。用GIS、BIM、三維仿真等技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)場空域、地面、地下三位一體的空間建模，以及航空器、車輛、設(shè)施設(shè)備的空間表達(dá)，完成機(jī)場的物理仿真。（2）智能感知。利用物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)，采集并傳輸機(jī)場重要設(shè)備設(shè)施的實(shí)時狀態(tài)及運(yùn)行趨勢，實(shí)現(xiàn)機(jī)場的智能感知。（3）業(yè)務(wù)融合。對人員、設(shè)備、組織的表達(dá)與管理包括業(yè)務(wù)流程的各類應(yīng)用，通過對業(yè)務(wù)流程的表達(dá)和優(yōu)化促進(jìn)智慧決策。

GIS+BIM技術(shù)是數(shù)字孿生機(jī)場建設(shè)的重要技術(shù)手段之一，為數(shù)字孿生機(jī)場中的物理表達(dá)提供了重要的數(shù)據(jù)源，在機(jī)場建設(shè)中GIS及BIM的集成應(yīng)用貫穿于機(jī)場規(guī)劃、設(shè)計、實(shí)施、運(yùn)營的全生命周期之中，如工程建設(shè)管理、工程規(guī)劃設(shè)計、機(jī)場設(shè)施管理和應(yīng)急救援等方面。

2 GIS+BIM的應(yīng)用方向

過去GIS與BIM立足于各自領(lǐng)域發(fā)揮各自的作用，隨著時代與技術(shù)的發(fā)展二者逐漸走向跨界融合：BIM需要GIS將BIM帶入更宏觀的場景，實(shí)現(xiàn)對宏觀情況的全盤掌握、統(tǒng)一調(diào)度；GIS需要BIM使GIS突破室內(nèi)外的隔閡，做到室內(nèi)外的無縫連接一體化應(yīng)用。

GIS與BIM融合技術(shù)在交通、水利、建筑、能源等行業(yè)應(yīng)用廣泛，包括道路、軌道的工程規(guī)劃設(shè)計、城市的規(guī)劃設(shè)計、綜合管廊管理、消防救援、培訓(xùn)教育、旅游和休閑活動、交通流量分析等諸多領(lǐng)域。二者融合后在分析精度、工程質(zhì)量、成本控制、決策效率等方面的應(yīng)用有明顯效果。

BIM需要GIS。單體BIM精細(xì)化模型通過GIS宏觀大場景進(jìn)行完美展示，離開GIS宏觀地理環(huán)境將無法突顯其價值。同時GIS通過宏觀地理環(huán)境研究，為BIM提供決策支持，如綜合管網(wǎng)的空間碰撞分析、應(yīng)急救援路徑規(guī)劃。

GIS需要BIM。BIM數(shù)據(jù)包括的空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)是GIS數(shù)據(jù)的重要來源之一，實(shí)現(xiàn)了GIS宏觀到微觀的一體化應(yīng)用，促進(jìn)了精細(xì)化、智能化的業(yè)務(wù)管理，融合室內(nèi)BIM數(shù)據(jù)后為室內(nèi)外管理一體化應(yīng)用提供了新的技術(shù)手段。

GIS+BIM在數(shù)據(jù)及應(yīng)用方面有重疊點(diǎn)，如空間分析、數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式、信息管理等方面，因此二者的融合產(chǎn)生了無限的可能。

3 BIM轉(zhuǎn)換GIS的過程

3.1 BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

（1）BIM模型數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。當(dāng)前GIS與BIM融合以Gity GML和IFC兩個標(biāo)準(zhǔn)為主，包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展兩個方式。BIM生命周期伴隨建筑的規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)維，產(chǎn)生了大量的BIM數(shù)據(jù)，其包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。將BIM模型數(shù)據(jù)通過格式轉(zhuǎn)換以Web接口方式共享出來，并導(dǎo)入GIS平臺中展示，供機(jī)場其他部門及服務(wù)商進(jìn)行調(diào)用，處理流程如下：①BIM數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換成slpk格式的三維數(shù)據(jù)和xml格式的屬性數(shù)據(jù)；②slpk格式中保留ID字段和xml中對應(yīng)；③slpk數(shù)據(jù)發(fā)布到GIS平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)展示；④xml格式的屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，編寫Web接口，供Web端使用；⑤使用GIS平臺SDK for JavaScript展示BIM數(shù)據(jù)，在需要時根據(jù)ID請求Web接口獲取BIM數(shù)據(jù)的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。

（2）數(shù)據(jù)輕量化。BIM模型數(shù)據(jù)是單體建筑，GIS需要管理機(jī)場區(qū)域的BIM數(shù)據(jù)，這就要求不僅要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，同時要進(jìn)行數(shù)據(jù)輕量化和優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)BIM輕量化，首先，要利用原生LOD技術(shù)將BIM中的三維對象參數(shù)三角化成三角網(wǎng)，進(jìn)而生成不同細(xì)節(jié)層次的GIS模型，即將BIM模型生成不同精度和顯示層級；其次，利用實(shí)例化技術(shù)將BIM模型中大量共用對象進(jìn)行優(yōu)化處理，結(jié)合GIS坐標(biāo)位置實(shí)現(xiàn)復(fù)用模型化，提高實(shí)例化的渲染效率。

綜上所述，BIM數(shù)據(jù)作為GIS的數(shù)據(jù)源，可通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換手段將BIM數(shù)據(jù)的幾何信息和屬性信息進(jìn)行無損分離，將幾何信息和屬性信息剝離分開存儲。同時對BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，進(jìn)而完成BIM模型數(shù)據(jù)的輕量化處理，根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求對數(shù)據(jù)和圖層進(jìn)行集中管理使用完成優(yōu)化處理，使得GIS平臺實(shí)現(xiàn)從宏觀走向微觀，從室外走向室內(nèi)的一體化。

3.2 GIS利用BIM數(shù)據(jù)

（1）BIM模型在GIS平臺中的表達(dá)。GIS三維體對象模型需集成三角化的BIM模型數(shù)據(jù)，在GIS中進(jìn)行三維空間關(guān)系、運(yùn)算、分析的展示，為機(jī)場的規(guī)劃設(shè)計提供技術(shù)支持。

（2）BIM單體之間的互聯(lián)表示。單體BIM模型之間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系通過GIS空間網(wǎng)絡(luò)模型中的三維網(wǎng)絡(luò)空間模型進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)聯(lián)表達(dá)，從而為機(jī)場中綜合管網(wǎng)及專業(yè)的水電氣管網(wǎng)提供爆管網(wǎng)絡(luò)分析、碰撞分析等提供技術(shù)支持，避免盲目施工給機(jī)場帶來安全問題。

（3）三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。BIM平面坐標(biāo)與GIS的地理坐標(biāo)隸屬不同坐標(biāo)系統(tǒng)，通過成熟的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具將二者之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)二者數(shù)據(jù)的精確匹配，避免在GIS渲染時的漏洞和格列茨曼等問題，從而滿足機(jī)場在規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)營管理過程中對數(shù)據(jù)的精度要求。

（4）BIM與GIS多源數(shù)據(jù)融合匹配。通過對BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一坐標(biāo)化以及標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求將海量的BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化及優(yōu)化處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的平滑銜接以及紋理的自然銜拼接。

（5）BIM三維空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。GIS+BIM應(yīng)用越來越廣泛，但缺乏統(tǒng)一的三維空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系，限制三維數(shù)據(jù)的共享和互操作。通過將BIM三維空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、交換和高性能可視化，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的web端以及移動端的相關(guān)應(yīng)用。

4 GIS+BIM的具體應(yīng)用

烏魯木齊機(jī)場秉承“智慧機(jī)場建設(shè)運(yùn)營一體化”理念，利用GIS與BIM融合技術(shù)貫穿于機(jī)場規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)營的全生命周期建設(shè)過程，滿足建設(shè)方、運(yùn)營方等多主體、多單位的需求，從以下應(yīng)用方面進(jìn)行了積極探索。

4.1 機(jī)場規(guī)劃設(shè)計階段

在機(jī)場前期規(guī)劃設(shè)計中，GIS+BIM任務(wù)明確，作用明顯。GIS的應(yīng)用側(cè)重地理環(huán)境的宏觀規(guī)劃，對宏觀場景信息進(jìn)行分析與管理，從宏觀角度對機(jī)場工程分布進(jìn)行規(guī)劃定義。BIM對機(jī)場局部建筑、設(shè)施、飛行區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化表達(dá)，并通過GIS的宏觀大場景進(jìn)行室內(nèi)外一體化展示。

基于GIS的宏觀地理環(huán)境結(jié)合單體BIM的微觀精細(xì)化，機(jī)場設(shè)計團(tuán)隊可以在虛擬的物理環(huán)境中查看3D模型，并與之互動，探索之前無法看見的建筑性能。讓工作人員足不出戶就能進(jìn)入建筑設(shè)計、工程施工的各種虛擬模型場景，獲得實(shí)境體驗，參與討論設(shè)計方案、施工現(xiàn)場的變更等，幫助用戶在混合現(xiàn)實(shí)（MR）中進(jìn)行三維模型的協(xié)同設(shè)計與討論，從而解決更多復(fù)雜的空間問題。

重點(diǎn)場景仿真主要有交通仿真，滑行路線仿真，旅客排隊仿真，旅客進(jìn)港、離港仿真，如圖1所示。

圖1 規(guī)劃設(shè)計仿真評估

4.2 機(jī)場運(yùn)營階段

（1）飛行區(qū)運(yùn)行管理?；贕IS+BIM等技術(shù)構(gòu)建的數(shù)字孿生服務(wù)平臺，接入機(jī)場場面上航空器的實(shí)時位置、車輛的實(shí)時位置、機(jī)位實(shí)時狀態(tài)、場面實(shí)時視頻、氣象信息、廊橋位等，使場區(qū)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)一目了然，進(jìn)行全景虛實(shí)結(jié)合的綜合監(jiān)控管理。同時基于數(shù)字孿生服務(wù)平臺可直觀查看當(dāng)前航班保障進(jìn)程狀態(tài)，以及詳細(xì)的保障進(jìn)程信息，包括所有保障進(jìn)程節(jié)點(diǎn)、已完成節(jié)點(diǎn)的計劃時間或?qū)嶋H時間、正在保障的節(jié)點(diǎn)、未進(jìn)行的節(jié)點(diǎn)、預(yù)計保障完成的時間等。

（2）機(jī)場智能安防監(jiān)控。立足于平安機(jī)場建設(shè)，利用GIS+BIM等技術(shù)構(gòu)建三維機(jī)場并接入機(jī)場安防監(jiān)控、門禁、周界、機(jī)場集成等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對航空器、車輛、人員、設(shè)施設(shè)備等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，針對人群異常聚集、危險人員識別、人員跟蹤、報警聯(lián)動等事件，可通過三維機(jī)場迅速定位事件發(fā)生地點(diǎn)，防治并處理突發(fā)事件，突破傳統(tǒng)安防監(jiān)控的模式，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無縫對接一體化展示的安防監(jiān)控管理，為管理人員提供了技術(shù)手段，提升了其工作效率。

（3）智慧管網(wǎng)。秉承機(jī)場設(shè)計建設(shè)運(yùn)營一體化理念，利用機(jī)場建設(shè)中移交的數(shù)字資產(chǎn)，充分利用BIM和GIS融合技術(shù)對機(jī)場航站樓內(nèi)和飛行區(qū)、公共區(qū)地下水電氣管線進(jìn)行三維建模，模擬其供水、電、氣傳導(dǎo)路線，利用傳感器檢測與感知水電氣運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，基于GIS宏觀空間分析能力對其進(jìn)行故障排除以及周邊影響分析。

（4）機(jī)場資產(chǎn)管理。針對機(jī)場航站樓基礎(chǔ)資源、運(yùn)行資源、旅服資源、管網(wǎng)及弱電等專業(yè)資產(chǎn)資源存在的資產(chǎn)管理不明或位置錯亂問題，可以單體BIM的精細(xì)建筑模型為載體，結(jié)合GIS宏觀地理信息環(huán)境和物聯(lián)網(wǎng)、GNSS等技術(shù)，通過二維電子地圖、360°實(shí)景、三維模型、BIM模型多元化方式直觀展示資源的分布與位置，實(shí)現(xiàn)資源的可視化呈現(xiàn)。將機(jī)場建筑中的設(shè)施設(shè)備與BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并通過相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)手段感知相關(guān)設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)及狀態(tài)監(jiān)控，并置于GIS宏觀大環(huán)境中，在相關(guān)設(shè)備設(shè)施出現(xiàn)隱患時對周邊的影響進(jìn)行分析。

（5）應(yīng)急救援演練。當(dāng)前的機(jī)場應(yīng)急救援演練局限于室外GIS路徑規(guī)劃，對建筑室內(nèi)結(jié)構(gòu)、資源分布、救援路徑涉及較少，而GIS+BIM的融合應(yīng)用拓展了應(yīng)急救援演練的空間及深度，基于BIM精細(xì)模型，可對救援響應(yīng)時間、應(yīng)急事件處理、人員應(yīng)急疏散等提供技術(shù)支持。BIM數(shù)據(jù)輕量化轉(zhuǎn)為GIS數(shù)據(jù)時，置于GIS宏觀環(huán)境中，對應(yīng)急救援路徑的規(guī)劃提供技術(shù)支持，基于BIM三維模型結(jié)構(gòu)，對消防災(zāi)害發(fā)生一定時間內(nèi)的煙霧、火勢、人員等情況進(jìn)行模擬，動態(tài)化生成逃生方案。GIS+BIM的融合應(yīng)用為當(dāng)前應(yīng)急救援工作提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，突破了傳統(tǒng)的室內(nèi)外救援隔離的視覺障礙。

（6）機(jī)場商業(yè)管理。利用BIM+GIS技術(shù)展示機(jī)場航站樓宏觀微觀信息、整理和收集航站樓內(nèi)的各種商業(yè)資源，為機(jī)場和商戶提供精確全面實(shí)時的商業(yè)資源信息，對航站樓內(nèi)的商業(yè)資源、租戶信息、商鋪?zhàn)庥寐?、人流量、?jīng)濟(jì)收益等進(jìn)行可視化的維護(hù)、查詢、統(tǒng)計與分析等管理，并可對每個資源的商業(yè)指標(biāo)進(jìn)行專題統(tǒng)計分析，以及時直觀地掌握航站樓內(nèi)商業(yè)資源的基本信息，提高對商業(yè)資源的管理水平，合理地分配商業(yè)資源，實(shí)現(xiàn)收益最大化。

（7）機(jī)場能源管理。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成機(jī)場能源生產(chǎn)及消耗的各類資源及設(shè)備信息，包括但不限于各能源生產(chǎn)系統(tǒng)（電力、水、氣、冷暖等系統(tǒng)）及能源消耗系統(tǒng)（IBMS、電力SCADA等消耗系統(tǒng)）等。結(jié)合GIS+BIM技術(shù)構(gòu)建的三維模型，接入能源生產(chǎn)管理及能源消耗管理采集的數(shù)據(jù)，對機(jī)場范圍內(nèi)能源生產(chǎn)消耗系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一的狀態(tài)監(jiān)視及視圖展示，使工作人員總覽機(jī)場能源運(yùn)行情況。

5 結(jié)束語

BIM及GIS融合在智慧機(jī)場建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用價值，是機(jī)場精細(xì)化、智慧化管理的必要技術(shù)手段。二者的數(shù)據(jù)融合應(yīng)用已在機(jī)場規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)營方面取得了一定的成果并積累了一定的經(jīng)驗。數(shù)字孿生機(jī)場是傳統(tǒng)數(shù)字機(jī)場的終點(diǎn)，也是智慧機(jī)場的起點(diǎn)，要建設(shè)好智慧機(jī)場首先要建設(shè)數(shù)字孿生機(jī)場，而BIM與GIS融合在其建設(shè)中是必不可少的技術(shù)手段，其采集感知的數(shù)據(jù)將成為數(shù)字孿生機(jī)場、數(shù)字孿生體建設(shè)的重要數(shù)據(jù)源。如何拓展GIS+BIM的融合應(yīng)用價值及其在數(shù)字孿生機(jī)場中的應(yīng)用空間，是下一步關(guān)注的焦點(diǎn)。